數(shù)字孿生技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用思考

文｜王奇鋒 仵浩

1991年，耶魯大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授David Gelernter首次提出了數(shù)字孿生的概念。從那時(shí)起，這種旨在通過數(shù)字虛擬模型準(zhǔn)確反映物理對(duì)象的技術(shù)就在各行各業(yè)中不斷發(fā)展。隨著元宇宙概念逐步興起，數(shù)字孿生技術(shù)日益獲得社會(huì)的重視，各類數(shù)字技術(shù)有不斷融合的趨勢(shì)。

數(shù)字技術(shù)是構(gòu)建現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系的關(guān)鍵技術(shù)體系，作為其重要組成部分的數(shù)字孿生技術(shù)，將在中國(guó)工業(yè)體系發(fā)展中，承擔(dān)越來越重要的任務(wù)。

近年來，各地各業(yè)都在數(shù)字孿生上不斷探索，在數(shù)字導(dǎo)覽、數(shù)字呈現(xiàn)等方面取得了不小的成績(jī)，但也存在一些問題，從而引發(fā)了關(guān)于數(shù)字孿生技術(shù)的討論。

一、數(shù)字孿生的價(jià)值之爭(zhēng)

對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的質(zhì)疑，始自數(shù)字孿生技術(shù)誕生之日。在數(shù)字孿生技術(shù)和項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，常聽到“數(shù)字孿生到底解決了什么問題”和“沒有數(shù)字孿生，又會(huì)如何”之類的質(zhì)疑。很多案例也多把重點(diǎn)放在視覺呈現(xiàn)方面，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)輔助效用有限，這是數(shù)字孿生技術(shù)價(jià)值之爭(zhēng)的表象。沒有將數(shù)字孿生技術(shù)與工業(yè)實(shí)際應(yīng)用做深度結(jié)合，數(shù)字孿生技術(shù)沒有有效的服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)過程，既有數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的滲透仍處于初級(jí)階段的原因，也有對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)自身特點(diǎn)與工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)理解不深入的原因。

數(shù)字孿生技術(shù)在任何領(lǐng)域任何場(chǎng)景之中的應(yīng)用，其首要價(jià)值在于提升效率。更準(zhǔn)確地說，是提升參與這個(gè)領(lǐng)域、作用于這個(gè)場(chǎng)景的人的行為效率。

因?yàn)槿松钤诳陀^的三維世界，這就決定了人對(duì)三維世界的理解能力和理解效率最高。盡管人已經(jīng)習(xí)慣于通過降維的方式去理解和重構(gòu)世界，例如通過書籍和各種屏幕，但這一過程的代價(jià)是人的大腦需要經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間來適應(yīng)這種重構(gòu)。對(duì)工業(yè)系統(tǒng)而言，這就意味著低下的效率和利潤(rùn)的喪失。

二、當(dāng)前數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域

數(shù)字孿生技術(shù)自首次被提出至今已有40余年的歷史，在一些特定領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，獲得了用戶的認(rèn)可。其中，導(dǎo)航、設(shè)計(jì)、地形匹配等領(lǐng)域的應(yīng)用都可圈可點(diǎn)，可以從對(duì)這些方向的應(yīng)用獲得啟發(fā)。

（一）電子地圖導(dǎo)航

電子地圖導(dǎo)航是數(shù)字孿生在民用領(lǐng)域最成功的應(yīng)用，即使長(zhǎng)期生活在熟悉的城市，也很少有人能夠完全脫離電子地圖導(dǎo)航的幫助。

嚴(yán)格地說，大部分電子地圖導(dǎo)航不算是3D數(shù)字孿生，多采用2D界面呈現(xiàn)。絕大部分電子地圖都使用“基于現(xiàn)實(shí)地理特征重構(gòu)的2D模型”作為導(dǎo)航的基礎(chǔ)平臺(tái)，而不默認(rèn)采用衛(wèi)星照片的方式。

漫畫般簡(jiǎn)單線條對(duì)道路的處理，大大加速了人們對(duì)所行駛道路位置和方向的快速理解，特別是岔口選擇、車道選擇和違章規(guī)避等方面，采用2D數(shù)字孿生的方式，理解起來要比衛(wèi)星實(shí)景地圖容易得多。

（二）設(shè)計(jì)

這里所說的設(shè)計(jì)，指逐步覆蓋市場(chǎng)的工裝和家裝設(shè)計(jì)。無論是企業(yè)用戶還是住戶，都不必僅根據(jù)幾張外型圖來擘畫工作和居住場(chǎng)所的未來圖景。通過孿生技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以以任一角度和比例將他們感興趣的建筑物呈現(xiàn)在面前，例如在確定家裝方案時(shí)，住戶可以很容易看出家具的尺寸和顏色與整體的協(xié)調(diào)程度，從而做出修改。

設(shè)計(jì)師在做數(shù)字孿生設(shè)計(jì)的時(shí)候要花大量的時(shí)間進(jìn)行數(shù)字建模，但后期跟用戶的溝通和修改變得簡(jiǎn)單多了，由此產(chǎn)生的糾紛會(huì)減少，交易速率會(huì)顯著提升。因?yàn)橛脩艚栌蓴?shù)字孿生技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)有了更直觀、更清晰和更快速的理解。

（三）地形匹配

在軍用領(lǐng)域中，地形匹配是巡航類武器常用的制導(dǎo)方式。巡航導(dǎo)彈由于突防需要，以低空和高亞音速飛行，慣性制導(dǎo)和衛(wèi)星制導(dǎo)都有難以克服的障礙。在靠近目標(biāo)區(qū)域附近建立的3D數(shù)字地圖，就成為巡航導(dǎo)彈定位和定向的關(guān)鍵。高精度的數(shù)字孿生地圖甚至可以使巡航導(dǎo)彈的打擊精度控制在10米的數(shù)量級(jí)。把極端復(fù)雜的地形地貌抽象為具有顯著地理特征的數(shù)字孿生地圖，使得巡航導(dǎo)彈攜帶的測(cè)控傳感器有了大用場(chǎng)。本質(zhì)上，這是在提升設(shè)備的“使用效率”。

三、工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際需求

各類3D軟件在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用由來已久，在涉及機(jī)械設(shè)計(jì)和加工的相關(guān)產(chǎn)業(yè)，沒有3D軟件的支持經(jīng)營(yíng)幾乎寸步難行。然而，各種CAD/CAE等3D軟件只是工業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)方向，工業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)旨在建立一個(gè)基于工業(yè)生產(chǎn)全過程的數(shù)字生態(tài)，并在這個(gè)生態(tài)上開展動(dòng)態(tài)運(yùn)營(yíng)。

（一）設(shè)計(jì)

這里的設(shè)計(jì)不僅是指產(chǎn)品設(shè)計(jì)，更重要的是包含工廠設(shè)計(jì)。流程工業(yè)中最常使用的3D配管設(shè)計(jì)就類似于工廠數(shù)字孿生所需要的場(chǎng)景?；谄髽I(yè)自身進(jìn)行數(shù)字孿生設(shè)計(jì)的好處是在新建工廠或改造前，能夠提前從工藝、土建、動(dòng)力等各專業(yè)角度進(jìn)行分析，運(yùn)營(yíng)人員也能夠提前對(duì)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估和認(rèn)知。

設(shè)計(jì)人員的總圖評(píng)審和交付即以數(shù)字孿生的形式進(jìn)行，各專業(yè)都以統(tǒng)一的空間位形基準(zhǔn)來討論和修改現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案，有助于快速發(fā)現(xiàn)問題和達(dá)成一致意見。洛克希德·馬丁（Lockheed Martin）公司是最早參與AFRL機(jī)身數(shù)字孿生體項(xiàng)目的公司之一，長(zhǎng)達(dá)10年的數(shù)字孿生體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型，使洛馬在F-35戰(zhàn)斗機(jī)的協(xié)同開發(fā)上收獲頗多。

（二）施工

工程項(xiàng)目在進(jìn)入施工階段后，由于工程變更，會(huì)產(chǎn)生大量圖紙、文件和注釋等紙質(zhì)文檔，完工后維護(hù)和查找這些文檔既耗時(shí)又費(fèi)力。數(shù)字孿生應(yīng)用于工程施工后，數(shù)字孿生體就成為一個(gè)有別于傳統(tǒng)意義的孿生數(shù)據(jù)庫，通過它可以動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地記錄數(shù)據(jù)，添加和修改施工信息。數(shù)字孿生可以作為樞紐整合海量異構(gòu)源數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)字孿生體自身具有極強(qiáng)的邏輯性和索引性。

在施工階段，通過數(shù)字孿生技術(shù)，能夠?qū)⑹┕?chǎng)內(nèi)的平面元素立體直觀化，以利于優(yōu)化各階段場(chǎng)地的布置。無論在設(shè)計(jì)交底、施工排程、工期監(jiān)理還是專業(yè)部門的工程驗(yàn)收上，工程中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)都有助于提前發(fā)現(xiàn)問題，從而提升整體作業(yè)效率并且顯著降低工程損失。

（三）運(yùn)維培訓(xùn)

現(xiàn)代工業(yè)人員流轉(zhuǎn)率遠(yuǎn)超改革開放初期，人員流轉(zhuǎn)對(duì)工業(yè)企業(yè)，特別是先進(jìn)制造業(yè)和流程工業(yè)是非常頭疼的事。新員工培訓(xùn)的成本不僅表現(xiàn)在培訓(xùn)期的人力成本和培訓(xùn)費(fèi)用上，企業(yè)也會(huì)因新手的不穩(wěn)定操作和非優(yōu)化點(diǎn)操作而造成生產(chǎn)成本的提升。

使用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建工廠模型后，可以根據(jù)不同崗位的需要，對(duì)設(shè)備或裝置設(shè)置模擬操作流程。新員工在熟悉廠區(qū)和設(shè)備后，可以按照操作規(guī)程的要求在工廠模型中逐步體驗(yàn)和理解生產(chǎn)過程，并允許進(jìn)行試錯(cuò)。例如在精餾模擬操作中，新員工如果錯(cuò)誤調(diào)節(jié)了再沸器的蒸汽流量，就可能導(dǎo)致精餾塔液泛，進(jìn)而引起控制系統(tǒng)一系列復(fù)雜的連鎖反應(yīng)；再例如精益生產(chǎn)中如果新員工希望通過快速提升AGV的運(yùn)行速率來達(dá)到提升產(chǎn)能的目的，就可能造成AGV排隊(duì)或死鎖。新手員工在模擬操作過程中看到了誤操作的后果，有助于他們迅速理解看似麻煩的操作規(guī)程中隱含的道理。

（四）安環(huán)

安全和環(huán)保在工業(yè)生產(chǎn)中既重要又復(fù)雜，任何企業(yè)都不希望在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)安全責(zé)任事故和環(huán)保責(zé)任事故。專設(shè)的安全員和環(huán)保員必須對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)流程、裝置布局和運(yùn)行特點(diǎn)非常熟悉。這就意味著，這些非直接生產(chǎn)崗位需要能力和經(jīng)驗(yàn)都比較豐富的工程師才能勝任。

數(shù)字孿生與DCS或SCADA系統(tǒng)相結(jié)合，可以方便地將安全和環(huán)保系統(tǒng)的全貌盡收眼底，對(duì)于具有安環(huán)工程基本理論的工程師，可以相當(dāng)快速的學(xué)習(xí)和適應(yīng)企業(yè)的相關(guān)崗位，在法律法規(guī)允許的情況下，可以實(shí)現(xiàn)一人聯(lián)崗，從而降低企業(yè)的非直接生產(chǎn)性人員成本投入。

四、數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展方向思考

以生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)“效率提升”為目的，是數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用的本質(zhì)需求。數(shù)字孿生絕不應(yīng)給業(yè)界留下花里胡哨和華而不實(shí)的印象。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)充分基于工業(yè)生產(chǎn)全生命周期的特點(diǎn)和痛點(diǎn)，有針對(duì)性的提煉出屬于工業(yè)系統(tǒng)的數(shù)字孿生功能，而非停留在觀感和導(dǎo)航的基礎(chǔ)功能上。為此，可以從幾個(gè)方向去開拓。

（一）按照企業(yè)的功能區(qū)分“圖層”

現(xiàn)有數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)類似CAD中“圖層”概念的應(yīng)用還比較模糊，構(gòu)建一個(gè)均質(zhì)化的工業(yè)數(shù)字場(chǎng)景已屬不易。然而由于工業(yè)部門的生產(chǎn)組織是高度分工和專業(yè)化的，這就要求數(shù)字孿生在工業(yè)的應(yīng)用中，必須以工業(yè)生產(chǎn)部門的“功能”為系統(tǒng)，清晰地區(qū)分出若干“邏輯圖層”。

例如生產(chǎn)部門的監(jiān)控對(duì)象就是工藝裝置，道路設(shè)施廠房框架就可虛化、簡(jiǎn)化或隱匿；例如儀表控制部門就是儀表位置和線路路由；再例如管道管束部門，管廊管架和管道溝井的具體位置和走向需要凸顯，建筑和道路可虛化。

總之，一個(gè)企業(yè)各個(gè)部門，都在一個(gè)數(shù)字孿生的總體架構(gòu)上，分門別類的體現(xiàn)各業(yè)務(wù)重點(diǎn)，而不是開發(fā)出若干套毫無關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。以工業(yè)業(yè)務(wù)功能為出發(fā)點(diǎn)，開發(fā)的工業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)，能有效提升各部門的作業(yè)效率。尤其在部門間存在交叉協(xié)作任務(wù)時(shí)，運(yùn)維人員的理解和認(rèn)知效率的提升更為顯著，這樣的數(shù)字孿生系統(tǒng)無疑是工業(yè)企業(yè)更需要的。

（二）數(shù)字孿生與真實(shí)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)融合

實(shí)踐表明，經(jīng)過試點(diǎn)后，企業(yè)對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)普遍認(rèn)可，但大多數(shù)都提出了數(shù)字孿生應(yīng)與真實(shí)場(chǎng)景相融合的需求。也就是“問題發(fā)現(xiàn)+問題確認(rèn)”的模式。

數(shù)字孿生建立了關(guān)于生產(chǎn)裝置或生產(chǎn)線的全過程圖景，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題能夠被迅速地捕捉、定位、呈現(xiàn)。然而運(yùn)維人員希望實(shí)時(shí)觀察設(shè)備的細(xì)節(jié)，甚至快速回溯故障和事故發(fā)生的全過程。這就需要數(shù)字孿生系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)影像系統(tǒng)相結(jié)合，在出現(xiàn)異常時(shí)，不僅提示異常的位置、種類、工藝參數(shù)和電控儀表的連鎖動(dòng)作，也同步切出現(xiàn)場(chǎng)視頻供運(yùn)維人員分析判斷。甚至針對(duì)異常狀態(tài)下可能出現(xiàn)的次生效應(yīng)，也應(yīng)有范圍、位置的預(yù)判和示警。

（三）數(shù)字孿生系統(tǒng)中“體與體”的作用

數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用不能止步于3D呈現(xiàn)，只將現(xiàn)實(shí)體與虛擬體進(jìn)行“同型”和“同態(tài)”，還要進(jìn)一步延伸為“同理”。也就是“體與體”的“作用”遵從相同的自然法則。

簡(jiǎn)單的“同理”，比如在數(shù)字孿生技術(shù)搭建的虛擬工廠中，產(chǎn)線物流的在制品運(yùn)輸擁塞，則系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則自動(dòng)判定產(chǎn)線降低運(yùn)行節(jié)拍甚至停車。復(fù)雜的“同理”，比如某高溫高壓儲(chǔ)罐出現(xiàn)超溫超壓后會(huì)自動(dòng)開啟泄壓閥并將罐內(nèi)物流切換至火炬系統(tǒng)中進(jìn)行緊急排空；又比如在某處發(fā)生了火災(zāi)，則其臨近的設(shè)備設(shè)施在一定時(shí)間后會(huì)面臨損毀并引發(fā)次生災(zāi)害的數(shù)值模擬。

“體與體”的作用是數(shù)字孿生系統(tǒng)更高層級(jí)的功能，它要求數(shù)字孿生系統(tǒng)將工業(yè)生產(chǎn)裝置的部件（“體”）邊界化和具體化，而不僅僅只是看起來像真實(shí)場(chǎng)景。同時(shí)，也要將各種物理和化學(xué)效應(yīng)引入這些“體”中，使“體和體”的作用更加符合實(shí)際，以及具有前瞻性。

五、結(jié)語

再現(xiàn)、同步、模擬和優(yōu)化，是數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用的四個(gè)不同的發(fā)展階段。數(shù)字孿生技術(shù)從一開始就以真實(shí)物理世界的場(chǎng)景再現(xiàn)為出發(fā)點(diǎn)。目前與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，使同步的功能逐步得到充實(shí)。接下來，以被孿生的物理系統(tǒng)為模型，按照客觀物理規(guī)律進(jìn)行運(yùn)行并獲得效果，就是模擬階段的重要工作，這跨出了數(shù)字孿生最重要的一步。在模擬的基礎(chǔ)上，通過各種方法獲得優(yōu)化當(dāng)然是使用數(shù)字孿生技術(shù)的一個(gè)初衷。

數(shù)字孿生技術(shù)有其自身發(fā)展的歷程，工業(yè)應(yīng)用也有其自身的特點(diǎn)。抓住數(shù)字孿生技術(shù)是以“促進(jìn)工業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行效率提升為宗旨”的目標(biāo)，就有望將數(shù)字孿生技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用相結(jié)合的工作，做得更有效率，更有深度，從而獲得更廣泛的應(yīng)用。