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    工業數字孿生概覽

    更新時間:2023-04-28 11:04:01

      工業數字孿生是多類數字化技術集成融合和創新應用,基于建模工具在數字空間構建起精準物理對象模型,再利用實時IoT數據驅動模型運轉,進而通過數據與模型集成融合構建起綜合決策能力,推動全業務流程閉環優化。發展工業數字孿生,當下就是最好的時機。
     
      萬物皆可數字孿生
     
      數字孿生技術早期主要被應用在軍工及航空航天領域。2010年,美國國家航空航天局(NASA)在太空技術路線圖中首次引入數字孿生的概念,開展了飛行器健康管控應用。百度百科對數字孿生(DigitalTwin)的定義是:充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據,集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數字孿生著眼點是物理設備的數字化,本質是基于物聯網、傳感器、模型、數據、映射、仿真多學科技術的集成應用,核心是要解決設備的全生命周期管理。將這個概念進一步泛化,可以將物理世界的人、物、事件等所有要素數字化,在網絡空間再造一個一一對應的虛擬世界,物理世界和虛擬世界同生共存、虛實交融,萬物皆可數字孿生。
     
      應用場景極為廣泛
     
      “數字孿生”就是“數字的雙胞胎”物理實體、虛擬模型、數據、連接和服務是數字孿生的核心要素。數字孿生作為實現虛實之間雙向映射、動態交互、實時連接的關鍵途徑,為觀察、認識、理解、控制和改造物理世界提供了一種新的有效手段。數字孿生技術的應用場景極為廣泛,包括航空航天、能源、智慧城市、工業制造等。中國科學院院士朱中梁認為,各行各業都可以應用數字孿生技術進行生態的控制、管理、監測。其中,工業制造領域的數字孿生技術應用得較多。“我們經常思考怎樣把物理世界反饋到數字世界,實現有回路反饋的全生命周期跟蹤,如果沒有數字孿生對物理生產體系的準確模型化的描述,所謂的智能制造就很難實現”。
     
      工業數字孿生:時機成熟
     
      什么是工業數字孿生?工業數字孿生是多類數字化技術集成融合和創新應用,基于建模工具在數字空間構建起精準物理對象模型,再利用實時IoT數據驅動模型運轉,進而通過數據與模型集成融合構建起綜合決策能力,推動全業務流程閉環優化。發展工業數字孿生,當下就是最好的時機。“現在的IT環境更加成熟,硬件的算力支持實時呈現,軟件適配性也更強”。“數字孿生已經滲透到智能制造的各個階段,在不同場景都得到了有效的應用,例如裝配應用、員工培訓、產品測評、智能工廠建設、倉儲物流管理等,能大幅度提高生產、制造、裝配、設計、規劃和物料方面的管理效率,降低試錯成本”。
      騰訊為瑞泰馬鋼打造“透明工廠”,從生產資料進入、訂單匹配、排產到生產管理,利用數字孿生技術幫助其生產效率提高12%,故障率降低25%,品質提升10%。在低碳生產方面,瑞泰馬鋼的單位產值能耗大幅降低,萬元產值消耗標準煤從90千克減少到了35千克,有效實現了節能減排。
     
      
           賦能產業智能化升級
     
      數字孿生能夠幫助制造企業解決哪些問題?數字孿生主要用于產品設計、生產場景虛擬化和遠程售后服務等方面,成熟的場景應用能幫助客戶用較小的成本預知最終結果,避免較大損失。
      工業數字孿生注重將“模型+數據”作為基礎,以因推果,反饋并優化業務和流程。“工業知識和數據是企業在長時間生產過程中積累的衍生資產,只是在積累的方式和利用的場景、價值等方面不同。數字孿生是‘模型+數據’基建,通過構建本體模型,形成行業知識圖譜,將數據與圖譜進行映射,并不斷補充和創建知識,構建具有自我迭代能力的數字孿生體,并通過與業務場景的結合,實現對業務和流程的反哺,完成閉環優化”。
      哪些企業更適合應用數字孿生技術?數字孿生可以與制造企業的哪些環節融合?“行業頭部企業以及自動化程度較高的細分行業更適合使用數字孿生技術。這些企業已基本具備設備數據采集和數據追溯能力,能夠為數字孿生本體模型提供更完備的數據支撐”。“對于裝備制造企業,可以在產品設計階段使用數字孿生,實現產品參數的調整和優化,降低試錯成本,縮短開發周期;對于流程型和自動化程度較高的離散型制造企業,構建生產數字孿生體,通過產線和設備的實時數據驅動模型,進行實時仿真和優化,能夠實現生產效率提高、質量提升和制造成本降低”。
     
      數字孿生三大發展趨勢
     
      面向未來,中國工程院院士譚建榮認為,數字孿生有三大發展趨勢。
      第一是擬實化趨勢,涉及多物理建模。產品數字孿生體在工業領域應用的成功程度,取決于產品數字孿生體的擬實化程度,研究如何將基于不同物理屬性的模型關聯在一起,是建立產品數字孿生體,繼而充分發揮產品數字孿生體模擬、診斷、預測和控制作用的關鍵。
      第二是全生命周期化,即從產品設計和服務階段向產品制造階段延伸?,F階段有關產品數字孿生體的研究主要側重于產品設計或售后服務階段,較少涉及產品制造階段,數字孿生體則將會在產品生產制造階段的研究與應用方面成為全新熱點。
      第三是集成化、與其他先進技術融合也將成為全新的趨勢?,F階段數字孿生體的各個環節之間仍然存在斷點,如何將數字紐帶技術作為基礎技術,并將新一代信息與通信技術、大數據分析技術、增強現實(AR)技術等先進技術有機融為一體,是數字孿生的下一個研究方向。
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