數(shù)字孿生:工業(yè)智能發(fā)展新趨勢

摘要：數(shù)字孿生中結(jié)合了不同專業(yè)的內(nèi)容并充分利用了物理模型、傳感器更新及運行歷史等，同時也將不同學(xué)科、物理量、多尺度及多概算進(jìn)行集合完成仿真操作過程，可以在虛擬空間中進(jìn)行映射，利用此來反應(yīng)出裝備整體生命周期過程。數(shù)字孿生可以利用數(shù)字化來表達(dá)物理產(chǎn)品，也就是可以通過數(shù)字化產(chǎn)品觀察到物理產(chǎn)品可能發(fā)生的變化，與該項技術(shù)相關(guān)的技術(shù)還包括增強現(xiàn)實技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中使用數(shù)字孿生可以充分體現(xiàn)出其優(yōu)勢，在工業(yè)行業(yè)中有一種說法，即工業(yè)領(lǐng)域1%的革命，也就是當(dāng)全世界工業(yè)效率提升1%時整體生產(chǎn)成本可以降低300億元。2019年Gartner發(fā)布的十大戰(zhàn)略性技術(shù)中就包括數(shù)字孿生技術(shù)。IDC預(yù)測到2020年全世界會有600家企業(yè)使用數(shù)字孿生對所生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新，到2023年數(shù)字孿生市場可以產(chǎn)生157億美元，其增長率也是非常高的，可見在未來數(shù)字孿生技術(shù)成為工業(yè)產(chǎn)業(yè)中的重點技術(shù)[1]。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;工業(yè)智能;發(fā)展新趨勢

中圖分類號：F49? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1007-9416（2020）10-0000-00

1數(shù)字孿生概述

工業(yè)行業(yè)在發(fā)展的過程中充分利用了數(shù)字化技術(shù)，在使用數(shù)字化技術(shù)后可以有效提升生產(chǎn)效率并可以對產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，同時可使產(chǎn)品具有良好的性能。現(xiàn)階段，在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用了數(shù)字生產(chǎn)流程、數(shù)字化設(shè)計。數(shù)字技術(shù)可以加快工業(yè)行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新速度，對傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式進(jìn)行了最大限度的優(yōu)化，使工業(yè)生產(chǎn)體系變得更加智慧化。現(xiàn)階段，工業(yè)行業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的通用下也逐漸形成了工業(yè)智能化，數(shù)字孿生就是工業(yè)智能化發(fā)展的關(guān)鍵。通過IBM研究報告可以看出，數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用到價值較高的領(lǐng)域，例如，火箭制造、石油及天然氣開采系統(tǒng)等。此外，隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)在未來5年至8年會變得更加成熟。隨著5G時代的到來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也得到了廣泛的使用，這樣全世界工業(yè)企業(yè)必將會關(guān)注并應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)。

數(shù)字孿生技術(shù)中的孿生，從生理學(xué)角度來看其可以與生物基因?qū)酉嚓P(guān)聯(lián)，同卵雙生兒不僅外貌相像且生理內(nèi)質(zhì)也有著緊密的關(guān)聯(lián)。因此在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中數(shù)字孿生技術(shù)也建立了物理產(chǎn)品轉(zhuǎn)換到虛擬產(chǎn)品間的關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)是直接反應(yīng)這些信息的要素。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用后既可以得到良好的可視化效果同時可以將物理產(chǎn)品與數(shù)字產(chǎn)品間的內(nèi)質(zhì)進(jìn)行聯(lián)系[2]。

2數(shù)字孿生技術(shù)所面臨的就與挑戰(zhàn)

數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助人們從數(shù)字驅(qū)動角度來構(gòu)建全新視角，并對傳統(tǒng)企業(yè)模式中的缺陷進(jìn)行重新審視并對空間進(jìn)行創(chuàng)新。尤其是在使用數(shù)字孿生技術(shù)后可以將原有的仿真技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能化技術(shù)等進(jìn)行深度融合。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中可以對工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)流程、設(shè)備維護(hù)等進(jìn)行革新。

3工業(yè)智能化現(xiàn)階段發(fā)展趨勢

3.1工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備智能化

工業(yè)生產(chǎn)智能化在發(fā)展的過程中智能化技術(shù)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，同時在工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。在未來要想實現(xiàn)工業(yè)行業(yè)智能化發(fā)展首先應(yīng)保證工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備智能化，也就是生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)流程自動化控制。工業(yè)設(shè)備智能化體現(xiàn)在生產(chǎn)控制系統(tǒng)智能化、數(shù)控技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用、全套自動化生產(chǎn)線、傳感器的使用及智能工業(yè)機器人的應(yīng)用等。充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在控制系統(tǒng)中構(gòu)建實時數(shù)據(jù)庫機制，利用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析并發(fā)出相應(yīng)的執(zhí)行指令，使生產(chǎn)線各操作步驟可以無縫銜接，最終實現(xiàn)生產(chǎn)控制系統(tǒng)智能化、自動化。

可以利用PLC技術(shù)完成生產(chǎn)設(shè)備邏輯編程，并利用計算機進(jìn)行編程，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)編輯成質(zhì)量體系傳輸?shù)缴a(chǎn)系統(tǒng)中，有效降低生產(chǎn)過程中材料的使用量。在實際生產(chǎn)中應(yīng)充分利用智能化系統(tǒng)及設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備操作自動化同時實現(xiàn)無人操作，通過自動化流水線完成生產(chǎn)工序。從我國智能設(shè)備十二五發(fā)展規(guī)劃來看，到2020年我國智能設(shè)備銷售量可以達(dá)到3萬億，真正實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備智能化。此外，未來工業(yè)生產(chǎn)中智能化工廠已經(jīng)成為主要發(fā)展方向。

3.2制造流程智能化

在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的過程中數(shù)字技術(shù)、人工智能技術(shù)必將成為主要技術(shù)。未來工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)方式將以人機合作的方式為主，智能工廠中應(yīng)設(shè)置總控中心并通過此進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度，工廠在進(jìn)行生產(chǎn)的過程中，可以在生產(chǎn)線上配置專業(yè)技術(shù)人員及工業(yè)機器人完成生產(chǎn)工作。例如，我國某地新區(qū)作為示范基地已經(jīng)開始使用此種模式，預(yù)計到2020年人工智能技術(shù)會進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，產(chǎn)業(yè)規(guī)模可以達(dá)到3千億元。工業(yè)企業(yè)中質(zhì)量檢驗是產(chǎn)品生產(chǎn)流程中的主要內(nèi)容。從相關(guān)數(shù)據(jù)中可以看出，目前，我國各工業(yè)企業(yè)質(zhì)量檢驗人員數(shù)量已經(jīng)達(dá)到350萬人，在進(jìn)行質(zhì)量檢驗時會耗費較大的精力、時間，影響工作效率，也無法保證產(chǎn)品質(zhì)量。5G時代的到來AI質(zhì)量檢驗技術(shù)的應(yīng)用可以進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量檢驗水平，通過AI技術(shù)可以對產(chǎn)品質(zhì)量缺陷進(jìn)行掃描并通過智能生產(chǎn)線對有質(zhì)量問題的產(chǎn)品進(jìn)行分類，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前，我國工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅猛，但是也給環(huán)境帶來污染，我國環(huán)境保護(hù)部門也開始對工業(yè)企業(yè)污染問題進(jìn)行治理，但是治理效果并不是很理想，相關(guān)管理部門對工業(yè)企業(yè)污染問題進(jìn)行強制要求，工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行噪音污染、粉塵污染、水污染等環(huán)境污染控制條例，在未來可以將智能環(huán)境質(zhì)量檢測設(shè)備安裝到生產(chǎn)車間內(nèi)，有效降低污染現(xiàn)象。

3.3實現(xiàn)產(chǎn)品智能化

工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用智能化技術(shù)可以實現(xiàn)產(chǎn)品智能化。以智能家居為例，其已經(jīng)由傳統(tǒng)的制造產(chǎn)品升級為智能產(chǎn)品。IT技術(shù)、自動控制技術(shù)被智能家居產(chǎn)品廣分應(yīng)用，智能家居產(chǎn)品也吸引了更多人的眼球，市場潛在價值是非常大的，發(fā)展空間也是非常大的。智能家居不只是使用智能產(chǎn)品而是構(gòu)建智能住宅平臺，充分結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動化控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。目前，房屋建筑、家居行業(yè)對智能化有了更高的要求，這樣也調(diào)動了工業(yè)企業(yè)智能化生產(chǎn)的積極性。現(xiàn)階段，我國智能家居使用量也隨之增加，但是智能家居產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展階段，同時智能家居產(chǎn)品受到研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)等方面的影響也給生產(chǎn)體系完整落實帶來一定阻礙，這樣也給智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來一定的影響，但是其整體產(chǎn)業(yè)發(fā)展是具有非常廣闊的前景的[3]。

4數(shù)字孿生在工業(yè)智能中的發(fā)展趨勢

從工業(yè)產(chǎn)品方面來看，傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品沒有關(guān)注到機械設(shè)備的生理問題，即使是使用了仿生學(xué)但是在功能性方面也存在一些弊端。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用對仿生學(xué)理念進(jìn)行了拓展，并將關(guān)注點放在機械設(shè)備生理問題方面。美國一些學(xué)者利用數(shù)字孿生理念構(gòu)建起機械設(shè)備生理，并建立起數(shù)字產(chǎn)品、物理產(chǎn)品間的內(nèi)部聯(lián)系。這種關(guān)系既可以保證形態(tài)方面的一致性同時可以實現(xiàn)物理性能相符，可以將原有的機械屬性進(jìn)行優(yōu)化，升級為機械生理屬性，實現(xiàn)機械產(chǎn)品數(shù)字化。現(xiàn)階段工業(yè)產(chǎn)品可以被激活成機械生理數(shù)字產(chǎn)品，這也標(biāo)志著工業(yè)生產(chǎn)智能化時代的到來。

目前，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)席卷全球各個國家，從國外一些數(shù)字孿生技術(shù)使用情況來看，現(xiàn)階段更多的大企業(yè)已經(jīng)相繼使用，如西門子、通用電氣等。以美國通用電氣應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)為例，旗下應(yīng)用天然氣驅(qū)動電廠核心生產(chǎn)設(shè)備中的渦輪發(fā)電機，而渦輪發(fā)電機組成部件是非常多的，不同的部件會受到外界因素的影響，假如還使用平均故障間隔時間評估就無法實現(xiàn)對渦輪機的有效維護(hù)。因此電站管理人員在維護(hù)期間只能使用運行過程中的數(shù)據(jù)及以往經(jīng)驗，即使是定期維護(hù)也經(jīng)常會出現(xiàn)渦輪機組部件失效現(xiàn)象，給整體電廠生產(chǎn)帶來非常不利的影響。在應(yīng)用孿生數(shù)字技術(shù)后可以對這些問題進(jìn)行解決。在使用時可以將傳感器安裝到渦輪發(fā)電機組件上，運行過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，然后再使用數(shù)字技術(shù)構(gòu)建起數(shù)字孿生體系，實現(xiàn)與物理組件的一致性。渦輪發(fā)電機組運行過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以為數(shù)字孿生體系提供更加豐富的信息資源并為數(shù)字模型構(gòu)建應(yīng)用場景，例如對運行系統(tǒng)負(fù)荷、溫度及空氣質(zhì)量的控制等。在了解渦輪機組運行情況后構(gòu)建起渦輪機組數(shù)字模型，利用統(tǒng)計工具對模型進(jìn)行分析，操作人員在進(jìn)行渦輪機維護(hù)時應(yīng)提前預(yù)算好維護(hù)時間，從而減少因停機等產(chǎn)生的不必要成本，降低因停機維護(hù)所造成的風(fēng)險。

數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)化互聯(lián)網(wǎng)中已經(jīng)向生物理論進(jìn)化，應(yīng)對其進(jìn)行更新及培育，提升整體系統(tǒng)的創(chuàng)新能力。在這個創(chuàng)新系統(tǒng)中充分融入了信息化、工業(yè)化技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域中構(gòu)建起集物理學(xué)、數(shù)據(jù)學(xué)及學(xué)習(xí)系統(tǒng)平臺。可以說，應(yīng)用孿生數(shù)字技術(shù)后，未來的工業(yè)企業(yè)就像是一個巨大的生物體，可以將生產(chǎn)所需要的原料全部“吞進(jìn)”，最后變成所需要的產(chǎn)品。

5結(jié)語

可知，在未來將數(shù)字孿生技術(shù)將會應(yīng)用到輕工業(yè)、重工業(yè)生產(chǎn)中并形成工業(yè)平臺系統(tǒng)。數(shù)字孿生技術(shù)在應(yīng)用后可以對原有的模式進(jìn)行優(yōu)化，同時可以給產(chǎn)品服務(wù)模式進(jìn)行革新，充分滿足消費者對數(shù)字孿生產(chǎn)品數(shù)據(jù)資源的需求，可以說，在未來數(shù)字孿生技術(shù)會納入到智能生產(chǎn)中[4]。

參考文獻(xiàn)

[1]陳繼文，魏文勝，李鑫，等.基于數(shù)字孿生的工程機械產(chǎn)品健康檢測方法研究[J].中國工程機械學(xué)報，2020，18（4）：371-376.

[2]王少平，康獻(xiàn)民，余宏志，等.基于數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)線設(shè)計和迭代演化[J].機械工程師，2020（8）：28-30.

[3]梁才.數(shù)字孿生技術(shù)提升品質(zhì)工程建設(shè)[J].中國建設(shè)信息化，2020（14）：38-41.

[4]劉義，劉曉冬，焦曼，等.基于數(shù)字孿生的智能車間管控[J].制造業(yè)自動化，2020，42（7）：148-152.

收稿日期：2020-09-07

作者簡介：劉慧莉（1984—），女，安徽池州人，本科，中級工程師，研究方向：信息技術(shù)。

Digital Twin： the New Development Trend of Industrial Intelligence

LIU Hui-li

（Development Institute of Offshore Oil Engineering Co.， Ltd.， Tianjin? 300451）

Abstract：The digital twin combines different professional contents and makes full use of physical model， sensor update and operation history，At the same time， different disciplines， physical quantities， multi-scale and multi budget estimates are combined to complete the simulation operation process， which can be mapped in the virtual space to reflect the whole life cycle process of equipment.Digital twins can express physical products by digitization， that is to say， the possible changes of physical products can be observed through digital products. The technologies related to this technology include augmented reality technology and virtual reality technology.The use of digital twins in industrial production can fully reflect its advantages. There is a saying in the industrial industry， that is， the 1% revolution in the industrial field， that is， when the world's industrial efficiency is increased by 1%， the overall production cost can be reduced by 30 billion yuan.The top 10 strategic technologies released by Gartner in 2019 include digital twin technology. IDC predicts that by 2020， 600 enterprises in the world will use digital twin to innovate their products. By 2023， the digital twin market will generate 15.7 billion US dollars， and its growth rate is also very high. It can be seen that digital twin technology will become the key technology in the industrial industry in the future[1].

key word：digital twins;industrial intelligence;new development trend