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廣皓天
【中國智能制造網 行業(yè)動態(tài)】“數字雙胞胎”與建模仿真技術曾被稱作智能制造業(yè)的下一波浪潮，工業(yè)4.0也要求，若要虛和實的互動以及相互增強，數字化模型必須先出現。
什么是數字雙胞胎
“數字化雙胞胎”(Digital Twin)是指以數字化方式拷貝一個物理對象，模擬對象在現實環(huán)境中的行為，對產品、制造過程乃至整個工廠進行虛擬仿真，從而提高制造企業(yè)產品研發(fā)、制造的生產效率。
所有“產品”早是人類大腦里的一個模糊概念，在沒有數字化模型幫助的情況下，要打造出一件產品或一套生產流程，必然會經歷多次迭代設計，有時候僅僅為了驗證產品的某一個尺寸，部件之間的裝配關系，流程的某一環(huán)節(jié)，就不得不制造出很多個中間產品或重新設計流程(被稱為打樣)，耗費大量時間、金錢和人力。采用數字化模型的設計技術(常指CAD技術，即數字化輔助設計)，就可在虛擬的三維數字空間里從無到有地創(chuàng)造出部件和產品以及工藝流程。在虛擬的三維空間里，可以輕松的修改部件和產品的每一處尺寸和裝配關系，使得產品幾何結構的驗證工作、裝配可行性的驗證工作、流程的可實行性大為簡單，因此可以大幅度減少迭代過程中的物理樣機的制造次數，時間，成本。除此之外，專門的電路CAD設計技術可以根據電路以及器件的原理，在三維數字空間設計出電路，并且也可以進行虛擬的驗證和迭代設計。同樣也可以大幅度減少制造物理樣機的代價。這就是數字化模型一定會早于物理實體產品出現的原因。實際上，在終的產品制造出來之前，有很多個數字化模型代表著產品迭代的各個階段。這些模型或者其中的一部分，仍然有可能被以后的型號或者產品線所采用，這也是數字化模型的一個附加好處。
建模仿真的“前世今生”
建模仿真早來源于上世紀60年代至70年代的計算機語言編寫的數字算法，當時只是簡單的用于計算特定物理現象，解決設計問題；之后的二十年，隨著工作站和微機的普及以及計算能力的提高，仿真技術的應用逐漸遍及各個學科和不同層面；而且不會停留在設計階段，正在向產品和系統的全生命周期擴展，構成與實體形影不離的“數字雙胞胎”。由于仿真能夠在產品生命周期提供無縫協助和優(yōu)化，將會成為制造體系的核心功能之一，未來智能工廠是基于模型的系統工程或基于模型的制造，軟件定義產品、決定企業(yè)盛衰，仿真技術制造系統關鍵組成部分的黃金時代才剛剛開始。Gartner預測，到2021年，50%的大型工業(yè)公司將使用數字雙胞胎，從而使這些組織的效率提高10%，尤其是制造業(yè)和工程行業(yè)的公司，如果想要在競爭中保持地位，就需要考慮實施數字雙胞胎。
制造業(yè)是目前數字雙胞胎常用的行業(yè)，按時向客戶提供保質保量的產品對制造企業(yè)至關重要，如果機器的運轉不能協同并以適當的容量工作，就回影響員工、生產、可交付性以及終客戶的滿意度；采取實時監(jiān)控、不中斷生產的情況下進行測試、并且能夠在設施中收集的數百萬個數字據點獲得更多信息，數字雙胞胎使制造企業(yè)更加智能。
在德勤的一份案例研究中，一家工業(yè)制造企業(yè)決定采用數字雙胞胎方法，來解決其在現場遇到的問題，從而解決維護費用和客戶延遲交付。制造企業(yè)收集了設備以及正在生產的產品數據，來研究裝配過程及其與產品質量的關系。因此，該項目能夠識別低效率并優(yōu)化裝配流程，將返工率降低了15%至20%。
數字雙胞胎的國內現狀
早在市場上提出“數字化雙胞胎”模型概念的是西門子，基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術的現實企業(yè)的“數字化雙胞胎”(Digital Twins)，包括“產品數字化雙胞胎”、“生產工藝流程數字化雙胞胎”和“設備數字化雙胞胎”，三個層面又高度集成為一個統一的數據模型，并通過數字化助力企業(yè)整合橫向和縱向價值鏈，提供工業(yè)生態(tài)系統重塑和實現“工業(yè)4.0”自下而上的切實之路。
數字雙胞胎的引入國內僅僅幾年時間，目前處于初步探索與實踐環(huán)節(jié)，距離廣泛應用還有很長的路要走；目前數字雙胞胎技術還面臨著諸多難題，主要可分為三類：一是高仿真度，高保真度的仿真建模是構建數字雙胞胎體系的關鍵，數字雙胞胎作為物理實體在數字空間的超寫實動態(tài)模型，產品虛擬模型的高精度性、多物理場建模、高保真度響應模擬等是首要解決的技術難題。二是數據收集，由于數字孿生技術的應用以海量數據為基礎，并且是基于全要素、全生命周期的數據，而有關這些數據所涉及的先進傳感器技術、自適應感知、控制與執(zhí)行技術等難題急需攻關。三是實時監(jiān)測與健康預測技術也尚待完善，實時和預測是數字孿生的核心要素，一方面物理產品的數據動態(tài)實時反映在數字孿生體系中，另一方面，數字孿生基于感知的大數據進行分析決策，進而控制物理產品，而其中離不開相應的高實時性數據交互、高置信度仿真預測、超級計算能力等技術能力。此外，新的設計檢驗方法仍需進一步探索，使物理模式的實驗結果更準確、更接近真實的工況，為數字孿生體的推演提供可靠的數據支撐。
目前中國制造業(yè)正處于轉型升級的關鍵時期，通過物聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合，使得中國制造競爭力得到大幅提升。未來，數字雙胞胎也可結合物聯網的數據采集、大數據處理和人工智能建模分析，實現對過去發(fā)生問題的診斷、當前狀態(tài)的評估以及未來趨勢的預測，并給予分析結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。
(原標題：“數字雙胞胎”正在成為智能制造新趨勢)
浙公網安備 33010602000006號
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