數字孿生技術在企業生產中的應用

呂亞楠

【摘要】今天的數字化技術正在不斷地改變每一個企業。未來，所有的企業都將成為數字化的公司，這不只是要求企業開發出具備數字化特征的產品，更指的是通過數字化手段改變整個產品的設計、開發、制造和服務過程，并通過數字化的手段連接企業的內部和外部環境。數字孿生技術是CPS體系的關鍵組成部份，以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為。本文主要針對數字孿生技術在企業生產中的應用進行分析和討論。

【關鍵詞】數字孿生技術;企業生產;應用

一、數字孿生技術概述

數字孿生技術（Digital Twin，簡稱DT）是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體物的全生命周期過程。DT是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的系統的數字映射系統。美國國防部為了航空航天飛行器的健康維護與保障，最早提出并利用了DT技術。

數字孿生技術有時候也用來指代將一個工廠的廠房及產線，在沒有建造之前，就完成數字化模型，繼而在虛擬空間中對工廠進行仿真和模擬，并將真實參數傳給實際的工廠建設（從這層應用上講，數字孿生功效類似國內提出的半實物仿真技術）。而工房和生產線建成后的日常運維中二者繼續進行信息交互，貫穿產品全生命周期的全時空。

二、數字孿生技術在企業生產中的應用

數字孿生技術會幫助企業在實際投入生產之前即能在虛擬環境中優化、仿真和測試，在生產過程中也可同步優化整個企業流程，最終實現高效的柔性生產、實現快速創新上市，鍛造企業持久競爭力。數字孿生技術是制造企業邁向工業4.0戰略目標的關鍵技術，通過將掌握產品信息及其生命周期過程的數字思路將所有階段（產品創意、設計、制造規劃、生產和使用）銜接起來，并連接到可以理解這些信息并對其做出反應的生產智能設備。

（一）產品數字孿生

在產品的設計階段，利用數字孿生可以提高設計的準確性，并驗證產品在真實環境中的性能。這個階段的數字孿生，關鍵能力包含，第一：數字模型設計，使用CAD工具開發出滿足技術規格的產品虛擬原型，精確的記錄產品的各種物理參數，以可視化的方式展示出來，并通過一系列的驗證手段來檢驗設計的精準程度;第二：模擬和仿真：通過一系列可重復、可變參數、可加速的仿真實驗，來驗證產品在不同外部環境下的性能和表現，在設計階段就驗證產品的適應性。

（二）生產數字孿生

在產品的制造階段，生產數字孿生的主要目的是確保產品可以被高效、高質量和低成本的生產，它所要設計、仿真和驗證的對象主要是生產系統，包括制造工藝、制造設備、制造車間、管理控制系統等。利用數字孿生可以加快產品導入的時間，提高產品設計的質量、降低產品的生產成本和提高產品的交付速度。產品階段的數字孿生是一個高度協同的過程，通過數字化手段構建起來的虛擬生產線，將產品本身的數字孿生同生產設備、生產過程等其他形態的數字孿生高度集成起來。

（三）設備數字孿生

產品作為客戶的設備資產在運行過程中，將設備運行信息實時傳送到云端，進行設備運行優化，進行設備可預測性維護與保養，通過設備運行信息，對產品設計、工藝和制造迭代優化。包含設備運行優化、可預測性維護、維修與保養、設計、工藝與制造迭代優化。

三、數字孿生技術應用發展態勢

（一）數字孿生應用已滲透到資產、車間、企業各個層級

數字孿生應用場景廣泛，當前覆蓋“NIST智能制造系統”中的產品、生產和商業三大領域，并朝著實現三大領域價值鏈條全面優化的方向發展。一是面向產品的數字孿生應用聚焦產品全生命周期優化。如AFRL與NASA合作構建F-15數字孿生體，基于戰斗機試飛、生產、檢修全生命數據修正仿真過程機理模型，提高了機體維護預警準確度;二是面向車間的數字孿生應用聚焦生產全過程管控。如空客通過在關鍵工裝、物料和零部件上安裝RFID，生成了A350XWB總裝線的數字孿生體，使工業流程更加透明化，并能夠預測車間瓶頸、優化運行績效;三是面向企業的數字孿生應用聚焦業務綜合評估與管理。如Software AG基于ARIS業務流程建模功能構建了面向企業業務的數字孿生體，并通過模擬評估業務流程預見企業未來成本和績效。

（二）數字孿生應用由虛擬驗證向虛實交互的閉環優化發展

數字孿生應用發展歷程依次經歷虛擬驗證、單向連接、智能決策、虛實交互四大階段。一是虛擬驗證，能夠在虛擬空間對產品/產線/物流等進行仿真模擬，以提升真實場景的運行效益。如ABB推出PickMaster Twin，客戶能夠在虛擬產線上對機器人配置進行測試，使拾取操作在虛擬空間進行驗證優化;二是單向連接，在虛擬驗證的基礎上疊加了IOT，實現基于真實數據驅動的實時仿真模擬，大大提升了仿真精度。如PTC和ANSYS合作，構建了泵的仿真模型，并將其與真實的泵連接，基于實時數據驅動仿真，優化模擬;三是智能決策，在單向連接的基礎上疊加了AI，將仿真模型和數據模型很好的融合，優化分析決策水平。如杭汽輪通過三維掃描構建幾何形狀，與平臺標準機理模型對比，并疊加人工智能分析，實現葉片的檢測試驗從2～3天降低至3～5分鐘。四是虛實交互，在智能決策的基礎上疊加了反饋控制功能，實現基于數據自執行的全閉環優化。如在西門子提供的產品體系中，設計仿真軟件NX具備虛擬驗證功能，MindSphere具備IOT連接功能，Omneo具備數據分析功能，TIA具備自動化執行功能。未來，西門子有望基于以上產品整合，真正實現數字孿生的虛實交互閉環優化。

四、結束語

數字孿生技術是正在高速發展的新技術，為復雜動態系統的物理信息融合提供了解決思路，是智能制造與智能自動化重要的解決方案之一。隨著新一代信息技術與實體經濟的加速融合，工業數字化、網絡化、智能化演進趨勢日益明顯，催生了一批制造業數字化轉型新模式、新業態，其中數字孿生日趨成為產業各界研究熱點，未來發展前景廣闊。

參考文獻：

[1]王麗麗，陳金鷹，馮光男.VR/AR技術的機遇與挑戰[J].通信與信息技術，2016（6）：64-65，76.

[2]蔡遠利，高鑫，張淵.數字孿生技術的概念、方法及應用[A].第二十屆中國系統仿真技術及其應用學術年會論文集[C]，2019.

[3]楊明娣，陳廣美.探析化工教學中仿真技術的應用[J].化工管理，2014（32）：145.