數(shù)字孿生是在軟件定義作用下，長期的要素數(shù)字化所形成的結(jié)果。此處要素泛指物理世界的各種人、機、物、數(shù)據(jù)、圖文、語言、物理信息等各種實體要素。因此數(shù)字孿生是一種經(jīng)過長期發(fā)展形成的數(shù)字化通用技術(shù)。
數(shù)字孿生一詞據(jù)稱是由邁克爾·格里夫(Michael Grieves)教授于2003年在密歇根大學(xué)執(zhí)教時提出。目前尚無業(yè)界公認(rèn)的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)定義，概念在不斷發(fā)展與演變中。
數(shù)字孿生概念被提出后，很快被美國國防部應(yīng)用于航空航天飛行器的健康維護與保障。德國西門子、法國達索、美國通用電氣、美國參數(shù)技術(shù)等公司也積極跟進，特別是近些年，隨著智能制造等概念的推進，數(shù)字孿生已成為智能制造的通用技術(shù)，在軍工制造、高端裝備等很多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
今天我們分享數(shù)字孿生在西門子等世界知名制造業(yè)企業(yè)中的應(yīng)用，希望能給你帶來一些啟發(fā)。
「 1. 西門子的數(shù)字孿生實踐 」
西門子公司緊跟德國工業(yè)4.0和智能制造的發(fā)展趨勢，近年來高度重視數(shù)字孿生技術(shù)的研究與應(yīng)用探索，通過最近兩年時間的研發(fā)，已經(jīng)把數(shù)字孿生融入到其數(shù)字化戰(zhàn)略中去，并深入到解決方案中。2017年底，正式發(fā)布了完整的數(shù)字孿生應(yīng)用模型，在西門子的數(shù)字孿生體應(yīng)用模型中包括：
(1)數(shù)字孿生產(chǎn)品(digital twin product)，可以使用數(shù)字孿生進行有效的新產(chǎn)品設(shè)計;
(2)數(shù)字孿生生產(chǎn)(digital twin production)，在制造和生產(chǎn)規(guī)劃中使用數(shù)字孿生;
(3)數(shù)字孿生體績效(digital twin performance)，使用數(shù)字孿生捕獲、分析和踐行操作數(shù)據(jù)，從而形成了一個完整的解決方案體系，并把西門子現(xiàn)有的產(chǎn)品及系統(tǒng)包攬其中，例如Teamcenter、PLM等。
在車輛領(lǐng)域，西門子通過數(shù)字孿生將現(xiàn)實世界和虛擬世界無縫融合，通過產(chǎn)品的數(shù)字孿生，制造商可以對產(chǎn)品進行數(shù)字化設(shè)計、仿真和驗證，包括機械以及其他物理特性，并且將電器和電子系統(tǒng)一體化集成，如圖1所示。新的技術(shù)提供了新的汽車設(shè)計與制造模式，基于數(shù)字孿生制造商能夠規(guī)劃和驗證生產(chǎn)過程、創(chuàng)造工廠布局、選擇生產(chǎn)設(shè)備并且仿真與預(yù)測，并優(yōu)化人員和制造過程的工作條件。在自動生成可編輯控制器的代碼后，通過虛擬調(diào)試技術(shù)，即可字虛擬環(huán)境中驗證自動化系統(tǒng)，從而實現(xiàn)快速高效的現(xiàn)場調(diào)試。隨后，利用虛擬世界來控制物理世界，將可編輯控制器代碼下載到車間的設(shè)備中，通過全集成自動化，可實現(xiàn)高效可靠生產(chǎn);通過制造運營管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)生產(chǎn)排成和生產(chǎn)執(zhí)行及質(zhì)量檢測;通過Mindsphere可隨時監(jiān)控所有機器設(shè)備，構(gòu)建生產(chǎn)和產(chǎn)品及性能的數(shù)字孿生，實現(xiàn)對實際生產(chǎn)的分析與評估(圖2)。此外，通過物理世界可持續(xù)反饋至產(chǎn)品和生產(chǎn)的數(shù)字孿生，可實現(xiàn)了現(xiàn)實世界中生產(chǎn)和產(chǎn)品的不斷改進，縮短產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化的周期。
圖1 西門子車輛數(shù)字孿生
圖2 基于Mindsphere平臺的西門子數(shù)字孿生
我們大多數(shù)人認(rèn)為呼吸是理所當(dāng)然的，每天呼吸大約17000～23000次。目前，一些感染了COVID-19的患者在呼吸方面存在重大問題，并且難以維持生命。具有超過25000種的呼吸產(chǎn)品Vyaire Medical公司是醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的全球市場領(lǐng)導(dǎo)者，能夠提供用于診斷、治療和監(jiān)測生命各個階段呼吸狀況的服務(wù)。該公司利用西門子提供的技術(shù)支持，即使用Simcenter開發(fā)其產(chǎn)品的數(shù)字孿生，從而通過消除構(gòu)建和測試物理原型的耗時過程來顯著減少開發(fā)時間。在開發(fā)新產(chǎn)品的早期階段，能夠在仿真內(nèi)部進行工作，而不是構(gòu)建昂貴的物理原型，從而實現(xiàn)了縮短了時間周期并加快了工作進度的應(yīng)用效果。
此外，西門子在風(fēng)力渦輪機方面也開展了相關(guān)應(yīng)用。當(dāng)風(fēng)力渦輪機或風(fēng)力發(fā)電場開始運行時，會生成其他數(shù)據(jù)。記錄與分析并返回操作性能數(shù)據(jù)，以作為反饋支持產(chǎn)品、運行過程的優(yōu)化和風(fēng)力渦輪機的優(yōu)化等方面?；跀?shù)字孿生的特性能夠提高工程效率、縮短上市時間、簡化調(diào)試、優(yōu)化流程并改善服務(wù)，其優(yōu)勢具體包含以下3個方面：
(1)數(shù)字孿生模型支持開始批量生產(chǎn)之前進行數(shù)字化設(shè)計并測試風(fēng)能設(shè)備。風(fēng)力渦輪機的數(shù)字孿生還可以在調(diào)試之前對關(guān)鍵階段進行仿真，從而確保安全實施。此外，維修人員還可以在實際調(diào)試之前進行虛擬培訓(xùn)。
(2)數(shù)字孿生指導(dǎo)風(fēng)力渦輪機的運行。因數(shù)字孿生能夠連續(xù)記錄運行和性能數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù)進行全面分析，從而可支持以可持續(xù)的方式優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機的生產(chǎn)和性能。
(3)數(shù)字孿生輔助設(shè)備維護和保養(yǎng)。為了確保最大程度地利用維護間隔，即維護時間不能過早，但同時也不能過晚，從而以避免任何計劃外的停機時間，這樣可以將停機時間降至最低。維護后或由于更換組件而對風(fēng)力發(fā)電廠所做的更改直接記錄在系統(tǒng)中，所有有關(guān)系統(tǒng)狀況的文檔始終保持最新的狀態(tài)。
「 2. ANSYS的數(shù)字孿生實踐 」
如圖3所示，ANSYS構(gòu)建了泵的數(shù)字孿生，首先在泵上布置了加速度計、壓力傳感器、流量計等傳感器，與控制器采集的數(shù)據(jù)共同支撐泵數(shù)字孿生模型的構(gòu)建，基于模型的動態(tài)交互等特點可提供實時檢測與修復(fù)模擬等服務(wù)，通過泵的數(shù)字孿生有助于更好地理解和優(yōu)化產(chǎn)品性能，并輔助故障檢測與個性化維修指導(dǎo)。例如，通過泵的數(shù)字孿生模型發(fā)現(xiàn)了對某異常振動的根本原因的分析，即壓力下降導(dǎo)致氣蝕形成氣泡，產(chǎn)生振動。[5]
圖3 ANSYS構(gòu)建的泵數(shù)字孿生
ANSYS還將數(shù)字孿生應(yīng)用于油氣行業(yè)提供設(shè)備運維管理等服務(wù)。[6]石油和天然氣行業(yè)一直在尋找降低能源生產(chǎn)成本的方法。為了實現(xiàn)此目標(biāo)，油氣行業(yè)可以將數(shù)字孿生應(yīng)用于油氣行業(yè)中的各種工業(yè)設(shè)備上。該行業(yè)可以基于數(shù)字孿生進行管道的實時監(jiān)測，并使用數(shù)字孿生模型來預(yù)測腐蝕，腐蝕，屈曲和疲勞將如何影響實際資產(chǎn)。此外，這些數(shù)據(jù)可用于優(yōu)化未來設(shè)計、預(yù)測維護周期、防止泄漏、減少停機時間并提高吞吐量。
「 3. 達索的數(shù)字孿生實踐 」
達索進行了一個項目“生命心臟項目”(LHP)[7]，以通過生物技術(shù)傳感器和掃描技術(shù)為人類心臟建立數(shù)字孿生。數(shù)字孿生是具有電和肌肉特性的心臟的個性化全尺寸模型，可以模擬真實心臟的行為。它不僅可以支持各種操作，例如貼緊心臟起搏器，反轉(zhuǎn)腔室，切割任何橫截面以及運行假設(shè)，而且還可以對心臟進行虛擬分析，以便在疾病開始之前為心臟病患者提供護理。
此外，達索還開展了數(shù)字孿生城市的應(yīng)用探索。[8]新加坡政府正在以3D形式構(gòu)建城市的數(shù)字孿生，以供設(shè)計師，規(guī)劃師和決策者探索未來。首次，真實世界的3D虛擬表示使官員更容易“解釋和交流”，因為“3D是自然語言”。其次，官員可以鳥瞰城市，也可以選擇放大區(qū)域的特定特征。在最廣泛的層面上，虛擬新加坡將顯示實際建筑物的地形，形狀和位置，這對于洪水分析非常有用。此外，規(guī)劃人員還可以獲取建筑物的詳細視圖，包括紋理，屋頂和窗戶，以進行諸如規(guī)劃太陽能電池板屋頂或緊急疏散路線之類的事情。單擊建筑物可以顯示其消耗的電量。他們可以走到行人的高度，查看陰影通道的可及性，交通和可用性。新加坡的城市數(shù)字孿生擁有豐富的數(shù)據(jù)，包括關(guān)于交通信號燈和公交車站等位置的靜態(tài)數(shù)據(jù)，以及諸如公交車位置和登革熱簇等傳感器的動態(tài)數(shù)據(jù)，此外還有有關(guān)人們行為方式的數(shù)據(jù)，例如有多少人進出公交車，從而實現(xiàn)對交通的優(yōu)化。該數(shù)字孿生城市平臺還將用于更長期的計劃和決策。例如，新加坡人口老齡化將要求對基礎(chǔ)設(shè)施進行重大更改。未來公民和企業(yè)也可以訪問虛擬的新加坡，例如，公司可以使用虛擬新加坡測試無人駕駛汽車，而無需將其放置在交通繁忙的道路上。
「 4. PTC的數(shù)字孿生實踐 」
PTC曾將數(shù)字孿生應(yīng)用于自行車上。該自行車的數(shù)字孿生可以實時監(jiān)控自行車的性能。此外，當(dāng)自行車騎行并且其組成部件移動時，虛擬空間的自行車數(shù)字孿生模型也會同步移動，該原型的開發(fā)涉及三個主要步驟。第一步是組裝帶有零件的自行車;第二步是在這些組件和PTC的Thingworx IoT平臺之間創(chuàng)建通信鏈接。第三步是將Thingworx輸入連接到儀表板風(fēng)格的界面，并以有意義的自行車性能信息的形式為用戶提供了來自傳感器的數(shù)據(jù)流的實時視圖。該數(shù)字孿生能夠通過分析現(xiàn)實世界中的產(chǎn)品使用情況和狀況數(shù)據(jù)，以告知功能和功能需求，從而更好地適應(yīng)市場并提供增值服務(wù)。此外，對于產(chǎn)品的設(shè)計也提供了數(shù)字的支持。
T-Systems是全球領(lǐng)先的信息和通信技術(shù)提供商之一。隨著基礎(chǔ)架構(gòu)的老化，T-Systems在客戶端面臨的最大挑戰(zhàn)是數(shù)字轉(zhuǎn)換。PTC與其合作創(chuàng)建了T-Systems數(shù)字孿生模型，在汽車行業(yè)中有效地設(shè)計和監(jiān)控剎車片。在ThingWorx中收集和可視化現(xiàn)實數(shù)據(jù)，在Windchill PLM系統(tǒng)中，將這些實際數(shù)據(jù)鏈接到產(chǎn)品數(shù)據(jù)。通過利用PTC技術(shù)，T-Systems可以收集實時數(shù)據(jù)，并以有意義的方式反饋給客戶。
「 5. 微軟的數(shù)字孿生實踐 」
微軟將Azure Digital Twins作為一個IoT平臺[11]，可對環(huán)境的全面數(shù)字模型的構(gòu)建賦能，其目標(biāo)對象包括建筑物、工廠、能源網(wǎng)絡(luò)，甚至是整個城市。通過構(gòu)建數(shù)字孿生模型，以達到驅(qū)動更好的產(chǎn)品生產(chǎn)、優(yōu)化操作流程、減少成本費用與提高客戶體驗等目的。Azure Digital Twins具有如下幾方面的功能，使得Azure Digital Twins可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取、數(shù)字孿生體建模、數(shù)字孿生體的實時表示，到孿生數(shù)據(jù)存儲與分析的全流程業(yè)務(wù)。
(1)使用開放式語言構(gòu)建數(shù)字孿生模型。在Azure Digital Twin中，使用“模型”將物理環(huán)境中的人、空間、事件等因素映射到相應(yīng)的數(shù)字實體，并使用開放式的建模語言數(shù)字孿生定義語言(digital twins definition language, DTDL)進行模型的構(gòu)建，其可以從狀態(tài)屬性、遙測事件、組件及關(guān)系等各方面進模型進行描述。在Azure Digital Twins模型構(gòu)建中，可以使用模型繼承的方法來構(gòu)建新的模型，從而提高構(gòu)建模型的效率與通用性。
(2)保障數(shù)字孿生體對其實體的實時表示。在Azure Digital Twin中，可通過數(shù)據(jù)處理與業(yè)務(wù)邏輯以實現(xiàn)數(shù)字孿生體對其相應(yīng)實時的實時表示。在該功能中，Azure Digital Twin可通過連接外部計算資料以保障數(shù)據(jù)處理的能力，同時可利用查詢API實現(xiàn)對數(shù)字孿生體中各組分的屬性值、關(guān)系、模型信息等條件 ，以深入了解數(shù)字孿生體。
(3)豐富的數(shù)據(jù)來源。Azure Digital Twins可接收來自IoT及業(yè)務(wù)系統(tǒng)的輸入作為驅(qū)動數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)。Azure Digital Twins可通過在其中新建IoT中心或?qū)⒁延械腎oT中心與可管理設(shè)備相連接，以實現(xiàn)IoT數(shù)據(jù)的接入;同時，Azure Digital Twins可通過相應(yīng)的API接口或其它服務(wù)的連接器，實現(xiàn)從其它數(shù)據(jù)源中獲取數(shù)據(jù)以驅(qū)動數(shù)字孿生體的運行。
(4)完整的數(shù)據(jù)存儲與處理服務(wù)提供。Azure Digital Twins可將數(shù)字孿生體中的數(shù)據(jù)傳遞到下游的Azure服務(wù)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲及進一步處理，如使用Azure Data Lake存儲數(shù)據(jù)，使用Azure Synapse Analytics或其它微軟數(shù)據(jù)分析工具對數(shù)據(jù)進行分析。
「 6. 空客的數(shù)字孿生實踐 」
空中客車公司(以下簡稱空客)在飛機組裝過程中使用數(shù)字孿生技術(shù)以提高自動化程度并減少交貨時間。
在碳纖維增強基復(fù)合材料(carbon fibre-reinforced polymer, CFRP)機身結(jié)構(gòu)的組裝過程中，因為CFRP組件的存在，在組裝過程中要求剩余應(yīng)力不得超過特定值。為達到減小剩余應(yīng)力的目的，空客開發(fā)了應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的大型配件裝配系統(tǒng)，對裝配過程進行自動控制以減少剩余應(yīng)力。該系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型具有以下幾方面的特點：
(1)建立數(shù)字孿生體的行為模型。在該裝配系統(tǒng)中創(chuàng)建的數(shù)字孿生模型不僅僅是相應(yīng)實際零部件的三維CAD模型，同時基于裝備的傳感器，也對各組件的行為模型進行建模，包括組件的力學(xué)行為模型及形變行為模型。
(2)建立不同層級的數(shù)字孿生體。在該裝配系統(tǒng)中，不僅對各組件建立相應(yīng)的數(shù)字孿生體模型，同時對系統(tǒng)本身也建立了相應(yīng)的數(shù)字孿生模型。系統(tǒng)本身的數(shù)字孿生體用于系統(tǒng)設(shè)計，為每個裝配過程提供預(yù)測性仿真。
(3)虛實交互與孿生體的協(xié)調(diào)工作。在裝配過程中，多個定位單元均配備有傳感器、驅(qū)動器與控制器，各個定位單元在收集傳感器數(shù)據(jù)的同時，還需與相鄰的定位單元相配合。傳感器將獲得的待裝配體的形變數(shù)據(jù)與位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉ㄎ粏卧臄?shù)字孿生體，孿生體通過對數(shù)據(jù)的處理以計算相應(yīng)的校正位置，在有關(guān)剩余應(yīng)力值的限制范圍內(nèi)引導(dǎo)組件的裝配過程，如圖4所示。
圖4 各定位單元協(xié)同引導(dǎo)裝配過程
「 7. 洛克希德馬丁的數(shù)字孿生實踐 」
作為洛克希德·馬丁公司的第五代戰(zhàn)斗機，F(xiàn)-35戰(zhàn)機引入并融合了多項創(chuàng)新技術(shù)，其生產(chǎn)流程復(fù)雜，而且其供應(yīng)鏈包括1400多個供應(yīng)商(其中有80多個在美國以外)。為編排全球范圍內(nèi)的供應(yīng)鏈、提升質(zhì)量降低成本，滿足交付要求，多項關(guān)鍵策略已被采取作為F-35戰(zhàn)機生產(chǎn)系統(tǒng)的一部分，其中也包括了數(shù)字孿生技術(shù)。在F-35的開發(fā)與生產(chǎn)過程中，分四個階段應(yīng)用數(shù)字線程技術(shù)。[1]
數(shù)字線程實施的第一個階段基于工程學(xué)生成、使用與重要精確的3D工程模型和2D工程圖。生成的3D模型與2D工程圖，以及已有部件的模型及已有相關(guān)分析數(shù)據(jù)會被納入通用產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)中，以實現(xiàn)可訪問性和配置的集成。在設(shè)計、制造及維護過程中，3D模型大大降低工程設(shè)計與更改的成本，改善設(shè)施的開發(fā)與安裝過程。
數(shù)字線程實施的第二階段將數(shù)字線程所構(gòu)建的工程數(shù)據(jù)與多種自動化技術(shù)相結(jié)合，以支持工廠的自動化。
數(shù)字線程實施的第三階段將數(shù)字線程直接提供給現(xiàn)場工作人員?；跀?shù)字線程，可以創(chuàng)建如工作指令圖形之類的產(chǎn)品，對現(xiàn)場工作的機械師或者維護人員進行指導(dǎo)，減少他們了解任務(wù)的時間;或者通過光學(xué)投影技術(shù)，直觀地將工作指令投影到飛機上，引導(dǎo)工作人員的動作并預(yù)示下一步的行動。
數(shù)字線程實施的第四階段則是對已制造的產(chǎn)品進行驗證。通過使用先進的非接觸式度量技術(shù)，如激光掃描和結(jié)構(gòu)化光技術(shù)，可以在產(chǎn)品的構(gòu)建或制造過程的早期識別偏差并迅速糾正，通過阻止缺陷向下游移動來降低成本。
通過與多種技術(shù)的結(jié)合使用，數(shù)字線程技術(shù)為F-35的生產(chǎn)系統(tǒng)帶來了諸多好處，如減少設(shè)計與開發(fā)的成本、提高制造過程中產(chǎn)品質(zhì)量、減少人工裝配工作量等。
「 8. GE公司 」
幾十年來，通用電氣公司(GE)收集了大量資產(chǎn)設(shè)備(如航空發(fā)動機)的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘分析，能夠預(yù)測可能發(fā)生的故障和時間，但無法確定故障發(fā)生的具體原因，為解決這一問題，GE近年來格外重視數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用于探索，推出了全球第一個專為工業(yè)數(shù)據(jù)分析和開發(fā)的云服務(wù)平臺Predix。該平臺可連接工業(yè)設(shè)備，獲得設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)，同時將設(shè)備機理模型與數(shù)據(jù)挖掘分析相結(jié)合，提供實時服務(wù)支持。截止2018年已經(jīng)擁有120萬個數(shù)字孿生體，可以處理30萬種不同的設(shè)備資產(chǎn)問題。
GE認(rèn)為，數(shù)字孿生體的構(gòu)建必須將設(shè)備機理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動分析結(jié)合起來，過程極為復(fù)雜，對于普通用戶而言，通常不具備這種專業(yè)能力。GE將已有的大量資產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)和模型疊加，通過Predix平臺，提供了一個通用的數(shù)字孿生體模型目錄，包括多個工業(yè)數(shù)據(jù)分析模型以及超過300個資產(chǎn)和流程模型。這樣用戶就可以利用現(xiàn)有的通用模型進行模型構(gòu)建、仿真、訓(xùn)練，從而快速構(gòu)建數(shù)字孿生體，并可在現(xiàn)場運行或在云端大規(guī)模運行，將模型推向使用端，然后再將它們產(chǎn)生的信息傳回云端。
如圖1所示，以風(fēng)力渦輪機為例，Predix提供的通用數(shù)字孿生體必須針對特定電廠的具體風(fēng)力渦輪機進行定制。Predix中的風(fēng)力渦輪機通用模型包含：具有材料和組件細節(jié)的PLM系統(tǒng)信息、3D幾何模型、可根據(jù)物理算法預(yù)測行為的仿真模型等。此外，該模型還包含維護服務(wù)日志、缺陷和解決方案詳情。一般這種機器工作壽命很久，需要承受極端的天氣狀況，而且與其他眾多渦輪機一起運行。因此，風(fēng)力渦輪機案例的建模必須包括整個風(fēng)電廠。每臺風(fēng)力渦輪機大體相似，但其所處位置和條件(包括風(fēng)向、尾流效應(yīng)、維護記錄等)都不相同。根據(jù)不斷變化的風(fēng)力條件來優(yōu)化風(fēng)力渦輪機，并在現(xiàn)場協(xié)調(diào)不同數(shù)字孿生體之間的相互作用，在無需對硬件設(shè)備進行較大改變的情況下，將風(fēng)電廠的發(fā)電量提高了5%，充分說明了建立數(shù)字孿生體為風(fēng)電廠所帶來的實質(zhì)性的幫助與提升。
圖1 GE風(fēng)力渦輪機的數(shù)字孿生
另外，GE在航空發(fā)動機領(lǐng)域也引入了數(shù)字孿生技術(shù)。GE認(rèn)為，從概念設(shè)計階段就開始建立航空發(fā)動機數(shù)字孿生體能更容易把設(shè)計過程和結(jié)構(gòu)模型與運行數(shù)據(jù)聯(lián)系起來。反過來說，發(fā)動機數(shù)字孿生體也能幫助優(yōu)化設(shè)計，縮短設(shè)計周期。目前，GE通過匯總設(shè)計、制造、運行和其他方面的數(shù)據(jù)，以及在物理層面對發(fā)動機的了解，結(jié)合積累的航空發(fā)動機全生命周期數(shù)據(jù)，建立能夠高保真刻畫具有多種行為特征的數(shù)字發(fā)動機孿生體模型，并向物理空間傳遞在特定場景下所呈現(xiàn)的行為信息，從而實現(xiàn)對航空發(fā)動機運維過程的精準(zhǔn)監(jiān)測、故障診斷、性能預(yù)測和控制優(yōu)化。基于航空發(fā)動機運維過程的數(shù)字孿生體應(yīng)用，GE還正式發(fā)布了預(yù)測性維修和維護產(chǎn)品——TrueChoice，幫助客戶優(yōu)化全生命期內(nèi)的所有成本。
GE用實踐證明，傳統(tǒng)的仿真技術(shù)不再僅僅只是作為工程師設(shè)計更出色產(chǎn)品和降低物理測試成本的利器。通過打造數(shù)字孿生體，仿真技術(shù)的應(yīng)用將擴展到各個運營領(lǐng)域，涵蓋產(chǎn)品的健康管理、遠程診斷、智能維護、共享服務(wù)等應(yīng)用。未來，隨著數(shù)字孿生體概念變得更加普及，企業(yè)通過它能獲得的優(yōu)勢將巨大無比。
「 9. MapleSoft公司 」
傳統(tǒng)上生產(chǎn)系統(tǒng)的調(diào)試大都是通過實物測試，難以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的缺陷，導(dǎo)致設(shè)計周期長、成本高、設(shè)計空間小等問題，尤其是在最初概念生成、有限元分析、計算流體動力學(xué)、原型生成、生產(chǎn)設(shè)計和生產(chǎn)方面的成本將成數(shù)倍增加。針對此問題，MapleSoft軟件公司開發(fā)了模型驅(qū)動的數(shù)字孿生產(chǎn)品MapleSim，可用于輔助產(chǎn)品設(shè)計的所有階段的虛擬調(diào)試與仿真，可以顯著降低開發(fā)新產(chǎn)品的風(fēng)險。[2]
MapleSim用于多領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真。[3]MapleSim提供圖形化的設(shè)計環(huán)境，只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可以完成各種復(fù)雜系統(tǒng)的建模。MapleSim使用了高級符號技術(shù)與高指數(shù)DAE求解器混合求解器，自動生成系統(tǒng)的“完全參數(shù)化的模型”，用于各種高級分析任務(wù)，以及實現(xiàn)高性能仿真和實時應(yīng)用。圖2是MapleSim創(chuàng)建數(shù)字孿生的流程圖。
圖2 MapleSim創(chuàng)建數(shù)字孿生的流程圖
知名采礦設(shè)備公司FLSmith在MapleSim中搭建了提升式徑向堆垛機的多領(lǐng)域動態(tài)模型，基于這一平臺和模型，為工程師提供了一個虛擬環(huán)境來評估系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，以達到虛擬調(diào)試的效果，并研究其在不同條件下的動態(tài)響應(yīng)，如操作人員行為、載荷分布和崎嶇地形。
這款堆垛機的MapleSim虛擬模型由主框架、可伸縮框架、移動和被動履帶、懸掛組件、框架提升組件、調(diào)平液壓組件以及附加在主框架上的外部組件的質(zhì)量組成。該模型具有以下特點：
(1)模型中每個組件的位置和質(zhì)量都是參數(shù)化的，可以修改，如果有需要可以添加更多組件;
(2)部分組件設(shè)計成偏心的，用來影響主框架的重心，進而影響整個堆垛機的穩(wěn)定性;
(3)可擴展框架的擴展和收縮是按照用戶自定義的速率執(zhí)行，用來表示影響系統(tǒng)動態(tài)的另一個因素;
(4)整體模型除了包含主框架，還包括了可伸縮框架的運動、提升氣缸的運動、液壓系統(tǒng)的控制以及地形的影響。
這一模型為FLSmidth的工程師提供了一個虛擬環(huán)境，可以應(yīng)用多種方法來評估系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，例如：
(1)可以檢查滾輪等部件的最大載荷，以及在極端加速或減速(如執(zhí)行緊急停車)情況下結(jié)構(gòu)的最大擺動量;
(2)可以用來檢查地形變化對此系統(tǒng)的影響——檢測此堆垛機可以安全跨越障礙物的最大高度，以及坑洼地段的最大深度，分析影響平衡的穩(wěn)定性設(shè)計參數(shù)，如氣缸直徑;
(3)可以檢查液壓系統(tǒng)的動力學(xué)，以及整個系統(tǒng)的重量分布，從而確定影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素;
(4)可以進行多種類型的深入分析，例如使用這一模型來評估整個堆垛機的子系統(tǒng)負(fù)載，用來驗證現(xiàn)有的設(shè)計，或者新設(shè)計的部件選型。
FLSmidth堆垛機的MapleSim模型是完全參數(shù)化的，這使其能夠用于多種用途。[5]這一高保真刻畫現(xiàn)有堆垛機的梳理孿生模型?？梢杂糜谡{(diào)查操作安全極限，測試設(shè)計變更，并驗證提出的改進方案，也可以配置成全新的方案設(shè)計，用于新設(shè)計早期研發(fā)階段的可行性評估，對于虛擬調(diào)試具有重要意義。
「 10. Bentley的數(shù)字孿生 」
Bentley軟件公司將數(shù)字孿生技術(shù)引入到公司開發(fā)的軟件工具和解決方案中。其提供的基礎(chǔ)設(shè)施工程數(shù)字孿生模型支持對基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)進行全生命周期可視化，跟蹤變更，并執(zhí)行分析，從而優(yōu)化資產(chǎn)性能。Bentley基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生模型可將工程數(shù)據(jù)、實景數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)相結(jié)合，獲得基礎(chǔ)設(shè)施地上和地下的整體視圖。沉浸式可視化和分析可見性可幫助用戶更好地作出決策。
比如，Bentley提供了iTwin Services Subscription工具，通過這個工具，可以兼容來自不同供應(yīng)商的基礎(chǔ)設(shè)施模型和不同數(shù)據(jù)源，使得創(chuàng)建、可視化和分析數(shù)字孿生模型成為一件簡單的事。該工具首先將工程數(shù)據(jù)、實景數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一整合，然后基于構(gòu)建的基礎(chǔ)設(shè)施三維可視化模型，為用戶提供三維/四維沉浸式體驗。該工具支持快速交付實時數(shù)字孿生模型，使用混合現(xiàn)實實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，并可以利用人工智能和機器學(xué)習(xí)，讓決策者對數(shù)據(jù)產(chǎn)生新的認(rèn)識。
Bentley公司還提供了iTwin Design Review工具，提供了變革性的數(shù)字化解決方案，每個團隊成員都可以可視化并了解隨時間發(fā)生的變更，查看對設(shè)計產(chǎn)生的影響，并快速有效地做出響應(yīng)。通過使用iTwin Design Review支持的協(xié)同工程和設(shè)計校審實現(xiàn)了正確的首次工程設(shè)計，通過優(yōu)化變更管理和不同工程專業(yè)之間的無縫溝通，Bentley的數(shù)字孿生模型技術(shù)可以有效降低設(shè)計周期。
「 11. 奇夢科技的數(shù)字孿生 」
近年來，奇夢科技在數(shù)字孿生、仿真領(lǐng)域開展了眾多應(yīng)用實踐，實現(xiàn)了較為成熟的數(shù)字孿生、工業(yè)級虛擬仿真和數(shù)字大腦的研發(fā)和應(yīng)用。奇夢科技開發(fā)了“秀品?！睌?shù)字孿生PaaS平臺，為船舶、軍工、智慧城市、核電、制造等領(lǐng)域提供了相關(guān)工具、能力和資源等系列敏捷式孿生開發(fā)工具，具有智能監(jiān)管、智能分析、智能決策等功能。
在工業(yè)虛擬仿真方面，開發(fā)了基于生產(chǎn)關(guān)系與管理邏輯的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模仿真工具，可以進行虛擬工廠三維可視化運行仿真，具備以下功能：
(1)設(shè)備運行邏輯仿真，可以根據(jù)提供的設(shè)備邏輯關(guān)系，對設(shè)備運行機制進行仿真編程，并可以是每個設(shè)備的仿真運算與整體產(chǎn)線相連接，形成整體產(chǎn)線仿真系統(tǒng);
(2)產(chǎn)線/系統(tǒng)邏輯仿真，根據(jù)產(chǎn)線、系統(tǒng)運行的邏輯關(guān)系，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過實時數(shù)據(jù)的驅(qū)動，進行模擬仿真;
(3)管理協(xié)同邏輯仿真，可以根據(jù)管理需求，從物料、人員、設(shè)備、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量、能源消耗、成本把控等各個維度進行綜合協(xié)同;
(4)邏輯運算自矯正等功能，可以根據(jù)不斷更新的實時數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析，不斷修正原始的邏輯算法，使仿真結(jié)果與實際產(chǎn)線更接近。
此外，在船舶與海洋領(lǐng)域，采用數(shù)字孿生技術(shù)服務(wù)于船舶制造、港口運維、海洋工程管理、船舶運維管理等方面。[9]首先，整合多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)，將來自于多方的成本、能耗、設(shè)備、人員、環(huán)境等數(shù)據(jù)，按照生產(chǎn)運行邏輯進行統(tǒng)一整合;其次，三維可視化監(jiān)管，采用三維可視化數(shù)字沙盤模式，呈現(xiàn)實時運行數(shù)據(jù)，提高應(yīng)用管理效率;再次，一站式綜合調(diào)度指揮平臺，協(xié)調(diào)調(diào)度各個生產(chǎn)運營要素，根據(jù)管理需求，通過智能化數(shù)據(jù)分析，從全局角度科學(xué)評估運營狀態(tài)。
「 12. 51WORLD的數(shù)字孿生 」
北京五一視界數(shù)字孿生科技股份有限公司(51WORLD)是一家數(shù)字孿生平臺公司，以原創(chuàng)全要素場景(AES)為基礎(chǔ)，融合物理模擬、工業(yè)仿真、人工智能、云計算等技術(shù)，重新定義數(shù)字孿生應(yīng)用生態(tài)，幫助政府及企業(yè)進行新一輪數(shù)字化升級。51WORLD通過AES建立數(shù)字孿生平臺，實現(xiàn)多源時空數(shù)據(jù)融合，城市數(shù)字底座搭建，多元仿真模型模擬等應(yīng)用價值。圍繞基于數(shù)字孿生的城市及園區(qū)生、規(guī)劃及產(chǎn)品營銷、設(shè)計及方案模擬驗證、AI仿真訓(xùn)練及測試、模擬推演及預(yù)測等方面，已在城市、園區(qū)、交通、車輛、水務(wù)、港口、機場、地產(chǎn)等十多個行業(yè)等領(lǐng)域進行了應(yīng)用實踐。
51WORLD提出的數(shù)字孿生城市解決方案，如圖3所示，旨在實現(xiàn)城市、街道、建筑等的全要素表達，并打通城市管理的各類數(shù)據(jù)孤島，進而可以實施實時的運營管理、動態(tài)的城市更新以及突發(fā)事件的預(yù)案推演。目前51WORLD的數(shù)字孿生城市解決方案已經(jīng)開展了數(shù)個落地應(yīng)用，如安徽合肥天鵝湖智慧政務(wù)系統(tǒng)、京東數(shù)科雄安新區(qū)數(shù)字孿生平臺、南京市江北新區(qū)智慧城市指揮中心、安徽銅陵城市超腦等。
圖3 51WORLD智慧城市運維平臺
同時，51WORLD在智能汽車領(lǐng)域也引入了數(shù)字孿生，開發(fā)了國內(nèi)首款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能汽車虛擬仿真工具51Sim-One軟件平臺。[11]51Sim-One虛擬仿真工具應(yīng)用于各類自動駕駛系統(tǒng)共性技術(shù)的研發(fā)，為智能決策控制、復(fù)雜環(huán)境感知、人機交互與共駕、車路協(xié)同與網(wǎng)絡(luò)通訊等提供了安全可控的全要素多層級的測試與評價技術(shù)支撐。同時，51Sim-One的仿真引擎已拓展服務(wù)于智慧城市交通系統(tǒng)、交通環(huán)境仿真、智慧道路設(shè)施部署與監(jiān)控、無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)評估等方面。
此外，51WORLD將數(shù)字孿生應(yīng)用于水務(wù)系統(tǒng)，采用全要素場景數(shù)字孿生技術(shù)，基于各地水務(wù)、水網(wǎng)、水利、地信及水質(zhì)監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)，生成“水務(wù)一張圖”，對自然水系和城市管網(wǎng)進行統(tǒng)一系統(tǒng)管理，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的直觀可視，幫助一線人員和決策者快速精確決策。支持管網(wǎng)擴散分析、河道水質(zhì)監(jiān)測、能耗分析、橋隧淹沒模擬、水壩等水利設(shè)施調(diào)控、水質(zhì)變化反演、巡檢統(tǒng)計等。
（轉(zhuǎn)載）
