来源: 阅读： 2023-02-27 13:40:07
早在2011年3月,美国空军研究实验室结构力学部门的Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel明确提出了”数字孪生“。
近年来,随着5G、物联网、云计算、大数据、人工智能和混合现实等新一代信息技术的发展,数字孪生在理论层面和应用层面均取得了快速发展。数字孪生与产业技术的深度融合,有力推动了相关产业数字化、网络化和智能化的发展进程,正成为产业转型升级的强大推动力。
什么是数字孪生
数字孪生顾名思义又称“数字双胞胎”,是将工业产品、制造系统、城市等复杂物理系统的结构、状态、行为、功能和性能映射到数字化的虚拟世界,通过实时传感、连接映射、精确分析和沉浸交互来刻画、预测和控制物理系统,实现复杂系统虚实融合,使系统全要素、全过程、全价值链达到很大限度的闭环优化,该模拟可以随着物理对应物的变化而更新和变化。
从功能来说,数字孪生技术通过现实场景中的各种传感器接口,可以将各处散乱的数据信息汇总到这个模拟场景中,进而让使用者可以通过数字孪生大屏中的模拟场景查看真实场景中的各种信息,或是控制真实场景中的各类设施。
数字孪生的作用
数字孪生在不同的领域有不同的作用,可以帮助公司改进各种业务流程,包括在部署之前验证产品或系统设计的预期行为;提高工厂的生产效率或优化产品的性能;实时监测所需设备的状态、工作条件或位置以及整合过去机器使用的历史数据,为趋势分析和诊断提供信息。
1. 产品设计
数字孪生在设计阶段可以是虚拟原型,可以进行调整以测试不同的仿真或设计,然后再投资购买实体原型。通过减少将产品投入生产所需的迭代次数,可以节省时间和成本。
2. 工艺优化
生产线上的传感器可用于创建工艺过程的数字孪生并分析重要的性能指标。对数字孪生体的调整可以被确定是优化产量、减少差异并帮助进行根本原因分析的一种新方法。
3. 质量管理
在生产过程中监控和响应来自IoT传感器的数据对于保持高质量和避免返工至关重要。数字孪生模型可以对生产过程的每个部分进行建模,以识别发生误差的位置,或者可以使用更好的材料或流程。
4. 供应链管理
供应链和物流/分销公司依靠数字孪生来跟踪和分析关键性能指标,例如包装性能、车队管理和路线效率。它们对于零库存生产或按序生产以及分析分销路线特别有用。
5. 预测性维护
用于单个设备或制造过程的数字孪生可以识别出在严重问题发生之前进行预防性维修或维护的变化幅度。它们还可以帮助优化负载水平、工具校准和循环时间。
6. 跨学科合作
来自数字孪生的运营数据随时可用,可以轻松地跨学科共享,从而实现协作,改善沟通和更快地制定决策。工程、生产、销售和市场营销都可以使用相同的数据一起工作,以做出更明智的决策。
7. 分析客户体验
数字孪生通常用于随着时间的推移收集数据,从而提供对产品性能、分销和终端用户体验的深刻理解。这些数据可用于帮助工程师和设计师改善客户对产品的响应,特别是通过定制化和易用性方面。
数字孪生在制造业的应用
数字孪生在制造业的应用前景非常广阔。其中,产品的数字孪生应用覆盖产品的研发、工艺规划、制造、测试、运维等各个生命周期,可以帮助企业推进数字化营销和自助式服务,有助于企业提升维护服务收入,创新商业模式;工厂数字孪生在工厂设计、建造,生产线调试、安装,工厂运行监控、工业安全等方面都可以对企业带来价值;数字孪生在供应链管理领域也可以应用,例如车间物流调度、运输路径优化等,基于数字孪生的智能工厂,将成为未来工厂的重要发展趋势。
1. 运行监控和智能运维
对于能够实现智能互联的复杂产品,尤其是智能装备,将实时采集的装备运行过程中的传感器数据传递到其数字孪生模型进行仿真分析,可以对装备的健康状态和故障征兆进行诊断,并进行故障预测;如果产品运行的工况发生改变,对于拟采取的调整措施,可以先对其数字孪生模型在仿真云平台上进行虚拟验证,如果没有问题,再对实际产品的运行参数进行调整。这样不仅能够及时预测相应风险,还能做出高效迅速的反应,有效提升产品的可靠性和可用性,降低产线运维风险。
2. 产线调试和工厂运行状态模拟
当制造企业在新建或改造产线以及工厂之前,可以利用数字孪生技术建立一个生产环境的虚拟样本,用数字化的方式将工业机器人、自动化设备、传感器,以及工作人员等模拟进整个制造环境中,在虚拟环境下进行设备诊断、过程模拟等仿真预测,在产线或工厂实际运行之前尽可能避免有可能出现的生产异常和现场故障等问题。
3. 产品研发
在制造过程中,产品研发不仅需要同时满足多方需求,而且在设计中可能还会涉及到形态、温湿度等多个方面的考量,尤其是对于高度复杂的产品而言,要完成产品部件的设计修改,尺寸装配,通常需要反复尝试,耗费大量人力和物力。
利用数字孪生技术可以在研发阶段构建产品的数字孪生模型,并综合利用流体、电磁、热学等仿真软件。工程设计师不仅能看到产品外部变化,更能洞察内部零件动态,对产品进行设计优化、确认和验证,降低设计成本,缩短产品上市周期。另外,通过构建基于数字孪生模型的在线配置器,可以帮助企业实现产品的在线选配,实现大批量定制。
基于数字孪生技术的软件产品的开发,让超通智能拥有向客户提供产线级和工厂级解决方案的能力,公司自成立以来,拥有自主技术的数字孪生软件已与中国信通院、陕西北人、广州数控等达成友好合作,帮助其实现数字化企业,实时监控、预测故障、分析优化误差等功能。
未来,所有的企业都将成为数字化企业,物理世界中的各种事物都能使用数字孪生技术进行复制。在智能制造领域,通过数字孪生技术的使用,将大幅推动产品在设计、生产、维护及维修等环节的变革,数字孪生在制造领域的应用已经成为不可阻挡的时代潮流。
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