數字孿生的支撐技術和應用場景--華夏物聯網
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        數字孿生的支撐技術和應用場景

        應用案例
        智造苑
        小智
        2021-11-04
        [ 導讀 ] 數字孿生迅速成為熱潮,源于數字化設計、虛擬仿真和工業互聯網(工業物聯網)等關鍵使能技術的蓬勃發展與交叉融合。數字化設計技術從早期的二維設計發展到三維建模,從三維線框造型進化到三維實體造型、特征造型,產生了諸如直接建模、同步建模、混合建模等技術,以及面向建筑與施工行業的建筑信息模型技術(buildinginformationmodeling,BIM)。三維建模技術不僅用于產品設計階段,并且可以實現三…

          數字孿生迅速成為熱潮,源于數字化設計、虛擬仿真和工業互聯網(工業物聯網)等關鍵使能技術的蓬勃發展與交叉融合。

          數字化設計技術從早期的二維設計發展到三維建模,從三維線框造型進化到三維實體造型、特征造型,產生了諸如直接建模、同步建模、混合建模等技術,以及面向建筑與施工行業的建筑信息模型技術(building information modeling,BIM)。三維建模技術不僅用于產品設計階段,并且可以實現三維工藝設計。產品的三維模型中不僅包括幾何信息、裝配關系,還包括PMI(產品制造信息,包括尺寸、公差、形位公差、粗糙度和材料規格等信息),以及利用這些信息實現MBD(基于模型的產品定義)。為了支持產品三維模型的快速瀏覽,可以從包含三維工藝特征的完整三維特征模型中,抽取出僅包括幾何信息的輕量化三維模型?;谌S造型和三維顯示技術,虛擬現實(VR)技術取得了蓬勃發展,廣泛用于汽車、飛機、工廠等復雜對象的虛擬體驗,包括沉浸式虛擬現實系統Cave,用于產品展示和市場推廣的三維渲染技術,以及基于視景仿真的模擬駕駛技術等。近年來又發展起來增強現實技術,其特點是可以將實物模型和數字化模型融合在一個可視化環境之中,從而實現傳感器數據的可視化,還可以進行產品操作、裝拆及維修過程的三維可視化,實現產品操作培訓、維修維護等應用。

          虛擬仿真技術從早期的有限元分析發展到對流場、熱場、電磁場等多個物理場的仿真,多領域物理建模,對振動、碰撞、噪聲、爆炸等各種物理現象的仿真,對產品的運動仿真,及材料力學、彈性力學和動力學仿真,對產品長期使用的疲勞仿真,對整個產品的系統仿真,以及針對注塑、鑄造、焊接、折彎和沖壓等各種加工工藝的仿真,以及裝配仿真,幫助產品實現整體性能最優的多學科仿真與優化,針對數控加工和工業機器人的運動仿真(其中數控仿真又可以分為僅仿真刀具軌跡,以及仿真整個工件、刀具和數控裝備的運動),還有面向工廠的設備布局、產線、物流和人因工程仿真。如果從仿真的對象來區分,虛擬仿真技術可以分為產品性能仿真、制造工藝仿真和數字化工廠仿真。

          在數字化設計技術和虛擬仿真技術發展和集成應用的過程中,產生了數字原型(digital mockup,DMU)、數字樣機(digital prototyping)、虛擬樣機(virtual prototype)、全功能虛擬樣機(functional virtual prototype)等技術,主要是用于實現復雜產品的運動仿真、裝配仿真和性能仿真。通過對數字樣機進行虛擬試驗,可以減少物理樣機和物理試驗的數量,從而降低產品研發和試制成本,提高研發效率。

          另一方面,隨著傳感器技術和無線通信技術的發展,21世紀以來,物聯網應用越來越廣。除在消費領域應用之外,為了支持高價值工業設備的運行監控和維修維護,工業物聯網(IIoT)開始受到業界廣泛關注。IIoT采集的數據類型和采集頻率比普通的物聯網應用高得多,而應用的數學模型和分析方法也比普通的物聯網應用復雜得多。

          在學術界的研究和GE、西門子等工業巨頭的示范效應驅動下,數字孿生技術開始受到廣泛關注。2016年6月,在西門子工業軟件全球媒體與分析師會議上,西門子應用了數字孿生(digital twin)、數字主線(digital thread)等術語。

          從數字孿生技術的發展背景可以看出,數字孿生模型是相對于其物理模型而言的??梢韵冉底謱\生模型,應用數字孿生模型來進行虛擬試驗,但最終還是要建立物理模型,通過對數字孿生的分析,來優化物理模型的運行。

          除了上述技術,工業大數據、人工智能等技術也是數字孿生的關鍵使能技術。

          「 2.數字孿生在制造業的典型應用場景 」

          數字孿生技術在各個行業有廣泛的應用場景。陶飛教授團隊在《計算機集成制造系統》2018年第1期刊登的“數字孿生及其應用探索”一文中,歸納了14種應用場景,而后又在論文中介紹了數字孿生在航空航天、電力、汽車、石油天然氣、健康醫療、船舶航運、城市管理、智慧農業、建筑建設、安全急救、環境保護等11個領域,45個細分類的應用(圖1)。

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          圖1 數字孿生的工業應用(來源:陶飛教授)

          總體而言,數字孿生在制造業的應用前景廣闊。其中,產品的數字孿生應用覆蓋產品的研發、工藝規劃、制造、測試、運維等各個生命周期,可以幫助企業推進數字化營銷和自助式服務,有助于企業提升維護服務收入,創新商業模式;工廠數字孿生在工廠設計、建造,生產線調試、安裝,工廠運行監控、工業安全等方面都可以對企業帶來價值;數字孿生在供應鏈管理領域也可以應用,例如車間物流調度、運輸路徑優化等。

          數字孿生在制造業的一些典型應用如下:

          1)產品的運行監控和智能運維

          對于能夠實現智能互聯的復雜產品,尤其是高端智能裝備,將實時采集的裝備運行過程中的傳感器數據傳遞到其數字孿生模型進行仿真分析,可以對裝備的健康狀態和故障征兆進行診斷,并進行故障預測;如果產品運行的工況發生改變,對于擬采取的調整措施,可以先對其數字孿生模型在仿真云平臺上進行虛擬驗證,如果沒有問題,再對實際產品的運行參數進行調整。圖2是Ansys的數字孿生技術在風電行業應用的案例。通過應用數字孿生技術,幫助風電企業避免非計劃性停機,實現預測性維護和運行控制與優化。

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          圖 2 Ansys在風電行業的數字孿生應用案例

          數字孿生在航空領域也有相應的應用,由于每臺航空發動機的飛行履歷不同,飛行的環境不同,健康服役的壽命,以及維護歷史差別很大,因此,可以對每臺航空發動機建立其對應的數字孿生模型實施監控。GE航空對于正在空中運行的航空發動機進行實時監控,一旦出現故障隱患,可以通過對數字孿生模型的分析來預測風險等級,及時進行維修維護,顯著提升了飛行安全。GE航空通過數字孿生模型記錄了每臺航空發動機每個架次的飛行路線、承載量,以及不同飛行員的駕駛習慣和對應的油耗,通過分析和優化,可以延長發動機的服役周期,并改進發動機的設計方案(圖3)。

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          圖3 GE航空的數字孿生應用(來源:GE官網)

          在數字孿生應用領域,GE與Ansys公司開展了戰略合作。通過數字孿生技術的應用,實現產品的健康管理、遠程診斷、智能維護和共享服務。通過結合傳感器數據和仿真技術,幫助客戶分析特定的工作條件并預測故障,從而節約運維成本。GE航空通過匯總設計、制造、運行、完整飛行周期的相關數據,預測航空發動機的性能表現:①將發動機傳感器數據與性能模型結合,根據運行環境的變化和物理發動機性能的衰減,構建自適應模型,精準監測航空發動機的部件和整機性能;②將發動機歷史維修數據中的故障模式注入三維結構模型和性能模型,構建故障模型,應用于故障診斷和預測;③將航空公司歷史飛行數據與性能模型結合并融合數據驅動的方法,構建性能預測模型,預測整機性能和剩余壽命;④將局部線性化模型與飛機運行狀態環境模型融合并構建控制優化模型,實現發動機控制性能尋優,使發動機在飛行過程中發揮更好的性能。

          西門子將來自智能傳感器的溫度、加速度、壓力和電磁場等信號和數據,以及來自數字孿生模型中的多物理場模型和電磁場仿真和溫度場仿真結果傳遞到Mindspere平臺,通過進行對比和評估,來判斷產品的可用性、運行績效和是否需要更換備件(圖4)。

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          圖4 西門子的數字孿生應用案例(來源:西門子)

          在復雜裝備的運維方面,可以通過增強現實技術,基于產品的數字孿生模型生成產品操作、裝配或拆卸的三維動畫。在實物環境下,透過各種穿戴設備或移動終端進行示教。PTC提供了先進易用的增強現實應用平臺。

          2)工廠運行狀態的實時模擬和遠程監控

          對于正在運行的工廠,通過其數字孿生模型可以實現工廠運行的可視化。包括生產設備實時的狀態、在制訂單信息、設備和產線的OEE、產量、質量與能耗等,還可以定位每一臺物流裝備的位置和狀態。對于出現故障的設備,可以顯示出具體的故障類型。華龍訊達應用數字孿生技術,在煙草行業進行了工廠運行狀態的實時模擬和遠程監控實踐,中煙集團在北京的機構就可以對分布在各地的工廠實施遠程監控。海爾、美的在工廠的數字孿生應用方面也開展了卓有成效的實踐。

          3)生產線虛擬調試

          在虛擬調試領域,西門子公司及上海智參、廣州明珞等合作伙伴已開展了很多實踐。虛擬調試技術是在現場調試之前,基于在數字化環境中建立生產線的三維布局,包括工業機器人、自動化設備、PLC和傳感器等設備,可以直接在虛擬環境下,對生產線的數字孿生模型進行機械運動、工藝仿真和電氣調試,讓設備在未安裝之前已經完成調試。

          應用虛擬調試技術,在虛擬調試階段,將控制設備連接到虛擬站/線;完成虛擬調試后,控制設備可以快速切換到實際生產線;通過虛擬調試可隨時切換到虛擬環境,分析、修正和驗證正在運行的生產線上的問題,避免長時間生產停頓所帶來的損失。

          虛擬調試技術對企業的價值體現在:早期驗證優化研發+工藝+制造的可行性,減少物理樣機投入成本;減少去用戶現場做機器人調試時間和出錯率,節約差旅成本;虛實融合后為整個工廠的數字孿生打好基礎,工廠建成之后可以與SCADA系統融合,打造基于三維模型的可視化監控系統,實現工廠的數字孿生。

          2019年,羅克韋爾自動化公司并購了Emulate3D軟件,作為羅克韋爾Factorytalk/DesignSuite軟件的一部分,可以實現對整個工廠自動化控制系統進行虛擬仿真和虛擬調試,還可以利用工廠的數字孿生模型對員工進行培訓,降低工廠運營的風險(圖5)。

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          圖 5 Emulate3D和MapleSim虛擬調試平臺

          美的集團旗下的美云智數的MIoT.VC系統(圖6)提供了基于數字孿生的虛擬調試解決方案。其組件庫內置1400多個機器人組件,內置庫卡、ABB、安川、川崎等各主流機器人協議;通過圖形示教,可以快速進行機器人姿態設計、運動路徑干涉檢查和姿態合理性分析;支持機器人姿態和軌跡的離線編程與虛擬調試,與現場設備的實時聯機;支持噴涂、焊接等機器人動作示教、離線編程及虛擬調試。該系統支持OPC UA(OLE for Process Control,OPC; Unified Architecture,UA)和西門子S7兩大工業協議。

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          圖6 美云智數的MIOT.VC虛擬調試系統(來源:美云智數)

          4)機電軟一體化復雜產品研發

          對于高度復雜的機電軟一體化產品,可以在研發階段通過構建產品的數字孿生模型,并通過工程仿真技術的應用加速產品的研發,幫助企業以更少的成本和更快的速度將創新技術推向市場。運用數字孿生技術,能夠綜合利用結構、熱學、電磁、流體和控制等仿真軟件進行單物理場仿真和多場耦合仿真,對產品進行設計優化、確認和驗證,還可以構建精確的綜合仿真模型來分析實際產品的性能,實現持續創新。通過結合創成式設計技術、增材制造技術、半實物仿真技術,可以顯著縮短產品上市周期。

          GE公司認為,從概念設計階段開始推進航空發動機的數字孿生應用,更容易地將設計和結構模型與運行數據相關聯,同時,還有助于優化設計,提高生產效率。精航偉泰測控儀器(北京)有限公司提供了基于模型的衛星數字孿生設計解決方案,可以最大程度地將驗證后的設計模型自動轉化為衛星的物理實現,例如可以根據相關設計模型自動生成星載軟件的代碼。

          5)數字營銷

          對于尚未上市的新產品,通過發布其概念階段的數字孿生模型,讓消費者選擇更喜歡的設計方案,然后再進行詳細設計和制造,這樣有助于企業提升銷售業績。同時,通過構建基于數字孿生模型的在線配置器,可以幫助企業實現產品的在線選配,實現大批量定制。圖7是比特視界(北京)科技有限公司(BITONE)為寶沃汽車開發的在線配置器,可以查看各種配置的外觀和內飾。

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          圖 7 BITONE開發的汽車在線配置器(來源:BITONE)


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