ASME:邁向工業(yè)4.0時(shí)代，數(shù)字孿生技術(shù)正在深刻改變制造業(yè)

    互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)迅速發(fā)展，對(duì)推動(dòng)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化進(jìn)程起到關(guān)鍵作用，IT和OT的融合越來越受到制造企業(yè)的重視，數(shù)字孿生應(yīng)運(yùn)而生。隨著數(shù)字孿生基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，智能制造工廠可以在虛擬環(huán)境中設(shè)計(jì)，驗(yàn)證，組裝產(chǎn)品，并且能夠落實(shí)到實(shí)際的生產(chǎn)中，打通上下游的供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化控制，追蹤產(chǎn)品質(zhì)量并以此改進(jìn)生產(chǎn)過程，極大的提高柔性制造的能力，實(shí)現(xiàn)各個(gè)行業(yè)整體的降本增效。

    目前，數(shù)字孿生已經(jīng)應(yīng)用于眾多行業(yè)，德國西門子、美國通用電氣、美國參數(shù)技術(shù)、海爾等公司都進(jìn)行了積極探索。根據(jù)德勤的估計(jì)，數(shù)字孿生的全球市場規(guī)模將會(huì)以38%的復(fù)合年均增長率持續(xù)增長，在2023年之前達(dá)到160億美元。

    對(duì)此，美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（American Society of Mechanical Engineers，ASME）分析了工業(yè)4.0背景下，數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域的重要應(yīng)用：

    產(chǎn)品設(shè)計(jì)

    在設(shè)計(jì)階段，可以創(chuàng)建產(chǎn)品原型的數(shù)字孿生，通過對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行調(diào)試來測試不同的模擬或設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上再打造產(chǎn)品原型。這樣一來，就無須因?yàn)樵O(shè)計(jì)的調(diào)整而多次打造產(chǎn)品原型，可以有效節(jié)省時(shí)間和成本。

    西門子公司緊跟德國工業(yè)4.0和智能制造的發(fā)展趨勢，近年來高度重視數(shù)字孿生技術(shù)的研究與應(yīng)用探索。2017年年底，西門子正式發(fā)布了完整的數(shù)字孿生應(yīng)用模型，包括：數(shù)字孿生產(chǎn)品、數(shù)字孿生生產(chǎn)、數(shù)字孿生體績效等，從而形成一個(gè)完整的解決方案體系。在車輛領(lǐng)域，西門子通過數(shù)字孿生將現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界無縫融合，通過產(chǎn)品的數(shù)字孿生，制造商可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證，包括機(jī)械以及其他物理特性，并且將電器和電子系統(tǒng)一體化集成。新的技術(shù)提供了新的汽車設(shè)計(jì)與制造模式，基于數(shù)字孿生制造商能夠規(guī)劃和驗(yàn)證生產(chǎn)過程、創(chuàng)造工廠布局、選擇生產(chǎn)設(shè)備、仿真與預(yù)測，并優(yōu)化人員和制造過程的工作條件。

    工藝優(yōu)化

    生產(chǎn)線上的傳感器可用于創(chuàng)建工藝流程的數(shù)字孿生，并分析重要的性能指標(biāo)。通過調(diào)整工藝流程的數(shù)字孿生，能夠發(fā)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)、減少誤差的新方法，也能幫助進(jìn)行根本原因分析。

    例如，空中客車公司（簡稱“空客”）在飛機(jī)組裝過程中使用數(shù)字孿生技術(shù)以提高自動(dòng)化程度并縮短交貨時(shí)間。為達(dá)到碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料機(jī)身組裝過程中減小剩余應(yīng)力的目的，空客開發(fā)了應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的大型配件裝配系統(tǒng)，對(duì)裝配過程進(jìn)行自動(dòng)控制以減小剩余應(yīng)力。

    質(zhì)量管理

    在生產(chǎn)過程中，有效利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器實(shí)時(shí)反饋的數(shù)據(jù)，就能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量，消滅返工現(xiàn)象。通過利用數(shù)字孿生技術(shù)，可以對(duì)生產(chǎn)過程的每個(gè)環(huán)節(jié)行建模，找到出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，或是找出可以優(yōu)化材料和流程的環(huán)節(jié)。

    供應(yīng)鏈管理

    供應(yīng)鏈和物流/分銷公司利用數(shù)字孿生技術(shù)，追蹤和分析包裝性能、車隊(duì)管理和路線效率等關(guān)鍵性能指標(biāo)。此外，數(shù)字孿生技術(shù)也可以用來優(yōu)化準(zhǔn)時(shí)化順序生產(chǎn)，并分析分銷路線。

    艾斯本技術(shù)有限公司（Aspen Tech）利用數(shù)字孿生技術(shù)提供供應(yīng)鏈規(guī)劃和維護(hù)解決方案。該公司的機(jī)器學(xué)習(xí)解決方案可以提前25天以上發(fā)出資產(chǎn)故障警告，提醒資產(chǎn)密集型行業(yè)的客戶，提前規(guī)劃資產(chǎn)維修時(shí)間，有效維護(hù)資產(chǎn)。

    預(yù)測性維護(hù)

    設(shè)備維護(hù)部門可以構(gòu)建設(shè)備或者生產(chǎn)流水線的數(shù)字孿生，監(jiān)測設(shè)備或者流水線的性能狀況，在嚴(yán)重問題發(fā)生之前就進(jìn)行預(yù)防性維修或維護(hù)。設(shè)備維護(hù)部門還可以利用數(shù)字孿生來優(yōu)化負(fù)載水平、工具校準(zhǔn)和循環(huán)時(shí)間。

    美國通用電氣公司（GE）提出了數(shù)字風(fēng)力發(fā)電廠的解決方案，通過收集和分析風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電廠所在地的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，確定最佳的渦輪結(jié)構(gòu)和風(fēng)電廠布局。通過監(jiān)控渦輪的性能和發(fā)電量，還可以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)并優(yōu)化運(yùn)營。

    簡而言之，在制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生可以應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、維護(hù)的全生命周期，服務(wù)于企業(yè)生產(chǎn)制造、運(yùn)營管控、客戶關(guān)系、供應(yīng)鏈的全方位管理體系，構(gòu)建智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)，賦能制造產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。例如，基于影譜AI數(shù)字孿生平臺(tái)，影譜科技和海爾智護(hù)共同構(gòu)建家庭數(shù)智生態(tài)體系，把人工智能及數(shù)字化能力充分應(yīng)用到智能制造、消費(fèi)體驗(yàn)、數(shù)字化管理等多個(gè)環(huán)節(jié)，為智能家電和消費(fèi)者搭建“數(shù)字橋梁”，推動(dòng)該領(lǐng)域從硬件制造，向一體化用戶服務(wù)平臺(tái)和智能制造服務(wù)平臺(tái)升級(jí)，加速數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合。

    數(shù)字孿生與制造業(yè)發(fā)展

    各大企業(yè)紛紛開始采納數(shù)字孿生技術(shù)，以期提高生產(chǎn)率并降低成本，在此背景下，數(shù)字孿生技術(shù)只會(huì)越來越受歡迎。國際市場研究機(jī)構(gòu)Research and Markets在2020年的一項(xiàng)市場研究表明：

    到2025年，高達(dá)89％的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將能夠構(gòu)建數(shù)字孿生；

    到2027年，構(gòu)建數(shù)字孿生將成為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能；

    多個(gè)行業(yè)中近36％的高管已經(jīng)了解數(shù)字孿生的價(jià)值，其中約一半的高管計(jì)劃在2028年之前將數(shù)字孿生技術(shù)引入自己的業(yè)務(wù)場景。

    隨著物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)，人們會(huì)獲取越來越多的大數(shù)據(jù)，構(gòu)建大型數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)，構(gòu)建和維護(hù)保真度高的數(shù)字孿生也會(huì)變得越來越容易，推進(jìn)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和工業(yè)智能化升級(jí)。展望未來，數(shù)字孿生正在成為工業(yè)制造的關(guān)鍵技術(shù)和重要場景。