數字孿生的應用及意義

      生產制造環(huán)節(jié)是數字孿生技術的一個重要應用場景。當前個性化、多元化的市場消費需求成為主流，制造業(yè)正面對日益激烈的市場競爭，面臨著巨大的時間、成本、質量、產品差異化等方面的壓力。企業(yè)難以適應市場環(huán)境的突變，例如受此次受疫情的影響，如何利用技術手段迅速實現復工復產，是每個制造企業(yè)需要面對的問題。

      除此以外，企業(yè)還面臨著很多棘手的問題需要解決，例如新產品研發(fā)和生產周期過長，無法實現從“以產定銷”到“按需生產”模式轉變；企業(yè)投入大量的人力物力財力進行產品創(chuàng)新，卻無法準確評估新產品是否可以在現有的制造條件下進行生產，因為新設計的產品必然要求新的工藝、新的工裝甚至新的設備、新的生產線，如果在產品創(chuàng)新設計之初不仔細評估新產品的可制造性，則必然帶來巨大的隱患。
      而搭建基于數字孿生技術的數字化工廠是解決這些問題的最佳途徑，通過依托產品整個周期的真實相關數據，在虛擬環(huán)境中對生產全過程進行仿真、優(yōu)化及重構。通過創(chuàng)建虛擬模型來模擬生產過程，并且這些虛擬模型可以為物理工廠車間里所有連接的機器、工具和設備進行數字操作。這就可以使企業(yè)能夠快速配置生產系統(tǒng)，以最大限度地提高效率，提高資產利用率，防止停機，具備一定的靈活性。
01數字孿生概念的發(fā)展歷史
      密歇根大學的邁克爾·格里夫斯教授在2003年提出了“物理產品的數字表達”的概念，并指出物理產品的數字表達應能夠抽象的表達物理產品，能夠基于數字表達對物理產品進行真實條件或模擬條件下的測試。這個概念雖然沒有被稱作數字孿生，但是它具備數字孿生所具有的組成和功能，即創(chuàng)建物理實體的等價虛擬體，虛擬體能夠對物理實體進行仿真分析和測試。邁克爾·格里夫斯教授提出的理論，可以被看做是數字孿生在產品設計過程中的應用。


       在那之后，數字孿生的概念逐步擴展到了模擬仿真、虛擬裝配和3D打印這些領域，而到了2014年以后，隨著物聯(lián)網技術、人工智能和虛擬現實技術的不斷發(fā)展，更多的工業(yè)產品、工業(yè)設備具備了智能的特征，而數字孿生也逐步擴展到了包括制造和服務在內的完整的產品周期階段，并不斷豐富著數字孿生的形態(tài)和概念。
02數字孿生概念的不同形態(tài)
      數字孿生技術貫穿了產品生命周期中的不同階段，它同PLM（Product Lifecycle Management）的理念是不謀而合的?？梢哉f，數字孿生技術的發(fā)展將PLM的能力和理念從設計階段真正擴展到了全生命周期。數字孿生以產品為主線，并在生命周期的不同階段引入不同的要素，形成了不同階段的表現形態(tài)。
設計階段的數字孿生
      在產品的設計階段，利用數字孿生可以提高設計的準確性，并驗證產品在真實環(huán)境中的性能。這個階段的數字孿生，主要包括如下功能：
      數字模型設計：使用CAD工具開發(fā)出滿足技術規(guī)格的產品虛擬原型，精確的記錄產品的各種物理參數，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計的精準程度；
模擬和仿真：通過一系列可重復、可變參數、可加速的仿真實驗，來驗證產品在不同外部環(huán)境下的性能和表現，在設計階段就驗證產品的適應性。
制造階段的數字孿生
      在產品的制造階段，利用數字孿生可以加快產品導入的時間，提高產品設計的質量、降低產品的生產成本和提高產品的交付速度。產品階段的數字孿生是一個高度協(xié)同的過程，通過數字化手段構建起來的虛擬生產線，將產品本身的數字孿生同生產設備、生產過程等其他形態(tài)的數字孿生高度集成起來，實現如下的功能：
生產過程仿真：在產品生產之前，就可以通過虛擬生產的方式來模擬在不同產品、不同參數、不同外部條件下的生產過程，實現對產能、效率以及可能出現的生產瓶頸等問題的提前預判，加速新產品導入的過程；
數字化產線：將生產階段的各種要素，如原材料、設備、工藝配方和工序要求，通過數字化的手段集成在一個緊密協(xié)作的生產過程中，并根據既定的規(guī)則，自動的完成在不同條件組合下的操作，實現自動化的生產過程；同時記錄生產過程中的各類數據，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供依據。
服務階段的數字孿生
       隨著物聯(lián)網技術的成熟和傳感器成本的下降，很多工業(yè)產品，從大型裝備到消費級產品，都使用了大量的傳感器來采集產品運行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過數據分析和優(yōu)化來避免產品的故障，改善用戶對產品的使用體驗。這個階段的數字孿生，可以實現如下的功能：
      優(yōu)化客戶的生產指標：對于很多需要依賴工業(yè)裝備來實現生產的工業(yè)客戶，工業(yè)裝備參數設置的合理性以及在不同生產條件下的適應性，往往決定了客戶產品的質量和交付周期。而工業(yè)裝備廠商可以通過海量采集的數據，構建起針對不同應用場景、不同生產過程的經驗模型，幫助其客戶優(yōu)化參數配置，以改善客戶的產品質量和生產效率。
產品使用反饋：通過采集智能工業(yè)產品的實時運行數據，工業(yè)產品制造商可以洞悉客戶對產品的真實需求，不僅能夠幫助客戶加速對新產品的導入周期、避免產品錯誤使用導致的故障、提高產品參數配置的準確性，更能夠精確的把握客戶的需求，避免研發(fā)決策失誤。
03數字孿生的意義
1、更便捷，更適合創(chuàng)新
數字孿生通過設計工具、仿真工具、物聯(lián)網、虛擬現實等各種數字化的手段，將物理設備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復制、可轉移、可修改、可刪除、可重復操作的數字鏡像，這極大地加速了操作人員對物理實體的了解，可以讓很多原來由于物理條件限制、必須依賴于真實的物理實體而無法完成的操作，如模擬仿真、批量復制、虛擬裝配等，成為觸手可及的工具，更能激發(fā)人們去探索新的途徑來優(yōu)化設計、制造和服務。
2、更全面的分析和預測能力
現有的產品生命周期管理，很少能夠實現精準的預測，因此往往無法對隱藏在表象下的問題提前進行預判。而數字孿生可以結合物聯(lián)網的數據采集、大數據的處理和人工智能的建模分析，實現對當前狀態(tài)的評估、對過去發(fā)生問題的診斷，以及對未來趨勢的預測，并給予分析的結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。
3、經驗的數字化
在傳統(tǒng)的工業(yè)設計、制造和服務領域，經驗往往是一種模糊而很難把握的形態(tài)，很難將其作為精準判決的依據。而數字孿生的一大關鍵進步，是可以通過數字化的手段，將原先無法保存的專家經驗進行數字化，并提供了保存、復制、修改和轉移的能力。例如，針對大型設備運行過程中出現的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數據通過機器學習訓練出針對不同故障現象的數字化特征模型，并結合專家處理的記錄，將其形成未來對設備故障狀態(tài)進行精準判決的依據，并可針對不同的新形態(tài)的故障進行特征庫的豐富和更新，最終形成自治化的智能診斷和判決。