什么是数字孪生?一个实时而虚拟的表现形式

数字孪生是对象、流程和系统的实时表示,可以帮助企业监管运营、执行预测性维护以及改进流程。

数字孪生的定义

数字孪生是对象、流程和系统的实时而虚拟的表示。虽然数字孪生可以代表纯粹的数字事物,但它们通常是物理和数字领域之间的桥梁。例如,数字孪生可以为工厂、通信网络或物流系统提供可视化数字视图。调研机构 Gartner 表示:“数字孪生的实现是一个封装的软件对象或模型。它反映了一个特定的物理对象、流程、企业、人或其他抽象概念。通过来自多个数字孪生体的汇总数据,以形成一个可跨越多个现实世界实体(例如发电厂或城市)及其相关流程的综合视图。”

数字孪生的好处

这些物理操作的虚拟克隆可以帮助企业监管运营、执行预测性维护,以及当资本需要做采购决策时,为其提供洞察力。它们还可以帮助企业模拟那些由于时间或经济成本过高而无法通过物理资产进行测试的场景、创建长期的商业计划、确认新发明并改进流程。

根据数字产品工程公司 GlobalLogic 的调查,数字孪生提供了五个主要优势:


  1. 加快风险评估和生产时间。数字孪生可以帮助企业在生产产品之前,对其进行虚拟测试和验证。工程师可以使用它们来识别过程故障
  2. 测性维护。企业可以使用数字孪生主动监控设备和系统,以便在它们发生故障之前安排维护,从而提高生产效率
  3. 实时远程监控。用户可以远程监测和控制系统
  4. 更好的团队协作。GlobalLogic 指出,流程自动化和可全天候24小时访问信息系统,可以让技术人员将更多时间用于协作
  5. 更好的财务决策。通过集成财务数据,企业可以使用数字孪生做出更好、更快的调整决策

数字孪生的技术

系统集成商 SL Controls 指出,数字孪生由三个主要元素组成:


  • 历史数据。有关机器、流程和系统过去性能的数据
  • 实时数据。数字孪生接收来自设备传感器的持续更新以及来自平台和系统的输出,如制造设备、客户服务和采购
  • 未来数据。其中包括机器学习和工程师的投入

IBM 表示,当今使用的各类型的数字孪生在很大程度上因其应用领域而有所不同:


  • 组件孪生/零件孪生。这些是数字孪生的基本单元。在这里,孪生代表组件或零件的物理、机械或电气特性
  • 资产孪生。资产是两个或多个协同工作的组件。这些孪生代表组件之间的交互,以创建性能数据
  • 系统或单元孪生。这些孪生反映了构成系统或单元的资产的相互作用
  • 流程孪生。这些孪生代表了系统如何协同工作。例如,流程孪生可能代表整个生产设施

数字孪生vs.模拟

数字孪生可以看作是对物理对象和过程的模拟,但数字孪生与众不同之处在于可实时更新。

系统集成商 SL Controls 表示,模拟允许工程师对物理资产进行测试和评估,但模拟是静态的。输入新参数取决于工程师。数字孪生可以接受来自物理资产、流程或系统的实时更新,允许工程师使用真实环境执行测试、评估和分析工作。

数字孪生软件

数字孪生软件平台结合物联网传感器数据和其他数据来监控资产性能和运行模拟。顾问 Ian Skerrett 表示,可扩展的数字孪生平台具备六个关键特性:


  1. 管理数字孪生生命周期。Skerrett 表示,数字孪生是“数字线程”或“数字母版”的实例,即构成物理资产的需求、部件和控制系统。例如,风电设施的数字线程由工程图、材料清单、软件版本和其他用于创建其工件组成。风电设施数字孪生平台需要利用该数字线程,并提供工具来测试、部署和管理基于数字线程的数字孪生。这些工具需要能够扩展到数百个数字线程和数千个数字孪生
  2. 单一事实来源。平台需要能够更新并为每个数字孪生提供准确的状态。例如,日常维护可能会导致一项资产的部件或固件版本与另一项资产不同。数字孪生平台必须能够在每个对象和资产发生变化时,立即更新至准确状态
  3. 开放 API 。作为工业物联网解决方案的接口和集成点,该平台必须提供一个开放的 API,允许任何系统与之交互
  4. 可视化和分析。该平台必须允许企业创建可视化、仪表板和对来自数字孪生的实时数据的深入分析。实时数据应链接到数字线程
  5. 事件和流程管理。平台必须允许用户创建可以基于平台数据执行的事件和业务流程
  6. 客户和用户视角。该平台需要实现数字孪生的利益相关者之间的协作。它应该反映企业拥有或运营哪些数字孪生,以及允许哪些用户访问数据

数字孪生公司

许多企业正在构建自己的数字孪生,但也有一些流行的平台供应商。以下是较受欢迎的产品:

  • aPriori 数字制造仿真软件
  • Autodesk 数字孪生
  • Ayla 物联网平台
  • AWS 物联网
  • Interfacing Technologies 企业流程中心 (EPC)
  • Oracle IoT 生产监控云
  • GE Predix 平台
  • SAP Leonardo    物联网

数字孪生市场

数字孪生市场正在快速增长。研究公司 Marketsand Markets 表示, 2020 年全球数字孪生市场规模为 31 亿美元,预计到 2027 年将达到 635 亿美元。该公司认为数字孪生是第四次工业革命(或“工业 4.0”)的关键组成部分。

MarketsandMarkets 在报告中指出,“在工业 4.0 中,数字孪生被认为将制造技术与物联网等先进技术相结合,有助于开发互联制造系统。因此,数字孪生技术似乎是一种促进企业实现工作 4.0 的理想解决方案。”

该公司认为,汽车和运输、能源和电力、航空航天和国防垂直领域是数字孪生技术的主要用户。


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