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工業互聯網下,“數字孿生”轉身成為關鍵技術

2019-04-28 09:09 CPS發展論壇 國泰君安證券研究

導讀:數字孿生,顧名思義,就是數字形式的雙胞胎。在“數字孿生”中,雙胞胎中的一個是存在于現實世界的實體,小到零件,大到工廠;而雙胞胎中的另一個則只存在虛擬和數字世界之中,是利用數字技術營造的與現。

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圖片來自“東方IC”


數字孿生不僅僅是復制。

孿生,即雙胞胎;數字孿生,顧名思義,就是數字形式的雙胞胎。

在“數字孿生”中,雙胞胎中的一個是存在于現實世界的實體,小到零件,大到工廠,簡單如螺絲,復雜如人體的結構。

而雙胞胎中的另一個則只存在虛擬和數字世界之中,是利用數字技術營造的與現實世界對稱的鏡像。

如果以家用電腦為例,Word文檔和打印出來的文稿就是“數字孿生”。若以導航軟件為例,城市中的實體道路和軟件中的虛擬道路也是“數字孿生”。

此外,這個數字孿生體,不僅是對現實實體的虛擬再現,還可以模擬對象在現實環境中的行為。因此可以說,數字孿生是將物理對象以數字化方式在虛擬空間呈現,模擬其在現實環境中的行為特征。

數字孿生有什么用?

首先,它可以通過設計工具、仿真工具、物聯網、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。

這極大的加速了操作人員對物理實體的了解,激發模擬仿真、批量復制、虛擬裝配等設計活動。

過去,在沒有數字化模型幫助之下,制造一件產品要經歷很多次迭代設計。

現在,采用了數字化模型的設計技術,就可以在虛擬的三維數字空間輕松地修改部件和產品的每一處尺寸和裝配關系,這使得幾何結構的驗證工作和裝配可行性的驗證工作大為簡單,大幅度減少了迭代過程中物理樣機的制造次數、時間,以及成本。

此外,數字孿生還可以通過采集有限的物理傳感器指標的直接數據,借助大樣本庫,通過機器學習推測出一些原本無法直接測量的指標。由此實現對當前狀態的評估、對過去發生問題的診斷,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。

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進行精準判決的依據,最終形成自治化的智能診斷和判決。

數字孿生是工業互聯網關鍵技術和重要場景

當下,互聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術迅速發展,對推動制造業數字化、網絡化、智能化進程起到關鍵作用,尤其是信息技術對于數據的強大計算和分析能力為制造業發展開辟嶄新的發展空間,IT和OT的融合越來越受到制造企業的重視。伴隨新一代信息技術與制造業深度融合發展,工業互聯網成為制造業從“顯”到“隱”的抓手,互聯網從“虛”向“實”的載體。工業互聯網蓬勃發展離不開技術支撐,包括數字孿生、邊緣計算、5G、IPV6、標識解析、TSN(時間敏感網絡)、PON(無源光網絡)等都是工業互聯網的關鍵技術。

隨著工業互聯網的應用推進,數字孿生被賦予了新的生命力,工業互聯網延伸了數字孿生的價值鏈條和生命周期,凸顯出數字孿生基于模型、數據、服務方面的的優勢和能力,打通了數字孿生應用和迭代優化的現實路徑,正成為數字孿生的孵化床。

數字孿生基于物理實體的基本狀態,以動態實時的方式將建立的模型、收集的數據做出高度寫實的分析,用于物理實體的監測、預測和優化。另外,數字孿生作為邊緣側技術,可以有效連接設備層和網絡層,成為工業互聯網平臺的知識萃取工具,不斷將工業系統中的碎片化知識傳輸到工業互聯網平臺中,不同成熟度的數字孿生體,將不同顆粒度的工業知識重新組裝,通過工業APP進行調用。因此,工業互聯網平臺是數字孿生的孵化床,數字孿生是工業互聯網平臺的重要場景。

工業互聯網重塑數字孿生閉環

數字孿生,以數字方式為物理對象創建高寫實虛擬模型,并模擬、分析、預測其行為,為實現信息技術與制造業融合鋪平了道路。借助數字孿生,可以集成復雜的制造工藝,實現產品設計,制造和智能服務等閉環優化,數字孿生將成為未來數字化企業發展的關鍵技術。

在工業互聯網概念出現之前,數字孿生的概念還只是停留在軟件環境中,比如幾何建模的CAD系統、產品生命周期管理的PLM等。但隨著工業互聯網的出現,網絡的連通效用使得各個數字孿生在設備資產管理,產品生命周期管理和制造流程管理中開始發生關聯、互相補充。

例如,西門子公司就利用其工業互聯網平臺Mindsphere,實現了數字孿生不同應用場景數據的打通。通過破除設備、設計、制造、維護等產品生命周期隔離,打通構成數字孿生的閉環。

工業互聯網平臺激活數字孿生生命

隨著制造業不斷發展,數字孿生盡管尚未成為主流,卻成為每一個數字化企業都要關注的技術。數字孿生的核心是模型和數據,但虛擬模型創建和數據分析需要專業的知識,對于不具備相關知識的人員,構建和使用數字孿生任重道遠,工業互聯網恰恰可以解決上述問題,通過平臺實現數據分析外包、模型共享等業務。

具體來說,物理實體的各種數據收集、交換,都要借助工業互聯網來實現,利用平臺具有的資源聚合、動態配置、供需對接等優勢,整合并利用各類資源,賦能數字孿生。例如,利用工業互聯網平臺向下將邊緣側基礎設施同數字孿生體關聯,向上將數據傳遞、存儲在云端,其他用戶也可以根據自身需要通過平臺的服務來建立數字孿生體,可以說工業互聯網平臺激活了數字孿生的生命。

數字孿生助力IT與OT融合

工業互聯網是企業數字化轉型過程中關鍵一環,加速了IT和OT各要素的融合,數據是融合過程中最重要的粘結劑,要讓IT部門和OT部門融合的更好,首先要處理好數據這項隱形的資產。另外,工業互聯網正在試圖打破企業的邊界,試圖填滿IT與OT之間的各種縫隙,打造軟件定義、數據驅動、模式創新的新生態,而數字孿生剛好為融合發展提供了數據和技術的接口。

在產品設計中,數字孿生可以展示、預測,分析數字模型和物理世界之間的互動過程?;跀底謱\生的設計是基于現有物理產品的虛擬映射,研究大量數據以獲取有價值的知識進行產品創新。

設計人員只需將需求發布到工業互聯網平臺,平臺管理者就能就精確匹配設計人員需要的數據服務以及用于處理數據的模型和算法服務。通過調用,組合和操作這些服務,結果將返回給設計人員。IT和OT的融合以“按需付費”的方式,在工業互聯網平臺上悄然完成。

此外,在設計產品的功能結構和組件后,需要測試設計質量和可行性。借助數字孿生,設計人員可以通過驗證虛擬產品快速地模擬運行狀況,完成虛擬設計和虛擬運行。服務封裝后,模型服務可以通過服務搜索,匹配,調度和調用來使用。通過服務,數字孿生有效地應用于產品設計中,減少預期行為和設計行為的不一致產生的修改,大大縮短設計周期,降低設計成本。

打造基于數字孿生的工業APP服務池

隨著工業互聯網的發展,其核心思想“數據+模型=服務”的影響不斷擴大,服務在制造業中扮演著越來越重要的位置。優化服務不僅僅可以應對激烈的競爭并獲得更多收入,還可以借助工業APP和微服務解決不同供應商標準協議兼容、異構系統集成等問題。

數字孿生服務包括設備服務、技術服務、測試服務、模擬服務、數據服務、知識服務、模型服務、算法服務等,此外,還有許多輔助服務,如物流服務、運維服務、金融服務等。

工業APP可以充分釋放數字孿生的潛力。工業APP可以將數字孿生的各種組件分解為可由單個服務完成的子任務模塊,客戶按需定制滿足一定功能的微模塊,組建起一定功能的微服務組,經服務封裝后,數字孿生服務發布到服務池和工業互聯網平臺。通過微服務,復雜虛擬模型數字孿生的每個組件都可以統一管理、共享和使用。


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