對于數(shù)字雙胞胎的含義以及給設(shè)備制造商帶來的好處解析

數(shù)字化技術(shù)正逐漸獲得設(shè)備制造商的認(rèn)可，因?yàn)槭褂脭?shù)字雙胞胎進(jìn)行虛擬調(diào)試將降低機(jī)器制造的成本。在機(jī)器的制造過程中，早期產(chǎn)品設(shè)計的好壞會影響后期制造甚至客戶使用效果，如何確保設(shè)計方案的合理性是制造的關(guān)鍵。在過去，要想在產(chǎn)品早期設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)全部問題的是很難的，特別是想要先于競爭對手發(fā)布產(chǎn)品。

傳統(tǒng)制造商一般在獲得第一個客戶后，再將組件和子系統(tǒng)集成到機(jī)器中，然后才會有可能發(fā)現(xiàn)設(shè)計的問題，而這個時候再去通知設(shè)計進(jìn)行方案改進(jìn)，將會導(dǎo)致昂貴的成本，并有可能超過項(xiàng)目的預(yù)算。那么，我們應(yīng)該如何解決這個問題？

為了降低這種因設(shè)計失誤而引巨大發(fā)損失的風(fēng)險，制造商開始尋求新的方法，在產(chǎn)品開發(fā)初期采用動態(tài)建模和仿真工具，對機(jī)器組件進(jìn)行虛擬調(diào)試，在產(chǎn)品生產(chǎn)之前驗(yàn)證出所有的設(shè)計問題。這種基于物理規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)測模型越來越多地被稱為數(shù)字雙胞胎或虛擬調(diào)試。

什么是數(shù)字雙胞胎？

數(shù)字雙胞胎通常被理解為使用軟件工具來實(shí)現(xiàn)裝配線或整個生產(chǎn)可視化。其實(shí)，設(shè)備在集成到裝配線之前還需要單個機(jī)器調(diào)試，并允許用戶探討機(jī)械如何被驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動的，可以理解為將所有單品和整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行全面的模擬。

采用這種方法主要是為了幫助設(shè)計者在機(jī)器開發(fā)調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)所有問題，并強(qiáng)制性做出設(shè)計上的變更，從而最大限度降低整個制造過程的成本。單單從勞動力的層面來說，如果產(chǎn)品在整合和調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)問題才去補(bǔ)救，將比在概念和設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)問題多付出100倍的努力來解決。

如果在系統(tǒng)交付給客戶后仍然存在問題，那么修復(fù)成本就會繼續(xù)增加，整個產(chǎn)品成本就會變得很大，從而造成生產(chǎn)損失、勞動力浪費(fèi)以及重大名譽(yù)損失。

因此，采用虛擬調(diào)試工具降低成本是設(shè)備商的必然選擇，這些成本降低幅度可以從50％到100％不等。然而，大多數(shù)機(jī)床制造商仍然認(rèn)為實(shí)物調(diào)試階段才是真實(shí)的時刻，期望在實(shí)際環(huán)境中測試出問題，并把解決這些問題所花費(fèi)的時間和資金算到經(jīng)營成本的一部分，其實(shí)，這是一種很大的浪費(fèi)。

虛擬調(diào)試驗(yàn)證硬件可行性

數(shù)字雙胞胎可以被定義為基于物理對象的模型，其包括由來自不同工程領(lǐng)域（機(jī)械、電氣、液壓等等）的眾多子系統(tǒng)組成的機(jī)器動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)。數(shù)字雙胞胎的目的是預(yù)測機(jī)器運(yùn)行過程，觀察其對輸入功率和負(fù)載變化的響應(yīng)。

在這種情況下，虛擬調(diào)試就是在數(shù)字雙胞胎將各種子系統(tǒng)整合在一起，然后通過模擬真實(shí)工作環(huán)境來測試其運(yùn)行。從本質(zhì)上講，這個過程是如同在真實(shí)機(jī)器上執(zhí)行相同的測試，只是比實(shí)物測試更早，而且沒有硬件成本的支出。

數(shù)字孿生系統(tǒng)為工程師提供了一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠脚_，通過數(shù)字雙胞胎可以幫助設(shè)計者，在開發(fā)控制系統(tǒng)時連接和測試控制器。然后，通過將控制系統(tǒng)集成起來并在數(shù)字雙胞胎上的實(shí)時自動化平臺上運(yùn)行，工程師也可以在供應(yīng)商提供組件的情況下，開始基于雙胞胎平臺進(jìn)行硬件驗(yàn)證。

虛擬化可以降低生產(chǎn)成本

在設(shè)計初期對機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了解，將有助于降低調(diào)試期間的大量成本。例如，基于虛擬模型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型可以減少小馬達(dá)失敗率，并降低采購過大的部件在產(chǎn)生額外成本?？焖贉y試可以觀察機(jī)器工作周期的任何變化，捕捉到一個晚期的設(shè)計缺陷，這種虛擬調(diào)試將能大幅降低企業(yè)的成本。

這種基于雙胞胎的設(shè)計技術(shù)不會一蹴而就，但它代表著先進(jìn)制造的發(fā)展方向。隨著早期一些使用者將數(shù)字雙胞胎整合到他們的設(shè)計和開發(fā)流程中，我們將看到將越來越多的模型，預(yù)計未來10年全球數(shù)據(jù)庫和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)將緊密整合。

制造商將虛擬調(diào)試運(yùn)用到的設(shè)計過程是數(shù)字化制造轉(zhuǎn)型最好切入點(diǎn)，可以為降低集成成本和降低產(chǎn)品風(fēng)險帶來了直接的好處，同時為未來的數(shù)字孿生發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

大數(shù)據(jù)分析減少停機(jī)時間

數(shù)字雙胞胎可以看作是物理資產(chǎn)的虛擬復(fù)制品，但實(shí)際上不僅是這樣，數(shù)字雙胞胎是物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的結(jié)合。它不僅可以創(chuàng)造物理設(shè)備的復(fù)制品，還將分析和預(yù)測該設(shè)備操作的所有變化。

我們已經(jīng)進(jìn)入一個新時代，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為企業(yè)獲得的重要資源之一，無論是用詞還是設(shè)備機(jī)器，現(xiàn)在的目標(biāo)是收集盡可能多的數(shù)據(jù)，以便于檢測趨勢和對特定的情況作出反應(yīng)，數(shù)字雙胞胎實(shí)則上借鑒了大數(shù)據(jù)的趨勢。

如果你正在管理一個機(jī)器人，那么你需要觀察它的運(yùn)轉(zhuǎn)趨勢變化，分析機(jī)器停機(jī)的早期跡象，然后執(zhí)行預(yù)測性維護(hù)，以防止機(jī)器故障的發(fā)生。越來越多的企業(yè)期望看及早到問題并制定積極主動性的應(yīng)對方案，在數(shù)字雙胞胎的基礎(chǔ)上，一旦有足夠的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)和足夠的樣本，就有能力轉(zhuǎn)向預(yù)測性的、規(guī)范性的解決方案。

數(shù)字雙胞胎不是簡單的機(jī)器人或渦輪機(jī)，它就像你正在操作的實(shí)際機(jī)器一樣。數(shù)字雙胞胎匯集了過去運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以及關(guān)于物理機(jī)器運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)，可以借鑒部分經(jīng)驗(yàn)來預(yù)測何時發(fā)生某種故障或其他不必要的事件，并且可以學(xué)習(xí)如何避免該事件。

數(shù)字化將帶來更多好處

在過去，車主在到車庫之前不會知曉輪胎、剎車、發(fā)動機(jī)或變速箱的情況，沒法判斷汽車是否需要保養(yǎng)?，F(xiàn)在，汽車數(shù)字雙胞胎可以給車主報告，并建議車主何時需要進(jìn)行更換和維修。正如特斯拉的所有汽車都連接到云端，他們通過車輛上的傳感器收集數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)分析預(yù)測，以建立用戶汽車的準(zhǔn)確表示，并預(yù)測如果一個人執(zhí)行某種行動會發(fā)生什么。

利用數(shù)據(jù)分析也可以進(jìn)一步給車主操作提供合理的建議，例如根據(jù)天氣預(yù)測、制造制動器磨損以及下一條曲線的走向來分析，在不使用牽引力控制的情況下，你可以在給定多少速度達(dá)到最佳行使。在未來，基于所有收集數(shù)據(jù)的分析，自動駕駛儀將能夠根據(jù)情況降低速度，以防止激發(fā)汽車潛在問題而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

收集設(shè)備或產(chǎn)品的數(shù)據(jù)其實(shí)是一項(xiàng)投資，使用這些數(shù)據(jù)可以優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行周期時間，可以減少停機(jī)時間和提高產(chǎn)量，而且這種投資可能會很快產(chǎn)生回報。在這個新時代，機(jī)器人能夠根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化自己或作出正確決定，最終會達(dá)到機(jī)器人要求優(yōu)化其路徑或?qū)で笤谔囟ㄇ闆r下執(zhí)行特定操作的權(quán)限的效果。

數(shù)據(jù)收集是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，又是一個長期過程，雖然并不知道這些數(shù)據(jù)以后能用來做什么，但可以肯定，這些數(shù)據(jù)的積累將可以為未來提供有力的參考，機(jī)器可以采用過去的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化生產(chǎn)或避免故障。