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数字孪生是什么?工业互联网关键看什么?

2020-03-20 750

从目前来看,恢复大教堂的信息比较丰富,包括各种平面图像、3D图像等。而更为重要的是,美国瓦萨学院的艺术历史学家安德鲁•塔隆(Andrew Tallon)在2014-2015年期间,通过使用激光扫描仪创建了一个完美无瑕的大教堂的数字模型。


数字孪生的巴黎圣母院


通过这个数字模型不仅建立起大教堂的三维图像,同时能够揭示其他难以察觉的结构问题。巴黎圣母院已经在虚拟世界中得到永生,数字模型或许也能够帮助巴黎圣母院的修复,让其“重生”。

通过数字模型,越来越多的人认识到数字孪生技术的应用价值。此前的波音空难调查中,也凸显出数字孪生技术的重要作用。



数字孪生是什么?

数字孪生,英文名叫Digital Twin(数字双胞胎),也被称为数字映射、数字镜像。

数字孪生

它的官方定义非常复杂:

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

简单来说,数字孪生就是在一个设备或系统的基础上创造一个数字版的“克隆体”。

这个“克隆体”也被称为“数字孪生体”。它被创建在信息化平台上,是虚拟的。数字孪生体最大的特点在于:它是对实体对象(本体)的动态仿真。也就是说,数字孪生体是会“动”的。它“动”的依据来自本体的物理设计模型,还有本体上面传感器反馈的数据,以及本体运行的历史数据。

如果需要做系统设计改动,或者想要知道系统在特殊外部条件下的反应,工程师们可以在孪生体上进行“实验”。这样一来,既避免了对本体的影响,也可以提高效率、节约成本。

除了“会动”之外,理解数字孪生还需要记住三个关键词,分别是“全生命周期”、“实时/准实时”、“双向”。

数字孪生是源自工业界的概念。在工业制造领域,有一个词叫做“产品生命周期管理(PLM)”。

全生命周期,是指数字孪生可以贯穿产品包括设计、开发、制造、服务、维护乃至报废回收的整个周期。它并不仅限于帮助企业把产品更好地造出来,还包括帮助用户更好地使用产品。

而实时/准实时,是指本体和孪生体之间,可以建立全面的实时或准实时联系。两者并不是完全独立的,映射关系也具备一定的实时性。

双向,是指本体和孪生体之间的数据流动可以是双向的。并不是只能本体向孪生体输出数据,孪生体也可以向本体反馈信息。企业可以根据孪生体反馈的信息,对本体采取进一步的行动和干预。



数字孪生有什么用?

首先,它可以通过设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化的手段,将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中,形成可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字镜像。


数字孪生


这极大的加速了操作人员对物理实体的了解,激发模拟仿真、批量复制、虚拟装配等设计活动。

过去,在没有数字化模型帮助之下,制造一件产品要经历很多次迭代设计。

现在,采用了数字化模型的设计技术,就可以在虚拟的三维数字空间轻松地修改部件和产品的每一处尺寸和装配关系,这使得几何结构的验证工作和装配可行性的验证工作大为简单,大幅度减少了迭代过程中物理样机的制造次数、时间,以及成本。

此外,数字孪生还可以通过采集有限的物理传感器指标的直接数据,借助大样本库,通过机器学习推测出一些原本无法直接测量的指标。由此实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断,以及对未来趋势的预测,并给予分析的结果,模拟各种可能性,提供更全面的决策支持。

例如,针对大型设备运行过程中出现的各种故障特征,可以将传感器的历史数据通过机器学习训练出针对不同故障现象的数字化特征模型,并结合专家处理的记录,将其形成未来对设备故障状态进行精准判决的依据,最终形成自治化的智能诊断和判决。



数字孪生是工业互联网关键技术和重要场景

当下,互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术迅速发展,对推动制造业数字化、网络化、智能化进程起到关键作用,尤其是信息技术对于数据的强大计算和分析能力为制造业发展开辟崭新的发展空间,IT和OT的融合越来越受到制造企业的重视。伴随新一代信息技术与制造业深度融合发展,工业互联网成为制造业从“显”到“隐”的抓手,互联网从“虚”向“实”的载体。工业互联网蓬勃发展离不开技术支撑,包括数字孪生、边缘计算、5G、IPV6、标识解析、TSN(时间敏感网络)、PON(无源光网络)等都是工业互联网的关键技术。


数字孪生


随着工业互联网的应用推进,数字孪生被赋予了新的生命力,工业互联网延伸了数字孪生的价值链条和生命周期,凸显出数字孪生基于模型、数据、服务方面的的优势和能力,打通了数字孪生应用和迭代优化的现实路径,正成为数字孪生的孵化床。

数字孪生基于物理实体的基本状态,以动态实时的方式将建立的模型、收集的数据做出高度写实的分析,用于物理实体的监测、预测和优化。另外,数字孪生作为边缘侧技术,可以有效连接设备层和网络层,成为工业互联网平台的知识萃取工具,不断将工业系统中的碎片化知识传输到工业互联网平台中,不同成熟度的数字孪生体,将不同颗粒度的工业知识重新组装,通过工业APP进行调用。因此,工业互联网平台是数字孪生的孵化床,数字孪生是工业互联网平台的重要场景。



工业互联网重塑数字孪生闭环

数字孪生,以数字方式为物理对象创建高写实虚拟模型,并模拟、分析、预测其行为,为实现信息技术与制造业融合铺平了道路。借助数字孪生,可以集成复杂的制造工艺,实现产品设计,制造和智能服务等闭环优化,数字孪生将成为未来数字化企业发展的关键技术。


数字孪生工厂


在工业互联网概念出现之前,数字孪生的概念还只是停留在软件环境中,比如几何建模的CAD系统、产品生命周期管理的PLM等。但随着工业互联网的出现,网络的连通效用使得各个数字孪生在设备资产管理,产品生命周期管理和制造流程管理中开始发生关联、互相补充。

例如,国芯物联公司就利用其工业物联网平台,实现了数字孪生不同应用场景数据的打通。通过对原材料、工厂制造、销售、客户需求一体化的管理,打通构成数字孪生的闭环。让生产以及物流环节更透明,可灵活的按时生产、按需生产、按顺序生产等,实现真正的智能生产制造。



工业互联网平台激活数字孪生生命

随着制造业不断发展,数字孪生尽管尚未成为主流,却成为每一个数字化企业都要关注的技术。数字孪生的核心是模型和数据,但虚拟模型创建和数据分析需要专业的知识,对于不具备相关知识的人员,构建和使用数字孪生任重道远,工业互联网恰恰可以解决上述问题,通过平台实现数据分析外包、模型共享等业务。


数字孪生工厂


随着制造业不断发展,数字孪生尽管尚未成为主流,却成为每一个数字化企业都要关注的技术。数字孪生的核心是模型和数据,但虚拟模型创建和数据分析需要专业的知识,对于不具备相关知识的人员,构建和使用数字孪生任重道远,工业互联网恰恰可以解决上述问题,通过平台实现数据分析外包、模型共享等业务。