人們對(duì)數(shù)字孿生的炒作最近開始達(dá)到頂峰。與許多其他有前途的技術(shù)一樣，這種興趣的增加在很大程度上可以解釋為計(jì)算能力、云、大數(shù)據(jù)應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)傳感器可使用性方面的進(jìn)步。憑借處理海量數(shù)據(jù)的能力，現(xiàn)在可以更細(xì)致地模擬產(chǎn)品和流程，而這就是數(shù)字孿生的全部意義所在。

什么是數(shù)字孿生？

簡(jiǎn)而言之，數(shù)字孿生是物理實(shí)體的數(shù)字復(fù)制品。該物理實(shí)體的輪廓是使用無數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)生成的，安裝在實(shí)體上的傳感器捕捉這些數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將其發(fā)送到基于云的系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步分析。簡(jiǎn)單來說，數(shù)字孿生由四種技術(shù)構(gòu)成：

• 物聯(lián)網(wǎng)傳感器收集有關(guān)物理實(shí)體的數(shù)據(jù)
• XR 以 3D 形式可視化物理實(shí)體
• 物聯(lián)網(wǎng)傳感器收集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云中
• 人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)用于分析物理實(shí)體數(shù)據(jù)、生成洞察并做出預(yù)測(cè)

數(shù)字孿生在現(xiàn)代工廠中的作用

在制造業(yè)中，數(shù)字孿生的主要好處是能夠自動(dòng)提供關(guān)于設(shè)備或產(chǎn)品性能的全面信息，而無需員工參與。更重要的是，利用當(dāng)今的計(jì)算能力，工廠可以使用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法快速分析物理孿生提供的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為可操作的見解。在數(shù)字孿生出現(xiàn)之前，這樣的制造業(yè)控制水平是無法實(shí)現(xiàn)的。

制造業(yè)是一個(gè)看起來很復(fù)雜的行業(yè)。工廠通常具有高度復(fù)雜的機(jī)械部件，它們不斷地相互作用。這種復(fù)雜性使我們無法了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)哪些地方需要改進(jìn)，以及如何改進(jìn)。

但由于工廠安裝了數(shù)千個(gè)傳感器，并不斷將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字孿生系統(tǒng)，制造商可以積累有關(guān)系統(tǒng)性能的重要見解，并對(duì)工廠的工作流程進(jìn)行循證調(diào)整。更重要的是，現(xiàn)代傳感器可以收集從濃度和溫度到工廠一般環(huán)境條件等各種特征的數(shù)據(jù)。

借助傳感器，數(shù)字孿生可以監(jiān)測(cè)制造工廠以外的資產(chǎn)。例如，汽車工廠可以評(píng)估各種汽車部件在極端條件下的磨損或性能。這些見解可用于增強(qiáng)未來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。數(shù)字孿生還使制造商能夠在沒有任何經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)的情況下試驗(yàn)非常規(guī)設(shè)計(jì)決策，并推動(dòng)創(chuàng)新。

簡(jiǎn)而言之，數(shù)字孿生使制造商能夠克服傳統(tǒng)挑戰(zhàn)，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)需求。

制造業(yè)中的主流數(shù)字孿生用例

在制造環(huán)境中，數(shù)字孿生可以以多種方式應(yīng)用。讓我們來探索一些世界領(lǐng)先的制造公司是如何利用數(shù)字孿生的。

(1) 提高產(chǎn)品質(zhì)量

尤其是意識(shí)到對(duì)藥物和疫苗的需求日益增長(zhǎng)，Atos、葛蘭素史克和西門子聯(lián)手改造制藥行業(yè)。

傳統(tǒng)上，制藥公司只能在產(chǎn)品制成后才能評(píng)估產(chǎn)品的質(zhì)量，這意味著如果質(zhì)量低，則必須丟棄整批產(chǎn)品，從而造成時(shí)間和材料的浪費(fèi)。數(shù)字孿生允許在生產(chǎn)過程中評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量，幫助制造商及時(shí)調(diào)整操作并滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

Atos與西門子合作實(shí)施了一個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)，用于收集有關(guān)疫苗制造流程每個(gè)階段的數(shù)據(jù)。這種數(shù)字孿生使制藥公司能夠顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本并縮短上市時(shí)間。更重要的是，制藥公司現(xiàn)在還可以模擬生產(chǎn)中的變化，并清楚地看到它們將如何影響最終產(chǎn)品。

(2) 預(yù)測(cè)產(chǎn)品故障

為了滿足對(duì)其行業(yè)領(lǐng)先的螺桿式壓縮機(jī)不斷增長(zhǎng)的需求，Kaeser 決定將數(shù)字孿生集成到他們的新生產(chǎn)設(shè)施中。在 Kaeser 的案例中，產(chǎn)品必須滿足特定客戶的需求，這大大增加了質(zhì)量控制的復(fù)雜性。他們的壓縮系統(tǒng)有相當(dāng)多的參數(shù)需要為每個(gè)客戶單獨(dú)進(jìn)行定制。更重要的是，根據(jù)環(huán)境的不同，Kaeser 的客戶可以在空氣和水冷卻系統(tǒng)之間進(jìn)行選擇，并在他們的壓縮機(jī)上添加干燥器或熱回收系統(tǒng)。

在數(shù)字孿生的幫助下，Kaeser 的員工可以在產(chǎn)品組裝前確定準(zhǔn)確的產(chǎn)品測(cè)試程序。一旦壓縮機(jī)離開裝配線，按下按鈕即可啟動(dòng)測(cè)試程序。如果其余結(jié)果不符合要求的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)會(huì)通知操作員手動(dòng)調(diào)整壓縮機(jī)參數(shù)。

Kaeser也在工廠之外使用數(shù)字孿生系統(tǒng)，每一臺(tái)銷售出去的壓縮空氣系統(tǒng)也由數(shù)字孿生虛擬復(fù)制。這使得操作員可以監(jiān)測(cè)每臺(tái)壓縮機(jī)的狀態(tài)，從而遠(yuǎn)程檢測(cè)潛在故障并及時(shí)維護(hù)。這大大延長(zhǎng)了產(chǎn)品的壽命，提高了客戶滿意度，并降低了維護(hù)成本。

(3) 縮短上市時(shí)間

在豪華汽車的生產(chǎn)上，在質(zhì)量方面不能有妥協(xié)的余地。另一方面，細(xì)致的質(zhì)量控制可能相當(dāng)耗時(shí)。因此，為了加快汽車開發(fā)流程，世界上著名的汽車制造商之一瑪莎拉蒂與西門子合作，將數(shù)字孿生集成到其制造流程中。

在西門子PLM 軟件的幫助下，瑪莎拉蒂工程師現(xiàn)在可以使用汽車虛擬副本中的數(shù)據(jù)來不斷優(yōu)化他們的開發(fā)。例如，評(píng)估車輛空氣動(dòng)力學(xué)的傳統(tǒng)方法需要構(gòu)建汽車的物理原型，并將其放置在風(fēng)洞中。借助數(shù)字孿生，可以虛擬運(yùn)行此類測(cè)試，從而顯著降低成本，并允許對(duì)汽車的空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行更精細(xì)的實(shí)驗(yàn)。

由于數(shù)字孿生的實(shí)施，瑪莎拉蒂成功地將汽車開發(fā)所需的運(yùn)營(yíng)成本和時(shí)間降低了 30%。借助數(shù)字孿生，該公司還將車輛上市時(shí)間縮短了 16 個(gè)月。

(4) 改善用戶體驗(yàn)

最初，總部位于巴西的農(nóng)業(yè)機(jī)械制造商 Stara 旨在應(yīng)用數(shù)字孿生來提高性能，并優(yōu)化其農(nóng)業(yè)機(jī)械的維護(hù)。在拖拉機(jī)和其他農(nóng)業(yè)機(jī)械上安裝了物聯(lián)網(wǎng)傳感器后，他們能夠監(jiān)測(cè)拖拉機(jī)的路徑、速度、油耗和發(fā)動(dòng)機(jī)狀況。這使Stara能夠預(yù)測(cè)機(jī)械故障，并延長(zhǎng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間。

在利用數(shù)字孿生的優(yōu)勢(shì)來提高性能的同時(shí)，Stara 發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)還可以優(yōu)化農(nóng)民對(duì)機(jī)械的使用。嵌入式物聯(lián)網(wǎng)傳感器現(xiàn)在可以收集天氣和土壤特性數(shù)據(jù)，幫助農(nóng)民確定種植作物的最佳條件。

(5) 簡(jiǎn)化產(chǎn)品開發(fā)

在輪胎制造公司中實(shí)施數(shù)字孿生，無需構(gòu)建原型，即可促進(jìn)產(chǎn)品工程和測(cè)試。除了縮短上市時(shí)間和減少開發(fā)成本外，消除物理原型還能讓制造商和組織減少由原型浪費(fèi)而引起的負(fù)面環(huán)境影響。

更重要的是，事實(shí)證明，對(duì)于輪胎制造公司來說，數(shù)字孿生對(duì)簡(jiǎn)化與其他汽車公司的合作尤其有益。例如，世界領(lǐng)先的輪胎制造商普利司通現(xiàn)在使用數(shù)字孿生與其合作伙伴共享即將推出的產(chǎn)品的虛擬復(fù)制品，以獲得批準(zhǔn)。知名輪胎制造商米其林的數(shù)據(jù)科學(xué)總監(jiān)也聲稱，數(shù)字孿生在構(gòu)建高效合作生態(tài)系統(tǒng)方面具有巨大潛力，使組織能夠無縫地相互共享開發(fā)數(shù)據(jù)。

而米其林則使用數(shù)字孿生來測(cè)試各種輪胎設(shè)計(jì)。更具體地說，該公司使用這項(xiàng)技術(shù)來模擬潮濕路面上的輪胎行為，以確定最佳胎面花紋設(shè)計(jì)。西門子可以說是汽車行業(yè)最受歡迎的數(shù)字孿生技術(shù)提供商，其工程師也聲稱，可以模擬輪胎在不同路面和不同天氣條件下的性能。

最后的想法

不可否認(rèn)，數(shù)字孿生是制造業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)。它在創(chuàng)造價(jià)值、縮短上市時(shí)間、優(yōu)化工廠設(shè)備和成品性能，以及提供洞察力方面的能力是任何其他解決方案都無法比擬的。隨著成本的降低、供應(yīng)商數(shù)量的增加，以及構(gòu)成數(shù)字孿生的先進(jìn)技術(shù)的可獲得性的提高，集成數(shù)字孿生應(yīng)該是全球制造商的下一個(gè)必然步驟。

然而，同樣值得注意的是，那些擁有高度復(fù)雜流程、優(yōu)先考慮創(chuàng)新、改進(jìn)或擴(kuò)大產(chǎn)品范圍的公司將從數(shù)字孿生中受益最多。不過，這項(xiàng)技術(shù)絕不便宜，也不易于實(shí)施，因?yàn)樗ǔＰ枰獙?duì)組織架構(gòu)進(jìn)行徹底改造，并對(duì)制造工作流程進(jìn)行相當(dāng)大的調(diào)整。