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在項目實(shí)施之前對設備和系統進(jìn)行測試和驗證的能力對于任何制造商來(lái)說(shuō)都至關(guān)重要。然而，在這項技術(shù)的早期階段，并非每個(gè)制造商都為數字化轉型做好了準備。 作為一種更高形式的仿真，數字孿生收集數據以創(chuàng )建精準的仿真，來(lái)顯示制造設備和系統的運行、潛在故障以及未來(lái)可能的維護問(wèn)題。數字孿生和仿真之間的關(guān)鍵區別在于，數字孿生將來(lái)自設備的實(shí)時(shí)數據輸入整合到其仿真中，以創(chuàng )建逼真的現實(shí)表示。 正因為如此，數字孿生這項技術(shù)才能迅速成為制造企業(yè)的重要工具。能夠幫助企業(yè)在使用前運行、測試和優(yōu)化復雜而昂貴的系統，節省大量時(shí)間和成本，并可以避免故障、損壞和員工受傷。 盡管它們在概念上相似，但仿真和數字孿生在目標上并不同。仿真是基于軟件的，通常用于訓練，使用過(guò)程或系統模型來(lái)模擬真實(shí)世界的行為。這使用戶(hù)能夠對設計做出決定，并在必要時(shí)進(jìn)行更改。 仿真主要針對設計和培訓應用，而數字孿生通常用于實(shí)時(shí)仿真過(guò)程或系統的整個(gè)生命周期，包括設計、運行、變更、修改以及調試和退役的各個(gè)階段。 “任何制造商的數字化轉型之旅，都需要為其產(chǎn)品、系統和整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程打造一個(gè)全面的數字孿生�！蔽鏖T(mén)子數字化工業(yè)軟件機器人和自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)品經(jīng)理Josh Carlson表示：“全面的數字孿生使制造商能夠在構建物理系統之前驗證系統，以提高生產(chǎn)質(zhì)量并減少停機時(shí)間�！� Carlson進(jìn)一步解釋道，雖然仿真是數字化轉型的重要組成部分，對充分利用數字孿生的功能至關(guān)重要，但全面的數字孿生所包含的內容要更多。得益于物理、行為和邏輯建模，它是一種可以更接近真實(shí)事物的模型。然后，仿真可以讓數字孿生更真實(shí)，可以對其進(jìn)行訓練和分析，并用它來(lái)獲得答案和做出決策。 達索系統Delmia戰略業(yè)務(wù)發(fā)展總監Thomas Muth認為，仿真和數字孿生之間的關(guān)鍵區別體現在以下幾個(gè)方面： ■ 范圍：仿真使用預定義的變量集，數字孿生可對進(jìn)入方程的任何變量進(jìn)行調整，沒(méi)有數量限制。 ■ 數據集成：仿真使用靜態(tài)、預先確定的設置變量，而動(dòng)態(tài)數字孿生可以實(shí)時(shí)更新，以針對真實(shí)事件進(jìn)行調整。 ■ 模型：數字孿生需要模擬真實(shí)世界資源的多層模型。關(guān)鍵是要有一個(gè)可靠的模型，可以在其中與多個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行交互。而仿真通常是預定義的，并針對目標場(chǎng)景構建。 ■ 生命周期：從設計到生產(chǎn)以及交付的整個(gè)生命周期中, 數字孿生與物理實(shí)體保持著(zhù)持續的聯(lián)系。而仿真通常用于特定場(chǎng)景，可能不會(huì )在整個(gè)生命周期中持續存在。 ■ 協(xié)作：數字孿生應該允許所有利益相關(guān)者，在同一界面內協(xié)作和交換相關(guān)信息，而仿真往往相對單一且缺乏協(xié)作性。 ■ 用例：數字孿生用例比仿真更加多樣化、動(dòng)態(tài)化并基于角色，包括資產(chǎn)管理、預測性維護以及過(guò)程和供應優(yōu)化。 鑒于技術(shù)之間存在的差異和重疊，專(zhuān)業(yè)人員應如何選擇一種方法來(lái)更高效地調試和測試新的系統或升級過(guò)程？ “這通常取決于范圍和效益�！癈arlson表示，“對于一些變化不快或過(guò)于復雜的企業(yè)或市場(chǎng)，如果變化是一次性的，或者變化發(fā)生在很長(cháng)的時(shí)間周期內，仿真可能比較合適。如果產(chǎn)品、過(guò)程和資源經(jīng)常發(fā)生變化，OEM廠(chǎng)商或集成商可能更希望使用數字孿生�！� Muth補充道，OEM和集成商可能已經(jīng)使用獨立的仿真工具來(lái)估計周期時(shí)間、執行設備布局規劃、確定硬件規格以及構建和測試HMI操作員界面。這些工具在初期規劃和設計階段帶來(lái)了價(jià)值，但在調試過(guò)程中變得有限。 對制造商和集成商來(lái)說(shuō)，最關(guān)鍵和最具挑戰性的方面之一是不同技術(shù)和系統的成功整合和集成。這在調試階段最為明顯，當系統需要調整時(shí)成本可能會(huì )增加。全面的數字孿生也被稱(chēng)為虛擬調試，允許在任何設計最終確定之前進(jìn)行虛擬測試和驗證。 由于虛擬調試是生產(chǎn)系統、自動(dòng)化技術(shù)和控制的全面的數字孿生系統之間的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)連接，制造商可以在虛擬調試期間利用軟件在環(huán)（虛擬）或硬件（虛擬和物理硬件）。將測試和驗證轉移到數字世界，比在現場(chǎng)調試期間發(fā)現問(wèn)題的成本要低得多，并且還能縮短整體調試時(shí)間。 由于能夠實(shí)時(shí)連接物理世界和虛擬世界，數字孿生可以驗證和優(yōu)化設計、調試設備以及驗證過(guò)程、生產(chǎn)、維護和供應鏈。根據 Muth 的說(shuō)法，這意味著(zhù)有許多潛在的數字孿生類(lèi)型，不過(guò)大多數可以歸結為以下三種類(lèi)型： ■ 工廠(chǎng)和資源：模擬新設施或現有設施的設計和布局的數字孿生。 ■ 產(chǎn)品和過(guò)程：模擬生產(chǎn)運營(yíng)以驗證最佳實(shí)踐、模擬機器人和其他車(chē)間資源的運行、模擬產(chǎn)品和材料的流動(dòng)以及定義和驗證流程計劃和虛擬構建的數字孿生系統。 ■ 供應鏈和運營(yíng)：模擬供應鏈各個(gè)環(huán)節的數字孿生，以?xún)?yōu)化進(jìn)出工廠(chǎng)的物料流。 Carlson認為，使用全面的數字孿生的主要優(yōu)勢是可以將產(chǎn)品無(wú)縫集成到制造過(guò)程中。產(chǎn)品的數字復制品可以代表伺服電機等子組件，也可以代表整車(chē)等更復雜的產(chǎn)品。生產(chǎn)的數字表示準確地描述了制造產(chǎn)品所需的制造過(guò)程，而全面的數字孿生方法則集成了所有必要的組件。 數字孿生可以幫助評估現有設備升級，規劃新的生產(chǎn)線(xiàn)，并在將產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前驗證更改。例如，對柔性生產(chǎn)線(xiàn)（在一條生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)多種汽車(chē)）的推動(dòng)，以及對重新利用現有設備需求的不斷增加，使得數字孿生技術(shù)對汽車(chē)行業(yè)至關(guān)重要。 “雖然實(shí)施數字孿生技術(shù)對任何行業(yè)都有益處，” Muth說(shuō)，“但我們看到，生產(chǎn)復雜產(chǎn)品的公司以及處在快速增長(cháng)和變化的行業(yè)中的公司可以獲得更顯著(zhù)的好處�！彼e了兩個(gè)具體例子： ■ 一家大型飛機制造商為其直升機生產(chǎn)線(xiàn)創(chuàng )建了一個(gè)虛擬數字孿生。它以3D方式仿真生產(chǎn)機械，并實(shí)時(shí)更新以監控生產(chǎn)變化。 ■ 一家全球汽車(chē)技術(shù)提供商部署虛擬數字孿生技術(shù)來(lái)仿真生產(chǎn)過(guò)程。這使公司能夠通過(guò)分析序列和每次操作所花費的時(shí)間來(lái)規劃流程。這種數字化工廠(chǎng)使公司能夠更高效地發(fā)展，降低生產(chǎn)啟動(dòng)成本，并利用資源和最佳實(shí)踐與標準化工具更好地合作，以改善工廠(chǎng)內外的溝通。 從表面上看，數字孿生和仿真技術(shù)并沒(méi)有真正的缺點(diǎn)，只是各自的特點(diǎn)使其適用于不同應用。Muth說(shuō)：“如果實(shí)施得當，我看不出數字孿生有任何真正的缺點(diǎn)，但在這個(gè)過(guò)程中肯定需要考慮風(fēng)險�！眱蓚�(gè)主要的潛在風(fēng)險是：孤立/獨立的數字孿生和單一用途的數字孿生。 關(guān)于孤立的數字孿生，Muth解釋道，“為了最大限度地發(fā)揮作用，數字孿生應該能夠連接到其它數字孿生并與之合作。這是一個(gè)關(guān)鍵趨勢，互聯(lián)的數字孿生解決了這一問(wèn)題�！� 互聯(lián)的數字孿生，通過(guò)使用大量異構數據和商業(yè)化、建立跨公司數據空間以及基于跨公司標準共享數據的能力，為盡可能廣泛的受眾帶來(lái)收益。 對于單一用途的數字孿生，創(chuàng )建關(guān)注點(diǎn)過(guò)于狹窄的數字孿生，會(huì )使數字孿生的價(jià)值最小化，有時(shí)甚至到了實(shí)施成本超過(guò)收益的地步。 Carlson認為，致力于實(shí)現全面的數字孿生并利用虛擬調試技術(shù)幾乎沒(méi)有任何缺點(diǎn)。不過(guò)，也有一些戰略需要權衡，比如建立數字孿生系統所需的能力，或者為支持數字化轉型而可能需要改變的內部流程�！爸圃焐瘫仨毧紤]采用技術(shù)和推動(dòng)內部流程的人才供應情況，以及提升現有員工技能的方法。并非所有制造商和行業(yè)都處于數字化轉型的同一階段，正如并非所有制造商都處于機器人和自動(dòng)化的同一階段一樣�！� 盡管人們普遍認為，仿真和數字孿生之間的主要區別在于數字孿生與物理設備相連，可以實(shí)時(shí)響應輸入的數據，但并不是每個(gè)人都同意這一區別。因此，制造商可能會(huì )看到一些被認定為數字孿生的技術(shù)，但卻并不符合更廣泛接受的定義。在這種情況下，制造商應該如何選擇這些技術(shù)來(lái)調試和測試呢？ National Automation公司總裁兼國際自動(dòng)化學(xué)會(huì )（ISA）成員Steve Mustard表示：“在某些情況下，能夠運行數千次模擬以確定概率結果（如蒙特卡羅模擬）或最佳配置參數（如控制回路整定）的數字孿生更適合基于動(dòng)態(tài)模擬器的數字孿生。但在另外一些情況下，目標是觀(guān)察真實(shí)世界中的結果，例如幫助進(jìn)行操作員培訓，這就需要一個(gè)具有三維可視化和模擬功能的更全面的數字孿生系統�！� 與仿真一樣，也有不同類(lèi)型的數字孿生。Steve說(shuō)：“有很多工具被認為是數字孿生。從簡(jiǎn)單的電子表格到先進(jìn)的、具有精確地理空間的可視化平臺，以及兩者之間的任何組合都可能被歸入這一類(lèi)�！� 這些不同類(lèi)型的數字孿生，它們在調試和測試階段的適用范圍是什么？Mustard解釋道，在某些情況下，能夠查看設備資產(chǎn)靜態(tài)屬性的3D模型可能就足夠了。而在其它情況下，可能需要覆蓋仿真過(guò)程數據或查看完整的現場(chǎng)視圖，以可視化任何調試活動(dòng)的全部影響。 虛擬調試用于機器代碼的早期驗證，它使用虛擬仿真技術(shù)來(lái)調試或測試具有虛擬模型的控制軟件。虛擬調試組件還可以與數字孿生集成，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化調試/測試過(guò)程。 現代高級數字孿生能夠將3D模型、靜態(tài)屬性數據、實(shí)時(shí)過(guò)程數據或模擬過(guò)程數據集成到一個(gè)統一的視圖中�？刂破鲬贸绦蚩稍跀底謱\生上執行，運行過(guò)程模擬器并在3D視圖中顯示結果。這種方法簡(jiǎn)化了調試/測試過(guò)程，因為它比簡(jiǎn)單的I/O測試更能揭示控制器應用對物理世界的影響。中服云數字孿生平臺V3.0是基于中服云物聯(lián)網(wǎng)平臺和數據中臺打造的一款實(shí)時(shí)數據2D/3D集成展示監控平臺，旨在解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數據的直觀(guān)展示、實(shí)虛互動(dòng)、仿真模擬、故障診斷、告警、預警、預測、實(shí)時(shí)觀(guān)測、實(shí)時(shí)監控等問(wèn)題。提供了數據采集、數據底座、監控邏輯、建模工具、展示互動(dòng)工具、模擬仿真、診斷預測等功能，內置地球、城市、園區、工廠(chǎng)、車(chē)間、設備等多個(gè)場(chǎng)景。具有直觀(guān)性、實(shí)時(shí)性、集成性、主動(dòng)性等特點(diǎn)�？蓱糜趯�(shí)時(shí)監控、應急指揮、生產(chǎn)調度、模擬仿真、展示推廣、實(shí)體復原、產(chǎn)品測試等多種場(chǎng)景。 |
