|
在項目實施之前對設(shè)備和系統(tǒng)進行測試和驗證的能力對于任何制造商來說都至關(guān)重要。然而，在這項技術(shù)的早期階段，并非每個制造商都為數(shù)字化轉(zhuǎn)型做好了準備。 作為一種更高形式的仿真，數(shù)字孿生收集數(shù)據(jù)以創(chuàng)建精準的仿真，來顯示制造設(shè)備和系統(tǒng)的運行、潛在故障以及未來可能的維護問題。數(shù)字孿生和仿真之間的關(guān)鍵區(qū)別在于，數(shù)字孿生將來自設(shè)備的實時數(shù)據(jù)輸入整合到其仿真中，以創(chuàng)建逼真的現(xiàn)實表示。 正因為如此，數(shù)字孿生這項技術(shù)才能迅速成為制造企業(yè)的重要工具。能夠幫助企業(yè)在使用前運行、測試和優(yōu)化復雜而昂貴的系統(tǒng)，節(jié)省大量時間和成本，并可以避免故障、損壞和員工受傷。 盡管它們在概念上相似，但仿真和數(shù)字孿生在目標上并不同。仿真是基于軟件的，通常用于訓練，使用過程或系統(tǒng)模型來模擬真實世界的行為。這使用戶能夠?qū)υO(shè)計做出決定，并在必要時進行更改。 仿真主要針對設(shè)計和培訓應用，而數(shù)字孿生通常用于實時仿真過程或系統(tǒng)的整個生命周期，包括設(shè)計、運行、變更、修改以及調(diào)試和退役的各個階段。 “任何制造商的數(shù)字化轉(zhuǎn)型之旅，都需要為其產(chǎn)品、系統(tǒng)和整個生產(chǎn)過程打造一個全面的數(shù)字孿生。”西門子數(shù)字化工業(yè)軟件機器人和自動化技術(shù)產(chǎn)品經(jīng)理Josh Carlson表示：“全面的數(shù)字孿生使制造商能夠在構(gòu)建物理系統(tǒng)之前驗證系統(tǒng)，以提高生產(chǎn)質(zhì)量并減少停機時間。” Carlson進一步解釋道，雖然仿真是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要組成部分，對充分利用數(shù)字孿生的功能至關(guān)重要，但全面的數(shù)字孿生所包含的內(nèi)容要更多。得益于物理、行為和邏輯建模，它是一種可以更接近真實事物的模型。然后，仿真可以讓數(shù)字孿生更真實，可以對其進行訓練和分析，并用它來獲得答案和做出決策。 達索系統(tǒng)Delmia戰(zhàn)略業(yè)務發(fā)展總監(jiān)Thomas Muth認為，仿真和數(shù)字孿生之間的關(guān)鍵區(qū)別體現(xiàn)在以下幾個方面： ■ 范圍：仿真使用預定義的變量集，數(shù)字孿生可對進入方程的任何變量進行調(diào)整，沒有數(shù)量限制。 ■ 數(shù)據(jù)集成：仿真使用靜態(tài)、預先確定的設(shè)置變量，而動態(tài)數(shù)字孿生可以實時更新，以針對真實事件進行調(diào)整。 ■ 模型：數(shù)字孿生需要模擬真實世界資源的多層模型。關(guān)鍵是要有一個可靠的模型，可以在其中與多個場景進行交互。而仿真通常是預定義的，并針對目標場景構(gòu)建。 ■ 生命周期：從設(shè)計到生產(chǎn)以及交付的整個生命周期中, 數(shù)字孿生與物理實體保持著持續(xù)的聯(lián)系。而仿真通常用于特定場景，可能不會在整個生命周期中持續(xù)存在。 ■ 協(xié)作：數(shù)字孿生應該允許所有利益相關(guān)者，在同一界面內(nèi)協(xié)作和交換相關(guān)信息，而仿真往往相對單一且缺乏協(xié)作性。 ■ 用例：數(shù)字孿生用例比仿真更加多樣化、動態(tài)化并基于角色，包括資產(chǎn)管理、預測性維護以及過程和供應優(yōu)化。 鑒于技術(shù)之間存在的差異和重疊，專業(yè)人員應如何選擇一種方法來更高效地調(diào)試和測試新的系統(tǒng)或升級過程？ “這通常取決于范圍和效益。“Carlson表示，“對于一些變化不快或過于復雜的企業(yè)或市場，如果變化是一次性的，或者變化發(fā)生在很長的時間周期內(nèi)，仿真可能比較合適。如果產(chǎn)品、過程和資源經(jīng)常發(fā)生變化，OEM廠商或集成商可能更希望使用數(shù)字孿生。” Muth補充道，OEM和集成商可能已經(jīng)使用獨立的仿真工具來估計周期時間、執(zhí)行設(shè)備布局規(guī)劃、確定硬件規(guī)格以及構(gòu)建和測試HMI操作員界面。這些工具在初期規(guī)劃和設(shè)計階段帶來了價值，但在調(diào)試過程中變得有限。 對制造商和集成商來說，最關(guān)鍵和最具挑戰(zhàn)性的方面之一是不同技術(shù)和系統(tǒng)的成功整合和集成。這在調(diào)試階段最為明顯，當系統(tǒng)需要調(diào)整時成本可能會增加。全面的數(shù)字孿生也被稱為虛擬調(diào)試，允許在任何設(shè)計最終確定之前進行虛擬測試和驗證。 由于虛擬調(diào)試是生產(chǎn)系統(tǒng)、自動化技術(shù)和控制的全面的數(shù)字孿生系統(tǒng)之間的動態(tài)實時連接，制造商可以在虛擬調(diào)試期間利用軟件在環(huán)（虛擬）或硬件（虛擬和物理硬件）。將測試和驗證轉(zhuǎn)移到數(shù)字世界，比在現(xiàn)場調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)問題的成本要低得多，并且還能縮短整體調(diào)試時間。 由于能夠?qū)崟r連接物理世界和虛擬世界，數(shù)字孿生可以驗證和優(yōu)化設(shè)計、調(diào)試設(shè)備以及驗證過程、生產(chǎn)、維護和供應鏈。根據(jù) Muth 的說法，這意味著有許多潛在的數(shù)字孿生類型，不過大多數(shù)可以歸結(jié)為以下三種類型： ■ 工廠和資源：模擬新設(shè)施或現(xiàn)有設(shè)施的設(shè)計和布局的數(shù)字孿生。 ■ 產(chǎn)品和過程：模擬生產(chǎn)運營以驗證最佳實踐、模擬機器人和其他車間資源的運行、模擬產(chǎn)品和材料的流動以及定義和驗證流程計劃和虛擬構(gòu)建的數(shù)字孿生系統(tǒng)。 ■ 供應鏈和運營：模擬供應鏈各個環(huán)節(jié)的數(shù)字孿生，以優(yōu)化進出工廠的物料流。 Carlson認為，使用全面的數(shù)字孿生的主要優(yōu)勢是可以將產(chǎn)品無縫集成到制造過程中。產(chǎn)品的數(shù)字復制品可以代表伺服電機等子組件，也可以代表整車等更復雜的產(chǎn)品。生產(chǎn)的數(shù)字表示準確地描述了制造產(chǎn)品所需的制造過程，而全面的數(shù)字孿生方法則集成了所有必要的組件。 數(shù)字孿生可以幫助評估現(xiàn)有設(shè)備升級，規(guī)劃新的生產(chǎn)線，并在將產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前驗證更改。例如，對柔性生產(chǎn)線（在一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)多種汽車）的推動，以及對重新利用現(xiàn)有設(shè)備需求的不斷增加，使得數(shù)字孿生技術(shù)對汽車行業(yè)至關(guān)重要。 “雖然實施數(shù)字孿生技術(shù)對任何行業(yè)都有益處，” Muth說，“但我們看到，生產(chǎn)復雜產(chǎn)品的公司以及處在快速增長和變化的行業(yè)中的公司可以獲得更顯著的好處。”他舉了兩個具體例子： ■ 一家大型飛機制造商為其直升機生產(chǎn)線創(chuàng)建了一個虛擬數(shù)字孿生。它以3D方式仿真生產(chǎn)機械，并實時更新以監(jiān)控生產(chǎn)變化。 ■ 一家全球汽車技術(shù)提供商部署虛擬數(shù)字孿生技術(shù)來仿真生產(chǎn)過程。這使公司能夠通過分析序列和每次操作所花費的時間來規(guī)劃流程。這種數(shù)字化工廠使公司能夠更高效地發(fā)展，降低生產(chǎn)啟動成本，并利用資源和最佳實踐與標準化工具更好地合作，以改善工廠內(nèi)外的溝通。 從表面上看，數(shù)字孿生和仿真技術(shù)并沒有真正的缺點，只是各自的特點使其適用于不同應用。Muth說：“如果實施得當，我看不出數(shù)字孿生有任何真正的缺點，但在這個過程中肯定需要考慮風險。”兩個主要的潛在風險是：孤立/獨立的數(shù)字孿生和單一用途的數(shù)字孿生。 關(guān)于孤立的數(shù)字孿生，Muth解釋道，“為了最大限度地發(fā)揮作用，數(shù)字孿生應該能夠連接到其它數(shù)字孿生并與之合作。這是一個關(guān)鍵趨勢，互聯(lián)的數(shù)字孿生解決了這一問題。” 互聯(lián)的數(shù)字孿生，通過使用大量異構(gòu)數(shù)據(jù)和商業(yè)化、建立跨公司數(shù)據(jù)空間以及基于跨公司標準共享數(shù)據(jù)的能力，為盡可能廣泛的受眾帶來收益。 對于單一用途的數(shù)字孿生，創(chuàng)建關(guān)注點過于狹窄的數(shù)字孿生，會使數(shù)字孿生的價值最小化，有時甚至到了實施成本超過收益的地步。 Carlson認為，致力于實現(xiàn)全面的數(shù)字孿生并利用虛擬調(diào)試技術(shù)幾乎沒有任何缺點。不過，也有一些戰(zhàn)略需要權(quán)衡，比如建立數(shù)字孿生系統(tǒng)所需的能力，或者為支持數(shù)字化轉(zhuǎn)型而可能需要改變的內(nèi)部流程。“制造商必須考慮采用技術(shù)和推動內(nèi)部流程的人才供應情況，以及提升現(xiàn)有員工技能的方法。并非所有制造商和行業(yè)都處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的同一階段，正如并非所有制造商都處于機器人和自動化的同一階段一樣。” 盡管人們普遍認為，仿真和數(shù)字孿生之間的主要區(qū)別在于數(shù)字孿生與物理設(shè)備相連，可以實時響應輸入的數(shù)據(jù)，但并不是每個人都同意這一區(qū)別。因此，制造商可能會看到一些被認定為數(shù)字孿生的技術(shù)，但卻并不符合更廣泛接受的定義。在這種情況下，制造商應該如何選擇這些技術(shù)來調(diào)試和測試呢？ National Automation公司總裁兼國際自動化學會（ISA）成員Steve Mustard表示：“在某些情況下，能夠運行數(shù)千次模擬以確定概率結(jié)果（如蒙特卡羅模擬）或最佳配置參數(shù)（如控制回路整定）的數(shù)字孿生更適合基于動態(tài)模擬器的數(shù)字孿生。但在另外一些情況下，目標是觀察真實世界中的結(jié)果，例如幫助進行操作員培訓，這就需要一個具有三維可視化和模擬功能的更全面的數(shù)字孿生系統(tǒng)。” 與仿真一樣，也有不同類型的數(shù)字孿生。Steve說：“有很多工具被認為是數(shù)字孿生。從簡單的電子表格到先進的、具有精確地理空間的可視化平臺，以及兩者之間的任何組合都可能被歸入這一類。” 這些不同類型的數(shù)字孿生，它們在調(diào)試和測試階段的適用范圍是什么？Mustard解釋道，在某些情況下，能夠查看設(shè)備資產(chǎn)靜態(tài)屬性的3D模型可能就足夠了。而在其它情況下，可能需要覆蓋仿真過程數(shù)據(jù)或查看完整的現(xiàn)場視圖，以可視化任何調(diào)試活動的全部影響。 虛擬調(diào)試用于機器代碼的早期驗證，它使用虛擬仿真技術(shù)來調(diào)試或測試具有虛擬模型的控制軟件。虛擬調(diào)試組件還可以與數(shù)字孿生集成，以進一步簡化調(diào)試/測試過程。 現(xiàn)代高級數(shù)字孿生能夠?qū)?D模型、靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)、實時過程數(shù)據(jù)或模擬過程數(shù)據(jù)集成到一個統(tǒng)一的視圖中。控制器應用程序可在數(shù)字孿生上執(zhí)行，運行過程模擬器并在3D視圖中顯示結(jié)果。這種方法簡化了調(diào)試/測試過程，因為它比簡單的I/O測試更能揭示控制器應用對物理世界的影響。中服云數(shù)字孿生平臺V3.0是基于中服云物聯(lián)網(wǎng)平臺和數(shù)據(jù)中臺打造的一款實時數(shù)據(jù)2D/3D集成展示監(jiān)控平臺，旨在解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的直觀展示、實虛互動、仿真模擬、故障診斷、告警、預警、預測、實時觀測、實時監(jiān)控等問題。提供了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)底座、監(jiān)控邏輯、建模工具、展示互動工具、模擬仿真、診斷預測等功能，內(nèi)置地球、城市、園區(qū)、工廠、車間、設(shè)備等多個場景。具有直觀性、實時性、集成性、主動性等特點。可應用于實時監(jiān)控、應急指揮、生產(chǎn)調(diào)度、模擬仿真、展示推廣、實體復原、產(chǎn)品測試等多種場景。 |
