導(dǎo)讀：數(shù)字孿生技術(shù)都能解決哪些問題？如今在哪些領(lǐng)域正在被應(yīng)用？本文帶你詳細梳理。

作者：梁乃明 方志剛 李榮躍 高巖松 等

來源：大數(shù)據(jù)DT（ID：bigdatadt）

基于數(shù)字孿生的智能制造系統(tǒng)如圖1-10所示。

▲圖1-10 基于數(shù)字孿生的智能制造系統(tǒng)

數(shù)字孿生的概念最早由密歇根大學(xué)的Michael Grieves博士于2002年提出（最初的名稱為“Conceptual Ideal for PLM”），至今有超過15年的歷史。

Michael Grieves與NASA長期合作。在航天領(lǐng)域，航天器的研發(fā)和運營必須依賴于數(shù)字化技術(shù)：在研發(fā)階段，需要降低物理樣機的成本；在運營階段，需要對航天器進行遠程狀態(tài)監(jiān)控和故障監(jiān)測。這也是后來NASA把數(shù)字化雙胞胎（即數(shù)字孿生）作為關(guān)鍵技術(shù)的原因。圖1-11展示了數(shù)字孿生技術(shù)在裝備行業(yè)的應(yīng)用。

▲圖1-11 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備行業(yè)的應(yīng)用（一）

數(shù)字孿生被形象地稱為“數(shù)字化雙胞胎”，是智能工廠的虛實互聯(lián)技術(shù)，從構(gòu)想、設(shè)計、測試、仿真、生產(chǎn)線、廠房規(guī)劃等環(huán)節(jié)，可以虛擬和判斷出生產(chǎn)或規(guī)劃中所有的工藝流程，以及可能出現(xiàn)的矛盾、缺陷、不匹配，所有情況都可以用這種方式進行事先的仿真，縮短大量方案設(shè)計及安裝調(diào)試時間，加快交付周期。

數(shù)字化雙胞胎技術(shù)是將帶有三維數(shù)字模型的信息拓展到整個生命周期中的影像技術(shù)，最終實現(xiàn)虛擬與物理數(shù)據(jù)同步和一致，它不是讓虛擬世界做現(xiàn)在我們已經(jīng)做到的事情，而是發(fā)現(xiàn)潛在問題、激發(fā)創(chuàng)新思維、不斷追求優(yōu)化進步——這才是數(shù)字孿生的目標所在。

數(shù)字孿生技術(shù)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)略目標的關(guān)鍵技術(shù)，通過掌握產(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。

數(shù)字孿生將各專業(yè)技術(shù)集成為一個數(shù)據(jù)模型，并將PLM（產(chǎn)品生命周期管理軟件）、MOM（生產(chǎn)運營系統(tǒng)）和TIA（全集成自動化）集成在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺下，也可以根據(jù)需要將供應(yīng)商納入平臺，實現(xiàn)價值鏈數(shù)據(jù)的整合，業(yè)務(wù)領(lǐng)域包括“產(chǎn)品數(shù)字孿生”“生產(chǎn)數(shù)字孿生”和“設(shè)備數(shù)字孿生”（見圖1-12和見圖1-13）。

▲圖1-12 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備行業(yè)的應(yīng)用（二）

▲圖1-13 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備行業(yè)的應(yīng)用（三）

01 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)字孿生的關(guān)鍵能力包含：

• 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，精確地記錄產(chǎn)品的各種物理參數(shù)，以可視化的方式展示出來，并通過一系列驗證手段來檢驗設(shè)計的精準程度；

• 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)計階段就可驗證產(chǎn)品的適應(yīng)性。

產(chǎn)品數(shù)字孿生將在需求驅(qū)動下，建立基于模型的系統(tǒng)工程產(chǎn)品研發(fā)模式，實現(xiàn)“需求定義–系統(tǒng)仿真–功能設(shè)計–邏輯設(shè)計–物理設(shè)計–設(shè)計仿真–實物試驗”全過程閉環(huán)管理，從細化領(lǐng)域?qū)缦聨讉€方面（見圖1-14）：

▲圖1-14 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備行業(yè)應(yīng)用——產(chǎn)品數(shù)字孿生

1. 產(chǎn)品系統(tǒng)定義

包括產(chǎn)品需求定義、系統(tǒng)級架構(gòu)建模與驗證、功能設(shè)計、邏輯定義、可靠性、設(shè)計五性（包含可靠性、維修性、安全性、測試性及保障性）分析、失效模式和影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）等。

2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真

包括機械系統(tǒng)的設(shè)計和驗證。包含機械結(jié)構(gòu)模型建立、多專業(yè)學(xué)科仿真分析（涵蓋機械系統(tǒng)的強度、應(yīng)力、疲勞、振動、噪聲、散熱、運動、灰塵、濕度等方面的分析）、多學(xué)科聯(lián)合仿真（包括流固耦合、熱電耦合、磁熱耦合以及磁熱結(jié)構(gòu)耦合等）以及半實物仿真等。

3. 3D創(chuàng)成式設(shè)計

創(chuàng)成式設(shè)計（Generative Design）是根據(jù)一些起始參數(shù)通過迭代并調(diào)整來找到一個（優(yōu)化）模型。拓撲優(yōu)化（Topology Optimization）是對給定的模型進行分析，常見的是根據(jù)邊界條件進行有限元分析，然后對模型變形或刪減來進行優(yōu)化，是一個人機交互、自我創(chuàng)新的過程。

根據(jù)輸入者的設(shè)計意圖，通過“創(chuàng)成式”系統(tǒng)，生成潛在的可行性設(shè)計方案的幾何模型，然后進行綜合對比，篩選出設(shè)計方案推送給設(shè)計者進行最后的決策。

4. 電子電氣設(shè)計與仿真

包括電子電氣系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計和驗證、電氣連接設(shè)計和驗證、電纜和線束設(shè)計和驗證等。相關(guān)仿真包括電子電氣系統(tǒng)的信號完整性、傳輸損耗、電磁干擾、耐久性、PCB散熱等方面的分析。

5. 軟件設(shè)計、調(diào)試與管理

包括軟件系統(tǒng)的設(shè)計、編碼、管理、測試等，同時支撐軟件系統(tǒng)全過程的管理與Bug閉環(huán)管理。

6. 設(shè)計全過程管理

包括系統(tǒng)工程全流程的管理和協(xié)同，設(shè)計數(shù)據(jù)和流程、設(shè)計仿真和過程、各種MCAD/ECAD/軟件設(shè)計工具和仿真工具的整合應(yīng)用與管理。

02 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)量和低成本地生產(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)品生產(chǎn)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，具體實現(xiàn)如下功能（見圖1-15）：

▲圖1-15 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備行業(yè)應(yīng)用——生產(chǎn)數(shù)字孿生

1. 工藝過程定義（Bill of Process，BOP）

將產(chǎn)品信息、工藝過程信息、工廠產(chǎn)線信息和制造資源信息通過結(jié)構(gòu)化模式組織管理，達到產(chǎn)品制造過程的精細化管理，基于產(chǎn)品工藝過程模型信息進行虛擬仿真驗證，同時為制造系統(tǒng)提供排產(chǎn)準確輸入。

2. 虛擬制造（Virtual Manufacturing，VM）評估–人機/機器人仿真

基于一個虛擬的制造環(huán)境來驗證和評價我們的裝配制造過程和裝配制造方法，通過產(chǎn)品3D模型和生產(chǎn)車間現(xiàn)場模型，具備機械加工車間的數(shù)控加工仿真、裝配工位級人機仿真、機器人仿真等提前虛擬評估。

3. 虛擬制造評估–產(chǎn)線調(diào)試

數(shù)字化工廠柔性自動化生產(chǎn)線建設(shè)投資大、周期長，自動化控制邏輯復(fù)雜，現(xiàn)場調(diào)試工作量大。

按照生產(chǎn)線建設(shè)的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)問題越早，整改成本越低，因此有必要在生產(chǎn)線正式生產(chǎn)、安裝、調(diào)試之前在虛擬的環(huán)境中對生產(chǎn)線進行模擬調(diào)試，解決生產(chǎn)線的規(guī)劃、干涉、PLC的邏輯控制等問題，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估生產(chǎn)線的可行性。

生產(chǎn)周期長、更改成本高的機械結(jié)構(gòu)部分采用在虛擬環(huán)境中進行展示和模擬；易于構(gòu)建和修改的控制部分采用由PLC搭建的物理控制系統(tǒng)實現(xiàn)，由實物PLC控制系統(tǒng)生成控制信號，虛擬環(huán)境中的機械結(jié)構(gòu)作為受控對象，模擬整個生產(chǎn)線的動作過程，從而發(fā)現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的問題，在物理樣機建造前予以解決。

4. 虛擬制造評估–生產(chǎn)過程仿真

• 在產(chǎn)品生產(chǎn)之前，就可以通過虛擬生產(chǎn)的方式來模擬在不同產(chǎn)品、不同參數(shù)、不同外部條件下的生產(chǎn)過程，實現(xiàn)對產(chǎn)能、效率以及可能出現(xiàn)的生產(chǎn)瓶頸等問題的提前預(yù)判，加速新產(chǎn)品導(dǎo)入的過程；

• 將生產(chǎn)階段的各種要素，如原材料、設(shè)備、工藝配方和工序要求，通過數(shù)字化的手段集成在一個緊密協(xié)作的生產(chǎn)過程中，并根據(jù)既定的規(guī)則，自動地完成在不同條件組合下的操作，實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)過程；

• 同時記錄生產(chǎn)過程中的各類數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵指標監(jiān)控和過程能力評估：通過采集生產(chǎn)線上的各種生產(chǎn)設(shè)備的實時運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全部生產(chǎn)過程的可視化監(jiān)控，并且通過經(jīng)驗或者機器學(xué)習建立關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)、檢驗指標的監(jiān)控策略，對出現(xiàn)違背策略的異常情況進行及時處理和調(diào)整，實現(xiàn)穩(wěn)定并不斷優(yōu)化的生產(chǎn)過程。

03 設(shè)備數(shù)字孿生

作為客戶的設(shè)備資產(chǎn)，產(chǎn)品在運行過程中將設(shè)備運行信息實時傳送到云端，以進行設(shè)備運行優(yōu)化、可預(yù)測性維護與保養(yǎng)，并通過設(shè)備運行信息對產(chǎn)品設(shè)計、工藝和制造迭代優(yōu)化（見圖1-16和圖1-17）。

▲圖1-16 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備行業(yè)應(yīng)用——設(shè)備數(shù)字孿生

▲圖1-17 數(shù)字孿生和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在裝備行業(yè)的應(yīng)用

1. 設(shè)備運行優(yōu)化

通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備連接云端、行業(yè)云端算法庫以及行業(yè)應(yīng)用APP，以西門子MindSphere平臺為例說明運營數(shù)字化雙胞胎的架構(gòu)（見圖1-17）。

2. 連接層MindConnect

支持開放的設(shè)備連接標準，如OPC UA，實現(xiàn)西門子與第三方產(chǎn)品的即插即用。對數(shù)據(jù)傳輸進行安全加密。

3. 平臺層MindSphere

為客戶個性化APP的開發(fā)提供開放式接口，并提供多種云基礎(chǔ)設(shè)施，如SAP、AWS、Microsoft Azure，并提供公有云、私有云及現(xiàn)場部署。

4. 應(yīng)用層MindApps

應(yīng)用來自西門子與合作伙伴的APP，或由企業(yè)自主開發(fā)的APP，以獲取設(shè)備透明度與深度分析報告。

5. 可預(yù)測性維護、維修與保養(yǎng)

基于時間的中斷修復(fù)維護不再能提供所需的結(jié)果。通過對運行數(shù)據(jù)進行連續(xù)收集和智能分析，數(shù)字化開辟了全新的維護方式，通過這種洞察力，可以預(yù)測維護機器與工廠部件的最佳時間，并提供了各種方式，以提高機器與工廠的生產(chǎn)力。

預(yù)測性服務(wù)可將大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄軘?shù)據(jù)。數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展可讓企業(yè)洞察機器與工廠的狀況，從而在實際問題發(fā)生之前，對異常和偏離閾值的情況迅速做出響應(yīng)。

6. 設(shè)計、工藝與制造迭代優(yōu)化

復(fù)雜產(chǎn)品的工程設(shè)計非常困難，產(chǎn)品團隊必須將電子裝置和控件集成入機械系統(tǒng)，使用新的材料和制造流程，滿足更嚴格的法規(guī)，同時必須在更短期限內(nèi)、在預(yù)算約束下交付創(chuàng)新產(chǎn)品。

傳統(tǒng)的驗證方法不再足夠有效。現(xiàn)代開發(fā)流程必須變得具有預(yù)測性，使用實際產(chǎn)品的“數(shù)字孿生”驅(qū)動設(shè)計并使其隨著產(chǎn)品進化保持同步，此外還要求具有可支撐的智能報告和數(shù)據(jù)分析功能的仿真和測試技術(shù)。

產(chǎn)品工程設(shè)計團隊需要一個統(tǒng)一且共享的平臺來處理所有仿真學(xué)科，而且該平臺應(yīng)具備易于使用的先進分析工具，可提供效率更高的工作流程，并能夠生成一致結(jié)果。設(shè)備數(shù)字孿生能幫助用戶比以前更快地驅(qū)動產(chǎn)品設(shè)計，以獲得更好、成本更低且更可靠的產(chǎn)品，并能更早地在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)根據(jù)所有關(guān)鍵屬性預(yù)測性能。

關(guān)于作者：本書的作者均來自數(shù)字孿生的國際級實踐者和技術(shù)提供商——德國西門子數(shù)字化工業(yè)軟件，是名副其實的建設(shè)數(shù)字化企業(yè)的實戰(zhàn)派，主要執(zhí)筆人均在西門子有20年左右的豐富工作經(jīng)驗。

本文摘編自《數(shù)字孿生實戰(zhàn)：基于模型的數(shù)字化企業(yè)（MBE）》，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

延伸閱讀《數(shù)字孿生實戰(zhàn)》

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