最近,国内一些软件研发的头部企业对数字孪生技术十分关注,在个别领先的企业已经进入了实施阶段。
数字孪生被形象地称为“数字化双胞胎”,是智能工厂的虚实互联技术,从构想、设计、测试、仿真、生产线、厂房规划等环节,可以虚拟和判断出生产或规划中所有的工艺流程,以及可能出现的矛盾、缺陷、不匹配,所有情况都可以用这种方式进行事先的仿真,缩短大量方案设计及安装调试时间,加快交付周期。
数字化孪生技术也称为数字双胞胎技术,它是将带有三维数字模型的信息拓展到整个生命周期中的影像技术,最终实现虚拟与物理数据同步和一致,它不是让虚拟世界做现在我们已经做到的事情,而是发现潜在问题、激发创新思维、不断追求优化进步——这才是数字孪生的目标所在。
数字孪生技术帮助企业在实际投入生产之前,即能在虚拟环境中优化、仿真和测试,在生产过程中,也可同步优化整个企业流程,最终实现高效的柔性生产、实现快速创新上市,锻造企业持久竞争力。
数字孪生技术是制造企业迈向工业4.0战略目标的关键技术,通过掌握产品信息及其生命周期过程的数字思路将所有阶段(产品创意、设计、制造规划、生产和使用)衔接起来,并连接到可以理解这些信息并对其做出反应的生产智能设备。
数字孪生的概念最早由密歇根大学的Michael Grieves博士于2002年提出,至今已经接近20年,Michael Grieves与NASA有长期合作关系。
在自动化生产线建设投资大、周期长,自动化控制逻辑复杂,现场调试工作量大的领域,数字孪生技术就可以大显身手。比如在航天领域,成本昂贵的航天器的研发和运营,必须依赖于数字孪生技术;进入研发阶段,同样需要运用数字孪生技术来降低物理样机的成本;到了运营阶段,要对航天器进行远程状态监控和故障监测,这依然离不开数字孪生技术。这也是后来NASA把数字化双胞胎(即数字孪生)作为关键技术的原因。
如果不采用数字孪生技术,那些投资巨大、周期较长、更改成本高的自动化生产线建设,在现实中将举步维艰。因为按照生产线建设的规律,只有发现问题早,整改成本才低,因此有必要在庞大的生产线正式生产、安装、调试之前,运用数字孪生技术,在虚拟的环境中对生产线进行反复的模拟调试,全面评估生产线的可行性,将可能出现的问题,在物理样机建造前予以解决。
在产品生产之前,就可以通过虚拟生产的方式来模拟在不同产品、不同参数、不同外部条件下的生产过程,实现对产能、效率以及可能出现的生产瓶颈等问题的提前预判,加速新产品导入的过程。将生产阶段的各种要素,如原材料、设备、工艺配方和工序要求,通过数字化的手段集成在一个紧密协作的生产过程中,并根据既定的规则,自动地完成在不同条件组合下的操作,实现自动化的生产过程。
目前推行数字孪生的制造企业,基本有两条战略实施路线。
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,一条是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。