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AI+智能售后助力無憂“出海”
返回但是，當前業界對于數字孿生技術還存在一些模糊甚至錯誤的認識，給數字孿生技術披上了一層神秘的面紗。e-works認為，如果不能正確理解數字孿生技術的基本內涵就囫圇吞棗地應用數字孿生技術，很可能會“走入歧途”。為此，本文希望結合工業界的應用需求與實踐，厘清對數字孿生的基本認識，引導企業正確理解和應用數字孿生技術。
關于數字孿生的內涵
2017年，Gartner在十大新興技術的專題對數字孿生的解釋是：數字孿生是實物或系統的動態軟件模型，在三到五年內，數十億計的實物將通過數字孿生來表達。通過應用實物的零部件運行和對環境做出反應的物理數據，以及來自傳感器的數據，數字孿生可用于分析和模擬實際運行狀況，應對變化，改善運營，實現增值。數字孿生所發揮的作用就像一個專業技師和傳統的監控和控制器（例如壓力表）的結合體。推進數字孿生應用需要進行文化變革，結合設備維護專家、數據科學家和IT專家的優勢。將設備的數字孿生模型與生產設施、環境，以及人、業務和流程的數字表達結合起來，以實現對現實世界更加精確的數字表達，從而實現仿真、分析和控制。
從2018年Gartner發布的新興技術成熟度曲線中可以看出，數字孿生已經進入了過熱期，其建設和預期出現了高峰，超出其當前能力，會形成投資泡沫。
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模型的健壯性，聚焦于如何支持特定的業務成果；
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與現實世界的連接，具有實現實時監控和控制的潛力；
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應用高級大數據分析和人工智能技術來獲取新的商機；
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數字孿生模型與實物模型的交互，并評估各種場景如何應對的能力。
西門子認為：數字孿生是物理產品或流程的虛擬表示，用于理解和預測物理對象或產品的性能特征。數字孿生用于在產品的整個生命周期，在物理原型和資產投資之前模擬、預測和優化產品和生產系統。[5]
陶飛教授指出：當前對數字孿生存在多種不同認識和理解，目前尚未形成統一共識的定義，但物理實體、虛擬模型、數據、連接和服務是數字孿生的核心要素。不同階段（如產品的不同生命周期）的數字孿生呈現出不同的特點，對數字孿生的認識與實踐離不開具體對象、具體應用與具體需求。從應用和解決實際需求的角度出發，實際應用過程中不一定要求所建立的“數字孿生”具備所有理想特征，能滿足用戶的具體需求即可。
結合學術界的研究和工業界的實踐，e-works認為，數字孿生并不是一種單元的數字化技術，而是在多種使能技術迅速發展和交叉融合基礎上，通過構建物理實體所對應的數字孿生模型，并對數字孿生模型進行可視化、調試、體驗、分析與優化，從而提升物理實體性能和運行績效的綜合性技術策略，是企業推進數字化轉型的核心戰略舉措之一。
數字孿生的基本特征
例如，達索系統幫助新加坡構建了數字城市，建立了一座城市的數字孿生模型，不僅包括了地理信息的三維模型，各種建筑的三維模型，還包括了各種地下管線的三維模型。該模型作為城市的數字化檔案，可以用于優化城市交通，便于各種公共設施的維護。Biodigital公司創建了生物數字人體模擬演示的在線平臺，可以幫助醫生和科學家研究人體構造，進行模擬試驗。在太空探索的過程中，科學家通過數字孿生模型對遠在太空的航天器，例如登陸火星的“好奇號”火星車進行遠程監控、仿真與操控。顯然，物理實體的結構越復雜，其對應的數字孿生模型也會越復雜，實現數字孿生應用的難度也更大。
數字孿生的關鍵使能技術
需要強調的是，數字孿生的關鍵使能技術在數字孿生誕生之前就已經存在。而數字孿生的應用，又促進了這些關鍵使能技術的進一步發展。
產品的數字孿生
和工廠的數字孿生
目前，已有很多企業建立了生產監控與指揮系統，對車間進行視頻監控，顯示設備狀態（停機、正常、預警和報警等），展示各種分析報表和圖表等。構建數字孿生工廠可以進一步提升工廠運行的透明度。然而，要構建工廠完整的高保真數字孿生模型，需要工廠的建筑、產線、設備和產品的數字孿生模型，難度很大。設備和產線的數字孿生模型構建，有賴于廠商提供相關數據，僅僅通過立體相機拍照，通過逆向工程構建的車間三維模型精度很低，而且也只包括外觀的三維模型。但是，即便是僅僅基本的示意性的低精度的工廠數字孿生模型，對于工廠管理者實時洞察生產、質量和能耗情況，盡早發現設備隱患，避免非計劃停機，也具有實用價值。
需要強調的是，對于一個已經建成投產的工廠，在工廠運行過程中，其數字孿生工廠所顯示的所有數據和狀態信息，均來自真實的物理工廠，而非仿真結果。毫無疑問，要構建數字孿生工廠，需要實現設備數據采集和車間聯網（M2M）。
產品數字孿生模型與工廠數字孿生模型在產品的制造過程中可以實現融合應用。在推進工廠的數字孿生應用時，如果有高保真的產品數字孿生模型，并且在此基礎上能夠構建產品的制造、裝配、包裝、測試等工藝的數字孿生模型，以及各種刀具和工裝夾具的數字孿生模型，則可以在數字化工廠環境中，更加精準地對產品制造過程進行分析和優化。
產品數字孿生模型的演進
和數字主線
CIMdata認為，數字主線是一種信息交互的框架，能夠打通原來多個豎井式的業務視角，連通設備生命周期數據（也就是其數字孿生模型）的互聯數據流和集成視圖。數字主線通過強大的端到端的互聯系統模型和基于模型的系統工程(MBSE)流程來支撐和支持。波音公司開展了數字孿生和數字主線應用實踐，提出基于模型企業（MBE）“鉆石模型”。
對產品數字孿生模型的仿真分析，可以發現產品出現了什么問題。但如果要探究為什么出現問題，還需要依靠數字主線把各個階段的數字孿生模型串起，來進行整合分析。
埃森哲在其發表的《數字孿生：打造生力產品，重塑客戶體驗》白皮書中非常強調數字主線和數字孿生的密切聯系。所謂生力產品指的是Live Product。埃森哲認為，數字主線是貫穿于公司各個職能部門和產品生命周期的信息流，涵蓋產品構思、設計、供應鏈、制造、售后服務等各個環節，乃至外部的供應商、合作伙伴、和客戶產生的數據，使其能對產品及其運行提供全景的動態信息，賦能數字孿生的開發和更新。數字主線使得產品設計、制造和運維過程中所使用的流程以及所產生的數據能夠鏈接、追溯和管理；而數字孿生是在產品設計至運維的整個生命周期內，使用經過數字主線管控的數據對產品進行建模、對產品的性能、行為進行仿真、預測、診斷和反饋。
數字孿生
在制造業的典型應用場景
① 產品的運行監控和智能運維。
對于能夠實現智能互聯的復雜產品，尤其是高端智能裝備，將實時采集的裝備運行過程中的傳感器數據傳遞到其數字孿生模型進行仿真分析，可以對裝備的健康狀態和故障征兆進行診斷，并進行故障預測；如果產品運行的工況發生改變，對于擬采取的調整措施，可以先對其數字孿生模型在仿真云平臺上進行虛擬驗證，如果沒有問題，再對實際產品的運行參數進行調整。下圖是ANSYS的數字孿生技術在風電行業應用的案例。通過應用數字孿生技術，可以幫助風電企業避免非計劃性停機，實現預測性維護和運行控制與優化。
對于航空發動機的數字孿生應用，由于每臺發動機的飛行履歷不同，飛行的環境不同，健康服役的壽命，以及維護歷史差別很大，因此，應當對每臺航空發動機建立其對應的數字孿生模型。GE航空對于正在空中運行的航空發動機進行實時監控，一旦出現故障隱患，可以通過對數字孿生模型的分析來預測風險等級，及時進行維修維護，顯著提升了飛行安全。GE航空通過數字孿生模型記錄了每臺航空發動機每個架次的飛行路線、承載量，以及不同飛行員的駕駛習慣和對應的油耗，通過分析和優化，可以延長發動機的服役周期，并改進發動機的設計方案。
○ 將發動機傳感器數據與性能模型結合，根據運行環境的變化和物理發動機性能的衰減，構建自適應模型，精準監測航空發動機的部件和整機性能；
○ 將發動機歷史維修數據中的故障模式注入三維結構模型和性能模型,構建故障模型，應用于故障診斷和預測；
○ 將航空公司歷史飛行數據與性能模型結合并融合數據驅動的方法，構建性能預測模型，預測整機性能和剩余壽命；
○ 將局部線性化模型與飛機運行狀態環境模型融合并構建控制優化模型，實現發動機控制性能尋優，使發動機在飛行過程中發揮更好的性能。
西門子將來自智能傳感器的溫度、加速度、壓力和電磁場等信號和數據，以及來自數字孿生模型中的多物理場模型和電磁場仿真和溫度場仿真結果傳遞到Mindsphere平臺，通過進行對比和評估，來判斷產品的可用性、運行績效和是否需要更換備件。
在復雜裝備的運維方面，可以通過AR技術，基于產品的數字孿生模型生成產品操作、裝配或拆卸的三維動畫。在實物環境下，透過各種穿戴設備或移動終端進行示教。PTC提供了先進易用的AR應用平臺。
② 工廠運行狀態的實時模擬和遠程監控。
對于正在運行的工廠，通過其數字孿生模型可以實現工廠運行的可視化。包括生產設備目前的狀態，在加工什么訂單，設備和產線的OEE、產量、質量與能耗等，還可以定位每一臺物流裝備的位置和狀態。對于出現故障的設備，可以顯示出具體的故障類型。華龍訊達應用數字孿生技術，在煙草行業進行了工廠運行狀態的實時模擬和遠程監控實踐，中煙集團在北京就可以實現對分布在各地的工廠進行遠程監控。海爾、美的在工廠的數字孿生應用方面也開展了卓有成效的實踐。
③ 生產線虛擬調試。
應用虛擬調試技術，在虛擬調試階段，將控制設備連接到虛擬站/線；完成虛擬調試后，控制設備可以快速切換到實際生產線；可隨時切換到虛擬環境，分析、修正和驗證正在運行的生產線上的問題，避免長時間且昂貴的生產停頓。
Maplesoft公司的MapleSim平臺提供了一體化的生產線虛擬調試解決方案。2019年，羅克韋爾自動化公司并購了Emulate3D軟件，作為羅克韋爾Factorytalk/DesignSuite軟件的一部分，可以實現對整個工廠自動化控制系統進行虛擬仿真和虛擬調試，還可以利用工廠的數字孿生模型對員工進行培訓，降低工廠運營的風險。
④ 機電軟一體化復雜產品研發。
⑤ 數字營銷。
對于尚未上市的新產品，通過發布其概念階段的數字孿生模型，讓消費者選擇更喜歡的設計方案，然后再進行詳細設計和制造，這樣有助于企業提升銷售業績。同時，通過構建基于數字孿生模型的在線配置器，可以幫助企業實現產品的在線選配，實現大批量定制。下圖是比特視界(北京)科技有限公司（BITONE）為寶沃汽車開發的在線配置器，動感十足，可以查看各種配置的外觀和內飾。
數字孿生對制造企業的應用價值
IDC在2018年5月發表的《數字孿生網絡》報告中指出，到 2020 年底，65%的制造企業將利用數字孿生運營產品和/或資產，降低質量缺陷成本和服務交付成本 25%。
另一篇GE發表于2015年的文章指出：數字孿生模型的優勢是通過結合從設計到實時采集設備的數據等相關信息，來對設備在全生命周期進行優化。不僅可以降低原型設計或制造的成本，而且可以通過將實時數據導入數字孿生模型進行分析，從而預測故障，降低維護成本，減少停機時間。
數字孿生的推進策略
數字孿生應用是IT/OT融合的典型應用，要實現虛實映射，需要搭建工業互聯網平臺，明確應用對象的重點是企業生產的產品，還是工廠，亦或是供應鏈；面向產品的數字孿生應用重點是支持產品研發、市場推廣還是運營維護；面向工廠的數字孿生應用重點是工廠或產線建設期間的虛擬調試，還是工廠運營階段的可視化與優化。同時，企業需要建立全三維設計、仿真驅動設計的技術基礎和組織體系。推進數字孿生需要制定整體規劃，但結合具體目標，分步實施，不能搞“大而全”的應用。推進數字孿生應用必須合理把控風險。
在數字孿生的實際應用當中，不可能，也沒有必要盲目追求所有數字孿生模型的“高保真”。因為保真度的提升意味著構建數字孿生模型的難度和成本的大幅度提升，同時，對數字孿生模型進行分析的復雜性和耗時也會迅速攀升。數字孿生模型越復雜，也就越難以實現虛實映射的實時性。在實際應用當中，對所有零部件的多物理場都進行復雜的三維仿真耗時很長，往往會進行降階處理，通過一維仿真對產品的整體性能進行分析。因此，企業需要根據實際應用需求和性能價格比來選擇構建不同保真度的數字孿生模型。
數字孿生
在制造業的應用前景展望
“注：本文的第八部分主要由e-works首席記者王陽撰寫。在本文撰寫過程中，得到了李培根院士的指導，并多次向陶飛教授討教，也與趙敏、彭慧等專家進行了探討交流，在此深表感謝！
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