生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)是數(shù)字孿生技術的一個重要應用場景。Prespective是基于實時3D內(nèi)容開發(fā)平臺Unity的一款數(shù)字孿生軟件平臺，通過導入工程系統(tǒng)設計文件在賽博空間生成數(shù)字雙胞胎......
新冠肺炎疫情的爆發(fā)與蔓延，讓制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求和市場被激活。無論是“在線辦公”還是“企業(yè)上云”，都體現(xiàn)出企業(yè)對數(shù)字化技術的現(xiàn)實需求。
在新冠肺炎疫情沖擊、國內(nèi)外需求受到雙重擠壓、我國經(jīng)濟下行壓力增加的背景下，3月4日，中共中央政治局常務委員會會議提出，加快5G網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心等新型基礎設施建設進度。“新基建”成為了當前熱議的話題。
新基建主要聚焦于5G、人工智能、大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、特高壓、城際高鐵和軌道交通以及新能源充電樁等基礎設施的建設。毫無疑問，在國際疫情爆發(fā)、我國抗疫初顯成效之際，“新基建”的部署與開發(fā)對于推動我國新舊動能轉(zhuǎn)換進程、推動產(chǎn)業(yè)鏈升級、加速數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展等有著積極的現(xiàn)實意義和廣闊的發(fā)展前景。
01
數(shù)字孿生如何助力“數(shù)字基建”
區(qū)別于傳統(tǒng)基建側重的以發(fā)展交通運輸、水利設施等為例的實體規(guī)模及固定資產(chǎn)等概念，“新基建” 的內(nèi)涵更加豐富，涵蓋范圍更廣，更能體現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟特征，它更強調(diào)的是創(chuàng)新化、數(shù)字化、智能化、綠色化的新型發(fā)展理念。
阿里研究院副院長安筱鵬博士在最近的演講中表示，未來十年是新型基礎設施的安裝期，全球數(shù)字經(jīng)濟最重要的主題之一是數(shù)字基礎設施的重構、切換與遷徙，以及基于新型數(shù)字基礎設施的商業(yè)生態(tài)再造。數(shù)字基建是通向數(shù)字孿生世界的“鐵公基”。數(shù)字技術在與傳統(tǒng)基礎設施融合創(chuàng)新中，伴隨著新需求的不斷迭代，正在形成新的技術架構體系，建立一個數(shù)字孿生的世界。
在新基建中提到的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也與數(shù)字孿生技術有著密不可分的關系。美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟將數(shù)字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心和關鍵，德國工業(yè)4.0架構中也將數(shù)字孿生作為重要內(nèi)容進行了強調(diào)。數(shù)字孿生的核心在于實現(xiàn)虛實融合，物理模型和數(shù)字孿生模型實現(xiàn)雙向映射。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心是對設備的進行廣泛連接，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的匯集，繼而利用算法模型，對數(shù)據(jù)進行深度分析，從而獲得對生產(chǎn)設備運行的認知，最后通過工業(yè)應用結合業(yè)務邏輯，把分析得到的結論轉(zhuǎn)為最佳的決策并賦予其可執(zhí)行的行動，實現(xiàn)工業(yè)領域的整體優(yōu)化?？梢哉f，數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重要的應用場景，二者相互依存，互不分割。
除工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以外，數(shù)字孿生技術在新基建涉及的很多領域中都起到了非常重要的作用，因此企業(yè)應當重視數(shù)字孿生技術的應用，尋找到合適的應用場景來為企業(yè)創(chuàng)造價值。
02
數(shù)字孿生，通向“零”成本的
新產(chǎn)品生產(chǎn)驗證和生產(chǎn)線優(yōu)化之路
生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)是數(shù)字孿生技術的一個重要應用場景。當前個性化、多元化的市場消費需求成為主流，制造業(yè)正面對日益激烈的市場競爭，面臨著巨大的時間、成本、質(zhì)量、產(chǎn)品差異化等方面的壓力。企業(yè)難以適應市場環(huán)境的突變，例如受此次受疫情的影響，如何利用技術手段迅速實現(xiàn)復工復產(chǎn)，是每個制造企業(yè)需要面對的問題；
除此以外，企業(yè)還面臨著很多棘手的問題需要解決，例如新產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)周期過長，無法實現(xiàn)從“以產(chǎn)定銷”到“按需生產(chǎn)”模式轉(zhuǎn)變；企業(yè)投入大量的人力物力財力進行產(chǎn)品創(chuàng)新，卻無法準確評估新產(chǎn)品是否可以在現(xiàn)有的制造條件下進行生產(chǎn)，因為新設計的產(chǎn)品必然要求新的工藝、新的工裝甚至新的設備、新的生產(chǎn)線，如果在產(chǎn)品創(chuàng)新設計之初不仔細評估新產(chǎn)品的可制造性，則必然帶來巨大的隱患。
另外，工藝是連接設計和制造的橋梁。在產(chǎn)品越來越復雜的情況下，對制造工藝的要求也越來越高。但目前中國制造企業(yè)的工藝設計和工藝驗證的手段相對落后。同時，生產(chǎn)車間信息不透明，難以達成優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低成本的目標；無法做到設備的預測性維護，工廠產(chǎn)能難以保證；無法實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯，售后服務水平難以提高；在新工廠規(guī)劃時，如何利用現(xiàn)有的技術手段，打造現(xiàn)代化智能工廠，還存在一定的困惑。
這些問題也與傳統(tǒng)車間復雜制造系統(tǒng)設計思路相關，過去基本都為線性開發(fā)的方式，結合經(jīng)驗進行工程設計，再進行實體建造，這種方式無法充分反應實際問題，缺乏對系統(tǒng)進行全局考慮，存在對設計人員經(jīng)驗依賴性強等問題，已經(jīng)難以滿足制造企業(yè)對于生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化的需求。
而搭建基于數(shù)字孿生技術的數(shù)字化工廠是解決這些問題的最佳途徑，通過依托產(chǎn)品整個周期的真實相關數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境中對生產(chǎn)全過程進行仿真、優(yōu)化及重構。通過創(chuàng)建虛擬模型來模擬生產(chǎn)過程，并且這些虛擬模型可以為物理工廠車間里所有連接的機器、工具和設備進行數(shù)字操作。這就可以使企業(yè)能夠快速配置生產(chǎn)系統(tǒng)，以最大限度地提高效率，提高資產(chǎn)利用率，防止停機，具備一定的靈活性。
因此，企業(yè)在數(shù)字化工廠建設中，通過數(shù)字孿生技術能夠并行完成“實物設備數(shù)字化、運動過程腳本化、系統(tǒng)整線集成化、控制指令下行同步化、現(xiàn)場信息上行并行化”，形成整線的執(zhí)行引擎，實物設備與所對應的虛擬模型進行虛實互動、指令與信息同步，形成一個支持實物設備連線的車間快速設計、規(guī)劃、裝配與測試平臺。
03
虛擬調(diào)試
數(shù)字化工廠構建的核心技術之一
數(shù)字化工廠建設的核心需求是對真實的產(chǎn)品制造過程進行嚴謹虛擬規(guī)劃和仿真分析優(yōu)化，分析過程在數(shù)字化環(huán)境中進行，并在分析后將仿真和優(yōu)化結果反饋到相關系統(tǒng)，用來驗證其可行性和系統(tǒng)生產(chǎn)能力。那么在構建數(shù)字化工廠時，如何實現(xiàn)這一目的來幫助系統(tǒng)架構師進行早期驗證？如何使得結構工程師了解動態(tài)行為？如何幫助軟件工程師進行早期驗證？面對這些難題，構建數(shù)字化工廠過程中需要用到一項叫做虛擬調(diào)試的關鍵的技術。
虛擬調(diào)試技術作為數(shù)字化工廠建設的一個功能，作為未來智能制造領域的技術趨勢，它具有很多優(yōu)點。在計算機上模擬整個生產(chǎn)過程，包括機器人和自動化設備、PLC、變頻器、電機等單元，例如，機器人單元模型創(chuàng)建完成就可以在虛擬世界中進行測試和驗證。
虛擬調(diào)試技術可以在仿真模型“預演”的基礎之上，進行分析、評估、驗證，迅速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中存在的問題和有待改進之處，并及時進行調(diào)整與優(yōu)化，減少實體產(chǎn)品系統(tǒng)的更改與返工次數(shù)，從而有效減低成本、縮短工期、提高效率。
Prespective是基于實時3D內(nèi)容開發(fā)平臺Unity的一款數(shù)字孿生軟件平臺，通過導入工程系統(tǒng)設計文件在賽博空間生成數(shù)字雙胞胎，應用于虛擬系統(tǒng)驗證、虛擬樣機、碰撞檢測、計劃優(yōu)化、產(chǎn)線虛擬調(diào)試等場景。
在真正的嵌入式和高級控制軟件的驅(qū)動下，機械、裝備或工廠在賽博空間進行了完全建模，可再現(xiàn)系統(tǒng)組件的動態(tài)過程和行為。此外，模擬中還可以包括外部因素和環(huán)境因素的影響，例如人員，產(chǎn)品甚至交通，這樣就可以實現(xiàn)硬件和軟件的并行開發(fā)，極早期錯誤檢測，和“零缺陷”工程質(zhì)量管理。
Prespective集成了工業(yè)軟件和數(shù)據(jù)接口、第三方模擬軟件接口、工業(yè)模型組件庫、仿真測試工具，支持各種工業(yè)動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸以及XR等高級仿真技術。
① 虛擬樣機
工程技術人員通過在Prespective中上傳新產(chǎn)品CAD模型、定義產(chǎn)品行為、連接到邏輯化的可編程邏輯控制器（PLC）以及控制軟件進行虛擬測試和系統(tǒng)調(diào)試，及時找出問題、反饋和修改。Prespective能夠縮短新產(chǎn)品上市時間，大幅減少總擁有成本（TCO）。
② 計劃優(yōu)化
Prespective提供了一個虛擬的世界，可以知道所有事物并可對其進行跟蹤；可以虛擬地進行計劃優(yōu)化，驗證物理車間的生產(chǎn)計劃調(diào)整后的可行性；向系統(tǒng)中添加虛擬傳感器以增加數(shù)據(jù)收集并改進產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)。
③ 碰撞檢測
在新產(chǎn)品驗證時，物理系統(tǒng)中的碰撞可能會造成破壞，因此產(chǎn)生額外的風險和成本。Prespective可以提供一個安全的虛擬環(huán)境來檢測對象與機器人之間的碰撞，完成驗證。
一些知名企業(yè)正利用Prespective來改善工廠的產(chǎn)品驗證和測試效率：
FESTO是一家總部位于德國埃斯林根的跨國工業(yè)控制和自動化公司，2018年收入達31億歐元。FESTO通過設計虛擬樣機機架，并連接到帶有Prespective的可編程控制器（PLC），使工廠能夠在開始制造機器之前進行測試。LAN Handling正在使用Prespective為客戶在工廠生產(chǎn)線上測試產(chǎn)品；豐田（Toyota）、范德蘭德（Vanderlande），通過使用Prespective，在不同的用戶場景下，對控制軟件進行測試和驗證?，斒鲜称罚∕ars）在Prespective中模擬系統(tǒng)流程，節(jié)省了大量時間、空間和成本。
通過大量的實踐驗證，Prespective在數(shù)字化工廠建設中有以下幾點優(yōu)勢：
● 第一，Prespective產(chǎn)品對于那些希望應用數(shù)字孿生技術來實現(xiàn)智能制造轉(zhuǎn)型并創(chuàng)造實際效益的企業(yè)來說是一個重要的突破口，也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應用的最直觀可視化呈現(xiàn)的方式之一，值得企業(yè)去應用實踐。
同時，Prespective產(chǎn)品充分發(fā)揮了企業(yè)應用三維建模的優(yōu)勢，凸顯了三維設計的價值，使三維模型不僅只是應用在產(chǎn)品設計階段，同時在生產(chǎn)階段也能夠充分發(fā)揮三維模型的價值，為打造基于模型的企業(yè)提供了重要支撐作用。
● 第二，從產(chǎn)品研發(fā)角度來講“質(zhì)量是設計出來的”，Prespective可以將產(chǎn)品的加工過程、裝配過程用可視化的方式真實展現(xiàn)在設計人員面前，讓設計人員可以在產(chǎn)品正式生產(chǎn)前就對產(chǎn)品設計的可制造性進行調(diào)整，真正實現(xiàn)DFM（面向制造的設計）和面向維護的設計，從而使得產(chǎn)品的質(zhì)量設計水平得以提高。
● 第三，Prespective可以提供一個近似于現(xiàn)實工廠的二維或者三維車間布局的數(shù)字孿生模型，為下一步根據(jù)工藝規(guī)劃和工序進行物流仿真提供了有利條件。Prespective虛擬調(diào)試技術能夠極大程度上對工廠的生產(chǎn)組織模式進行動態(tài)驗證和調(diào)整，對于車間產(chǎn)能狀況能夠迅速做出評估，指導工廠合理優(yōu)化配置生產(chǎn)資源。
● 第四，越來越多的中國制造企業(yè)開始引入工業(yè)機器人完成抓舉、焊接、鉆孔、拋光、噴漆等工藝過程。由于客戶的需求的變化，生產(chǎn)線上生產(chǎn)的產(chǎn)品可能每隔一段時間就會進行調(diào)整；同時，由于產(chǎn)能需求不恒定，因此生產(chǎn)節(jié)拍可能也需要每隔一段時間進行調(diào)整。Prespective能夠確保這些工業(yè)機器人的控制程序可以及時調(diào)整以及仿真其工作狀態(tài)，保障工業(yè)機器人的合理運動軌跡，使生產(chǎn)線變的更加柔性化，加快生產(chǎn)組織切換調(diào)整效率。
總的來說，中國制造業(yè)“大而不強”，制造能力的不足是其中的一個軟肋，尤其是對于高精度、高可靠性、產(chǎn)品結構高度復雜、需要高度自動化加工、對產(chǎn)品質(zhì)量要求很高的產(chǎn)品。在國家大力推進“新基建”這一背景下，Prespective通過對生產(chǎn)系統(tǒng)進行仿真優(yōu)化與管理，對于制造業(yè)企業(yè)提升制造能力，提升制造質(zhì)量、精度和產(chǎn)品的可靠性等方面，正是一劑良方，在中國的應用前景十分廣闊。
