數字孿生：未來制造業的基石

  數字孿生（Digital Twin）是以數字化方式創建物理實體的虛擬實體，借助歷史數據、實時數據以及算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段。

  數字孿生能夠理解、預測產品、設備或過程，乃至能對物理產品實施控制、改變產品的狀態，讓很多原來由于物理條件限制、必須依賴于真實的物理實體而無法完成的操作變得觸手可及，從而實現對于產品、設備或過程的相關要素資源的優化，并進一步激發數字化創新。

  數字孿生是由物理實體（PE）、虛擬模型(VE)、孿生數據(DD)、服務(Ss)和連接(CN)５個維度構成的綜合體，可以通過多維虛擬模型和孿生融合數據雙驅動及虛實閉環交互機制，實現監測、仿真、評估、預測、優化、控制等功能服務和虛實共生交互機制。

       數字孿生技術，為工業注入“智慧”的動力，將工業機械成為具有數字生命力的“數字產品”。從2016年起，它連續被Gartner評為當年的十大戰略科技發展趨勢之一。目前，數字孿生技術已推廣應用于航空航天、汽車制造、軌道交通、船舶航運、城市管理、電力、醫療、油氣、農業等多個領域，形成了數字孿生衛星、數字孿生車間、數字孿生醫療、數字孿生城市等一批具有發展活力和韌性的新業態。

數字孿生在工業領域的應用現狀：

工廠級應用現狀：發展較為緩慢，缺乏深度應用，主要受限于現有工廠各層級數字化條件及工廠復雜多系統建模技術能力；

產線級應用現狀：應用相對廣泛，得益于生產過程中的監測技術已相對成熟，但細粒度建模能力及決策算法尚不成熟；

設備級應用現狀：應用更為成熟，深度應用主要為零部件級別，但設備模型精確度、數字化多層級建模技術、預測算法待優化。

      近年來，西門子、通用電氣等工業巨頭紛紛打造數字孿生解決方案，并賦能工業企業。據IDC預測，到2022年，70%的制造商將使用數字孿生技術進行流程仿真和場景評估。可見，未來數字孿生技術有望持續在工業界發揮作用，加快推動工業企業實現數字化轉型。隨著存儲與計算成本日益走低，數字孿生的應用案例與潛在收益大幅上漲，并轉而提升商業價值。

    在產品質量方面，數字孿生可以提升整體質量，預測并快速發現質量缺陷趨勢，控制質量漏洞，判斷何時會出現質量問題；

    在保修成本與服務上，數字孿生能夠了解當前設備配置，優化服務效率，判斷保修與索賠問題，以降低總體保修成本，并改善客戶體驗；

    在運營成本上，數字孿生則可以改善產品設計，有效實施工程變更，提升生產設備性能，減少操作與流程變化；

    在記錄保存與編序上，數字孿生能夠幫助創建數字檔案，記錄零部件與原材料編號，從而更有效地管理召回產品與質保申請，并進行強制追蹤；

    在新產品引進成本與交付周期上，數字孿生將縮短新產品上市時間，降低新產品總體生產成本，有效識別交付周期較長的部件及其對供應鏈的影響；

    對于收入增長機會來說，數字孿生則能夠識別有待升級的產品，提升效率，降低成本，優化產品。

01-基于工業互聯網的焊接機器人秒級數字孿生系統

通過智能焊接設備搭載云平臺，進行實時數據采集與分析、焊縫質量檢測，實現秒級數字孿生工業應用，實時設備狀態檢測，數據延遲小于1s，遠程決策干預小于2s，達到高效準確地遠程監控與預測。

來源：長沙智能機器人研究院

方案優勢：

  焊接數據集中管理，自動評估和分析；

  可對焊接耗材消耗量進行記錄與預測，并提示與報警；

  實現每條焊縫的數據透明化和可追溯性；

  每個工件的可追溯性及參數記錄；

  可實現節拍優化和成本優化，提高設備的稼動率；

02-工業生產線三維可視化解決方案

      通過物聯網、虛實聯動和三維建模等技術，根據用戶需求快速的建立智能生產線的仿真模擬并進行工程規劃、工程驗證、工藝分析、邏輯驗證等工作，整合物流、人機工程及物理仿真模擬功能，幫助企業進行產能規劃。

                         來源：長沙智能機器人研究院

方案優勢：

高度仿真實際生產狀態，打造基于大數據下的智能可視化應用

實時數據驅動的仿真洞察

通過數據可視化建模對比分析，實時展示現實環境的具體生產情況

通過VR和AR功能引擎組件，可全面打造虛擬的動態場景

03-基于數字孿生的虛擬實驗教學系統

結合云平臺，基于Web技術、VR虛擬現實技術構建開放式網絡化的虛擬實驗教學平臺，自主開發工業機器人編程、拆裝、焊接等虛擬教學軟件，持續專注于信息化教育技術與傳統教學的深度融合。

來源：長沙智能機器人研究院

方案優勢：

三維立體展示效果

人機交互

超強沉浸感

可實現多人共享

多通道融合

新一代信息技術的廣泛應用，引發傳統制造、生產模式的變革。數字孿生作為新的前沿技術，以仿真技術為基礎，在智能制造、智慧城市建設等方面都將發揮較大的推動作用。過去幾十年數據量的爆炸式增長，意味著物理世界的數字孿生不斷完善。未來，物理世界的數字鏡像將從分時到實時、從宏觀到微觀不斷完善，形成一個完整的數字孿生。其作用正在輔助改變工業進程的號角，最終達到高效生產、柔性生產、智能生產，真正助力企業持久競爭力的打造。

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參考資料:陶飛，劉蔚然，德勤分析等，數字孿生及其應用探索，《數字孿生應用白皮書2020版》