数字孪生 | 5G技术优势和对数字孪生体应用的支撑

2021-02-20 16:01:05
丁杰
数字孪生
全文共约 2375 字,阅读约需 5~8 分钟。
5G与数字孪生体应用的结合,在数字孪生生产、产业、城市和战场等方面,具有广泛的结合点和发展空间,国内外正处于起步和快速发展阶段。我们以位于德国亚琛的“欧洲5G工业园区”实践为例,看两者在生产和产业领域的结合点和发展趋势。

据悉,在数字孪生体的构建和应用过程中,物理对象和其数字孪生体之间,存在着海量的实时数据交互。数字孪生体应用程度和通信网络的支撑是相互促进和提升的关系。例如对于生产装备或无人驾驶汽车的实时控制,就对通信网络的延时和可靠性提出很高要求,而数字孪生体同时又是5G等高标准通信网络应用的重要场景。

01、5G三大应用场景

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来源:数字孪生体实验室原创

作者:丁杰

所谓5G就是第五代通信技术。2015年9月,国际电信联盟ITU正式确认了5G的三大应用场景,分别是eMMB,uRLLC和mMTC。

eMBB,是Enhance Mobile Broadband,增强型移动宽带。这种场景就是现在人们使用的移动宽带(移动上网)的升级版,主要是服务于消费互联网的需求。在这种场景下,强调的是网络的带宽(速率)。

uRLLC,是Ultra Reliable&Low Latency Communication,低时延、高可靠通信。这主要是服务于物联网场景的。例如车联网、无人机、工业互联网等。在这类场景下,对网络的时延有很高的需求。

mMTC,是Massive Machine Type Communication,海量物联网通信。这个也是典型的物联网场景。例如智能井盖、智能路灯、智能水表电表等,在单位面积内有大量的终端,需要网络能够支持这些终端同时接入,指的就是mMTC场景。

这三大应用场景,只有一个是主要为人联网服务的,另外两个都是主要为物联网服务的,所以说5G的物联网属性要强于人联网属性。

02智慧工厂实践案例

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5G和数字孪生体结合催生

网络化自适应智慧工厂的实践案例

5G与数字孪生体应用的结合,在数字孪生生产、产业、城市和战场等方面,具有广泛的结合点和发展空间,国内外正处于起步和快速发展阶段。我们以位于德国亚琛的“欧洲5G工业园区”实践为例,看两者在生产和产业领域的结合点和发展趋势。

园区同步引入了数字孪生体、增材制造等面向未来的数字化技术和制造工艺装备,正在创建一个全球范围内独特的工业生态系统。这些设施配备了最先进的IT和生产系统,因此提供了独特的基础架构,以研究、开发基于5G、融入数字孪生体和增材制造的新一代工业4.0技术。

03园区典型研究领域

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产品全生命周期中的数字孪生

每个产品的所有生产和传感器数据都分别保存在数字孪生体中,因此包含了完整的生产历史。

其中的挑战是伴随零件加工和移动、组装过程的数据采集和传输,为每个记录的数据记录添加明确的位置和时间参考,以便可以正确分配各种传感器数据;例如车间温度,机器振动或设置的过程工艺参数。在发生质量问题或故障的情况下,可以追溯加工过程中错误发生的具体信息。

涡轮零件的批量生产

通过使用实时制造数据,在涡轮零件的批量生产中实现更经济的过程数据链,数据通过标准化接口收集,并且在整个过程链中都可用,以进行仿真和记录。

研究人员开发了一种结构噪声的无线传感器,可检测刀具与材料的接触,刀具的磨损或破损,并可以预警和触发设备保护。不仅如此,研究人员还创建了一个多传感器平台,该平台获得加工加速度、切削力、加工温度、工作扭矩等数据。为信息提供时间戳,对数据进行预处理并通过5G传输。

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融入了5G智能传感技术的增减材制造装备(源自3D科学谷)

燃气轮机叶片的制造和维修

对于燃气轮机叶片的制造和维修,使用了特定应用的虚拟计划工具,例如用于增减材制造和维修过程的过程仿真和过程链重新配置。通过在过程中详细记录实际数据,可以通过优化的计划工具确保数据一致性和计划的透明性。

增减材制造和燃气轮机使用现场产生的大量数据,通过5G网络进行传输和记录,通过数字孪生体所内置的模型和算法进行动态仿真,实现预测性维护。

自适应过程链的可预测性

基于数字孪生体过程链模型的仿真,可以为制造的决策过程和产品优化提供重要信息。软件可以识别并考虑到制造过程中的紧急情况,即使在实际制造第一个组件之前,过程计划者也可以实现高度的工艺优化。

基于5G高速传输,真实数据与相关模拟的不断比较有助于不断改进模型,从而最终改善产品的质量和性能。

模具制造过程中的预测链设计

模具制造的不同过程链构成了评估持续时间、组件质量和制造成本的基础。在此基础上使过程链计划适应不同的制造条件,可以更好地预测制造结果和调整优化。

电池模块的灵活设计和生产

在电池模块的自适应生产中,考虑了给定的限制,例如安装空间、重量和电气特性(能量和功率等)。

激光束焊接被用作连接器元件的制造过程中,在过程中获得的信息和数据在早期就被纳入电池模块的设计中。

集成的技术和配置应用程序为用户提供系统和生产设计,所有这些都可以基于5G的数字方式来实现。

边缘云实现网络化自适应生产

ICNAP的核心是“智能制造网络”,在该网络中,机器、生产系统、数据库和仿真系统是相互通信的,并在云中提供其数据和服务。

除了常见的可商购的云体系结构之外,Fraunhofer为生产应用开发了独立安全的云系统“Virtual Fort Knox”。通过5G网络和移动设备连接到流程,并且可以直接与所有子系统交互,控制它们或查询数据。

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Fraunhofer Virtual Fort Knox云平台

利用这样的分散和模块化系统,可以快速、经济高效地计划、执行、监视和配置制造过程和过程链。这种网络创建了适用于个性化生产的适应性系统,从设计到回收,几乎完整虚拟表示了整个生产链中各个流程和流程的状态。

通过边缘云技术将数据实现双向传输,一个方向传输到实际加工场景中进行加工过程干涉,另外一个方面传输到数字孪生体系统中,使得数字孪生体实现更为精准的过程预测。在此过程中,允许用户在过程中进行交互。通过5G进行通信的可实现性和高带宽,可以实现更好的AR内容质量以及与机器的人机交互性。

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