最近業(yè)內(nèi)有一個(gè)很火的概念：“數(shù)字孿生”。
各大機(jī)構(gòu)也對(duì)它非常重視。國(guó)際知名調(diào)研機(jī)構(gòu)Gartner連續(xù)四年將“數(shù)字孿生”入選“十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)”，并在2019年的報(bào)告中預(yù)測(cè)，到2021年，半數(shù)的大型工業(yè)企業(yè)將使用數(shù)字孿生，從而使這些企業(yè)的效率提高10%。洛克希德·馬丁公司視它為未來國(guó)防工業(yè)6大頂尖技術(shù)之首。美國(guó)GE公司已為每個(gè)引擎、每個(gè)渦輪、每臺(tái)核磁共振，創(chuàng)造了一個(gè)數(shù)字孿生體。
今年4月，國(guó)家發(fā)展改革委重磅發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動(dòng)培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)施方案》，其中“數(shù)字孿生”技術(shù)被提及多次，和人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)一樣，受關(guān)注程度上升到國(guó)家高度。
然而，數(shù)字孿生到底是什么？如何助力工業(yè)4.0？智能制造又將如何被變革？本期「Robot星球」，哈妹帶你一文了解。
在5G技術(shù)下，數(shù)字孿生逐步從概念走向落地，讓“智造”管理走向“細(xì)胞級(jí)”。
數(shù)字孿生，不僅僅是鏡像
數(shù)字孿生概念的提出可以追溯到2002年，美國(guó)密歇根大學(xué)Grieves教授在向工業(yè)界展示如何進(jìn)行產(chǎn)品生命周期管理時(shí)提出的兩個(gè)系統(tǒng)：真實(shí)系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)，并提出了“信息鏡像模型”概念，后被稱作“數(shù)字孿生”。
“數(shù)字孿生”是指以數(shù)字化方式拷貝一個(gè)物理對(duì)象，模擬對(duì)象在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，對(duì)產(chǎn)品、制造過程乃至整個(gè)工廠進(jìn)行虛擬仿真，幫助企業(yè)在實(shí)際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測(cè)試，在生產(chǎn)過程中也可同步優(yōu)化整個(gè)企業(yè)流程，最終實(shí)現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)快速創(chuàng)新上市，鍛造企業(yè)持久競(jìng)爭(zhēng)力。
通俗一點(diǎn)說，“數(shù)字孿生”是把真實(shí)世界的真實(shí)事物，可以是物體，也可以是某種過程，經(jīng)過精確測(cè)量后，在虛擬空間創(chuàng)造出的可以反映真實(shí)情況的數(shù)碼復(fù)制體。它可以幫助人們實(shí)現(xiàn)前期工程仿真測(cè)試、中期制造全流程監(jiān)管、后期產(chǎn)品問題追溯。
物理世界與數(shù)字世界如何協(xié)同圖源：《工業(yè)4.0與數(shù)字孿生》，德勤
與“數(shù)字孿生”不同的是，仿真是基于現(xiàn)實(shí)的規(guī)律，創(chuàng)造出虛擬的物體，而“數(shù)字孿生”是真實(shí)事物的“數(shù)字體”，不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實(shí)時(shí)信息，更要反過來實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)物理世界，而且進(jìn)化為物理世界的先知、先覺甚至超體。
兩者都是工業(yè)4.0的好幫手，“數(shù)字孿生”更是未來企業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型與創(chuàng)造價(jià)值的重要驅(qū)動(dòng)力。
“數(shù)字孿生”如何應(yīng)用？又有何用？
以汽車制造為例，汽車制造工廠的數(shù)字孿生是什么樣子？
先聊一聊汽車制造目前遇到的困境。現(xiàn)代制造業(yè)工程越來越復(fù)雜。系統(tǒng)組件越來越多，且組件與組件之間的交互會(huì)衍生出一些新的特質(zhì)；動(dòng)態(tài)特性強(qiáng)，系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間快速變化；不確定性大，系統(tǒng)材料、結(jié)構(gòu)以及周圍環(huán)境存在眾多不確定因素。
汽車工業(yè)，是人類制造業(yè)的明珠之一。它是一種典型的離散制造：一輛汽車由3000多類、3萬～5萬種零部件組成，生產(chǎn)過程要經(jīng)歷沖壓、焊裝、涂裝、總裝、電池五大車間、200多種加工工藝。產(chǎn)品的生產(chǎn)過程通常被分解為很多零件，在不同的工廠甚至不同的企業(yè)里生產(chǎn)，每個(gè)車間的生產(chǎn)設(shè)備完全不一樣，生產(chǎn)過程更為復(fù)雜多變，十分考驗(yàn)企業(yè)管理生產(chǎn)的能力。
這樣的制造體系復(fù)雜且龐大，如何進(jìn)行精準(zhǔn)管理一直是業(yè)內(nèi)待攻破的難題，而數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，將能很好地解決這個(gè)問題。
數(shù)字孿生能實(shí)現(xiàn)真實(shí)工廠1：1還原成“數(shù)字體”，大到整廠五個(gè)車間，小到車間里每臺(tái)設(shè)備和每一個(gè)生產(chǎn)動(dòng)作，都映射在“數(shù)字體”上。人在辦公室，就能輕而易舉看到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的一舉一動(dòng)，直接通過搜索定位、“拖拉拽”等簡(jiǎn)單交互，就能定位到生產(chǎn)線的每一個(gè)細(xì)節(jié)。
數(shù)字孿生示意圖圖源：優(yōu)也公司
除了遠(yuǎn)程查看，數(shù)字孿生讓監(jiān)管精細(xì)到“細(xì)胞級(jí)”。依托數(shù)字孿生而實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)提醒與報(bào)錯(cuò)的功能，能使得制造現(xiàn)場(chǎng)的每一個(gè)生產(chǎn)細(xì)節(jié)都在監(jiān)管范圍之內(nèi)，一旦出現(xiàn)制造偏差，比如一個(gè)小小的螺絲釘沒有擰緊，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)提醒。
除了實(shí)時(shí)監(jiān)管，“回放”也是數(shù)字孿生的重要功能。借助數(shù)字孿生，工程師們可以快速追溯生產(chǎn)數(shù)據(jù)，甚至細(xì)化到當(dāng)時(shí)螺絲的力矩，更容易分析故障的原因；在車輛交付給消費(fèi)者后，“回放”仍然可以在售后服務(wù)中發(fā)揮作用。
數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品的運(yùn)行監(jiān)控和智能運(yùn)維，工廠運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)模擬和遠(yuǎn)程監(jiān)控，以及生產(chǎn)線虛擬調(diào)試、機(jī)電軟一體化復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)等方面，正在給制造業(yè)創(chuàng)造巨大價(jià)值。通過數(shù)字孿生技術(shù)的使用，能大幅推動(dòng)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)及維修等環(huán)節(jié)的變革，極大降低運(yùn)營(yíng)成本，提高安全性。
“數(shù)字孿生”困難重重，但不破不立
不過，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)并不是一件容易的事情。
全球知名的未來學(xué)家ThomasFrey預(yù)測(cè)，到2022年，85％的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將使用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控，少數(shù)城市將率先利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行智慧城市的管理。但目前還存在很多的困境。
隨著工廠自動(dòng)化設(shè)備越來越多，設(shè)備接入點(diǎn)位和十年前相比，可能增加了二、三十倍。孿生世界要與物理世界完成“一一對(duì)應(yīng)”，就意味著工程師要用大量三維技術(shù)還原工廠設(shè)備。全域感知、運(yùn)行監(jiān)測(cè)，并整合歷史積累數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，數(shù)據(jù)采集的工作量之大、之細(xì)，將是數(shù)字孿生技術(shù)落地的一大挑戰(zhàn)。
數(shù)字孿生系統(tǒng)的通用參考架構(gòu)圖源：《數(shù)字孿生體白皮書》
其次軟件上，數(shù)字孿生需要更加先進(jìn)的算法，各類軟件的整合，例如利用人工智能、邊緣計(jì)算等技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)做到快速及時(shí)地輸出、極速地分析處理、可視化呈現(xiàn)，這對(duì)數(shù)據(jù)處理的平臺(tái)性能提出極高要求。
再者實(shí)時(shí)性，數(shù)字孿生是動(dòng)態(tài)而非靜態(tài)的，因此在前期采集好數(shù)據(jù)、完成數(shù)據(jù)的平臺(tái)承載后，后期生產(chǎn)過程中以及產(chǎn)品交付后的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集、反饋與分析，又是另一道難關(guān)。
目前數(shù)字孿生技術(shù)落地的瓶頸來自方方面面，但它可以為工業(yè)制造、未來生活帶來無限的可能。
凡事不破不立，困難當(dāng)?shù)栏瞧凭终呦?。如今，?shù)字孿生的概念得到各領(lǐng)域的廣泛重視，各類應(yīng)用概念層出不窮：
產(chǎn)品研發(fā)：通過構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字孿生體，改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)模式。
智能制造：數(shù)字孿生車間的概念，通過物理世界和信息世界的交互與共融，實(shí)現(xiàn)智能制造。
壽命管理：勞斯萊斯公司推出了智能發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠“感知”周圍環(huán)境并進(jìn)行相應(yīng)的自我調(diào)整，延長(zhǎng)使用壽命。
智慧校園：佐治亞理工學(xué)院推出智慧校園的概念，實(shí)現(xiàn)了校園能耗系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和虛擬試驗(yàn)。劍橋大學(xué)也建立了類似的動(dòng)態(tài)數(shù)字孿生演示系統(tǒng)。
未來，隨著成像技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫竭M(jìn)一步拓展。
制造業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型，數(shù)字孿生不能缺席。
在今年9月舉辦的第23屆中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)上，哈工智能將在8.1國(guó)際館參展，并可能于業(yè)內(nèi)率先在現(xiàn)場(chǎng)展示數(shù)字孿生概念，現(xiàn)場(chǎng)觀眾可手動(dòng)操作以實(shí)時(shí)交互數(shù)字孿生技術(shù)，體驗(yàn)其實(shí)時(shí)性、保真性、閉環(huán)性。歡迎持續(xù)關(guān)注。哈工智能也將秉持“科技、智能，與世界一同成長(zhǎng)”的理念，緊跟時(shí)代步伐，以先進(jìn)技術(shù)夯實(shí)智能制造主營(yíng)業(yè)務(wù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
