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(shí)體的虛擬實(shí)體，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)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(cè)產(chǎn)品、設(shè)備或過程，乃至能對(duì)物理產(chǎn)品實(shí)施控制、改變產(chǎn)品的狀態(tài)，讓很多原來由于物理?xiàng)l件限制、必須依賴于真實(shí)的物理實(shí)體而無法完成的操作變得觸手可及，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于產(chǎn)品、設(shè)備或過程的相關(guān)要素資源的優(yōu)化，并進(jìn)一步激發(fā)數(shù)字化創(chuàng)新。

  數(shù)字孿生是由物理實(shí)體（PE）、虛擬模型(VE)、孿生數(shù)據(jù)(DD)、服務(wù)(Ss)和連接(CN)５個(gè)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(dòng)及虛實(shí)閉環(huán)交互機(jī)制，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、仿真、評(píng)估、預(yù)測(cè)、優(yōu)化、控制等功能服務(wù)和虛實(shí)共生交互機(jī)制。

       數(shù)字孿生技術(shù)，為工業(yè)注入“智慧”的動(dòng)力，將工業(yè)機(jī)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(píng)為當(dāng)年的十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)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(yùn)、城市管理、電力、醫(yī)療、油氣、農(nóng)業(yè)等多個(gè)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(jí)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(jí)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(jí)應(yīng)用現(xiàn)狀：應(yīng)用相對(duì)廣泛，得益于生產(chǎn)過程中的監(jiān)測(cè)技術(shù)已相對(duì)成熟，但細(xì)粒度建模能力及決策算法尚不成熟；

設(shè)備級(jí)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(jí)別，但設(shè)備模型精確度、數(shù)字化多層級(jí)建模技術(shù)、預(yù)測(cè)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(cè)，到2022年，70%的制造商將使用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行流程仿真和場(chǎng)景評(píng)估?？梢?，未來數(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(dòng)工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。隨著存儲(chǔ)與計(jì)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(jià)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(cè)并快速發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷趨勢(shì)，控制質(zhì)量漏洞，判斷何時(shí)會(huì)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(yàn)；

    在運(yùn)營(yíng)成本上，數(shù)字孿生則可以改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)，有效實(shí)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(hào)，從而更有效地管理召回產(chǎn)品與質(zhì)保申請(qǐng)，并進(jìn)行強(qiáng)制追蹤；

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

    對(duì)于收入增長(zhǎng)機(jī)會(huì)來說，數(shù)字孿生則能夠識(shí)別有待升級(jí)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(jī)器人秒級(jí)數(shù)字孿生系統(tǒng)

通過智能焊接設(shè)備搭載云平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與分析、焊縫質(zhì)量檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)秒級(jí)數(shù)字孿生工業(yè)應(yīng)用，實(shí)時(shí)設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)，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(cè)。

來源：長(zhǎng)沙智能機(jī)器人研究院

方案優(yōu)勢(shì)：

  焊接數(shù)據(jù)集中管理，自動(dòng)評(píng)估和分析；

  可對(duì)焊接耗材消耗量進(jìn)行記錄與預(yù)測(cè)，并提示與報(bào)警；

  實(shí)現(xiàn)每條焊縫的數(shù)據(jù)透明化和可追溯性；

  每個(gè)工件的可追溯性及參數(shù)記錄；

  可實(shí)現(xiàn)節(jié)拍優(yōu)化和成本優(yōu)化，提高設(shè)備的稼動(dòng)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(shí)聯(lián)動(dòng)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(jìn)行工程規(guī)劃、工程驗(yàn)證、工藝分析、邏輯驗(yàn)證等工作，整合物流、人機(jī)工程及物理仿真模擬功能，幫助企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)能規(guī)劃。

                         來源：長(zhǎng)沙智能機(jī)器人研究院

方案優(yōu)勢(shì)：

高度仿真實(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿真洞察

通過數(shù)據(jù)可視化建模對(duì)比分析，實(shí)時(shí)展示現(xiàn)實(shí)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(dòng)態(tài)場(chǎng)景

03-基于數(shù)字孿生的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

結(jié)合云平臺(tái)，基于Web技術(shù)、VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，自主開發(fā)工業(yè)機(jī)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(zhǎng)沙智能機(jī)器人研究院

方案優(yōu)勢(shì)：

三維立體展示效果

人機(jī)交互

超強(qiáng)沉浸感

可實(shí)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(dòng)作用。過去幾十年數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)，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(shí)到實(shí)時(shí)、從宏觀到微觀不斷完善，形成一個(gè)完整的數(shù)字孿生。其作用正在輔助改變工業(yè)進(jìn)程的號(hào)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(jìng)爭(zhēng)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》