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工业4.0与数字孪生
 
作者:Aaron Parrott,Lane Warshaw
440 次浏览     评价:  
 2020-2-27
 
编辑推荐:
本文介绍了数字孪生-的定义,创建方式,如何驱动价值,其在现实世界中的典型应用以及公司如何为数字孪生计划过程做准备,希望对您有所帮助。
本文来源于Deloitte,由火龙果软件Alice编辑,推荐

随着制造过程变得越来越数字化,数字孪生现在可以触及。通过为公司提供完整的产品数字化足迹,数字孪生使公司能够更快地发现物理问题,更准确地预测结果并构建更好的产品。

介绍

有可能是没有回头路可走。制造过程变得越来越数字化。随着这一趋势的发展,许多公司经常难以确定在运营和战略上如何推动和交付实际价值。的确,数字解决方案可以为组织带来巨大的价值-在互联智能技术问世之前就不可能实现的价值。最近特别令人着迷的是数字孪生的概念:物理对象或过程的近实时数字图像,有助于优化业务绩效。

直到最近,由于数字技术功能的局限性以及过高的计算,存储和带宽成本,数字孪生兄弟及其处理的大量数据通常对企业仍然难以捉摸。但是,近年来这些障碍已大大减少。1显着降低的成本以及增强的功能和能力导致了指数级的变化,使领导者可以结合信息技术(IT)和运营技术(OT)来创建和使用数字孪生。

那么,为什么数字孪生如此重要,组织为什么要考虑它呢?数字孪生可以使公司从设计和开发到产品生命周期的结束都拥有完整的产品数字足迹。反过来,这可以使他们不仅了解设计的产品,还可以了解构建产品的系统以及该产品在现场的使用方式。通过创建数字孪生,公司可以通过新产品,改进的运营,减少的缺陷以及新兴的新商业模式来推动收入增长,从而在上市速度方面实现巨大价值。

数字孪生技术可以使公司更快地解决物理问题,方法是更快地发现它们,以更高的准确性预测结果,设计和制造更好的产品,并最终更好地为客户服务。通过这种类型的智能架构设计,公司可以比以往任何时候都更快地迭代实现价值和收益。

如果公司想一次尝试全部创建一个数字孪生,这可能是一项艰巨的任务。关键可能是从一个领域开始,在那里实现价值,然后继续发展。但首先,企业应首先了解数字孪生的定义和发展方法,以免被淹没。在接下来的页面中,我们讨论数字孪生兄弟-其定义,创建方式,如何驱动价值,其在现实世界中的典型应用以及公司如何为数字孪生计划过程做准备。

数字孪生:它是什么,为什么重要

工业界和学术界以几种不同的方式定义了数字孪生。但是,也许两个小组都没有将重点放在数字孪生的过程方面。例如,根据某些人的说法,数字孪生是已建成产品的集成模型,旨在反映所有制造缺陷,并不断进行更新以包括使用中持续的磨损。3其他广为流传的定义将数字孪生描述为物理对象的启用传感器的数字模型,该模型在实时环境中模拟对象。

从根本上讲,数字孪生可以定义为有助于优化业务绩效的物理对象或过程的历史和当前行为的不断发展的数字资料。数字孪生模型基于跨多个维度的大规模,累积,实时,真实世界的数据测量。这些度量可以创建数字世界中对象或过程的不断发展的概况,这些概况或过程可以提供有关系统性能的重要见解,从而导致物理世界中的行为,例如产品设计或制造过程的变化。

数字孪生与传统的计算机辅助设计(CAD)不同,它也不仅仅充当另一个支持传感器的物联网(IoT)解决方案。5可能远远超过任何一个。CAD完全封装在计算机模拟的环境中,该环境在建模复杂的环境中表现出一定的成功;6个或更简单的IoT系统仅测量整个组件的位置和诊断之类的内容,但不测量组件与整个生命周期过程之间的交互。

确实,数字孪生的真正力量以及它为何如此重要的原因在于,它可以在物理世界和数字世界之间提供近乎实时的全面联系。由于产品或过程的真实世界与数字世界之间的这种相互作用,数字孪生可能会答应更丰富的模型,从而对不可预测性进行更真实,全面的测量。由于便宜,强大的计算功能,这些互动式测量结果可以使用当今的大规模处理架构和先进的算法进行分析,以进行实时预测反馈和离线分析。这些可以实现基本的设计和流程更改,而这些更改几乎肯定是当前方法无法实现的。

从根本上讲,数字孪生可以定义为有助于优化业务绩效的物理对象或过程的历史和当前行为的不断发展的数字资料。

制造过程示例

数字孪生旨在对复杂的资产或流程进行建模,这些资产或流程以多种方式与其环境相互作用,因此很难预测整个产品生命周期的结果。8确实,可以在各种各样的情况下创建数字孪生,以实现不同的目标。例如,有时使用数字孪生来模拟特定的复杂部署资产,例如喷气发动机和大型矿用卡车,以便在现场使用资产时监视和评估磨损和特定种类的应力。这样的数字孪生可能会产生重要的见解,从而可能影响未来的资产设计。风电场的数字孪生可能会发现有关运营效率低下的见解。部署了特定资产的数字孪生的其他例子比比皆是。

正如特定部署资产的数字孪生可能具有的洞察力一样,制造过程中的数字孪生似乎提供了一种特别强大且引人注目的应用程序。图1代表了物理世界及其数字孪生模型中制造过程的模型。数字孪生模型可以近似实时地虚拟反映工厂现场实际发生的情况。分布在整个物理制造过程中的成千上万个传感器共同收集各种维度的数据:从生产机械的行为特征和进行中的工作(厚度,颜色质量,硬度,扭矩,速度等)到环境条件工厂本身。这些数据不断地与数字孪生应用程序进行通信并进行汇总。

正如特定部署资产的数字孪生可能具有的洞察力一样,制造过程中的数字孪生似乎提供了一种特别强大且引人注目的应用程序。

数字孪生应用程序会连续分析传入的数据流。在一段时间内,与理想性能范围相比,分析可能会发现特定尺寸的制造过程实际性能中的不可接受趋势。这种比较洞察力可能会触发调查,并可能改变物理世界中制造过程的某些方面。

这是物理世界与数字世界之间互动的旅程,图1努力传达这一旅程。这样的旅程强调了数字孪生的巨大潜力:成千上万个传感器进行连续,不平凡的测量,然后将这些数据流传输到数字平台,然后依次执行近实时分析,以透明方式优化业务流程。

图1的模型通过五个启用组件(物理世界中的传感器和执行器,集成,数据,分析以及不断更新的数字孪生应用程序)找到表达。图1的这些组成元素在以下较高级别进行了解释:

1.传感器-在整个制造过程的分布式传感器创建 信号,使双捕获关于所述物理过程在真实世界中的操作和环境数据。

2.Data-用来自传感器的真实世界的操作和环境数据被聚集,并与来自企业的数据,如材料清单(BOM),纸币组合10个的企业系统,和设计规格。数据还可能包含其他项目,例如工程图,与外部数据源的连接以及客户投诉日志。

3.集成-传感器通信 的数据 通过集成技术(包括边缘,通信接口,和安全性)的物理世界与数字世界之间,反之亦然到数字世界。

4.分析-分析技术用于通过算法模拟和可视化例程来分析 数据,数字孪生使用该例程产生见解。

5.数字twin-图1的“数字化”侧为数字双本身-一个应用程序,联合机上方插入到物理世界和过程的近实时的数字模型的组件。数字孪生的目的是沿着各种尺寸中的任何一个来确定与最佳条件的无法容忍的偏差。这种偏差是业务优化的一种情况。可能是孪生的逻辑有误(希望没有),或者已经确定了节省成本,提高质量或提高效率的机会。由此产生的机会可能导致行动回到现实世界。

6.执行器-如果在现实世界中有必要采取行动,则数字孪生会通过执行器来产生动作,但要受到人为干预,触发物理过程。

显然,物理过程(或对象)及其数字孪生模拟物的世界比单个模型或框架所描绘的复杂得多。而且,当然,图1的模型只是一种数字孪生配置,重点放在产品生命周期的制造部分。12但是,我们的模型旨在展示的是物理世界和数字世界配对的集成,整体和迭代质量。正是通过这一棱镜,人们才可以开始创建数字孪生的实际过程。

创建数字孪生

但是,如何创建数字孪生呢?通常,数字孪生的创建涉及两个主要方面:

设计产品生命周期中的数字孪生过程和信息要求-从资产设计到现实世界中资产的现场使用和维护

创建使实体资产及其数字孪生相集成的支持技术,以实时传输传感器数据以及来自公司核心系统的操作和交易信息,如概念架构所示。

数字孪生流程设计和信息要求

数字孪生的创建从过程设计开始。孪生将为哪些流程和集成点建模?应该使用标准的流程设计技术来显示业务流程,启用流程的人员,业务应用程序,信息和实物资产如何相互作用。将创建将流程链接到应用程序,数据需求以及创建数字孪生所需的传感器信息类型的图表。流程设计增加了可以改善成本,时间或资产效率的属性。这些通常构成基线假设,数字孪生增强应从这些基线开始。

数字孪生的关键在于关注在所考虑资产的整个生命周期中所需的各种信息。以可重用的方式构造信息通常很重要。为此,规范数据模型的创建可能很重要。规范数据模型是常见的企业标准数据结构。它使不同的系统和应用程序可以连接和交换企业信息。规范的结构可以允许与数字孪生集成的各种系统以简单的商定格式进行通信。这样可以减少必须在记录系统之外存储的信息量,可以消除管理大型主数据结构的需要

数字孪生概念架构

数字孪生概念体系结构(图2)可以正确地理解为构成图1数字孪生模型制造过程的使能组件的扩展或“深入了解”,尽管相同的基本原理可能适用于任何形式。数字孪生配置。最好将概念体系结构理解为六个步骤的序列,如下所示:

1.创建:在创建步骤包括舾装与测量从物理过程和它的周围关键投入大量传感器的物理过程。传感器的测量可大致分为两类:(1)与生产资产(包括多项在建工程)的物理性能标准相关的操作测量,例如抗张强度,位移,扭矩和颜色均匀性;(2)影响有形资产运行的环境或外部数据,例如环境温度,大气压力和湿度水平。可以使用编码器将测量结果转换为安全的数字消息,然后将其传输到数字孪生。

来自传感器的信号可以被来自诸如制造执行系统,企业资源计划系统,CAD模型和供应链系统之类的系统的基于过程的信息所增强。这将为数字孪生提供广泛的持续更新数据,以用作其分析的输入。

2.通信:该通信步骤有助于无缝,实时,双向的集成/物理过程和数字化平台之间的连接。网络通信是促成数字孪生的根本变化之一。它包含三个主要组成部分:

边缘处理:边缘接口连接传感器和过程历史记录器,在源附近处理来自传感器的信号和数据,并将数据传递到平台。这有助于将专有协议转换为更易于理解的数据格式,并减少网络通信。该领域的重大进步消除了许多瓶颈,这些瓶颈过去限制了数字孪生的生存能力。

通讯接口:通讯接口有助于将信息从传感器功能传输到集成功能。鉴于理论上可以将产生洞察力的传感器放置在几乎任何位置,具体取决于所考虑的数字孪生配置:在工厂内部,在家中,采矿操作中或在众多其他位置的停车场中。

边缘安全性:新的传感器和通信功能已产生新的安全问题,并且仍在发展中。最常见的安全方法是使用防火墙,应用程序密钥,加密和设备证书。随着越来越多的资产启用IP,对安全启用数字孪生的新解决方案的需求可能会变得更加紧迫。

3.骨料:该聚合步骤可以支持数据摄取到数据储存库,处理和用于分析制备。数据聚合和处理可以在本地或在云中完成。在过去的几年中,支持数据聚合和处理的技术领域已经发生了巨大的发展,这些方法允许设计人员创建具有更大敏捷性的大规模可扩展架构,而成本却只有过去的一小部分。

4.分析:在分析步骤中,对数据进行分析和可视化。数据科学家和分析师可以利用先进的分析平台和技术来开发迭代模型,从而产生见解和建议并指导决策制定。

5.洞察力:在洞察力步骤中,来自分析的洞察力通过具有可视化效果的仪表板呈现,突出显示了数字孪生模型和物理世界类似物在一个或多个维度上的无法接受的差异,指出了可能需要调查和更改的领域。

6.作用:该动作步骤是在来自前面步骤可操作的见解可以反馈到物理资产和数字处理以获得数字双的影响。洞察力通过解码器,然后馈入资产流程中的执行器,这些执行器负责运动或控制机制,或者在控制供应链和订购行为的后端系统中进行更新,所有这些都需要人工干预。17这种交互完成了物理世界和数字孪生之间的闭环连接。

数字孪生应用程序通常以企业的主要系统语言编写,该语言使用上述步骤来对物理资产和流程进行建模。另外,在整个过程中,可以出于数据管理和互操作性连接的目的应用标准和安全措施。

大数据引擎的计算能力,分析技术的多功能性,汇聚区域的庞大而灵活的存储可能性以及与规范数据的集成,使这对数字孪生可以建模比以往任何时候都更加丰富,更少隔离的环境。反过来,这样的发展可能会导致更复杂,更现实的模型,所有这些都具有低成本软件和硬件的潜力。

重要的是要注意,上述概念体系结构应设计为在分析,处理,传感器和消息的数量等方面具有灵活性和可伸缩性。这可以使体系结构随着连续(有时是指数)的变化而迅速发展。在市场上。

数字孪生和数字线程

对数字孪生的任何有意义的讨论都可能还应包括对被称为“数字线程”的紧密相关概念的讨论。在最高层次上,数字线程是连续,无缝的数据链,它将产品生命周期的各个阶段(从设计到构建再到现场使用)连接起来。实际上,它提供了有关产品数据的传播渠道。这些数据(它们的存储,现成的访问,建模和分析)可以创建模型生产并推动有效的供应链通信。

当人们想到数字孪生时,可能会想到“活着”现象-一种非静态产品或过程的模型,其目的是优化业务绩效。通过提供孪生执行分析所需的数据种类,数字线程在很大程度上使数字孪生能够实现此目的。从这个意义上讲,数字孪生的“生命”部分来自数字线程提供的信息。反过来,数字孪生的洞察力可能会导致产品设计或制造过程发生变化,从而改变数字线程,以供所考虑对象的将来迭代之用。

推动业务价值

对于任何一家开始进行数字化之旅的公司来说,迫切关注的问题是其明显的能力,即通过创建数字孪生的投资来显示收益并实现价值。这种新方法如何导致公司经营和开展业务的方式发生变化,从而带来可衡量的业务价值?过去,创建数字孪生不仅成本高昂,而且收益有限。随着越来越优惠的存储和计算成本的出现,用例的数量和启用数字孪生的可能性大大增加,从而带动了商业价值。

随着越来越优惠的存储和计算成本的出现,用例的数量和启用数字孪生的可能性大大增加,从而带动了商业价值。

在考虑数字孪生提供的商业价值时,公司应关注与战略绩效和市场动态相关的问题,包括改进和持久的产品性能,更快的设计周期,新的收入来源的潜力以及更好的保修成本管理。这些战略问题尤其可以转化为可以提供数字孪生可能实现的广泛商业价值的特定应用程序。表1按类别列出了此类值的摘要。

数字孪生业务价值

除了上述业务价值领域外,数字孪生还可以帮助解决制造公司的许多其他关键绩效和效率指标。总体而言,数字孪生可能会提供许多应用来推动价值并开始从根本上改变公司的业务方式。这样的价值可以以有形的结果来衡量,可以回溯到企业的关键指标。

用例:开发全生命周期数字孪生

到目前为止,大部分讨论都集中在产品生命周期的制造过程部分的数字孪生模型上。制造过程仅代表一个数字孪生配置。的确,对于广泛的数字孪生用例,另一个可行的构想是在产品的整个生命周期中从产品开发到使用的基于产品的应用程序。一个这样的例子涉及一家工业制造商,该制造商在现场面临众多质量问题,导致维护成本高昂并且承担高保修责任。制造商正在尝试确定对客户信心和品牌形象有不利影响的问题的根源。这些问题给制造商的供应网络带来了额外的压力,并在试图解决已发现的问题时增加了成本。

为了解决这些问题,工程和供应网络组织采用了一种数字孪生方法,以寻求解决质量问题并改善与维护保修有关的可持续售后服务。首先,他们决定将“按设计的” BOM与制造过程中产生的所有类似信息(称为“按制造的” BOM)结合起来。为了帮助区分它们,设计好的BOM由开发和测试的元素组成,而制造的BOM由用于生产产品的设备汇总的元素组成,包括采购的零件明细和装配明细。这些结果使工程师可以进行分析并提供对影响质量的生产变化的见解。结果是,

借助部分数字化孪生工作中获得的信息,售后部门计划尽快扩展此用例,以利用数字化孪生流程来更有效地使用现场产品(“按需维护”的BOM)中的信息,以更好地理解流程变化如何影响性能变化和应解决的改进。从设计的BOM,制造的BOM和维护的BOM获得的完整信息创建了“从摇篮到坟墓”的数字旅程,从而开创了新的商机时代,包括资产可用性管理,备件库存优化,预测性维护和服务。

如何开始

鉴于数字孪生的广泛应用,如何开始?进行数字孪生过程的主要挑战可能在于确定创建数字孪生模型的最佳细节水平。虽然过于简单的模型可能无法产生数字孪生所承诺的价值,但采取过于快速和广泛的方法几乎可以确保迷失在数百万个传感器的复杂性,传感器产生的数亿个信号以及大量技术中使模型有意义。因此,过于简单或过于复杂的方法可能会扼杀前进的动力。图3提供了一种介于两者之间的可能方法。

想象一下可能性。第一步将是想象并列出一组可以从拥有数字孪生中受益的场景。正确的方案可能因组织和情况而异,但可能具有以下两个关键特征:

所考虑的产品或制造过程对于企业投资建立数字孪生来说足够有价值。

存在与过程或产品有关的悬而未决的无法解决的问题,它们可能为客户或企业释放价值。

在创建方案的候选清单之后,将评估每个方案,以识别可通过使用数字孪生快速赢得胜利的过程。我们鼓励与运营,业务和技术领导者进行有针对性的构想会议,以加快评估速度。

确定过程。下一步将是确定飞行员数字孪生配置,该配置既要具有尽可能高的价值,又有获得成功的最佳机会。在确定哪些配置最适合飞行员时,请考虑运营,业务和组织变更管理因素。着重于可能跨越设备,站点或技术扩展的区域。公司可能会面临进入高度复杂的设备或制造过程的特定数字孪生的过深挑战,而在整个组织中进行广泛部署的能力往往会带动最大的价值和支持:专注于广泛而不是深入。

试用程序。考虑快速进入试点使用迭代和敏捷周期的程序来加快学习速度,主动管理风险并最大程度地提高初始投资的回报。试点可以是业务部门或产品的子集,以限制范围,但具有向企业展示价值的能力。当您进行试验时,实施团队应支持适应性和开放的思维定势-在您的旅途中的任何时候,保持开放且不可知论的生态系统,以允许适应性和与新数据(结构化和非结构化)的集成并利用新的技术或合作伙伴。尽管您应该不了解任何类型的数据源(例如,新的传感器和外部数据源),但您还需要一种能够支持端到端解决方案扩展(从早期开发到售后)的解决方案。 )。交付初始值后,考虑利用这种势头继续推动取得更大成果的动力。将实现的价值传达给大型企业。

工业化过程。一旦在现场取得成功,您就可以使用已建立的工具,技术和手册来实现数字孪生开发和部署过程的工业化。管理试点团队和其他希望采用它的项目的期望。深入了解数字孪生过程,并发布给大型企业。这可能包括从更孤立的实施过渡到与企业的集成,数据湖的实施,性能和吞吐量的增强,改进的治理和数据标准,以及为支持数字孪生而进行的组织更改的实施。

缩放孪生。一旦成功,寻找扩大数字孪生规模的机会就很重要。定位相邻流程和与试点具有互连的流程。利用从飞行员那里学到的教训以及在飞行员期间开发的工具,技术和剧本来迅速扩展。随着规模的扩展,继续将通过采用数字孪生所实现的价值传达给更大的企业和股东。

监控和测量。应监控解决方案,以客观地衡量通过数字孪生交付的价值。确定周期时间,产量,质量,利用率,事件和单件成本等是否有明显的好处。迭代地更改数字孪生过程,并观察结果以确定最佳配置。

最重要的是,这不是一个一旦确定,实施和衡量收益就应该结束的项目。为了不断在市场中脱颖而出,公司应计划随着时间的推移在业务的新领域再次经历这一循环。

总而言之,在实现数字孪生旅程的早期里程碑方面的真正成功很可能取决于以能够证明随着时间的推移为企业增加价值的方式发展和维持数字孪生计划的能力。为了确保获得这样的结果,可能需要将数字技术和数字孪生集成到从研发到销售的完整组织结构中,不断利用数字孪生见解来改变公司的经营方式,决策方式和创造新的收入来源。

结论

数字孪生可能会为公司带来切实的价值,创造新的收入来源,并帮助他们回答关键的战略问题。凭借新的技术功能,灵活性,敏捷性和更低的成本,公司也许可以开始创建数字孪生公司的旅程,该公司的资本投资和实现价值的时间都比以往任何时候都要短。数字孪生在产品的整个生命周期中都有许多应用程序,并且可以实时回答以前无法回答的问题,从而提供了几年前几乎无法想象的各种价值。也许问题不在于一个人是否应该开始,而是一个人应该在最短的时间内开始获得最大的价值,以及如何才能在竞争中保持领先地位。第一步是什么,以及如何开始?到达那里可能是一项艰巨的任务,但是旅程只有一步之遥。

   
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