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數字孿生技術:從酷炫到普及有多遠

最近一段時間,數字孿生技術一直戴著光環被工業互聯網業界所探討。但從國內的實踐來看,成功應用并給企業發展帶來實質性好處的案例并不多見。一方面,企業覺得技術很酷炫;另一方面,企業覺得該技術成本高的同時,對實時數據依賴性強,一旦數據不準,結論也不可靠,應用風險大。數字孿生技術到底是不是華而不實的鏡中花成為業界討論的熱點話題。

技術處于創新觸發階段

盡管Gartner曾在2018年將數字孿生列為當年的十大戰略技術趨勢之一,但數字孿生并不是一項全新的技術。

早在NASA的阿波羅項目中,NASA就制造了兩個完全相同的空間飛行器,可謂物理孿生,留在地球上的飛行器稱為孿生體(twin)。這個孿生體,在飛行準備期間被應用于訓練;在任務執行期間進行仿真實驗,該孿生體盡可能精確地反映和預測正在執行任務的空間飛行器的狀態,從而輔助航天員在緊急情況下做出最正確的決策。

而數字孿生,則是通過實體和虛體之間的映射,及時、準確、深入地在虛體世界反映實體的狀態和行為。

“數字孿生是指在數字化時代,通過數字化來描述整個產品的設計、開發、制造和服務的全生命周期過程,并通過數字化的手段連接產品生產制造和運行環境,實時反映產品的狀態,達到‘與物理產品等價的虛擬數字化表達’的數字孿生效果。”北京索為云網科技有限公司數字孿生部經理尚煒向《中國電子報》記者表示。

2012年,NASA發布的“建模、仿真、信息技術和處理”路線圖中,數字孿生被正式帶入公眾的視野。之后,數字孿生從概念模型階段步入初步的規劃與實施階段。2015年,美國GE公司計劃基于數字孿生,并通過Predix平臺,采用大數據、物聯網等先進技術,實現對發動機的實時監控、及時檢查和預測性維護。

最近幾年來,數字孿生在理論層面和應用層面均取得了快速發展,同時應用范圍也逐漸從產品設計階段向產品制造和運維服務等階段轉移。模型輕量化、MBD、基于物理的建模等模型數字化表達技術逐漸成熟并得到廣泛應用,大數據、物聯網、移動互聯網、云計算等新一代信息與通信技術的快速普及與應用,大規模計算、高性能計算、分布式計算等計算機科學技術的快速發展,以及機器學習、深度學習等智能優化算法的不斷涌現,使得產品動態數據的實時采集、可靠與快速傳輸、存儲、分析、決策、預測等成為可能,為虛擬空間和物理空間的實時關聯與互動提供了重要的技術支撐,數字孿生的形態和概念不斷豐富。

不過,在應用方面,數字孿生還有很長的路要走。

“數字孿生技術目前處于創新觸發階段,這本身就意味著低使用率,目前主要局限于研究機構和公司的研發部門。從技術周期的規律來看,新興技術可能要在未來的5~10年才能達到被廣泛應用的程度。”尚煒表示,“數字孿生技術有著諸多的技術難點,從落地的角度來看,發展還處于起步階段。有一件事是肯定的:數字孿生將會在未來幾年里以不同的解決方案來應對不同的挑戰。盡管數字孿生尚處于發展初期,也必然面對一些階段性的問題,但前途無疑是光明的。”

中小企業為何用不起?

數字孿生通過實體和虛體之間的映射,使得企業可以基于實時數據進行設計迭代、故障診斷、流程優化等,同時在實體世界中也可以借助虛體數據實現控制優化、精準執行等。因此,數字孿生技術在工業領域有著非常廣闊的應用場景。

不過,從目前的發展情況來看,對數字孿生技術的大規模采用由大型制造公司主導。幾乎所有的行業都可采用某種形式的數字孿生技術,但興趣最大的可能是工業設備(如加熱和冷卻系統、泵送液壓系統等)和能源行業(如風力渦輪機、石油和天然氣等)。

“數字孿生技術最初將應用在高價值領域,以證明部署成本是合理的。高價值領域往往代表著昂貴的設備,而這些成本只有大企業才能負擔得起。”尚煒表示。

從國外一些研究數字孿生技術的先驅來看,現階段走在前列的多是像GE、西門子、PTC、ANSYS這樣的大企業。

不過,除了成本這一因素外,中小企業數字化程度不高也是關鍵的原因。

“與國外發達國家相比,廣大國內企業,尤其是中小企業,目前還處于工業化升級、信息化補課的階段,數字化水平普遍較低,這些都極大制約了數字孿生技術的應用普及。因此,數字孿生技術沒有出現爆發式增長并不是技術本身的問題,而是我們目前還不具備大規模應用普及數字孿生的產業基礎。”航天云網天智公司總經理紀豐偉在接受《中國電子報》記者采訪時表示,“目前國內外數字孿生技術應用得比較好的企業主要是數字化水平高、有一定網絡化基礎、存在智能化轉型升級的大企業,這與企業自身的基礎有一定關系。”

工業互聯網平臺激活數字孿生生命

隨著工業互聯網的推進與應用,工業互聯網平臺為智能制造深化應用提供了信息物理融合、交互和應用的基礎。業界專家認為,工業互聯網平臺激活了數字孿生的生命。

“數字孿生的核心是在合適的時間、合適的場景,做基于數據的實時正確的決定。工業互聯網平臺天生具有的雙向通路特征,使得數字孿生真正成為一個有生命力的模型。”西安電子科技大學智能制造與工業大數據研究中心主任孔憲光說。

據介紹,數字孿生是工業App的完美搭檔,工業App可以調用數字孿生,一個數字孿生也可以支持多個App。將數字孿生作為工業互聯網平臺的知識萃取工具,通過單元級、系統級的數字孿生體,不斷將工業系統中的碎片化知識產生并封裝到工業互聯網平臺中,將知識顆粒按照個體級、群體級、產業鏈級(社區級)重新組裝,通過工業互聯網平臺的App體系放大傳播。因此,工業互聯網平臺是數字孿生的孵化床,數字孿生是工業互聯網平臺的重要場景。

對于目前數字孿生技術而言,其應用水平也與工業互聯網平臺息息相關。

“工業互聯網的推廣應用使得實體和虛體的映射更為可行和緊密,從而進一步加速推動了數字孿生技術的應用。但工業互聯網的發展目前還處于產業早期,物連接的數量和質量還有待提高,同時企業應用工業互聯網還主要集中在智能化改造、能耗監控、設備征信等初級場景,距離數字孿生這類高級應用還有一定距離。”紀豐偉表示。

此外,他還認為,工業互聯網的發展會促進中小企業集體性加快信息化的步伐和自動化水平的提升,并給中小企業帶來虛實結合的平臺基礎,因此工業互聯網的發展給中小企業應用數字孿生技術帶來了更多的可能性。

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