一文徹底搞懂?dāng)?shù)字孿生、仿真與虛擬調(diào)試

Carlson進(jìn)一步解釋道，雖然仿真是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要組成部分，對(duì)充分利用數(shù)字孿生的功能至關(guān)重要，但全面的數(shù)字孿生所包含的內(nèi)容要更多。得益于物理、行為和邏輯建模，它是一種可以更接近真實(shí)事物的模型。然后，仿真可以讓數(shù)字孿生更真實(shí)，可以對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練和分析，并用它來(lái)獲得答案和做出決策。

達(dá)索系統(tǒng)Delmia戰(zhàn)略業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Thomas Muth認(rèn)為，

仿真和數(shù)字孿生之間的關(guān)鍵區(qū)別體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

■范圍：

仿真使用預(yù)定義的變量集，數(shù)字孿生可對(duì)進(jìn)入方程的任何變量進(jìn)行調(diào)整，沒(méi)有數(shù)量限制。

■數(shù)據(jù)集成：

仿真使用靜態(tài)、預(yù)先確定的設(shè)置變量，而動(dòng)態(tài)數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)更新，以針對(duì)真實(shí)事件進(jìn)行調(diào)整。

■模型：

數(shù)字孿生需要模擬真實(shí)世界資源的多層模型。關(guān)鍵是要有一個(gè)可靠的模型，可以在其中與多個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行交互。而仿真通常是預(yù)定義的，并針對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景構(gòu)建。

■生命周期：

從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)以及交付的整個(gè)生命周期中, 數(shù)字孿生與物理實(shí)體保持著持續(xù)的聯(lián)系。而仿真通常用于特定場(chǎng)景，可能不會(huì)在整個(gè)生命周期中持續(xù)存在。

■協(xié)作：

數(shù)字孿生應(yīng)該允許所有利益相關(guān)者，在同一界面內(nèi)協(xié)作和交換相關(guān)信息，而仿真往往相對(duì)單一且缺乏協(xié)作性。

■用例：

數(shù)字孿生用例比仿真更加多樣化、動(dòng)態(tài)化并基于角色，包括資產(chǎn)管理、預(yù)測(cè)性維護(hù)以及過(guò)程和供應(yīng)優(yōu)化。

鑒于技術(shù)之間存在的差異和重疊，專(zhuān)業(yè)人員應(yīng)如何選擇一種方法來(lái)更高效地調(diào)試和測(cè)試新的系統(tǒng)或升級(jí)過(guò)程？

“這通常取決于范圍和效益?！癈arlson表示，“對(duì)于一些變化不快或過(guò)于復(fù)雜的企業(yè)或市場(chǎng)，如果變化是一次性的，或者變化發(fā)生在很長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)，仿真可能比較合適。如果產(chǎn)品、過(guò)程和資源經(jīng)常發(fā)生變化，OEM廠(chǎng)商或集成商可能更希望使用數(shù)字孿生?！?/p>

Muth補(bǔ)充道，OEM和集成商可能已經(jīng)使用獨(dú)立的仿真工具來(lái)估計(jì)周期時(shí)間、執(zhí)行設(shè)備布局規(guī)劃、確定硬件規(guī)格以及構(gòu)建和測(cè)試HMI操作員界面。

這些工具在初期規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段帶來(lái)了價(jià)值，但在調(diào)試過(guò)程中變得有限。

對(duì)制造商和集成商來(lái)說(shuō)，

最關(guān)鍵和最具挑戰(zhàn)性的方面之一是不同技術(shù)和系統(tǒng)的成功整合和集成。

這在調(diào)試階段最為明顯，當(dāng)系統(tǒng)需要調(diào)整時(shí)成本可能會(huì)增加。全面的數(shù)字孿生也被稱(chēng)為虛擬調(diào)試，允許在任何設(shè)計(jì)最終確定之前進(jìn)行虛擬測(cè)試和驗(yàn)證。

由于虛擬調(diào)試是生產(chǎn)系統(tǒng)、自動(dòng)化技術(shù)和控制的全面的數(shù)字孿生系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)連接，制造商可以在虛擬調(diào)試期間利用軟件在環(huán)（虛擬）或硬件（虛擬和物理硬件）。

將測(cè)試和驗(yàn)證轉(zhuǎn)移到數(shù)字世界，比在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的成本要低得多，并且還能縮短整體調(diào)試時(shí)間。

數(shù)字孿生的多樣性和應(yīng)用

由于能夠?qū)崟r(shí)連接物理世界和虛擬世界，數(shù)字孿生可以驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)、調(diào)試設(shè)備以及驗(yàn)證過(guò)程、生產(chǎn)、維護(hù)和供應(yīng)鏈。根據(jù) Muth 的說(shuō)法，這意味著有許多潛在的數(shù)字孿生類(lèi)型，不過(guò)大多數(shù)可以歸結(jié)為以下三種類(lèi)型：

■工廠(chǎng)和資源：

模擬新設(shè)施或現(xiàn)有設(shè)施的設(shè)計(jì)和布局的數(shù)字孿生。

■產(chǎn)品和過(guò)程：

模擬生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)以驗(yàn)證最佳實(shí)踐、模擬機(jī)器人和其他車(chē)間資源的運(yùn)行、模擬產(chǎn)品和材料的流動(dòng)以及定義和驗(yàn)證流程計(jì)劃和虛擬構(gòu)建的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

■供應(yīng)鏈和運(yùn)營(yíng)：

模擬供應(yīng)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)字孿生，以?xún)?yōu)化進(jìn)出工廠(chǎng)的物料流。

Carlson認(rèn)為，使用全面的數(shù)字孿生的主要優(yōu)勢(shì)是可以將產(chǎn)品無(wú)縫集成到制造過(guò)程中。產(chǎn)品的數(shù)字復(fù)制品可以代表伺服電機(jī)等子組件，也可以代表整車(chē)等更復(fù)雜的產(chǎn)品。生產(chǎn)的數(shù)字表示準(zhǔn)確地描述了制造產(chǎn)品所需的制造過(guò)程，而全面的數(shù)字孿生方法則集成了所有必要的組件。

數(shù)字孿生可以幫助評(píng)估現(xiàn)有設(shè)備升級(jí)，規(guī)劃新的生產(chǎn)線(xiàn)，并在將產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前驗(yàn)證更改。

例如，對(duì)柔性生產(chǎn)線(xiàn)（在一條生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)多種汽車(chē)）的推動(dòng)，以及對(duì)重新利用現(xiàn)有設(shè)備需求的不斷增加，使得數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)汽車(chē)行業(yè)至關(guān)重要。

“雖然實(shí)施數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)任何行業(yè)都有益處，” Muth說(shuō)，“但我們看到，生產(chǎn)復(fù)雜產(chǎn)品的公司以及處在快速增長(zhǎng)和變化的行業(yè)中的公司可以獲得更顯著的好處?！彼e了兩個(gè)具體例子：

■一家大型飛機(jī)制造商為其直升機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)創(chuàng)建了一個(gè)虛擬數(shù)字孿生。它以3D方式仿真生產(chǎn)機(jī)械，并實(shí)時(shí)更新以監(jiān)控生產(chǎn)變化。

■一家全球汽車(chē)技術(shù)提供商部署虛擬數(shù)字孿生技術(shù)來(lái)仿真生產(chǎn)過(guò)程。這使公司能夠通過(guò)分析序列和每次操作所花費(fèi)的時(shí)間來(lái)規(guī)劃流程。這種數(shù)字化工廠(chǎng)使公司能夠更高效地發(fā)展，降低生產(chǎn)啟動(dòng)成本，并利用資源和最佳實(shí)踐與標(biāo)準(zhǔn)化工具更好地合作，以改善工廠(chǎng)內(nèi)外的溝通。

實(shí)施數(shù)字孿生的挑戰(zhàn)

從表面上看，數(shù)字孿生和仿真技術(shù)并沒(méi)有真正的缺點(diǎn)，只是各自的特點(diǎn)使其適用于不同應(yīng)用。Muth說(shuō)：“如果實(shí)施得當(dāng)，我看不出數(shù)字孿生有任何真正的缺點(diǎn)，但在這個(gè)過(guò)程中肯定需要考慮風(fēng)險(xiǎn)?！眱蓚€(gè)主要的潛在風(fēng)險(xiǎn)是：

孤立/獨(dú)立的數(shù)字孿生和單一用途的數(shù)字孿生。

關(guān)于孤立的數(shù)字孿生，Muth解釋道，“為了最大限度地發(fā)揮作用，

數(shù)字孿生應(yīng)該能夠連接到其它數(shù)字孿生并與之合作。這是一個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)，互聯(lián)的數(shù)字孿生解決了這一問(wèn)題。”

▲ 擁有可操作的數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生體驗(yàn)的重要組成部分，可以更好地規(guī)劃和執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

互聯(lián)的數(shù)字孿生，通過(guò)使用大量異構(gòu)數(shù)據(jù)和商業(yè)化、建立跨公司數(shù)據(jù)空間以及基于跨公司標(biāo)準(zhǔn)共享數(shù)據(jù)的能力，

為盡可能廣泛的受眾帶來(lái)收益。

對(duì)于單一用途的數(shù)字孿生，

創(chuàng)建關(guān)注點(diǎn)過(guò)于狹窄的數(shù)字孿生，會(huì)使數(shù)字孿生的價(jià)值最小化，有時(shí)甚至到了實(shí)施成本超過(guò)收益的地步。

Carlson認(rèn)為，致力于實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)字孿生并利用虛擬調(diào)試技術(shù)幾乎沒(méi)有任何缺點(diǎn)。不過(guò)，也有一些戰(zhàn)略需要權(quán)衡，比如建立數(shù)字孿生系統(tǒng)所需的能力，或者為支持?jǐn)?shù)字化轉(zhuǎn)型而可能需要改變的內(nèi)部流程?！爸圃焐瘫仨毧紤]采用技術(shù)和推動(dòng)內(nèi)部流程的人才供應(yīng)情況，以及提升現(xiàn)有員工技能的方法。并非所有制造商和行業(yè)都處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的同一階段，正如并非所有制造商都處于機(jī)器人和自動(dòng)化的同一階段一樣?！?/p>

盡管人們普遍認(rèn)為，仿真和數(shù)字孿生之間的主要區(qū)別在于數(shù)字孿生與物理設(shè)備相連，可以實(shí)時(shí)響應(yīng)輸入的數(shù)據(jù)，但并不是每個(gè)人都同意這一區(qū)別。

因此，制造商可能會(huì)看到一些被認(rèn)定為數(shù)字孿生的技術(shù)，但卻并不符合更廣泛接受的定義。在這種情況下，制造商應(yīng)該如何選擇這些技術(shù)來(lái)調(diào)試和測(cè)試呢？

National Automation公司總裁兼國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì)（ISA）成員Steve Mustard表示：“在某些情況下，能夠運(yùn)行數(shù)千次模擬以確定概率結(jié)果（如蒙特卡羅模擬）或最佳配置參數(shù)（如控制回路整定）的數(shù)字孿生更適合基于動(dòng)態(tài)模擬器的數(shù)字孿生。但在另外一些情況下，目標(biāo)是觀(guān)察真實(shí)世界中的結(jié)果，例如幫助進(jìn)行操作員培訓(xùn)，這就需要一個(gè)具有三維可視化和模擬功能的更全面的數(shù)字孿生系統(tǒng)?！?/p>

與仿真一樣，也有不同類(lèi)型的數(shù)字孿生。Steve說(shuō)：“

有很多工具被認(rèn)為是數(shù)字孿生。從簡(jiǎn)單的電子表格到先進(jìn)的、具有精確地理空間的可視化平臺(tái)，以及兩者之間的任何組合都可能被歸入這一類(lèi)。”

這些不同類(lèi)型的數(shù)字孿生，

它們?cè)谡{(diào)試和測(cè)試階段的適用范圍是什么？

Mustard解釋道，在某些情況下，能夠查看設(shè)備資產(chǎn)靜態(tài)屬性的3D模型可能就足夠了。而在其它情況下，可能需要覆蓋仿真過(guò)程數(shù)據(jù)或查看完整的現(xiàn)場(chǎng)視圖，以可視化任何調(diào)試活動(dòng)的全部影響。

虛擬調(diào)試用于機(jī)器代碼的早期驗(yàn)證，它使用虛擬仿真技術(shù)來(lái)調(diào)試或測(cè)試具有虛擬模型的控制軟件。

虛擬調(diào)試組件還可以與數(shù)字孿生集成，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化調(diào)試/測(cè)試過(guò)程。

現(xiàn)代高級(jí)數(shù)字孿生能夠?qū)?D模型、靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)或模擬過(guò)程數(shù)據(jù)集成到一個(gè)統(tǒng)一的視圖中。控制器應(yīng)用程序可在數(shù)字孿生上執(zhí)行，運(yùn)行過(guò)程模擬器并在3D視圖中顯示結(jié)果。

這種方法簡(jiǎn)化了調(diào)試/測(cè)試過(guò)程，因?yàn)樗群?jiǎn)單的I/O測(cè)試更能揭示控制器應(yīng)用對(duì)物理世界的影響。

中服云數(shù)字孿生平臺(tái)V3.0

是基于中服云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和數(shù)據(jù)中臺(tái)打造的一款實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)2D/3D集成展示監(jiān)控平臺(tái)，旨在解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的直觀(guān)展示、實(shí)虛互動(dòng)、仿真模擬、故障診斷、告警、預(yù)警、預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等問(wèn)題。提供了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)底座、監(jiān)控邏輯、建模工具、展示互動(dòng)工具、模擬仿真、診斷預(yù)測(cè)等功能，內(nèi)置地球、城市、園區(qū)、工廠(chǎng)、車(chē)間、設(shè)備等多個(gè)場(chǎng)景。具有直觀(guān)性、實(shí)時(shí)性、集成性、主動(dòng)性等特點(diǎn)。可應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控、應(yīng)急指揮、生產(chǎn)調(diào)度、模擬仿真、展示推廣、實(shí)體復(fù)原、產(chǎn)品測(cè)試等多種場(chǎng)景。

審核編輯 黃宇