數(shù)字化程度的提高和復(fù)雜制造過程自動化的趨勢已經(jīng)挖掘了可以追溯到 70 年代的技術(shù)。數(shù)字孿生是那些經(jīng)歷了多次進(jìn)步并取得巨大進(jìn)展的顛覆性技術(shù)之一，最近被 Gartner命名為戰(zhàn)略技術(shù)。制造商渴望數(shù)字孿生和虛擬調(diào)試

截至今天，技術(shù)提供商聲稱數(shù)字孿生是數(shù)據(jù)驅(qū)動生產(chǎn)、自動化的推動者，也是向工業(yè) 4.0 過渡的關(guān)鍵組成部分。數(shù)字孿生組件影響所有關(guān)鍵的產(chǎn)品生命周期階段。

什么是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)范式中的數(shù)字孿生？

在大多數(shù)來源中，數(shù)字雙胞胎主要被解釋為任何物理對象或多個對象、系統(tǒng)、流程甚至人的數(shù)字表示或有時是化身。它不僅僅是一個數(shù)字模型，因?yàn)樗€復(fù)制了支持物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備或系統(tǒng)如何工作和運(yùn)行的動態(tài)。它甚至不僅僅是經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證的 3D 計算機(jī)輔助設(shè)計模型（又名 CAD）。

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的鼎盛時期，數(shù)字孿生預(yù)示著數(shù)據(jù)驅(qū)動的制造和決策。最新的在線調(diào)查稱，51% 的公司應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來收集有關(guān)其設(shè)備健康狀況的數(shù)據(jù)。同時，37% 的受訪者表示物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備幫助他們實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)。

IoT 傳感器位于 DT 核心；該技術(shù)允許構(gòu)建預(yù)測模型以實(shí)時跟蹤物理對象的行為。DT 核心技術(shù)還了解實(shí)時行為在特定條件下的表現(xiàn)。

這些數(shù)據(jù)可以提高制造效率，減少停機(jī)期間的停機(jī)時間，甚至在產(chǎn)品發(fā)布后也能持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品。例如，如果將技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)相結(jié)合，則更容易預(yù)測已經(jīng)到達(dá)其客戶的產(chǎn)品的一些技術(shù)故障。

特斯拉保留每輛制造車輛的數(shù)字雙胞胎，并根據(jù)從多個物聯(lián)網(wǎng)傳感器接收到的數(shù)據(jù)——向車輛發(fā)送必要的更新以提高其性能。

數(shù)字孿生與 3D CAD 模型

物理對象的 3D 渲染被稱為 CAD 模型，可幫助設(shè)計人員對數(shù)字原型進(jìn)行準(zhǔn)確而全面的虛擬設(shè)計。與物理原型不同，數(shù)字原型可以輕松更改。

對于制造業(yè)，CAD 建模一直是構(gòu)建虛擬模型的經(jīng)濟(jì)有效的方法之一。3D CAD 帶來了必要的幾何數(shù)據(jù)，并找到了進(jìn)入系統(tǒng)配置、模擬和數(shù)字模型研究的途徑。

例如，汽車制造商使用 CAD 模型來優(yōu)化創(chuàng)建單個車輛粘土模型所需的時間和材料。汽車行業(yè)是這些先驅(qū)行業(yè)之一（也是軍事、航空航天和工程）。軍事、航空航天和工程在1960 年代末至 80 年代末開始使用 CAD 系統(tǒng)。

對于汽車建筑師、設(shè)計工程師和造型師來說，CAD 建模為交付車輛原型帶來了所需的靈活性。CAD 建模允許車輛進(jìn)行大量迭代，以修改車輛的人體工程學(xué)、人體測量學(xué)，并加快設(shè)計階段。

數(shù)字孿生 (DT) 是 3D CAD 模型的高級形式；主要服務(wù)于工業(yè) 4.0 和智能制造目的。

DT 與 CAD 的不同之處在于與物理對應(yīng)物的雙向通信。通過利用現(xiàn)實(shí)世界中物理雙胞胎行為的實(shí)時數(shù)據(jù)，有機(jī)會通過在虛擬環(huán)境中測試和修改參數(shù)來糾正它。

DT 可以替代 3D CAD 模型，重塑虛擬原型，并為制造商提供新產(chǎn)品的智能模型，他們可以在投資建造一個很可能重做的昂貴物理原型之前對其進(jìn)行測試和增強(qiáng)。

與 CAD 的另一個區(qū)別是，數(shù)字孿生可以應(yīng)用于產(chǎn)品生命周期管理 (PLM) 的每個階段。憑借對所有部門（包括銷售、營銷、物流、供應(yīng)鏈）可見的數(shù)據(jù)池，數(shù)字雙胞胎也可以被視為一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的工具，用于整合跨職能和地理分散的團(tuán)隊。

數(shù)字孿生類型和用例

蓬勃發(fā)展的智能制造應(yīng)取決于涵蓋產(chǎn)品生命周期關(guān)鍵階段的三種基本類型的數(shù)字孿生：

• 產(chǎn)品的數(shù)字雙胞胎模擬各種場景中的任何物理對象性能，消除了多個原型并最大限度地縮短了總開發(fā)時間。因此，制造商可以在虛擬環(huán)境中添加所需的調(diào)整，以在產(chǎn)品上線之前測試和驗(yàn)證產(chǎn)品的功能、安全性和質(zhì)量。
• 例如，勞斯萊斯使用風(fēng)扇葉片的數(shù)字雙胞胎來制造其 UltraFan 噴氣發(fā)動機(jī)，以實(shí)現(xiàn) 25% 的燃料消耗效率。
• 庫卡機(jī)器人的生產(chǎn)和維護(hù)依賴于他們的數(shù)字雙胞胎。
• 作為最大的航空航天制造商之一，波音公司獲得了其飛機(jī)的數(shù)字雙胞胎，從而使整個飛機(jī)生命周期中的首次質(zhì)量和性能提高了 40%。
• 英國的鐵路網(wǎng)絡(luò)以其 16,270 公里鐵路網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字雙胞胎令人印象深刻，該網(wǎng)絡(luò)旨在自動化設(shè)計過程，顯著節(jié)省現(xiàn)場手動測量的成本和時間。
• 另一個更不尋常的用例是涵蓋建筑、工程和施工需求的智慧城市的數(shù)字孿生。城市是隨時間變化的動態(tài)對象。
• 市政當(dāng)局向前邁進(jìn)了一步，將數(shù)字孿生技術(shù)納入其城市發(fā)展和管理戰(zhàn)略。
• 在過去的幾年里，這一趨勢越來越受到關(guān)注。截至今天，有一個城市升級計劃虛擬新加坡投資超過 7000 萬美元用于開發(fā)動態(tài) 3D 城市建模平臺。新加坡的數(shù)字孿生將允許可視化新的智能建筑如何適應(yīng)當(dāng)前的首都城市基礎(chǔ)設(shè)施以及促進(jìn)道路建設(shè)規(guī)劃、安裝等。

  在太陽能生產(chǎn)方面，可以使用陽光明媚的新加坡的 DT 來分析哪些建筑物是安裝太陽能電池板和積累最多能源的最佳選擇。太陽能預(yù)測還可以幫助根據(jù)季節(jié)預(yù)測能源消耗峰值。

• 荷蘭第二大城市鹿特丹也計劃利用城市的數(shù)字孿生來改善基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)、能源效率、道路和水上交通，以及優(yōu)化消防員在緊急情況下的工作等。
• 然而，英國計劃通過創(chuàng)建一個名為“Brit-twin”的國家 DT來搶占上述城市的風(fēng)頭，這將是整個英國基礎(chǔ)設(shè)施的全面數(shù)字復(fù)制品。

生產(chǎn)的數(shù)字孿生是虛擬調(diào)試。虛擬調(diào)試有望重塑不同行業(yè)的制造業(yè)。一種數(shù)字孿生專注于車間的數(shù)字化和完全自動化。

• Tronrud 和 Siemens主要在包裝設(shè)備工程中使用數(shù)字雙胞胎。由于數(shù)字孿生適用于任何行業(yè)，因此虛擬調(diào)試已用于鋸床（ABB 和 HewSaw）的生產(chǎn)。
• 用于機(jī)器人（西門子工廠）、石油和天然氣設(shè)施（Kongsberg）的電機(jī)組裝。
• BP 是一家重要的英國石油和天然氣公司，擁有一個名為 APEX 的數(shù)字雙胞胎，這是一個模擬和監(jiān)控系統(tǒng)，可幫助工程師將生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化時間從幾小時縮短到 20 分鐘。

性能數(shù)字雙胞胎收集產(chǎn)品、機(jī)器和整個生產(chǎn)線的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以模擬和預(yù)測性能故障、能耗峰值以及停機(jī)風(fēng)險。

• 數(shù)字孿生技術(shù)允許通用電氣監(jiān)控其風(fēng)力渦輪機(jī)的性能并監(jiān)督其風(fēng)電場的運(yùn)營和生產(chǎn)力。
• 壓縮空氣和真空產(chǎn)品制造商Kaeser Compressors使用其壓縮機(jī)的數(shù)字雙胞胎來預(yù)測它們何時可能出現(xiàn)故障，從而有助于最大限度地減少停機(jī)時間。

盡管現(xiàn)實(shí)世界中 DT 用例的數(shù)量只會越來越多，但許多制造商仍然謹(jǐn)慎行事，因?yàn)樵诳朔鹘y(tǒng)設(shè)計和測試方法方面存在許多挑戰(zhàn)。

或許，出于這個原因，A-STAR 和 ARTC（研究和技術(shù)中心）創(chuàng)建了一個測試平臺或數(shù)字孿生平臺，使組織能夠開發(fā)和測試其用于制造設(shè)備的 DT PoC。

工廠、車間的重組以及培訓(xùn)人們在工作場所使用數(shù)字雙胞胎將是另一個需要大量投資的重大挑戰(zhàn)。好消息是，這種技術(shù)趨勢的采用只會增加。尤其是在 Gartner 將 DT 視為未來幾年將推動不同行業(yè)顛覆的頂級技術(shù)之一之后。

什么是虛擬調(diào)試及其好處

數(shù)字孿生技術(shù)推動了虛擬調(diào)試——一種構(gòu)建真實(shí)制造環(huán)境的 3D 虛擬復(fù)制品的實(shí)踐。虛擬調(diào)試的出現(xiàn)受到實(shí)際調(diào)試可能占整個項(xiàng)目交付的 20% 的事實(shí)的影響。

此外，自動化水平的提高及其制造的復(fù)雜性使得無法堅持舊的預(yù)調(diào)試模式。

簡而言之，虛擬調(diào)試是工廠/工廠、車間或小型制造單元或機(jī)器的模擬模型（數(shù)字雙胞胎）?；灸康氖翘摂M模擬和運(yùn)行整個或部分生產(chǎn)過程。它還通過在生產(chǎn)線啟動之前應(yīng)用技術(shù)來測試重要功能和性能。

該測試允許檢測和消除設(shè)計缺陷、PLC 代碼中的錯誤，例如，并提前解決一系列技術(shù)、功能或性能問題。

一項(xiàng)調(diào)查顯示，由于生產(chǎn)系統(tǒng)一開始就具有更高的質(zhì)量，因此實(shí)際調(diào)試（實(shí)際系統(tǒng)和控制器）的時間可以減少 75% 。

強(qiáng)烈建議對機(jī)器人、PLC（可編程邏輯控制器）、NC（數(shù)控）機(jī)器、VFD（變頻驅(qū)動器）和電機(jī)等自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行虛擬調(diào)試，以降低過程停機(jī)和轉(zhuǎn)換的風(fēng)險。

考慮虛擬調(diào)試的其他好處：

• 加快現(xiàn)場調(diào)試和生產(chǎn)線設(shè)置；
• 將設(shè)備故障、碰撞和停機(jī)的風(fēng)險降至最低；
• 簡化傳統(tǒng)的軟件測試流程——工廠驗(yàn)收測試和現(xiàn)場驗(yàn)收測試；
• 優(yōu)化高度復(fù)雜的生產(chǎn)線的生產(chǎn)周期；
• 減少原型浪費(fèi)并節(jié)省昂貴材料；
• 早期檢測到的軟件錯誤會產(chǎn)生更少的費(fèi)用。

這些和其他好處是制造商渴望實(shí)施虛擬調(diào)試軟件的主要原因。未來，該技術(shù)將構(gòu)成所有生產(chǎn)過程的全自動化，以適應(yīng)工業(yè) 4.0 的要求。

市場上已經(jīng)提供虛擬調(diào)試解決方案和數(shù)字孿生解決方案的最重要參與者是 Siemens (Tecnomatix)、Dassault Systemes (DELMIA)、Visual Components Essentials、Machining (industrialPhysics)、MapleSoft (MapleSim) 等。

數(shù)字線程與數(shù)字孿生

PLM 以及 PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）的另一個常見概念是數(shù)字線程，它有助于確保采用端到端的方法來實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 驅(qū)動的制造。當(dāng)制造商開始競相實(shí)現(xiàn)端到端自動化時，兩種技術(shù)（Twin 和 Thread）都作為其不可替代的成分出現(xiàn)了。

Digital Thread 是一個允許集成孤立元素的框架，包括復(fù)雜制造過程的所有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。此外，它還建議在每個階段都涉及多個參與者的相互聯(lián)系的溝通。

對比術(shù)語，數(shù)字線程是整個制造價值鏈的數(shù)字表示——從需求和設(shè)計階段到組裝。

然后是售后支持。數(shù)字孿生——是資產(chǎn)的數(shù)字表示。同時，Digital Thread 可以提高 Digital Twin 的可追溯性?？勺匪菪钥缭剿猩芷陔A段，因此為制造商帶來以下好處：

• 縮短開發(fā)生命周期并降低成本。
• 通過最大限度地減少缺陷和減少停機(jī)時間，通過整個價值鏈、產(chǎn)品質(zhì)量和性能不斷增強(qiáng)產(chǎn)品。
• 提高整體制造流程和運(yùn)營的透明度和效率。這種效率是由于多個團(tuán)隊之間改進(jìn)的跨學(xué)科協(xié)作共享相同的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行決策。
• 加快制造速度、提高生產(chǎn)力和靈活性。
• 最重要的是，數(shù)字線程與 PLM 相結(jié)合，可以轉(zhuǎn)變整個制造交付模式，專注于持續(xù)改進(jìn)。

目前，Digital Thread 以及 Digital Twin 技術(shù)是關(guān)鍵的創(chuàng)新戰(zhàn)略。西門子、通用電氣、IBM、微軟和甲骨文等公司都使用這些流程。

2017 年，Aberdeen Group 的研究報告稱，一流的公司已經(jīng)部署了 PLM 解決方案。在產(chǎn)品設(shè)計（53% 的公司）、制造過程（55% 的公司）和生產(chǎn)階段（57% 的公司）中依賴數(shù)字線程技術(shù)。

盡管數(shù)字線程首先用于航空航天和國防。近年來，汽車、交通運(yùn)輸、能源和公用事業(yè)以及機(jī)器制造已成為最重要的行業(yè)（占全球總量的 85%）。

這些成功影響了數(shù)字線程市場的增長。最新報告稱，2019 年全球市場規(guī)模只會增加 1 億美元，到 2024 年收入的復(fù)合年增長率將達(dá)到 49.6%。

推動數(shù)字孿生進(jìn)化的關(guān)鍵技術(shù)

在過去的幾年里，數(shù)字雙胞胎和后來的數(shù)字線程是如何成為如此令人向往的技術(shù)的？數(shù)字孿生定義由 Grieves 博士在 2002 年進(jìn)行了解釋，并被稱為“PLM 的概念理想”或“信息鏡像模型”。

NASA 和美國空軍首先使用了這項(xiàng)技術(shù)。1970 年的阿波羅 13 號小組救援行動也使用了這項(xiàng)技術(shù)。在此過程中，NASA 使用鏡像系統(tǒng)（數(shù)字雙胞胎的先前技術(shù)）探索開放空間并模擬將宇航員送回家的最佳方式。

當(dāng)時，數(shù)字孿生技術(shù)并沒有得到制造商的太多支持，直到行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者在 Gartner 的報告中遇到了這個術(shù)語。該報告將 DT 描述為“物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)”。

當(dāng)技術(shù)開拓者對該技術(shù)的興趣開始增長時，Digital Twin 加入了2017 年和 2019 年十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢的名單。Digital Twin 解決方案與 AI 和區(qū)塊鏈技術(shù)一起運(yùn)行良好。截至今天，75% 的受訪組織計劃或已經(jīng)使用 DT 技術(shù)。

1970 年和 2002 年的數(shù)字孿生技術(shù)到底是什么？當(dāng)時這項(xiàng)技術(shù)缺乏什么——但在 2019 年已經(jīng)可以提供給制造商了？

物聯(lián)網(wǎng)和云計算

另一個巨大的技術(shù)趨勢——物聯(lián)網(wǎng)——的興起以及它成功融入我們的日常生活，催生了使用數(shù)字孿生的想法。多年來，這個想法不得不塵埃落定（例如，聯(lián)網(wǎng)汽車以及整個概念。想想：“連接到一切”、自動駕駛、Alexa 等智能助手等）。

是什么促使物聯(lián)網(wǎng)成為主流？

• 連接到云的傳感器成本相對降低；
• 增加云存儲量和數(shù)據(jù)吞吐能力；
• 計算能力的顯著增長；
• 改進(jìn)的移動網(wǎng)絡(luò)帶寬、速度、容量和減少的延遲。

物聯(lián)網(wǎng)與云計算一起充當(dāng)“關(guān)鍵”。這是真實(shí)對象與其數(shù)字化身之間的連接，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)收集和傳輸。數(shù)據(jù)收集由 DT 處理，為資產(chǎn)（系統(tǒng)或設(shè)備）提供“通信”能力。

然后，通信會傳遞有關(guān)健康和表現(xiàn)的信息。由于物聯(lián)網(wǎng)傳感器安裝在物理對象上并連接到云，物理和數(shù)字雙胞胎可以持續(xù)交互。從它們收集的實(shí)時數(shù)據(jù)是饋送到虛擬對應(yīng)物的輸入，可用于 PLM 優(yōu)化。

與人工智能和數(shù)據(jù)科學(xué)一起，數(shù)字孿生可以賦能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。但更重要的是——它使復(fù)雜操作的自動化成為智能制造的主要優(yōu)先事項(xiàng)。

在 Forrester 報告中，已經(jīng)有 15 家公認(rèn)的 IIoT 軟件提供商（如 IBM、SAP、亞馬遜、博世、西門子、微軟、日立等）。這些公司中的每一個都專注于將數(shù)字孿生軟件和企業(yè)解決方案與富有洞察力的數(shù)據(jù)分析相結(jié)合。

IDC透露，2019 年，各行各業(yè)的制造商預(yù)計將在其物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的運(yùn)營以及生產(chǎn)資產(chǎn)管理系統(tǒng)上投資 1970 億美元。更令人震驚的是，今年全球物聯(lián)網(wǎng)總支出很可能約為 7450 億美元，而 2018 年為 6460 億美元。

大數(shù)據(jù)分析

為了處理從傳感器連續(xù)接收的大量原始數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生應(yīng)該與用于組織、分析結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為可操作的洞察力的大數(shù)據(jù)分析相集成。

它們相結(jié)合可以增強(qiáng)整個產(chǎn)品生命周期（從產(chǎn)品設(shè)計到維護(hù)、維修和運(yùn)營）。

根據(jù)這項(xiàng)研究，大數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生的融合促進(jìn)了跨行業(yè)的智能制造的建立，消除了“不同 PLM 階段之間的障礙”。通過這種方式，它減少了整體產(chǎn)品開發(fā)，尤其是驗(yàn)證時間。

預(yù)測分析

借助預(yù)測分析模型，數(shù)字雙胞胎還包含實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)的基本指標(biāo)。維護(hù)基于風(fēng)險因素、故障、所需維護(hù)、操作場景的歷史數(shù)據(jù)。

預(yù)測分析還考慮了機(jī)器配置，甚至能源消耗（剩余使用壽命、平均故障時間、平均故障間隔時間、壽命結(jié)束指標(biāo)）。

更重要的是，數(shù)字化身可以使用預(yù)測分析算法和接收到的數(shù)據(jù)來運(yùn)行以行為為中心的模擬。這些算法可以在虛擬世界中運(yùn)行，以預(yù)測設(shè)備在特定情況下的“行為”。

總會有一些條件需要注意，例如極端的操作條件。此外，制造商可以通過先前使用數(shù)字雙胞胎運(yùn)行模擬來決定最相關(guān)的維護(hù)方案，并培訓(xùn)員工如何首先將它們應(yīng)用于虛擬環(huán)境中的設(shè)備。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

集成到數(shù)字孿生創(chuàng)建中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的進(jìn)步改進(jìn)了將 3D 孿生模型的圖像覆蓋在其物理對象上的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用以及數(shù)字孿生可以應(yīng)用于整個價值鏈（例如，汽車研發(fā)、制造、供應(yīng)、銷售和支持中的 AR）。

這些技術(shù)相結(jié)合，可提供物理對應(yīng)物的 360° 視圖，實(shí)時了解其動態(tài)，從而促進(jìn)決策制定。這些決策還包括加速產(chǎn)品開發(fā)——其測試、改進(jìn)和協(xié)助配置指導(dǎo)和預(yù)測性維護(hù)。

將 DT 與 AR 集成的另一個用例是虛擬雙胞胎，它允許將數(shù)字雙胞胎與其遠(yuǎn)程物理對應(yīng)物連接起來。西門子推出了Virtual Twin 的 PoC，“物理智能工廠的 3D 模型”。

通過使用 Microsoft HoloLens，技術(shù)人員和工程師可以更快地訪問智能工廠的數(shù)字孿生和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以遠(yuǎn)程控制和管理車間。

總而言之，在本文中，我們嘗試采用數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)知識，密切關(guān)注虛擬調(diào)試及其對制造商的好處。我們還描述了數(shù)字線程和數(shù)字孿生之間的本質(zhì)區(qū)別，以及驅(qū)動數(shù)字孿生的一些關(guān)鍵技術(shù)。