數(shù)字孿生技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

呂亞楠

【摘要】今天的數(shù)字化技術(shù)正在不斷地改變每一個企業(yè)。未來，所有的企業(yè)都將成為數(shù)字化的公司，這不只是要求企業(yè)開發(fā)出具備數(shù)字化特征的產(chǎn)品，更指的是通過數(shù)字化手段改變整個產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)、制造和服務(wù)過程，并通過數(shù)字化的手段連接企業(yè)的內(nèi)部和外部環(huán)境。數(shù)字孿生技術(shù)是CPS體系的關(guān)鍵組成部份，以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為。本文主要針對數(shù)字孿生技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行分析和討論。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字孿生技術(shù);企業(yè)生產(chǎn);應(yīng)用

一、數(shù)字孿生技術(shù)概述

數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin，簡稱DT）是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體物的全生命周期過程。DT是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。美國國防部為了航空航天飛行器的健康維護與保障，最早提出并利用了DT技術(shù)。

數(shù)字孿生技術(shù)有時候也用來指代將一個工廠的廠房及產(chǎn)線，在沒有建造之前，就完成數(shù)字化模型，繼而在虛擬空間中對工廠進(jìn)行仿真和模擬，并將真實參數(shù)傳給實際的工廠建設(shè)（從這層應(yīng)用上講，數(shù)字孿生功效類似國內(nèi)提出的半實物仿真技術(shù)）。而工房和生產(chǎn)線建成后的日常運維中二者繼續(xù)進(jìn)行信息交互，貫穿產(chǎn)品全生命周期的全時空。

二、數(shù)字孿生技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)會幫助企業(yè)在實際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測試，在生產(chǎn)過程中也可同步優(yōu)化整個企業(yè)流程，最終實現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)、實現(xiàn)快速創(chuàng)新上市，鍛造企業(yè)持久競爭力。數(shù)字孿生技術(shù)是制造企業(yè)邁向工業(yè)4.0戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，通過將掌握產(chǎn)品信息及其生命周期過程的數(shù)字思路將所有階段（產(chǎn)品創(chuàng)意、設(shè)計、制造規(guī)劃、生產(chǎn)和使用）銜接起來，并連接到可以理解這些信息并對其做出反應(yīng)的生產(chǎn)智能設(shè)備。

（一）產(chǎn)品數(shù)字孿生

在產(chǎn)品的設(shè)計階段，利用數(shù)字孿生可以提高設(shè)計的準(zhǔn)確性，并驗證產(chǎn)品在真實環(huán)境中的性能。這個階段的數(shù)字孿生，關(guān)鍵能力包含，第一：數(shù)字模型設(shè)計，使用CAD工具開發(fā)出滿足技術(shù)規(guī)格的產(chǎn)品虛擬原型，精確的記錄產(chǎn)品的各種物理參數(shù)，以可視化的方式展示出來，并通過一系列的驗證手段來檢驗設(shè)計的精準(zhǔn)程度;第二：模擬和仿真：通過一系列可重復(fù)、可變參數(shù)、可加速的仿真實驗，來驗證產(chǎn)品在不同外部環(huán)境下的性能和表現(xiàn)，在設(shè)計階段就驗證產(chǎn)品的適應(yīng)性。

（二）生產(chǎn)數(shù)字孿生

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)量和低成本的生產(chǎn)，它所要設(shè)計、仿真和驗證的對象主要是生產(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。利用數(shù)字孿生可以加快產(chǎn)品導(dǎo)入的時間，提高產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品的交付速度。產(chǎn)品階段的數(shù)字孿生是一個高度協(xié)同的過程，通過數(shù)字化手段構(gòu)建起來的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來。

（三）設(shè)備數(shù)字孿生

產(chǎn)品作為客戶的設(shè)備資產(chǎn)在運行過程中，將設(shè)備運行信息實時傳送到云端，進(jìn)行設(shè)備運行優(yōu)化，進(jìn)行設(shè)備可預(yù)測性維護與保養(yǎng)，通過設(shè)備運行信息，對產(chǎn)品設(shè)計、工藝和制造迭代優(yōu)化。包含設(shè)備運行優(yōu)化、可預(yù)測性維護、維修與保養(yǎng)、設(shè)計、工藝與制造迭代優(yōu)化。

三、數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用發(fā)展態(tài)勢

（一）數(shù)字孿生應(yīng)用已滲透到資產(chǎn)、車間、企業(yè)各個層級

數(shù)字孿生應(yīng)用場景廣泛，當(dāng)前覆蓋“NIST智能制造系統(tǒng)”中的產(chǎn)品、生產(chǎn)和商業(yè)三大領(lǐng)域，并朝著實現(xiàn)三大領(lǐng)域價值鏈條全面優(yōu)化的方向發(fā)展。一是面向產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)用聚焦產(chǎn)品全生命周期優(yōu)化。如AFRL與NASA合作構(gòu)建F-15數(shù)字孿生體，基于戰(zhàn)斗機試飛、生產(chǎn)、檢修全生命數(shù)據(jù)修正仿真過程機理模型，提高了機體維護預(yù)警準(zhǔn)確度;二是面向車間的數(shù)字孿生應(yīng)用聚焦生產(chǎn)全過程管控。如空客通過在關(guān)鍵工裝、物料和零部件上安裝RFID，生成了A350XWB總裝線的數(shù)字孿生體，使工業(yè)流程更加透明化，并能夠預(yù)測車間瓶頸、優(yōu)化運行績效;三是面向企業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用聚焦業(yè)務(wù)綜合評估與管理。如Software AG基于ARIS業(yè)務(wù)流程建模功能構(gòu)建了面向企業(yè)業(yè)務(wù)的數(shù)字孿生體，并通過模擬評估業(yè)務(wù)流程預(yù)見企業(yè)未來成本和績效。

（二）數(shù)字孿生應(yīng)用由虛擬驗證向虛實交互的閉環(huán)優(yōu)化發(fā)展

數(shù)字孿生應(yīng)用發(fā)展歷程依次經(jīng)歷虛擬驗證、單向連接、智能決策、虛實交互四大階段。一是虛擬驗證，能夠在虛擬空間對產(chǎn)品/產(chǎn)線/物流等進(jìn)行仿真模擬，以提升真實場景的運行效益。如ABB推出PickMaster Twin，客戶能夠在虛擬產(chǎn)線上對機器人配置進(jìn)行測試，使拾取操作在虛擬空間進(jìn)行驗證優(yōu)化;二是單向連接，在虛擬驗證的基礎(chǔ)上疊加了IOT，實現(xiàn)基于真實數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時仿真模擬，大大提升了仿真精度。如PTC和ANSYS合作，構(gòu)建了泵的仿真模型，并將其與真實的泵連接，基于實時數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真，優(yōu)化模擬;三是智能決策，在單向連接的基礎(chǔ)上疊加了AI，將仿真模型和數(shù)據(jù)模型很好的融合，優(yōu)化分析決策水平。如杭汽輪通過三維掃描構(gòu)建幾何形狀，與平臺標(biāo)準(zhǔn)機理模型對比，并疊加人工智能分析，實現(xiàn)葉片的檢測試驗從2～3天降低至3～5分鐘。四是虛實交互，在智能決策的基礎(chǔ)上疊加了反饋控制功能，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)自執(zhí)行的全閉環(huán)優(yōu)化。如在西門子提供的產(chǎn)品體系中，設(shè)計仿真軟件NX具備虛擬驗證功能，MindSphere具備IOT連接功能，Omneo具備數(shù)據(jù)分析功能，TIA具備自動化執(zhí)行功能。未來，西門子有望基于以上產(chǎn)品整合，真正實現(xiàn)數(shù)字孿生的虛實交互閉環(huán)優(yōu)化。

四、結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)是正在高速發(fā)展的新技術(shù)，為復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的物理信息融合提供了解決思路，是智能制造與智能自動化重要的解決方案之一。隨著新一代信息技術(shù)與實體經(jīng)濟的加速融合，工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化演進(jìn)趨勢日益明顯，催生了一批制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型新模式、新業(yè)態(tài)，其中數(shù)字孿生日趨成為產(chǎn)業(yè)各界研究熱點，未來發(fā)展前景廣闊。

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