隨著制造過程變得越來越數(shù)字化，數(shù)字孿生現(xiàn)在已經(jīng)觸手可及。通過為公司提供完整的產(chǎn)品數(shù)字化足跡，數(shù)字孿生使公司能夠更快地發(fā)現(xiàn)物理問題，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)果并構(gòu)建更好的產(chǎn)品。
現(xiàn)在，制造過程正變得越來越數(shù)字化。隨著這一趨勢(shì)的發(fā)展，許多公司經(jīng)常難以確定應(yīng)該采取什么措施來在運(yùn)營(yíng)和戰(zhàn)略上推動(dòng)和交付真正的價(jià)值。事實(shí)上，數(shù)字解決方案可能會(huì)為一個(gè)組織帶來巨大的價(jià)值，而這在互聯(lián)、智能技術(shù)出現(xiàn)之前是不可能實(shí)現(xiàn)的。最近特別吸引人的似乎是數(shù)字孿生體的概念：一個(gè)物理對(duì)象或過程的近乎實(shí)時(shí)的數(shù)字圖像，有助于優(yōu)化業(yè)務(wù)績(jī)效
直到最近，由于數(shù)字技術(shù)能力的限制以及高昂的計(jì)算、存儲(chǔ)和帶寬成本，數(shù)字孿生及其處理的大量數(shù)據(jù)通常對(duì)企業(yè)仍然難以捉摸。但是，近年來這些障礙已大大減少。成本大幅降低、能力和能力的提高帶來了指數(shù)級(jí)的變化，使領(lǐng)導(dǎo)者能夠?qū)⑿畔⒓夹g(shù)（IT）和運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）結(jié)合起來，從而創(chuàng)造和使用數(shù)字孿生。
那么，為什么數(shù)字孿生如此重要，組織為什么要考慮它呢？數(shù)字孿生可以使公司從設(shè)計(jì)和開發(fā)到產(chǎn)品生命周期的結(jié)束，都擁有完整的產(chǎn)品數(shù)字足跡。反過來，這可以使他們不僅了解設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，還可以了解構(gòu)建該產(chǎn)品的系統(tǒng)以及該產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)的使用方式。隨著數(shù)字孿生的誕生，公司可以通過新產(chǎn)品的上市速度、改進(jìn)的運(yùn)營(yíng)、減少缺陷以及新的商業(yè)模式來增加收入，從而實(shí)現(xiàn)顯著的價(jià)值。
數(shù)字孿生可以使公司更快地發(fā)現(xiàn)物理問題，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)和制造更好的產(chǎn)品，最終更好地為客戶服務(wù)，從而更快地解決問題。通過這種智能架構(gòu)設(shè)計(jì)，公司可能會(huì)以前所未有的速度反復(fù)實(shí)現(xiàn)價(jià)值和收益。
如果公司想一次嘗試創(chuàng)建數(shù)字孿生，這可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。關(guān)鍵可能是從一個(gè)領(lǐng)域開始，在那里實(shí)現(xiàn)價(jià)值，然后繼續(xù)發(fā)展。但在做任何事情之前，企業(yè)應(yīng)首先了解數(shù)字孿生的定義和發(fā)展方法，以避免不堪重負(fù)。
▲圖源：699pic.com
數(shù)字孿生：它是什么，為什么重要
工業(yè)界和學(xué)術(shù)界以幾種不同的方式定義了數(shù)字孿生。但是，也許這兩個(gè)小組都沒有將重點(diǎn)放在數(shù)字孿生的過程方面。例如，根據(jù)一些人的說法，數(shù)字孿生是已建成產(chǎn)品的集成模型，旨在反映所有制造缺陷，并不斷更新，以包括在使用過程中所承受的磨損。其他廣泛流傳的定義將數(shù)字孿生體描述為一個(gè)物理對(duì)象的傳感器啟用的數(shù)字模型模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的對(duì)象。
從根本上講，數(shù)字孿生體可以定義為一個(gè)物理對(duì)象或過程的歷史和當(dāng)前行為的不斷發(fā)展的數(shù)字資料，有助于優(yōu)化業(yè)務(wù)性能。數(shù)字孿生基于跨一系列維度的大規(guī)模，累積，實(shí)時(shí)，真實(shí)世界的數(shù)據(jù)測(cè)量。這些度量可以創(chuàng)建數(shù)字世界中對(duì)象或過程的不斷發(fā)展的概況，這些概況或過程可以提供有關(guān)系統(tǒng)性能的重要見解，從而導(dǎo)致物理世界中的行為，例如產(chǎn)品設(shè)計(jì)或制造過程的變化。
數(shù)字孿生與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）不同，它也不僅僅充當(dāng)另一個(gè)支持傳感器的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）解決方案。它可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這兩種。CAD完全封裝在計(jì)算機(jī)模擬的環(huán)境中，該環(huán)境在建模復(fù)雜的環(huán)境中表現(xiàn)出一定的成功；更簡(jiǎn)單的IoT系統(tǒng)僅測(cè)量整個(gè)組件的位置和診斷等信息，但不測(cè)量組件和整個(gè)生命周期過程之間的交互作用。
事實(shí)上，數(shù)字孿生的真正力量以及它如此重要的原因在于它可以提供物理世界和數(shù)字世界之間近乎實(shí)時(shí)的全面聯(lián)系。由于產(chǎn)品或過程的真實(shí)世界與數(shù)字世界之間的這種交互性，數(shù)字孿生可能會(huì)提供更豐富的模型，從而對(duì)不可預(yù)測(cè)性進(jìn)行更真實(shí)，全面的測(cè)量。由于便宜，強(qiáng)大的計(jì)算功能，這些互動(dòng)式測(cè)量結(jié)果可以使用現(xiàn)代的大規(guī)模處理體系結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的算法進(jìn)行分析，以進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)反饋和離線分析。這些可以實(shí)現(xiàn)基本的設(shè)計(jì)和流程更改，而這些更改幾乎肯定是當(dāng)前方法無法實(shí)現(xiàn)的。
生產(chǎn)過程示例
數(shù)字孿生旨在對(duì)復(fù)雜的資產(chǎn)或過程進(jìn)行建模，這些資產(chǎn)或過程以多種方式與其環(huán)境相互作用，因此很難預(yù)測(cè)整個(gè)產(chǎn)品生命周期的結(jié)果。事實(shí)上，可以在各種各樣的情況下創(chuàng)建數(shù)字孿生，以實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)。
例如，有時(shí)使用數(shù)字孿生來模擬特定的復(fù)雜部署資產(chǎn)，例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和大型礦用卡車，以便在現(xiàn)場(chǎng)使用資產(chǎn)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估磨損和特定種類的壓力。這樣的數(shù)字雙胞胎可能會(huì)產(chǎn)生重要的見解，從而可能影響未來的資產(chǎn)設(shè)計(jì)。個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)字孿生體可能會(huì)發(fā)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)效率低下的問題。其他部署特定資產(chǎn)的數(shù)字孿生的例子比比皆是。
▲圖源：deloitte.com|圖1
就像特定部署資產(chǎn)的數(shù)字孿生一樣具有洞察力，制造過程中的數(shù)字孿生似乎提供了一種特別強(qiáng)大且引人注目的應(yīng)用程序。圖1代表了物理世界及其數(shù)字孿生模型中制造過程的模型。數(shù)字孿生模型可以近似實(shí)時(shí)地虛擬反映工廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)生的情況。分布在整個(gè)物理制造過程中的成千上萬個(gè)傳感器共同收集各種維度的數(shù)據(jù)：從生產(chǎn)機(jī)械的行為特征和進(jìn)行中的工作（厚度，顏色質(zhì)量，硬度，扭矩，速度等）到環(huán)境條件工廠本身。這些數(shù)據(jù)不斷地與數(shù)字孿生應(yīng)用程序進(jìn)行通信并進(jìn)行匯總。
數(shù)字孿生應(yīng)用程序會(huì)連續(xù)分析傳入的數(shù)據(jù)流。在一段時(shí)間內(nèi)，與理想性能范圍相比，分析可能會(huì)發(fā)現(xiàn)在特定尺寸下制造過程的實(shí)際性能的不可接受的趨勢(shì)。這樣的比較洞察可能會(huì)引發(fā)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中制造過程某些方面的調(diào)查和潛在的改變。
這是物理世界和數(shù)字世界之間互動(dòng)的旅程，圖1努力傳達(dá)這一旅程。這樣的旅程凸顯了數(shù)字孿生的巨大潛力：成千上萬個(gè)傳感器進(jìn)行連續(xù)的，非平凡的測(cè)量，然后將這些數(shù)據(jù)流傳輸?shù)綌?shù)字平臺(tái)，然后依次執(zhí)行近實(shí)時(shí)分析，以透明方式優(yōu)化業(yè)務(wù)流程。
圖1的模型通過五個(gè)啟用組件（物理世界中的傳感器和執(zhí)行器，集成，數(shù)據(jù)，分析以及不斷更新的數(shù)字孿生應(yīng)用程序）找到表達(dá)。圖1的這些組成元素在以下較高級(jí)別進(jìn)行了解釋：
傳感器-在整個(gè)制造過程的分布式傳感器創(chuàng)建信號(hào)，使孿生兄弟能夠捕捉到與現(xiàn)實(shí)世界中物理過程相關(guān)的操作和環(huán)境數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)-來自傳感器的真實(shí)世界操作和環(huán)境數(shù)據(jù)將與來自企業(yè)的數(shù)據(jù)（如物料清單（BOM）、10個(gè)企業(yè)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)規(guī)范）進(jìn)行聚合和組合。數(shù)據(jù)還可能包含其他項(xiàng)目，例如工程圖，與外部數(shù)據(jù)源的連接以及客戶投訴日志。
集成-傳感器通過物理世界和數(shù)字世界之間的集成技術(shù)（包括邊緣、通信接口和安全性）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字世界，反之亦然。
分析-分析技術(shù)用于通過算法模擬和可視化程序分析數(shù)據(jù)，這些程序由數(shù)字孿生兄弟用來產(chǎn)生見解。
數(shù)字孿生圖1的「數(shù)字」部分是數(shù)字孿生體本身，它將上述組件組合成一個(gè)近乎實(shí)時(shí)的物理世界和過程的數(shù)字模型。數(shù)字孿生模型的目標(biāo)是沿著任何一個(gè)維度識(shí)別與最優(yōu)條件的不可容忍偏差。這種偏差是業(yè)務(wù)優(yōu)化的一種情況?？赡苁菍\生的邏輯有誤（希望沒有），或者已經(jīng)確定了節(jié)省成本，提高質(zhì)量或提高效率的機(jī)會(huì)。由此產(chǎn)生的機(jī)會(huì)可能導(dǎo)致行動(dòng)回到現(xiàn)實(shí)世界。
執(zhí)行器—如果在現(xiàn)實(shí)世界中有必要執(zhí)行某項(xiàng)操作，則數(shù)字孿生會(huì)通過執(zhí)行器來產(chǎn)生操作，而執(zhí)行器會(huì)受到人為干預(yù)，從而觸發(fā)物理過程。
顯然，一個(gè)物理過程（或?qū)ο螅┘捌鋽?shù)字孿生模擬的世界比單一模型或框架所能描述的要復(fù)雜得多。當(dāng)然，圖1的模型只是一種數(shù)字孿生配置，它關(guān)注產(chǎn)品生命周期的制造部分。但是，但我們的模型旨在展示物理世界和數(shù)字世界配對(duì)的綜合、整體和迭代質(zhì)量。正是通過這一棱鏡，一個(gè)個(gè)人可以開始實(shí)際的過程，服務(wù)于創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字孿生。
數(shù)字孿生概念架構(gòu)
▲圖源：deloitte.com|圖2
數(shù)字孿生概念架構(gòu)（圖2）可以正確地被認(rèn)為是對(duì)構(gòu)成圖1的制造過程數(shù)字孿生模型的支持組件的擴(kuò)展或「隱藏」的觀察，盡管相同的基本原理可能適用于任何數(shù)字孿生配置。概念架構(gòu)最好理解為六個(gè)步驟的序列，如下所示：
創(chuàng)建：創(chuàng)建步驟包括為物理過程配備無數(shù)傳感器，這些傳感器測(cè)量物理過程及其周圍環(huán)境的關(guān)鍵輸入。傳感器的測(cè)量可大致分為兩類：
1.與生產(chǎn)資產(chǎn)的物理性能標(biāo)準(zhǔn)（包括正在進(jìn)行的多項(xiàng)工作）有關(guān)的操作測(cè)量，例如抗張強(qiáng)度，位移，扭矩和顏色均勻性；
2.影響有形資產(chǎn)運(yùn)行的環(huán)境或外部數(shù)據(jù)，例如環(huán)境溫度，大氣壓力和濕度水平?？梢允褂镁幋a器將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為安全的數(shù)字消息，然后將其傳輸?shù)綌?shù)字孿生。
來自傳感器的信號(hào)可以被來自諸如制造執(zhí)行系統(tǒng)，企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)，CAD模型和供應(yīng)鏈系統(tǒng)之類的系統(tǒng)的基于過程的信息所增強(qiáng)。這將為數(shù)字孿生提供大量不斷更新的數(shù)據(jù)，以用作其分析的輸入。
通信：通信步驟有助于物理過程和數(shù)字平臺(tái)之間的無縫、實(shí)時(shí)、雙向集成/連接。網(wǎng)絡(luò)通信是促成數(shù)字孿生的根本變革之一；它包括三個(gè)主要組成部分：
邊緣處理：邊緣接口連接傳感器和過程歷史記錄，處理信號(hào)和數(shù)據(jù)來自他們附近的來源，并將數(shù)據(jù)傳送到平臺(tái)。這有助于將專有協(xié)議轉(zhuǎn)換為更容易理解的數(shù)據(jù)格式，并減少網(wǎng)絡(luò)通信。這一領(lǐng)域的重大進(jìn)展消除了過去限制數(shù)字孿生兄弟生存能力的許多瓶頸。
通信接口：通信接口有助于將信息從傳感器功能傳輸?shù)郊晒δ?。這一領(lǐng)域需要許多選擇，因?yàn)槔碚撋袭a(chǎn)生洞察力的傳感器可以放置在幾乎任何位置，這取決于考慮中的數(shù)字孿生配置：工廠內(nèi)、家庭中、采礦作業(yè)中或停車場(chǎng)，以及無數(shù)其他位置。
邊緣安全性：新的傳感器和通信功能已引起新的安全問題，并且仍在發(fā)展中。最常見的安全方法是使用防火墻，應(yīng)用程序密鑰，加密和設(shè)備證書。隨著越來越多的資產(chǎn)啟用IP，對(duì)安全啟用數(shù)字孿生的新解決方案的需求可能會(huì)變得更加緊迫。
聚合：該聚合步驟可以支持?jǐn)?shù)據(jù)攝取到數(shù)據(jù)儲(chǔ)存庫，處理和用于分析制備。數(shù)據(jù)聚合和處理可以在本地或在云中完成。在過去的幾年中，支持?jǐn)?shù)據(jù)聚合和處理的技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了巨大的發(fā)展，使得設(shè)計(jì)師能夠以比過去少的成本、更靈活的方式創(chuàng)建可大規(guī)模擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)。
分析：在分析步驟中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化。數(shù)據(jù)科學(xué)家和分析師可以利用先進(jìn)的分析平臺(tái)和技術(shù)來開發(fā)迭代模型，從而產(chǎn)生見解和建議并指導(dǎo)決策制定。
洞察力：在洞察力步驟中，來自分析的洞察力通過具有可視化的儀表板呈現(xiàn)，突出顯示了數(shù)字孿生模型和物理世界類似物在一個(gè)或多個(gè)維度上的不可接受的差異，指出了可能需要調(diào)查和更改的領(lǐng)域。
作用：該動(dòng)作步驟是將之前步驟中可操作的見解反饋到物理資產(chǎn)和數(shù)字流程中，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體的影響。洞察力通過解碼器，洞察通過解碼器，然后輸入到資產(chǎn)流程的執(zhí)行器中，執(zhí)行器負(fù)責(zé)移動(dòng)或控制機(jī)制，或在后端系統(tǒng)中更新，這些系統(tǒng)控制供應(yīng)鏈和訂購行為，所有這些都受到人為干預(yù)。17這種交互作用完成了物理世界和數(shù)字孿生體之間的閉環(huán)連接。
數(shù)字孿生應(yīng)用程序通常是用企業(yè)的主要系統(tǒng)語言編寫的，該語言使用上述步驟來對(duì)物理資產(chǎn)和流程進(jìn)行建模。另外，在整個(gè)過程中，可以用于數(shù)據(jù)管理和互操作性連接的目的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和安全措施。
大數(shù)據(jù)引擎的計(jì)算能力，分析技術(shù)的多功能性，匯聚區(qū)域的龐大而靈活的存儲(chǔ)可能性以及與規(guī)范數(shù)據(jù)的集成，使這對(duì)數(shù)字孿生模型可以建模的比以往任何時(shí)候都更加豐富，不那么孤立的環(huán)境。反過來，這樣的發(fā)展可能會(huì)導(dǎo)致更復(fù)雜和更現(xiàn)實(shí)的模型，所有這些都有可能降低軟件和硬件的成本。
重要的是要注意，上述概念體系結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為在分析，處理，傳感器和消息的數(shù)量等方面具有靈活性和可擴(kuò)展性。這可以使架構(gòu)隨著市場(chǎng)的持續(xù)變化（有時(shí)是指數(shù)級(jí)變化）而快速發(fā)展。
▲圖源：699pic.com
推動(dòng)業(yè)務(wù)價(jià)值
對(duì)于任何一家開始進(jìn)行數(shù)字化之旅的公司而言，個(gè)迫切需要關(guān)注的問題可能是，在創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字孿生兄弟公司的投資中，是否有明確的能力顯示效益并實(shí)現(xiàn)價(jià)值。這種新方法如何導(dǎo)致公司經(jīng)營(yíng)和開展業(yè)務(wù)的方式發(fā)生變化，從而帶來可衡量的業(yè)務(wù)價(jià)值？過去，創(chuàng)建數(shù)字孿生不僅成本高昂，而且收益有限。隨著越來越有利的存儲(chǔ)和計(jì)算成本的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體的用例和可能性的數(shù)量已經(jīng)大大增加，進(jìn)而推動(dòng)了業(yè)務(wù)價(jià)值的增長(zhǎng)。
在考慮數(shù)字孿生提供的商業(yè)價(jià)值時(shí)，公司應(yīng)將重點(diǎn)放在與戰(zhàn)略績(jī)效和市場(chǎng)動(dòng)態(tài)相關(guān)的問題上，包括改進(jìn)和更持久的產(chǎn)品性能、更快的設(shè)計(jì)周期、新的收入來源潛力以及更好的保證成本管理。這些戰(zhàn)略問題，除其他外，可以轉(zhuǎn)化為特定的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可能提供數(shù)字孿生可能實(shí)現(xiàn)的廣泛商業(yè)價(jià)值。表1按類別列出了這些值的摘要。
除上述業(yè)務(wù)價(jià)值領(lǐng)域外，數(shù)字孿生可能會(huì)幫助解決制造公司的許多其他關(guān)鍵績(jī)效和效率指標(biāo)。總體而言，數(shù)字孿生可能會(huì)提供許多應(yīng)用來推動(dòng)價(jià)值并開始從根本上改變公司的經(jīng)營(yíng)方式。這種價(jià)值可以用可追溯到業(yè)務(wù)關(guān)鍵指標(biāo)的有形結(jié)果來衡量。
到目前為止，大部分討論都集中在產(chǎn)品生命周期的制造過程部分的數(shù)字孿生模型上。制造過程只代表一個(gè)數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，一個(gè)廣泛的數(shù)字孿生用例的另一個(gè)可行的設(shè)想是在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中基于產(chǎn)品的應(yīng)用：從想法開發(fā)到使用。一個(gè)這樣的例子涉及一個(gè)工業(yè)制造商，在該領(lǐng)域面臨許多質(zhì)量問題，導(dǎo)致昂貴的維護(hù)和高保修責(zé)任。制造商試圖確定問題的來源，這些問題對(duì)客戶的信心和品牌形象造成了不利影響。這些問題對(duì)制造商的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)造成了額外的壓力，并在試圖解決已發(fā)現(xiàn)的問題時(shí)增加了成本。
為了解決這些問題，工程和供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)組織采用了一種數(shù)字孿生方法，以尋求解決質(zhì)量問題并改善與維護(hù)保修有關(guān)的可持續(xù)售后服務(wù)。首先，他們決定將「按設(shè)計(jì)的」BOM與制造過程中產(chǎn)生的所有類似信息（稱為「按制造的」BOM）結(jié)合起來。為了幫助區(qū)分它們，設(shè)計(jì)好的BOM由開發(fā)和測(cè)試的元素組成，而制造的BOM由用于生產(chǎn)產(chǎn)品的設(shè)備聚合的元素組成，包括采購的零件明細(xì)和裝配明細(xì)。些結(jié)果使工程師能夠進(jìn)行分析，并提供對(duì)影響質(zhì)量的生產(chǎn)變化的見解。因此，該團(tuán)隊(duì)能夠提供意想不到的見解來改進(jìn)裝配過程，將返工減少15-20%。
有了這部分?jǐn)?shù)字孿生成果的信息，售后部門計(jì)劃很快擴(kuò)展此用例，以利用數(shù)字孿生過程更有效地使用來自現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品的信息「維護(hù)」BOM，以更好地了解過程變化如何影響性能變化和應(yīng)解決的改進(jìn)。從設(shè)計(jì)BOM、制造BOM和維護(hù)BOM中獲得的完整信息創(chuàng)造了一個(gè)「從搖籃到墳?zāi)埂沟臄?shù)字旅程，為新的商業(yè)機(jī)會(huì)時(shí)代創(chuàng)造了條件，包括資產(chǎn)可用性管理、備件庫存優(yōu)化、預(yù)測(cè)性維護(hù)和服務(wù)。
數(shù)字孿生可以為公司帶來有形價(jià)值，創(chuàng)造新的收入來源，并幫助它們回答關(guān)鍵的戰(zhàn)略問題。有了新的技術(shù)能力、靈活性、敏捷性和較低的成本，公司可能能夠開始他們的旅程，以較低的資本投資和更短的價(jià)值實(shí)現(xiàn)時(shí)間創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字孿生。數(shù)字孿生在產(chǎn)品的生命周期中有許多應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)回答以前無法回答的問題，提供了幾年前幾乎無法想象的價(jià)值。也許問題不在于是否應(yīng)該開始，而是從哪里開始在最短的時(shí)間內(nèi)獲得最大的價(jià)值，以及如何在競(jìng)爭(zhēng)中保持領(lǐng)先。第一步是什么？你將如何開始？到達(dá)那里可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但旅程從一步開始。
