數字孿生“三段論”

2022-06-27

數字孿生的概念,想必好多小伙伴們都知道。在了解了數字孿生是什么后,咱們就數字孿生的應用來做一番探討。

數字孿生,起于設計

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數字孿生技術提出的大的背景,是如何將設計內容用模型來承載,在虛擬的數字空間實現對產品的描述,并且隨著產品設計研發的進展,不斷地迭代,最終成為虛擬空間中鏡像描述產品特征的一套數字模型集合??梢哉f,從需求模型開始,一套與承載著設計創新點、設計結果與設計模型平行的設計數字孿生體就已經存在,設計師們是在設計孿生體上不斷進行設計探索和優化迭代,并將結果不斷體現在實際的設計結果中??梢哉f,一個設計結果,包含著其設計階段的數字孿生體多次迭代優化,最終輸出的設計結果,就是實際產品的數字空間的描述,是實際產品的數字孿生體。

例如,針對復雜產品創新設計,達索公司建立了基于數字孿生的3D體驗平臺,利用用戶交互反饋信息不斷改進信息世界中的產品設計模型,并反饋到物理實體產品改進中。

此外,對于承接需求模型,并在設計初始階段構建SA,采用功能模型和性能模型進行產品的描述,世冠科技公司的GCAir系統仿真與測試驗證一體化平臺有完整的解決方案。

數字孿生,興于制造

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在產品研發完成后,如何將產品進行高效率的制造,并在制造過程中完美實現設計,是制造系統的專家們一直探索的課題。

數字孿生技術,可以革命性地將制造系統本身進行數字化,構建出數字孿生車間、數字孿生工廠,或者準確地說,是車間和工廠的數字孿生體。通過這些加工設備、加工中心、車間乃至工廠級別的數字孿生體,來進行生產工藝、生產流程、生產調度等活動的虛擬數字探索,實現人、機、料、法、環等要素在生產過程中的優化配置,在虛實結合的過程中提供了工廠級別(目前技術上可能實施的是車間級別)的智能制造的基礎,并在未來最終達到以虛控實的目標。但是生產制造階段的數字孿生應用,是與設計和運維階段的數字孿生應用有本質區別的:它主要解決的是生產系統本身的數字孿生問題,是將數字孿生技術用于生產組織,核心是生產系統的數字化描述,而不是產品的數字化描述。

在生產制造方面,西門子基于數字孿生理念構建了整合制造流程的生產系統模型,形成了基于模型的虛擬企業和基于自動化技術的企業鏡像,支持企業進行涵蓋其整個價值鏈的整合及數字化轉型,并在西門子工業設備NanoboxPC的生產流程中開展了應用驗證。

國內的專家如北航的陶飛教授團隊以數字孿生為技術基礎,提出了數字孿生車間(DTW)概念。數字孿生車間是在新一代信息技術和制造技術驅動下,通過物理車間與虛擬車間的雙向真實映射與實時交互,實現物理車間、虛擬車間、車間服務系統的全要素、全流程、全業務數據的集成和融合。在車間孿生數據的驅動下,實現車間生產要素管理、生產活動計劃、生產過程控制等在物理車間、虛擬車間、車間服務系統間的迭代運行,從而在滿足特定目標和約束之下,達到車間生產和管控最優的一種車間運行新模式。

數字孿生,盛于運維

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產品通過加工系統在物理上實現了之后,在交付用戶之后,才開始了其壽命周期中最有價值的階段。用戶對產品特別是足夠復雜的多物理領域耦合的產品的運維管控能力,成為了產品實現其價值的主要條件之一。如何能夠對產品的狀態進行識別、分析,從而做出合理的決策,并經過精準執行來完成閉環,是運維工作的難點。

通過數字孿生技術,用戶可以通過多個設計好的傳感器獲取產品的實時信息,并將這些信息輸入到產品的數字孿生體中,確保數字孿生體與物理空間的產品狀態的同步;在此基礎上,可以通過數字空間的大量仿真運行,預測物理產品的功能、性能的變化,甚至能夠對于關鍵指標的臨界變化做出預測。這樣,就通過數字孿生技術將物理世界的產品變為符合智能系統(詳見趙敏等專家提出的20字判據)標準的產品,能夠智能化地支持用戶的運維管控需求。特別是因為數字孿生模型支持多域、多維度層次表達技術,使原來產品運維、操作訓練、展示演示等活動可以基于相同的或者相關的一組底層模型來實施,真正實現了虛實融合、以虛控實。當然,在使用中獲得的反饋又可以通過模型的承載,按照數字線索回輸到設計端,支持產品的持續改進,當然,這就是涉及到數字線索的另一個話題了。

在數字孿生的技術實踐中,在故障預測與健康管理方面,美國國家航空航天局(NASA)將物理系統與其等效的虛擬系統相結合,研究了基于數字孿生的復雜系統故障預測與消除方法,并應用在飛機,飛行器,運載火箭等飛行系統的健康管理中心。美國空軍研究實驗室結構科學中心通過將超高保真的飛機虛擬模型與影響飛行的結構偏差和溫度計算模型相結合,開展了基于數字孿生的飛機結構壽命預測。在產品服務方面,PTC公司將數字孿生作為“智能互聯產品”的關鍵性環節,致力于虛擬世界與現實世界間建立一個實時的連接,將智能產品的預測性維修,為客戶提供了高效的產品售后服務與支持。

世冠科技在這個領域進行大量的探索,采用自主知識產權產品GCAir系統仿真與測試驗證一體化平臺和GCKontrol系統設計與仿真軟件在航空航天、汽車等用戶中支持了用戶的運維需求,并且真正實現了數字孿生技術的落地應用。

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