什么是数字孪生技术-数字孪生的价值

发布时间:2022-05-05

编辑人:灵图互动

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随着工业4.0与物联网的发展,数字孪生也成为了时下的技术热点。虚拟偶像、虚拟主播、数字藏品等等新闻频频登上新闻头条。可以预见:随着技术的迭代发展,基于数字孪生、区块链等新一代技术的协作开发框架越来越越明显。

数字孪生依托大数据分析,可以提供设计、生产、物流、销售、服务全链式智能服务,通过分析、挖掘数据价值,助力企业借助新技术构筑领先优势。

比如为一台工业机器人创建数字孪生,可以实时且精准地显示出机械臂的角度、速度、加速度等状态,根据设备过去和现在的状态,预测出系统未来是否会发生故障、及何时会发生故障,极大地提升了服务运维效率,降低了设备非计划停机时间,节约现场服务人力成本。

智慧工厂领域,宝马集团通过英伟达的Omniverse平台在计算机中创建数字孪生工厂,并在数字孪生工厂中进行改变生产线配置、工人动线、仓储管理等实验。

在智慧城市领域,爱立信公司在计算机中创建一个大型规模的数字孪生城市,来准确模拟5G基站与环境之间的相互作用,以便令5G信号达到最佳传输性能和覆盖率。

建筑模拟领域,应用数字孪生可真实模拟建筑的内部样子。通过数字孪生在最大程度考量自然光特性的前提下模拟建筑内部的光照设计,通过解决平衡照进建筑的光来达到形成恒温系统并节约能源。

那到底什么是数字孪生技术?其本质是什么?以及数字孪生是如何成为现实世界和数字虚拟世界沟通的桥梁,今天小编就来分享一下。

1.什么是数字孪生技术?

数字孪生(Digital Twin)是Michael Grieves教授在产品全生命周期管理(PLM)中提出的“物理产品的虚拟数字化”概念;随着IT技术的不断发展,其含义也在不断的演进:Digital Twin是综合运用感知、计算、建模等信息技术,基于物理模型、实时状态等通过仿真过程再现物理世界的形状、属性、行为和规则,在虚拟空间中进行映射、同步更新状态,反映物理世界对象的全生命周期过程。

什么是数字孪生技术

数字孪生通俗解释是在信息化平台内模拟物理实体、流程或者系统,类似实体系统在信息化平台中的双胞胎。

通过数字孪生系统能模拟物理世界中的事物,当我们为一座城市构建出数字孪生后,就可以基于孪生模型对城市的环境进行实时监测,以优化城市的资源利用率,实现交通的智能调度等,那将是一件多么酷的事情。

2.数字孪生本质

数字孪生的本质是信息建模,旨在为现实世界中的实体对象在数字虚拟世界中构建完全一致的数字模型,但数字孪生涉及的信息建模已不再是基于传统的底层信息传输格式的建模。

数字孪生技术架构图

3.数字孪生关键技术

数字孪生背后的关键技术主要包括以下几个方面:

3.1 数字模型,虚实互通。

如何将物理世界与虚拟世界关联起来,其关键是对物理世界建模,通过模型将物理世界数字化,再通过模型将物理世界映射到虚拟世界中, 以构建物理世界与虚拟世界的桥梁。

3.2 模拟仿真,实时同步。

在产品的实际生产、运行阶段,其状态会随着材料、流程、人员或者环境参数等实时变化,而数字孪生模型需要将这些变化实时地在数字空间内进行同步。

3.3 数据分析,智能预测。

物理世界中的传感器会实时产生大量的数据,通过机器学习、AI等对这些数据进行分析,并结合经验知识来实现主动异常检测、预测性维护等;帮助企业能够做出更准确的预测、合理的决策。

4.数字孪生的价值

这些物理操作的虚拟“克隆体”可以帮助组织监控操作、执行预测性维护并为资本购买决策提供洞察力。它们还可以帮助组织模拟那些过于耗时或昂贵,而无法使用实物资产进行测试的场景,创建长期业务计划,识别新发现并改进流程。总的来说,数字孪生提供了五个关键优势:

4.1 加快风险评估和生产时间

数字孪生可以帮助公司在产品问世之前对其进行虚拟测试和验证。工程师可以使用它们来识别流程故障;

4.2 预测性维护

组织可以使用数字孪生主动监控设备和系统,以便在它们发生故障之前安排维护,从而提高生产效率;

4.3 实时远程监控

用户可以远程监控和控制系统;

4.4 更好的团队协作

流程自动化和对系统信息的24×7全天候访问让技术人员可以将更多时间集中在协作上;

4.5 更好的财务决策

通过集成财务数据,组织可以使用数字孪生做出更好、更快地调整决策。

5.数字孪生实施痛点

数字孪生很美好,但是在实际实施过程中却有很多挑战。

首先,建模的物理对象往往是一个很复杂的系统,比如为炼钢厂构建一个产线的数字孪生,一条产线就有超过6000个测点,且点位之间有各种复杂的关系及相互作用,想要在数字世界中准确地描述出这个复杂的系统,并不是一件容易的事情。

其次,实时计算能力要求高。由于物理对象会不断产生数据,为了让数字孪生与物理对象保持实时的映射,就需要强大的计算能力。比如产线的测点以毫秒级频度不断上报数据,产线还有上千个实时计算的业务指标,这就对模型的实时计算能力提出了很高的要求。

6.灵图互动数字孪生落地典型应用

6.1 设备级数字孪生

构建设备级数字孪生,通过三维建模能够高度还原设备的外形、材质、纹理细节等精密显示细节以及复杂内部结构,实现高精度、超精细的可视化渲染;支持设备组态结构、复杂动作的全数据驱动显示,对设备位置分布、类型、运行环境、运行状态进行真实复现,不仅可以看到产品外部的变化,更重要的是可以看到产品内部的每一个零部件的工作状态,对设备运行异常实时告警,辅助管理者直观掌握设备运行状态,及时发现设备安全隐患。

设备级数字孪生

利用3D可视化技术将工厂的管理、生产、决策有机地统一起来,加入工厂的内部监督与管控,从而达到降低成本、提高效率、减少环节、查找问题、分析得失等目的,形成互相关联、整体一致的智慧工厂运营平台。

6.2 园区级数字孪生

基于数据可视化构建园区级数字孪生,能够在有效整合园区运营各类信息资源的基础上,基于三维可视化场景,对园区外部环境、建筑、产业分布、楼宇内部结构以及具体设备运行情况进行精准复现。通过整合园区各领域现有数据资源,对园区综合运营、安防、交通管理、设施管理、能效管理、环境空间管理等业务领域的关键指标进行综合监测分析。

园区级数字孪生

搭建的一个集园区生产、园区运营、园区决策多维一体的智慧园区运营管理平台,借助地理信息技术、三维虚拟化等高科技手段,集地上地下、室内室外一体化的二三维模型为一体,将园区核心运行系统的各项关键数据进行综合展现。对园区人、事、物进行统一管理,可以辅助管理者对园区运行态势进行全面感知、综合研判,实现管理精细化、决策科学化和服务高效化。

6.3 智慧仓库资产跟踪

数字孪生仓储系统,以数字孪生为核心,可以实现仓库的数字化建模,打造一站式数据采集、清洗、存储及分析能力。

当资产出入仓库时,RFID设备自动扫描资产上的RFID标签信息,上报到云端IoT平台,云端通过数字孪生模型做进一步的数据分析,以判断资产的出入状况。主要操作包括:

1)根据出入库订单完成资产是否正确出入的校验,同时提供现场的业务看板,现场操作人员可以实时感知资产出入的校验结果;

2)资产出入信息统计,资产状态会根据现场业务操作结果进行实时刷新,以满足资产出入的透明化管理诉求。

智慧仓库资产跟踪

7.小结

数字孪生是大数据、人工智能、物联网和深度学习等蓬勃发展背景下,在传统仿真技术基础上孕育而生的新技术,作为一项“虚实结合”的数字化转型技术,正在各个领域加速落地。

比如,随着城市数字模型的扩充与发展,数字孪生技术将覆盖城市的每条电力线、变电站、污水系统、供水和排水系统、城市应急系统、交通控制系统等诸多地方。

当下,数字孪生技术的瓶颈来自方方面面,暂时还无法大规模普及使用,但它可以为工业制造、未来生活带来无限的可能,随着芯片、传感器、物联网、软件算法等技术的发展,数字孪生将有更多想象空间。


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