數(shù)字孿生：未來制造業(yè)的基石

  數(shù)字孿生（Digital Twin）是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬實體，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗證、預(yù)測、控制物理實體全生命周期過程的技術(shù)手段。

  數(shù)字孿生能夠理解、預(yù)測產(chǎn)品、設(shè)備或過程，乃至能對物理產(chǎn)品實施控制、改變產(chǎn)品的狀態(tài)，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變得觸手可及，從而實現(xiàn)對于產(chǎn)品、設(shè)備或過程的相關(guān)要素資源的優(yōu)化，并進一步激發(fā)數(shù)字化創(chuàng)新。

  數(shù)字孿生是由物理實體（PE）、虛擬模型(VE)、孿生數(shù)據(jù)(DD)、服務(wù)(Ss)和連接(CN)５個維度構(gòu)成的綜合體，可以通過多維虛擬模型和孿生融合數(shù)據(jù)雙驅(qū)動及虛實閉環(huán)交互機制，實現(xiàn)監(jiān)測、仿真、評估、預(yù)測、優(yōu)化、控制等功能服務(wù)和虛實共生交互機制。

       數(shù)字孿生技術(shù)，為工業(yè)注入“智慧”的動力，將工業(yè)機械成為具有數(shù)字生命力的“數(shù)字產(chǎn)品”。從2016年起，它連續(xù)被Gartner評為當(dāng)年的十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一。目前，數(shù)字孿生技術(shù)已推廣應(yīng)用于航空航天、汽車制造、軌道交通、船舶航運、城市管理、電力、醫(yī)療、油氣、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域，形成了數(shù)字孿生衛(wèi)星、數(shù)字孿生車間、數(shù)字孿生醫(yī)療、數(shù)字孿生城市等一批具有發(fā)展活力和韌性的新業(yè)態(tài)。

數(shù)字孿生在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀：

工廠級應(yīng)用現(xiàn)狀：發(fā)展較為緩慢，缺乏深度應(yīng)用，主要受限于現(xiàn)有工廠各層級數(shù)字化條件及工廠復(fù)雜多系統(tǒng)建模技術(shù)能力；

產(chǎn)線級應(yīng)用現(xiàn)狀：應(yīng)用相對廣泛，得益于生產(chǎn)過程中的監(jiān)測技術(shù)已相對成熟，但細(xì)粒度建模能力及決策算法尚不成熟；

設(shè)備級應(yīng)用現(xiàn)狀：應(yīng)用更為成熟，深度應(yīng)用主要為零部件級別，但設(shè)備模型精確度、數(shù)字化多層級建模技術(shù)、預(yù)測算法待優(yōu)化。

      近年來，西門子、通用電氣等工業(yè)巨頭紛紛打造數(shù)字孿生解決方案，并賦能工業(yè)企業(yè)。據(jù)IDC預(yù)測，到2022年，70%的制造商將使用數(shù)字孿生技術(shù)進行流程仿真和場景評估?？梢姡磥頂?shù)字孿生技術(shù)有望持續(xù)在工業(yè)界發(fā)揮作用，加快推動工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。隨著存儲與計算成本日益走低，數(shù)字孿生的應(yīng)用案例與潛在收益大幅上漲，并轉(zhuǎn)而提升商業(yè)價值。

    在產(chǎn)品質(zhì)量方面，數(shù)字孿生可以提升整體質(zhì)量，預(yù)測并快速發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷趨勢，控制質(zhì)量漏洞，判斷何時會出現(xiàn)質(zhì)量問題；

    在保修成本與服務(wù)上，數(shù)字孿生能夠了解當(dāng)前設(shè)備配置，優(yōu)化服務(wù)效率，判斷保修與索賠問題，以降低總體保修成本，并改善客戶體驗；

    在運營成本上，數(shù)字孿生則可以改善產(chǎn)品設(shè)計，有效實施工程變更，提升生產(chǎn)設(shè)備性能，減少操作與流程變化；

    在記錄保存與編序上，數(shù)字孿生能夠幫助創(chuàng)建數(shù)字檔案，記錄零部件與原材料編號，從而更有效地管理召回產(chǎn)品與質(zhì)保申請，并進行強制追蹤；

    在新產(chǎn)品引進成本與交付周期上，數(shù)字孿生將縮短新產(chǎn)品上市時間，降低新產(chǎn)品總體生產(chǎn)成本，有效識別交付周期較長的部件及其對供應(yīng)鏈的影響；

    對于收入增長機會來說，數(shù)字孿生則能夠識別有待升級的產(chǎn)品，提升效率，降低成本，優(yōu)化產(chǎn)品。

01-基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的焊接機器人秒級數(shù)字孿生系統(tǒng)

通過智能焊接設(shè)備搭載云平臺，進行實時數(shù)據(jù)采集與分析、焊縫質(zhì)量檢測，實現(xiàn)秒級數(shù)字孿生工業(yè)應(yīng)用，實時設(shè)備狀態(tài)檢測，數(shù)據(jù)延遲小于1s，遠(yuǎn)程決策干預(yù)小于2s，達(dá)到高效準(zhǔn)確地遠(yuǎn)程監(jiān)控與預(yù)測。

來源：長沙智能機器人研究院

方案優(yōu)勢：

  焊接數(shù)據(jù)集中管理，自動評估和分析；

  可對焊接耗材消耗量進行記錄與預(yù)測，并提示與報警；

  實現(xiàn)每條焊縫的數(shù)據(jù)透明化和可追溯性；

  每個工件的可追溯性及參數(shù)記錄；

  可實現(xiàn)節(jié)拍優(yōu)化和成本優(yōu)化，提高設(shè)備的稼動率；

02-工業(yè)生產(chǎn)線三維可視化解決方案

      通過物聯(lián)網(wǎng)、虛實聯(lián)動和三維建模等技術(shù)，根據(jù)用戶需求快速的建立智能生產(chǎn)線的仿真模擬并進行工程規(guī)劃、工程驗證、工藝分析、邏輯驗證等工作，整合物流、人機工程及物理仿真模擬功能，幫助企業(yè)進行產(chǎn)能規(guī)劃。

                         來源：長沙智能機器人研究院

方案優(yōu)勢：

高度仿真實際生產(chǎn)狀態(tài)，打造基于大數(shù)據(jù)下的智能可視化應(yīng)用

實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真洞察

通過數(shù)據(jù)可視化建模對比分析，實時展示現(xiàn)實環(huán)境的具體生產(chǎn)情況

通過VR和AR功能引擎組件，可全面打造虛擬的動態(tài)場景

03-基于數(shù)字孿生的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)

結(jié)合云平臺，基于Web技術(shù)、VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗教學(xué)平臺，自主開發(fā)工業(yè)機器人編程、拆裝、焊接等虛擬教學(xué)軟件，持續(xù)專注于信息化教育技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)的深度融合。

來源：長沙智能機器人研究院

方案優(yōu)勢：

三維立體展示效果

人機交互

超強沉浸感

可實現(xiàn)多人共享

多通道融合

新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，引發(fā)傳統(tǒng)制造、生產(chǎn)模式的變革。數(shù)字孿生作為新的前沿技術(shù)，以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，在智能制造、智慧城市建設(shè)等方面都將發(fā)揮較大的推動作用。過去幾十年數(shù)據(jù)量的爆炸式增長，意味著物理世界的數(shù)字孿生不斷完善。未來，物理世界的數(shù)字鏡像將從分時到實時、從宏觀到微觀不斷完善，形成一個完整的數(shù)字孿生。其作用正在輔助改變工業(yè)進程的號角，最終達(dá)到高效生產(chǎn)、柔性生產(chǎn)、智能生產(chǎn)，真正助力企業(yè)持久競爭力的打造。

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參考資料:陶飛，劉蔚然，德勤分析等，數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索，《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書2020版》