數(shù)字孿生——

制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進(jìn)步，人們的物質(zhì)生活日益豐富，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的智能化、個(gè)性化需求也越來(lái)越多。如何提高生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，采取更靈活、柔性的生產(chǎn)模式，提高資源和能源利用率，快速響應(yīng)市場(chǎng)智能化、個(gè)性化、多變的需求是當(dāng)今全球工業(yè)面臨的主要問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，全球主要工業(yè)強(qiáng)國(guó)，紛紛提出各自的智能制造戰(zhàn)略愿景規(guī)劃，像德國(guó)提出“工業(yè)4.0”，美國(guó)提出“制造業(yè)復(fù)興計(jì)劃”，我國(guó)提出“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略。數(shù)字孿生技術(shù)作為構(gòu)建元宇宙的核心技術(shù)之一，與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、大數(shù)據(jù)，云計(jì)算、人工智能、3D可視化等一系列技術(shù)，可以構(gòu)建出現(xiàn)實(shí)世界物體的虛擬鏡像，在幾何形狀、物理模型、行為狀態(tài)等方面進(jìn)行模擬、仿真、預(yù)測(cè)和輔助決策，從而能有效解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)智能制造的愿景。

1.數(shù)字孿生的起源

“孿生”的概念最早起源于美國(guó)國(guó)家航空航天局的“阿波羅計(jì)劃”。數(shù)字孿生(“Digital Twin”)這一概念最早由美國(guó)的Michael Grieves博士于2002年在密西根大學(xué)和NASA的研討會(huì)上提出。在他看來(lái)，隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性日益增加，現(xiàn)代產(chǎn)品系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、企業(yè)系統(tǒng)本質(zhì)上是都屬于復(fù)雜系統(tǒng)。為了優(yōu)化、預(yù)測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)的性能，我們需要一個(gè)可觀測(cè)的數(shù)字化模型，一個(gè)產(chǎn)品的多物理場(chǎng)、綜合性的數(shù)字化表示，以便于在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中維護(hù)和重復(fù)使用在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的數(shù)字信息，通過(guò)分析和挖掘產(chǎn)品或設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，傳感器數(shù)據(jù)，操作歷史數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)診斷、行為預(yù)測(cè)，智能調(diào)度。此外，通過(guò)積累數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例，工業(yè)大數(shù)據(jù)分析師可以評(píng)估特定系列設(shè)備及其部件、并反饋給產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和工藝設(shè)計(jì)師、用于產(chǎn)品和工藝的持續(xù)改進(jìn)，最終形成閉環(huán)的數(shù)字孿生。直到2010年，“Digital Twin”一詞在NASA的技術(shù)報(bào)告中被正式提出；2012年，美國(guó)國(guó)家航空航天局與美國(guó)空軍聯(lián)合發(fā)表了關(guān)于數(shù)字孿生的論文，重點(diǎn)應(yīng)用于未來(lái)飛行器發(fā)展。2015 - 2020年為數(shù)字孿生應(yīng)用萌芽期，各大工業(yè)軟件巨頭紛紛布局?jǐn)?shù)字孿生業(yè)務(wù)。近2年數(shù)字孿生進(jìn)入了快速發(fā)展期，數(shù)字孿生與AI、AR/VR等新興技術(shù)融合，廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)。

2.數(shù)字孿生的典型特征

數(shù)字孿生的本質(zhì)是信息建模，旨在為現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體對(duì)象在數(shù)字虛擬世界中構(gòu)建數(shù)字模型，但數(shù)字孿生涉及的信息建模已不再是基于傳統(tǒng)的底層信息傳輸格式的建模,而是對(duì)實(shí)體對(duì)象外部形態(tài)、內(nèi)部機(jī)理和運(yùn)行關(guān)系等方面的整體抽象描述。其難度和應(yīng)用效果相較于傳統(tǒng)建模呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，主要表現(xiàn)為數(shù)字孿生可以有多個(gè)變身，即根據(jù)不同用途和場(chǎng)景構(gòu)建形態(tài)各異的數(shù)字模型。

數(shù)字孿生中的物理對(duì)象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接，因此數(shù)字孿生具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實(shí)體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立“表達(dá)”的等同。

數(shù)字孿生技術(shù)具備集成、添加和替換數(shù)字模型的能力，能夠針對(duì)多尺度、多物理、多層級(jí)的模型內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展。

數(shù)字孿生技術(shù)要求數(shù)字化，即以一種計(jì)算機(jī)可識(shí)別和處理的方式管理數(shù)據(jù)以對(duì)隨時(shí)間軸變化的物理實(shí)體進(jìn)行表征。表征的對(duì)象包括外觀、狀態(tài)、屬性、內(nèi)在機(jī)理，形成物理實(shí)體實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)字虛體映射。

數(shù)字孿生的保真性指描述數(shù)字虛體模型和物理實(shí)體的接近性。要求虛體和實(shí)體不僅要保持幾何結(jié)構(gòu)的高度仿真，在狀態(tài)、相態(tài)和時(shí)態(tài)上也要仿真。值得一提的是在不同的數(shù)字孿生場(chǎng)景下，同一數(shù)字虛體的仿真程度可能不同。例如工況場(chǎng)景中可能只要求描述虛體的物理性質(zhì)，并不需要關(guān)注化學(xué)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié) 。

數(shù)字孿生中的數(shù)字虛體，用于描述物理實(shí)體的可視化模型和內(nèi)在機(jī)理，以便于對(duì)物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視、分析推理、優(yōu)化工藝參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)決策功能，即賦予數(shù)字虛體和物理實(shí)體一個(gè)大腦，因此數(shù)字孿生具有閉環(huán)性 。

3.數(shù)字孿生分層架構(gòu)

4.數(shù)字孿生在制造行業(yè)的應(yīng)用

? ? ? ?在產(chǎn)品的制造階段，生產(chǎn)數(shù)字孿生的主要目的是確保產(chǎn)品可以被高效、高質(zhì)量和低成本地生產(chǎn)，它所要設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證的對(duì)象主要是生產(chǎn)系統(tǒng)，包括制造工藝、制造設(shè)備、制造車間、管理控制系統(tǒng)等。通過(guò)數(shù)字孿生可以加快產(chǎn)品的導(dǎo)入時(shí)間，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低生成成本和提高產(chǎn)品的交付速度。通過(guò)數(shù)字化手段建立起來(lái)的虛擬產(chǎn)線，將產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來(lái)，提高協(xié)同效率。

? ? ? ?將產(chǎn)品信息、工藝過(guò)程信息、工廠產(chǎn)線信息和制造資源信息通過(guò)結(jié)構(gòu)化模式組織管理，達(dá)到產(chǎn)品制造過(guò)程的精細(xì)化管理，同時(shí)為制造系統(tǒng)的排產(chǎn)提供準(zhǔn)確輸入。

? ? ? ?基于一個(gè)虛擬的制造環(huán)境來(lái)驗(yàn)證和評(píng)估我們的裝配制造過(guò)程和裝配制造方法，通過(guò)產(chǎn)品的3D模型和生產(chǎn)車間現(xiàn)場(chǎng)模型，具備機(jī)械加工車間的數(shù)控加工仿真、裝配工位級(jí)人機(jī)仿真、機(jī)器人仿真等能力，從而可以進(jìn)行提前進(jìn)行虛擬評(píng)估。

? ? ? 數(shù)字化工廠柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線建設(shè)周期長(zhǎng)，投資大，自動(dòng)化控制邏輯復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作量大。通過(guò)在虛擬環(huán)境中，提前進(jìn)行產(chǎn)線的仿真調(diào)試，從而可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線的規(guī)劃、干涉、PLC的邏輯控制問(wèn)題，同時(shí)也可能以在綜合加工設(shè)備、物流設(shè)備、智能工裝、控制系統(tǒng)等各種因素中全面評(píng)估生產(chǎn)線的可行性。在實(shí)際的產(chǎn)線建設(shè)中，通過(guò)這種虛擬產(chǎn)線調(diào)試技術(shù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)計(jì)問(wèn)題，極大的降低整改成本。

? ? ? ?實(shí)現(xiàn)平面大屏和組態(tài)設(shè)計(jì)功能，可以在大屏設(shè)計(jì)器上進(jìn)行拖拽設(shè)計(jì)，并且將設(shè)備數(shù)據(jù)，或者數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)到大屏設(shè)計(jì)的組件上進(jìn)行展示；可以在網(wǎng)頁(yè)上對(duì)工業(yè)場(chǎng)景畫(huà)面進(jìn)行組態(tài)建模，形成展示。

? ? ? 通過(guò)采集生產(chǎn)線上的各種生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全部生產(chǎn)過(guò)程的可視化監(jiān)控，并且通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或者機(jī)器學(xué)習(xí)建立關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)、檢驗(yàn)指標(biāo)的監(jiān)控策略，并能對(duì)異常情況進(jìn)行及時(shí)的跟進(jìn)處理，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并不斷優(yōu)化的生產(chǎn)過(guò)程。

? ? ? ?在產(chǎn)生制造過(guò)程中，有一些裝備或設(shè)備對(duì)產(chǎn)生過(guò)程起著關(guān)鍵性的作用，一旦這種裝備異常或損壞給生產(chǎn)線帶來(lái)的損失往往也非常巨大。設(shè)備數(shù)字孿生通過(guò)建立設(shè)備的數(shù)字孿生模型，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，利用設(shè)備運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，操作數(shù)據(jù)等，再結(jié)合大數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)，就可以進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化，可預(yù)測(cè)性的維護(hù)與保養(yǎng)，減少關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備非計(jì)劃性的停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)關(guān)鍵裝備的使用壽命。

? ? ? 通過(guò)采集生產(chǎn)線上的各種生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全部生產(chǎn)過(guò)程的可視化監(jiān)控，并且通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或者機(jī)器學(xué)習(xí)建立關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)、檢驗(yàn)指標(biāo)的監(jiān)控策略，并能對(duì)異常情況進(jìn)行及時(shí)的跟進(jìn)處理，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并不斷優(yōu)化的生產(chǎn)過(guò)程。

? ? ? ?通過(guò)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)收集和智能分析，數(shù)字化開(kāi)辟了全新的維護(hù)方式，通過(guò)這種洞察力，可以預(yù)測(cè)維護(hù)機(jī)器與工廠部件的最佳時(shí)間，在設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)異?；蚱x閾值的情況下迅速做出響應(yīng)，減少生產(chǎn)設(shè)備的中斷時(shí)間，提升產(chǎn)線的產(chǎn)能。

? ? ? ?基于設(shè)備的數(shù)字孿生，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，有了這些數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)據(jù)分析和算法模型，就可以更好的了解設(shè)備實(shí)際的性能和質(zhì)量情況，為設(shè)備的設(shè)計(jì)和工藝制造提供真實(shí)的反饋，從而形成產(chǎn)品生命周期的迭代閉環(huán)。

5.華工賽百數(shù)字孿生方面的探索