數字孿生：工(gōng)業智能(néng)化與數字化的超強賦能(néng)
發布時(shí)間：
2022-12-15
目前全球部署物聯網的企業和(hé)組織中已有16%應用(yòng)數字孿生，62%的組織正在準備使用(yòng)數字孿生;同時(shí)Gartner預測，明(míng)年全球将有超六成的大(dà)型工(gōng)業企業使用(yòng)數字孿生，從(cóng)而使這(zhè)些(xiē)企業的效率提高(gāo)10%。
目前全球部署物聯網的企業和(hé)組織中已有16%應用(yòng)數字孿生，62%的組織正在準備使用(yòng)數字孿生;同時(shí)Gartner預測，明(míng)年全球将有超六成的大(dà)型工(gōng)業企業使用(yòng)數字孿生，從(cóng)而使這(zhè)些(xiē)企業的效率提高(gāo)10%。
數字時(shí)代大(dà)背景下(xià)，數實融合發展不斷深入，數字孿生作(zuò)爲産業數字化核心技術之一越來(lái)越受到(dào)關注。在日前舉行的2022騰訊全球數字生态大(dà)會(huì)上(shàng)，騰訊發布了(le)《騰訊數字孿生雲白(bái)皮書》(以下(xià)簡稱“白(bái)皮書”)，并向業内首次發布了(le)數字孿生雲平台。白(bái)皮書顯示，數字孿生已成爲科技戰略和(hé)産業轉型的關鍵抓手，在社會(huì)經濟的許多領域尤其工(gōng)業生産行業将發揮極其強大(dà)的賦能(néng)作(zuò)用(yòng)。
“數字孿生”一詞聽上(shàng)去雖有點高(gāo)大(dà)上(shàng)，但(dàn)其實很(hěn)接地氣，比如當我們聽到(dào)“雙胞胎”、“孿生兄弟”抑或“孿生姐(jiě)妹(mèi)”的詞語時(shí)，眼前馬上(shàng)會(huì)浮現(xiàn)兩個或三個以上(shàng)長得完全或基本一樣的人物，“數字孿生”也(yě)是這(zhè)個理(lǐ)，隻不過這(zhè)裏的“雙胞胎”是數字雙胞胎。按照美(měi)國航空(kōng)航天局(NASA)給出的最權威解釋，數字孿生是指充分利用(yòng)物理(lǐ)模型、傳感器、運行曆史等數據，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作(zuò)爲虛拟空(kōng)間中對(duì)實體産品的鏡像，反映了(le)相對(duì)應物理(lǐ)實體産品的全生命周期過程。說得通俗些(xiē)，數字孿生就是将現(xiàn)實世界的物理(lǐ)體或者系統以及流程等複制到(dào)虛拟空(kōng)間，生成一個“克隆體”，二者因此不同于物理(lǐ)世界中的“雙胞胎”存在于同一時(shí)空(kōng)維度，數字孿生中的雙胞胎分列于兩個平行世界。
既然數字雙胞胎中有一個是“克隆體”，那麽很(hěn)多人可能(néng)就認爲數字孿生就是日常生活中大(dà)家可以随手拈來(lái)的拍(pāi)照留影，或者再高(gāo)深一點就是人們能(néng)夠理(lǐ)解的仿真模拟技術。其實不然。數字孿生除實時(shí)與準時(shí)創建與物理(lǐ)實體等價的“克隆體”外(wài)，更重要的是它還會(huì)“動”，即根據傳感現(xiàn)實數據、曆史數據以及物理(lǐ)本體周邊場景數據進行仿真分析，爲物理(lǐ)實體的後續運行産生和(hé)輸出改進與優化方案，并輻射到(dào)物理(lǐ)實體的全生命周期過程，因此，雙向性即本體向孿生體輸出數據和(hé)建成模型，同時(shí)孿生體向本體反饋信息和(hé)輸出優解是數字孿生的核心特征，數字孿生與僅能(néng)對(duì)物理(lǐ)目标進行機械化與單向化投射的拍(pāi)照與仿真技術由此鮮明(míng)區(qū)别開(kāi)來(lái)，同時(shí)也(yě)由此看(kàn)出，數字孿生可以支持與引導人們穿越虛實界牆，在物理(lǐ)主體與數字模型之間自(zì)由交互與行走，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛拟世界的彼此交融。
當然，數字孿生中的确有仿真技術的作(zuò)用(yòng)，但(dàn)後者隻能(néng)是功能(néng)角色之一，圍繞在數字孿生周圍的還有VR和(hé)AR(虛拟現(xiàn)實與增強現(xiàn)實)、大(dà)數據、傳感器、物聯網(IoT)以及人工(gōng)智能(néng)等強大(dà)技術矩陣，而且缺一不可，比如沒有物聯網技術，數字孿生就不可能(néng)實現(xiàn)兩個世界端與端的鏈接，而失去傳感器，數據就隻能(néng)孤立存在于現(xiàn)實物體，更談不上(shàng)虛拟世界的信息反饋，同樣，離開(kāi)了(le)人工(gōng)智能(néng)，數字模型就等于失去了(le)“大(dà)腦(nǎo)”，數字孿生隻能(néng)成爲僅有軀殼的“胚胎”。當然，在這(zhè)一技術方陣中，數字孿生也(yě)猶如可以點火的引擎，帶動各個技術細胞次序活躍與協同運轉。
全球範圍内最先使用(yòng)數字孿生的是美(měi)國國家航空(kōng)航天局(NASA)的阿波羅項目，該計(jì)劃構建了(le)兩個相同的航天飛(fēi)行器，其中一個發射到(dào)太空(kōng)執行任務，另一個在地球上(shàng)用(yòng)于反映太空(kōng)中航天器在任務期間的工(gōng)作(zuò)狀态，輔助工(gōng)程師分析處理(lǐ)太空(kōng)中出現(xiàn)的緊急事(shì)件。其中地面的航天飛(fēi)行器通過乘員、座艙和(hé)任務控制台與多台計(jì)算(suàn)機的模拟構建而成。此舉對(duì)作(zuò)爲NASA供應商的工(gōng)業生産廠(chǎng)家觸動與啓發很(hěn)大(dà)，尤其是随着最近幾年發達國家先後提出工(gōng)業4.0、智能(néng)制造以及工(gōng)業互聯網戰略，工(gōng)業制造領域于是成爲了(le)數字孿生最爲活躍的戰場。
對(duì)于企業來(lái)說，往往一項新的設備在首次投入使用(yòng)時(shí)會(huì)存在風(fēng)險，比如操作(zuò)不當導緻關鍵零部件或者整套設備損壞等，但(dàn)有了(le)數字孿生，企業就不需要進行不确定性實地風(fēng)險測試，實體生産過程都會(huì)在有備無患的狀态啓動與展開(kāi)。另外(wài)，賽博空(kōng)間(計(jì)算(suàn)機以及計(jì)算(suàn)機網絡裏的虛拟現(xiàn)實)的數據模型一般與實體物理(lǐ)設備同步進行，傳統狀态下(xià)企業檢修或者維修機器設備，往往會(huì)産生停工(gōng)停産等不小(xiǎo)的機會(huì)成本，但(dàn)一旦實現(xiàn)數字孿生，所有的故障都首先在桌面上(shàng)檢測後排除，繼而反饋到(dào)實體設備完成檢修任務，整個過程不會(huì)影響到(dào)機器作(zuò)業程序，生産效率由此大(dà)大(dà)提高(gāo)。
除了(le)生産設備可以通過數字孿生變得格外(wài)流暢與非常健康外(wài)，作(zuò)爲工(gōng)業企業最重要的價值載體，産品及其生産更能(néng)夠在數字孿生的武裝下(xià)變得更完善與更利落，即從(cóng)産品的設計(jì)，到(dào)産品的制造均可以通過數據建模實現(xiàn)全流程的監控分析，從(cóng)中既可以及時(shí)調整與完善産品的形狀、結構以及工(gōng)藝，又可以發現(xiàn)産品的質量瑕疵，并進行同步性修補與改善。同樣的道(dào)理(lǐ)，企業的整條産品生産線也(yě)可以數字孿生，借助賽博空(kōng)間生産線的等價映射鏡像，提前優化生産流程中的資源與要素配置，同時(shí)捕捉與清除相關的線上(shàng)堵點，達到(dào)對(duì)整個産品生産活動的風(fēng)險隔離與健康管理(lǐ)。
數字孿生當然可以延伸到(dào)後續服務層面。比如通過對(duì)産品的幾何形狀、性能(néng)、曆史銷售、用(yòng)戶反饋等進行建模，就可以改變傳統的産品運行“黑箱”狀态，實時(shí)監測産品的使用(yòng)與運轉狀況，發現(xiàn)産品具體功能(néng)偏差的同時(shí)，更能(néng)提前預判産品零部件的損壞時(shí)間界面，以便主動、及時(shí)和(hé)提前提供維護服務。根據知(zhī)名咨詢公司Gartner發布的分析報(bào)告，基于數字孿生的産品智能(néng)服務，維修人員的響應時(shí)間從(cóng)原來(lái)的300分鐘(zhōng)縮短到(dào)了(le)15分鐘(zhōng)，同時(shí)一次性修複率從(cóng)75%提升到(dào)92%。
智能(néng)車間與智能(néng)工(gōng)廠(chǎng)是數字孿生的可視(shì)化成果。任何一個車間與企業，都可以将機器裝備、生産制造體系以及倉儲設備等孿生成賽博空(kōng)間的等價數據模型，并借此對(duì)實體物理(lǐ)基礎設施的工(gōng)作(zuò)狀況進行同步及時(shí)的測試與檢測，從(cóng)中揭示人機匹配與交互程度，勘驗固定資産使用(yòng)壽命和(hé)折舊必要性，同時(shí)分析與跟蹤産量進度指标與産品庫存态勢，預測與排除要素搭配中的掣肘與障礙，發現(xiàn)與糾正生産過程中的偏差與失誤，确保企業基礎設施與生産能(néng)力在最佳生命時(shí)段與優化情景中運行遞進。
實體企業的應用(yòng)案例有力佐證了(le)數字孿生的重要價值。美(měi)國通用(yòng)電氣共擁有120萬個數字孿生體，号稱在每個引擎、每個渦輪、每台核磁共振創造了(le)一個數字孿生體，由此造就了(le)GE成爲了(le)美(měi)國工(gōng)業互聯網的排頭兵;在産品制造領域，勞斯萊斯使用(yòng)數字孿生風(fēng)扇葉片來(lái)制造超級噴氣發動機，産生了(le)降低(dī)燃油消耗25%的效果;産品研發方面，葛蘭素史克疫苗研發及生産通過“數字雙胞胎”的監控，企業的質量控制開(kāi)支減少13%，返工(gōng)和(hé)報(bào)廢減少25%，合規監管費用(yòng)減少了(le)70%。另外(wài)，騰訊的數字孿生應用(yòng)案例更能(néng)全面說明(míng)問題。在工(gōng)業領域，騰訊爲瑞泰馬鋼打造了(le)“透明(míng)工(gōng)廠(chǎng)”，從(cóng)生産資料進入、訂單匹配、排産以及到(dào)生産管理(lǐ)，數字孿生可以幫助其生産效率提高(gāo)12%，故障率降低(dī)25%，品質提升10%。在低(dī)碳生産上(shàng)，瑞泰馬鋼的單位産值能(néng)耗大(dà)幅降低(dī)，從(cóng)90公斤标準煤/萬元減少到(dào)35公斤标準煤/萬元，有效實現(xiàn)了(le)節能(néng)減排。
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