技術應用

數字孿生的三個常見問題及解答

2025China.cn   2021年06月01日

  多年來,LNS研究中心寫了很多關于數字孿生的文章。我們仍然發現很多制造業的客戶對數字孿生感到困惑,更不清楚如何實現并落地。對此,我們希望通過搭建一個簡單的框架來幫助大家更好的認知與思考數字孿生,并明確以下三個最常見的問題。

  首先,我們需要認識到數字孿生技術貫穿在產品生命周期中的不同階段。通常,我喜歡將數字孿生分為兩種基本類型:產前和產后。

  產前數字孿生指:在原型或實際建造成本之前,在虛擬環境中對生產全過程進行仿真、優化及重構。

  簡單而言,即在產品的設計階段,通過數字孿生來模擬設計項目的預期性能,提高開發和生產的有效性和經濟性。而該項目可以是一個產品,例如飛機、輪船、烤面包機,甚至是鞋子;可以是制造工業中的工廠、工藝或生產線,如汽車裝配廠、食品生產線;同樣也可以是工藝流程工業中的工廠、工藝或生產線,如化工廠或煉油廠。因此,關于產前數字孿生,我們也可解讀為:設計中的數字仿真世界與被模擬的現實世界之間的交互連接。

  在這一階段,數字孿生可以在虛擬原型構建或者實際設計建造之前進行產品仿真設計,協助企業驗證產品在真實環境中的性能,最終達到降本增效的最優效果。在實際操作中,PLM供應商可以通過使用CAD工具開發出滿足技術規格的產品虛擬原型,利用包括人體工程學、熱力學或物理模型等等,精確記錄產品的各種物理參數,以可視化的方式實現對現實中產品1:1的模擬仿真與交互,從而實現提高設計的準確性。鑒于當前國際經濟和政治趨勢,LNS研究公司預計,數字孿生技術將在本輪商業周期中越發舉足輕重。

  通常,在產品生產之前,通過數字孿生的技術來模擬在不同產品、不同參數、不同外部條件下的生產過程,我們可以將其視為是一種數據的聚合過程,例如百萬投訴中得到的商機、某產品功能的客戶使用比、各項售后產生的成本等等,以幫助我們更直觀了解在實際生產過程中(尤其是在產品質量和客戶體驗數據方面)各項數據與指標的變化,從而收集相關數據依據,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。

  產后數字孿生指:通過提升產品實際運行時間和性能,同時降低維護成本來降低與產品項目相關的成本。

  換句話說,當工廠或產品進入運行階段,采集產品運行階段的環境和工作狀態,例如特定的識別車輛、特定的煉油廠等相關的設備性能、維護和客戶體驗記錄,并通過足夠的數據收集,搭建一個后期的數字孿生,分析和優化來避免產品的故障,改善用戶對產品的使用體驗。

  那么,什么是產后數字孿生?簡單而言,就是對物理世界中的物體(產品或資產),通過數字化手段來構建一個數字世界中1:1的虛擬實體,從而實現對特定項目的即時構建、維護、服務(逐漸擴大包括到社交媒體)和使用。

  通常而言,產后數字孿生的使用是通過提升產品實際正常運行時間和性能來降低與產品項目相關的成本,特別是維護成本,例如:保持航班的更長飛行時間、確保化工廠的生產運行平穩。通過產后數字孿生的技術,我們希望洞察到產品使用情況以及實際功效,如對客戶的產品質量和生產效率是否有所提升。因此,借助于工業物聯網(IIoT)和大數據等技術,通過采集有限的物理傳感器指標的直接數據,并借助大樣本庫,通過機器學習推測出一些原本無法直接測量的指標,從而獲得更加全面、多維度的產品數據。我們認為,通過數字孿生采集出來的大量實時數據,有助于提升企業對于態勢感知的能力,從而指導企業更好的去做相應的業務決策,比如更合理的檢修時間……

  總而言之,產后數字孿生需要收集來自豐富的實際數據來構建虛擬世界和物理世界之間的交互連接。

  基于以上的概念框架,LNS研究公司指出,當前,需要我們解決有關數字孿生的最常見的三個問題分別是:

  1、我需要購買與數字孿生相關的應用軟件嗎?

  答案是“取決于實際項目”。即根據實際項目使用的場景來確定。

  當前,數字孿生不僅有助于獲取和交換以及更大范圍的數據訪問,而且還提供了開箱即用的完整方案。其中,PLM供應商,例如西門子、達索和PTC以直接或通過合作伙伴的方式提供數字孿生所需的設計和仿真解決方案;AVEVA、Hexagon和西門子/Bentley為工藝工廠(直接或通過合作伙伴)提供必要的、豐富的開箱即用的設計和仿真解決方案。但值得注意的是,這里所說的“豐富的”開箱即用,即指交付完整的數字孿生應用方案需要相當數量的供應商提供相關服務。事實上,早在“數字孿生”一詞流行起來之前,數字孿生就已悄然出現在這些公司的產品策略。

  LNS研究公司通過每年對超過100家供應商的市場調查,得出結論是,目前現成的、開箱即用的“產后”數字孿生應用軟件技術還未成熟。一些專注于離散和流程方面的廠商都在通過開發、收購、生態合作等渠道,完善自己產品所必須的技術。對于流程制造商,我們建議將資產性能管理系統(尤其是那些使用工業數字化轉型平臺來驅動其解決方案開發或作為其產品核心的系統)視為與開箱即用的數字孿生應用軟件最接近的產品。而對于離散制造商,公司可以通過查看工業數字化轉型平臺和工業數字化轉型分析供應商來為這些解決方案提供關鍵技術。C3、Hitachi Vantara和Uptake,是少數一些擁有強大的后期數字孿生技術的工業數字化轉型平臺的供應商。

  2、創建數字孿生是否需要3D技術嗎?

  同樣,答案是,它取決于所應用的場景。

  (1)3D是產前數字孿生的核心。舉例說明:如果沒有3D建模,就幾乎不可能測試飛機的抗風性;如果沒有深入了解加工廠的幾何構造,也同樣很難模擬加工廠的熱力學模型。

  (2)3D并不是產后數字孿生的基礎。產前數字孿生的建成狀態、維護狀態、服務狀態以及已使用的數據核心通常不是高度圖形化的,因此與其考慮高度圖形化的數據,不如考慮及時且廣泛的大數據,諸如遠程監控、遠程操作中心和預測維護等其他產后數字孿生應用程序更多的是與數據息息相關,而不是3D模型。

  但也有一種特殊情況—人機交互:當現實操作人員采用增強現實 (AR) 和虛擬現實 (VR) 技術,打造1:1高仿真建模效果可視化場景的時候,3D建模又是必不可少的。

  在有些情況下,3D模型和數據結合分析,可以更好地監測、分析以及預測產品性能。例如,可以將工廠的3D模型與收集的腐蝕數據相結合,根據工廠易腐蝕結構位置以及天氣對腐蝕速率的影響,分析可能導致建筑結構、絕緣材料和涂層材料的變化,提供預測維護工作的最佳時間點以及維護周期的參考依據,從而有效降低腐蝕事故的發生概率。

  3、最重要的是,數字孿生有商業價值嗎?

  這是毋庸置疑的。很多工業企業與LNS研究公司共享了他們的數字孿生項目結果,并表示數字孿生在產前和產后都幫助他們獲得了可觀的回報。

  (1)產前數字孿生,其潛在影響可能是具有變革性的商業價值。換句話說,產前數字孿生的應用給工業制造帶來了舉足輕重的影響,即使在停滯的市場中,也能更快速地將產品推向市場,獲得深入的產品洞察力,從而提升制造商的競爭優勢,這一點使得幾乎所有的工業巨頭趨之若鶩。(注:這種潛在的變革可能是LNS研究所認為PLM市場在最近幾年變得更加活躍的原因)

  (2)產后數字孿生,在傳遞商業價值方面也可能具有變革性。一方面,其提供當前資產準確的運行狀況,可以幫助制造商評估、制定更有效的維護控制策略,改進優化運行性能,最大限度地減少運營成本;另一方面,對具體單位表現的詳細了解可能會導致運營模式的變更,從而延長資產壽命和產出。總而言之,產后數字孿生對于資產密集型運營戰略的調整起到很大的作用,洞察到的每一個微小的性能變化都有可能具有巨大的商業價值。

打通構成數字孿生的閉環

  在工業制造中,依托工業互聯網平臺,數字孿生可幫助企業全面了解從產品的設計、開發,到生產、上市、直至被使用的全流程。LNS 研究公司早期曾發表講話:產前和產后數字孿生技術都提供了可觀且切實的回報。目前我們必須要認識到,隨著企業數字化進程加快,數字孿生與工業互聯網的結合,將為制造業的提升帶來更廣闊的想象空間。

寄云科技數字孿生開發方案

  寄云科技為工業企業構建”產后”數字孿生提供了基于數據智能的完整開發方案。一方面,寄云提供了豐富的工業數據采集和邊緣計算能力,可以幫助企業實現大型設備實時狀態的采集和狀態監測;另一方面,針對大型關鍵設備的故障診斷和預測,寄云科技提供了豐富的故障庫,以及基于機器學習的故障診斷、健康評估和壽命預測能力;同時,還可以提供便捷的工業數據建模工具以及工業可視化開發工具,實現對設備可靠性、生產性能和效率等關鍵指標進行深度分析和應用,實現更全面的數字孿生。此外,寄云科技還與安世亞太合作開發了將仿真模型和工業物聯網進行融合的解決方案,能夠基于物聯網實時數據和仿真模型的實時計算,實現更全面的狀態監測和關鍵指標的性能預測。

標簽:數字孿生 寄云科技 我要反饋 
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