ASME:邁向工業(yè)4.0時代，數字孿生技術正在深刻改變制造業(yè)

    互聯(lián)網、大數據、人工智能等新一代信息技術迅速發(fā)展，對推動制造業(yè)數字化、網絡化、智能化進程起到關鍵作用，IT和OT的融合越來越受到制造企業(yè)的重視，數字孿生應運而生。隨著數字孿生基礎設施的發(fā)展，智能制造工廠可以在虛擬環(huán)境中設計，驗證，組裝產品，并且能夠落實到實際的生產中，打通上下游的供應鏈環(huán)節(jié)，實現(xiàn)生產過程的可視化控制，追蹤產品質量并以此改進生產過程，極大的提高柔性制造的能力，實現(xiàn)各個行業(yè)整體的降本增效。

    目前，數字孿生已經應用于眾多行業(yè)，德國西門子、美國通用電氣、美國參數技術、海爾等公司都進行了積極探索。根據德勤的估計，數字孿生的全球市場規(guī)模將會以38%的復合年均增長率持續(xù)增長，在2023年之前達到160億美元。

    對此，美國機械工程師協(xié)會（American Society of Mechanical Engineers，ASME）分析了工業(yè)4.0背景下，數字孿生在智能制造領域的重要應用：

    產品設計

    在設計階段，可以創(chuàng)建產品原型的數字孿生，通過對數字孿生進行調試來測試不同的模擬或設計方案，在此基礎上再打造產品原型。這樣一來，就無須因為設計的調整而多次打造產品原型，可以有效節(jié)省時間和成本。

    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，近年來高度重視數字孿生技術的研究與應用探索。2017年年底，西門子正式發(fā)布了完整的數字孿生應用模型，包括：數字孿生產品、數字孿生生產、數字孿生體績效等，從而形成一個完整的解決方案體系。在車輛領域，西門子通過數字孿生將現(xiàn)實世界和虛擬世界無縫融合，通過產品的數字孿生，制造商可以對產品進行數字化設計、仿真和驗證，包括機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。新的技術提供了新的汽車設計與制造模式，基于數字孿生制造商能夠規(guī)劃和驗證生產過程、創(chuàng)造工廠布局、選擇生產設備、仿真與預測，并優(yōu)化人員和制造過程的工作條件。

    工藝優(yōu)化

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

    例如，空中客車公司（簡稱“空客”）在飛機組裝過程中使用數字孿生技術以提高自動化程度并縮短交貨時間。為達到碳纖維增強基復合材料機身組裝過程中減小剩余應力的目的，空客開發(fā)了應用數字孿生技術的大型配件裝配系統(tǒng)，對裝配過程進行自動控制以減小剩余應力。

    質量管理

    在生產過程中，有效利用物聯(lián)網傳感器實時反饋的數據，就能夠保證產品質量，消滅返工現(xiàn)象。通過利用數字孿生技術，可以對生產過程的每個環(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)。

    供應鏈管理

    供應鏈和物流/分銷公司利用數字孿生技術，追蹤和分析包裝性能、車隊管理和路線效率等關鍵性能指標。此外，數字孿生技術也可以用來優(yōu)化準時化順序生產，并分析分銷路線。

    艾斯本技術有限公司（Aspen Tech）利用數字孿生技術提供供應鏈規(guī)劃和維護解決方案。該公司的機器學習解決方案可以提前25天以上發(fā)出資產故障警告，提醒資產密集型行業(yè)的客戶，提前規(guī)劃資產維修時間，有效維護資產。

    預測性維護

    設備維護部門可以構建設備或者生產流水線的數字孿生，監(jiān)測設備或者流水線的性能狀況，在嚴重問題發(fā)生之前就進行預防性維修或維護。設備維護部門還可以利用數字孿生來優(yōu)化負載水平、工具校準和循環(huán)時間。

    美國通用電氣公司（GE）提出了數字風力發(fā)電廠的解決方案，通過收集和分析風電機組和風電廠所在地的風能資源數據，確定最佳的渦輪結構和風電廠布局。通過監(jiān)控渦輪的性能和發(fā)電量，還可以進行預測性維護并優(yōu)化運營。

    簡而言之，在制造領域，數字孿生可以應用于產品設計、生產、管理、維護的全生命周期，服務于企業(yè)生產制造、運營管控、客戶關系、供應鏈的全方位管理體系，構建智能制造產業(yè)生態(tài)，賦能制造產業(yè)高質量發(fā)展。例如，基于影譜AI數字孿生平臺，影譜科技和海爾智護共同構建家庭數智生態(tài)體系，把人工智能及數字化能力充分應用到智能制造、消費體驗、數字化管理等多個環(huán)節(jié)，為智能家電和消費者搭建“數字橋梁”，推動該領域從硬件制造，向一體化用戶服務平臺和智能制造服務平臺升級，加速數字經濟與實體經濟融合。

    數字孿生與制造業(yè)發(fā)展

    各大企業(yè)紛紛開始采納數字孿生技術，以期提高生產率并降低成本，在此背景下，數字孿生技術只會越來越受歡迎。國際市場研究機構Research and Markets在2020年的一項市場研究表明：

    到2025年，高達89％的物聯(lián)網平臺將能夠構建數字孿生；

    到2027年，構建數字孿生將成為物聯(lián)網的一個標準功能；

    多個行業(yè)中近36％的高管已經了解數字孿生的價值，其中約一半的高管計劃在2028年之前將數字孿生技術引入自己的業(yè)務場景。

    隨著物聯(lián)網平臺的建設，人們會獲取越來越多的大數據，構建大型數字生態(tài)系統(tǒng)，構建和維護保真度高的數字孿生也會變得越來越容易，推進制造業(yè)數字化轉型和工業(yè)智能化升級。展望未來，數字孿生正在成為工業(yè)制造的關鍵技術和重要場景。