数字孪生:如何理解?如何应用?如何落地?
2023-11-10新闻
当前,数字孪生的各种工具、平台和解决方案如同雨后春笋般涌现,试图掀起数字孪生应用的新浪潮。然而,一些企业并未真正有实质性地投入数字孪生,只是跟风蹭热度,以达到制造影响力,实现融资的目的。那么,到底应当如何理解数字孪生?数字孪生有哪些关键使能技术?数字孪生的典型应用案例有哪些?数字孪生应当如何落地?本文将一一阐述。
本文由e-works编辑部吴星星原创发布。
那么,到底应当如何理解数字孪生?数字孪生有哪些关键使能技术?数字孪生的典型应用案例有哪些?数字孪生应当如何落地?本文将一一阐述。
如何正确理解数字孪生?
1、数字孪生不只是几何的,更是物理的【2】。虽然数字孪生体包含对象的几何信息,但真正显示数字孪生意义的是其物理信息,如产品在运行过程中的状态,物理过程的仿真等。
2、数字孪生不只是静态的,更是动态的【2】。数字孪生的意义本来就不是基于处理静态问题。产品的运行过程都是动态的,只有在对动态问题更深刻认识并施于相应控制,这才是数字孪生最重要的意义所在。
3、数字孪生不仅是对象的,更是环境的、系统的【2】。很多人尚未意识到,数字孪生技术可以仿真人在实际问题中感知不到的某些环境。
4、数字孪生不只是针对产品,还有针对使用者的【2】。例如,除了汽车的数字孪生模型,还需建立驾驶者数字孪生模型,以便在困难情况下基于特定的驾驶者行为反应,能使驾车效果进一步微调。
5、数字孪生数据不只是产生在设计中,且产生在产品全生命周期内【2】。孪生数据不仅产生于产品的设计,而且在产品的制造、运行、维护等全生命周期过程中,都不断地产生孪生数据。
6、一个物理实体不是仅对应一个数字孪生体,可能需要多个从不同侧面或视角描述的数字孪生体【2】。例如,一台机床加工时的振动变形情况、热变形情况、刀具与工件相互作用的情况,需要不同的数字孪生模型进行描述。
7、不同的建模者从某一个特定视角描述一个物理实体的数字孪生模型似乎应该是一样的,但实际上可能有很大差异【2】。一个物理实体可能对应多个数字孪生体。差异不仅是模型的表达形式,更重要的是孪生数据的粒度。
8、数字孪生的关键不仅在于孪生数据的粒度,更在于孪生数据的特别关联【2】。请注意,这里不只是满足于收集的数据更多更细,而且要把这些数据融合起来解决问题。这里融合是关键,意指数据的关联。数据之间缺乏关联,再多再细亦枉然。
9、数字孪生尚无固定的技术体系、模式和方法。到目前为止,数字孪生体的构造方式五花八门【2】。反映物理实体的各种数字模型似乎均可视为数字孪生模型。尽管如此,未来关于数字孪生建模的规律与方法还需众多的实践者去完善和丰富。
10、数字孪生体不能只是物理实体的镜像,而是与物理实体共生【2】。在产品设计开发阶段,数字孪生体是物理实体在“孕育”阶段的“胚胎”。在物理实体系统的运行过程中,各种过程数据又不断地丰富数字孪生模型。在产品运行过程中,孪生模型对获得的数据进行分析或仿真而获得的衍生数据反过来又能够优化控制产品的运行。所以“共生”发生在产品的全生命周期。
11、数字孪生不能只是物理实体的数字表达,它应该是“物理生命体”的数字化描述【2】。“物理生命体”是指“孕育”过程(即实体的设计开发过程)和服役过程(运行、使用)中的物理实体(如产品或装备)。数字孪生体是“物理生命体”在其服役和孕育过程中的数字化模型。
12、数字孪生模型应该先于实物对象产生。这是由于在工业上,研发设计阶段的模型构建是产品全生命周期的起点,目的在于生产出与模型一致的物理产品,要求先有数字模型后有物理实体。
13、数字孪生不仅是可视化。可视化只是数字孪生的呈现,最终还要看数字孪生的真正用途,例如通过对数字孪生模型进行模拟、预测,实现物理实体的运作和优化等。
总之,数字孪生并不是一种单元的数字化技术,而是在多种使能技术迅速发展和交叉融合基础上,通过构建物理实体所对应的数字孪生模型,并对数字孪生模型进行可视化、调试、体验、分析与优化,从而提升物理实体性能和运行绩效的综合性技术策略,是企业推进数字化转型的核心战略举措之一。
数字孪生关键使能技术解析
◉ PTC与罗克韦尔自动化、Ansys展开合作,将Ansys的仿真能力、罗克韦尔的工业自动化硬件设备被融入到了PTC的物联网框架之下,实现了数字孪生能力的融合与贯通。
◉ 西门子与英伟达建立合作伙伴关系,通过连接开放式数字业务平台Xcelerator与3D设计和协作平台Omniverse,形成数字与现实世界精准映射的数字孪生。
◉ Ansys将扩展与微软的合作,包括连接到物联网的数字孪生、自动驾驶和飞行系统开发、以及使用仿真数据训练人工智能/机器学(AI/ML)系统。
◉ 达索系统与IBM为实现可持续发展目标并达成业务连续性,决定将3DEXPERIENCE平台和数字孪生体验,与资产管理、资源优化、环境风险管理和环境、社会和公司治理(ESG)解决方案相结合。
◉ 亚马逊和西门子合作,将IoT TwinMaker与西门子Xcelerator解决方案集成在一起,允许工业用户利用云服务,设计和模拟数字孪生。
典型的数字孪生应用案例
随着基础理论的完善,关键核心技术瓶颈的不断突破,数字孪生应用表现为从最初的单点探索应用转向行业全生命周期的全面渗透,应用价值得到进一步释放,从航空航天、工业设施、发电厂等高价值用例转向汽车、船舶、建筑、医疗等与人们日常需求息息相关的行业。
案例一:特斯拉借助数字孪生
占据行业领先地位【4】【5】
案例二:日本船舶基于数字孪生技术
提高船舶安全性【6】
案例三:电厂运用数字孪生
迈向清洁和可持续【7】
◉ 锅炉数字孪生:一个1000兆瓦机组的锅炉每天消耗近9000吨煤,而提高和保持锅炉的效率可以减少排放。但如何实时确定锅炉的最佳运行设置,以响应燃料特性的变化和波动的电力需求?
锅炉的数字孪生可以检测煤的变化、感知环境条件和电力需求,并确定最佳操作策略,以最大限度地提高热效率并减少锅炉的碳排放。
锅炉数字孪生每年可减少8~10%的氮氧化物的排放,并减少约100万美元的煤炭消耗。同时,锅炉数字孪生也减少了排放控制设备的负载、试剂/化学品的使用,降低了辅助功耗。
◉ 联合循环燃气轮机数字孪生:联合循环发电厂属于更清洁的化石燃料发电厂,其波动的电力需求使其能以较低的热效率运行,但容易受到过程故障的影响。
联合循环燃气轮机数字孪生可以学习过程动态并实时推荐最佳设置,提高热效率。此外,通过早期故障检测喝动态根本原因跟新,联合循环燃气轮机数字孪生可以防止灾难性故障的发生。
◉ 烟气脱硫数字孪生:在美国,燃煤发电产生了大量的SO2,因此烟气脱硫装置势在必行。但由于电力和化学品的要求,烟气脱硫操作非常昂贵。
挑战在于:如何调整烟气脱硫的运行以降低泵送成本和石灰石用量,同时不影响其SOx去除效率,并保持罐中石灰石浆液的PH值?
烟气脱硫数字孪生可以确定提供一致的SOx去除效率所需的最佳操作条件。对于一个1000兆瓦的工厂,这种实时优化每年可节省3000万美元的整体能源和材料成本。
如今,越来越多的发电厂接受数字孪生技术,并从中获益:减少碳足迹和排放量,同时提高全球能源的安全性和可用性。案例四:挪威公共道路管理局
利用数字孪生实现桥梁维护维修【6】
案例五:110千伏数字孪生变电站
让变电站充满智慧【8】
案例六:数字孪生
有助于患者实现个性化医疗【9】
数字孪生如何落地?
特斯拉将数字孪生应用于汽车的设计、生产、使用体验环节,从而占据了行业领先位置;日本船舶借助数字孪生技术实时显示船体状态信息,提高船舶的安全性和效率;电厂采用的数字孪生技术预测当前工厂行为,并做出优化工厂性能的规范性决策;挪威公共道路管理局采用数字孪生预测桥梁的剩余寿命,有助于桥梁的维护维修;变电站通过使用数字孪生技术,提升智能化水平与安全生产能力;个性化医疗基于数字孪生技术,在疾病恶化前进行准确预测、准确检测和精准治疗。
从这些案例中不难看出,数字孪生的应用不应该追求大而全,而是取决于企业期望实现的目标,聚焦于适合企业自身的场景进行应用。目前,制造企业在推进数字孪生应用时,基本有两条战略实施路线【5】,一条是从产品数字孪生开始,基于产品数字孪生,实现虚拟样机、虚拟仿真,缩短产品研发周期,降低产品研发成本;另外一条是从设备和车间数字孪生开始,基于设备和车间数字孪生,实现透明化的装备生产、运维和服务。那么,应当如何落地数字孪生?可以参照以下几个步骤【10】展开:
1、预期目标识别和确认。理想的数字孪生实施方案是基于当前最迫切的需求,从解决企业最紧迫的问题开始。这一阶段需要明确预期的数字孪生技术实施的效果;通过清晰、简洁的列表给出目标,并标注优先级。
2、评估现状。审查达成目标涉及的关键问题并逐个进行分析,审查现有基础设施及技术基础,确定数字孪生技术实施计划;根据项目实施进展的时间段,进行投资成本效益和价值回报分析。
3、实施。以预期的结果为指导,采用科学的方法来实施数字孪生,并根据实施进程逐步建立团队。
4、扩展应用。随着项目的实施,数字孪生应用需要持续改进和完善,以满足未来需求;同时,数字孪生还面临应用功能的扩展,包括将单个环节扩展到全生命周期,或者将更复杂的功能添加到现有的数字孪生中。
当然,在数字孪生的实际应用过程中,企业也会面临数字孪生供应商的选择问题。建议企业综合考虑数字孪生的应用场景和需求,数字孪生产品的功能、特点、扩展性和定制性,数字孪生投入成本的效益,供应商的技术支持和生态系统等因素,来选择适合企业自身需求的数字孪生供应商。总之,任何技术的最终落地,都需要从理论转向实际应用,数字孪生亦是如此。目前,各地政府和一些企业已经对数字孪生技术的应用展开探索,但因成本和技术问题,仍未得到大规模应用。展望未来,随着基础算力的持续提升,随着各类使能技术的蓬勃发展,随着新一代信息技术的普及,数字孪生必将成为社会经济发展的强大数字底座,在越来越多的行业发挥重要价值。
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