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数字孪生---制造业数智化转型的关键驱动力

2023/05/04


数字孪生——

制造业智能化转型的关键驱动力

随着信息技术的发展,制造技术的进步,人们的物质生活日益丰富,同时对产品的智能化、个性化需求也越来越多。如何提高生产效率,缩短产品上市时间,采取更灵活、柔性的生产模式,提高资源和能源利用率,快速响应市场智能化、个性化、多变的需求是当今全球工业面临的主要问题。为了解决这些问题,全球主要工业强国,纷纷提出各自的智能制造战略愿景规划,像德国提出“工业4.0”,美国提出“制造业复兴计划”,我国提出“中国制造2025”战略。数字孪生技术作为构建元宇宙的核心技术之一,与工业物联网、5G通信、大数据,云计算、人工智能、3D可视化等一系列技术,可以构建出现实世界物体的虚拟镜像,在几何形状、物理模型、行为状态等方面进行模拟、仿真、预测和辅助决策,从而能有效解决上述问题,实现智能制造的愿景。

1.数字孪生的起源

“孪生”的概念起源于美国国家航空航天局的“阿波罗计划”。数字孪生(“Digital Twin”)这一概念由美国的Michael Grieves博士于2002年在密西根大学和NASA的研讨会上提出。在他看来,随着系统的复杂性日益增加,现代产品系统、生产系统、企业系统本质上是都属于复杂系统。为了优化、预测复杂系统的性能,我们需要一个可观测的数字化模型,一个产品的多物理场、综合性的数字化表示,以便于在产品的整个生命周期中维护和重复使用在设计、制造、运营过程中的数字信息,通过分析和挖掘产品或设备的状态数据,传感器数据,操作历史数据,从而实现状态诊断、行为预测,智能调度。此外,通过积累数据库实例,工业大数据分析师可以评估特定系列设备及其部件、并反馈给产品设计师和工艺设计师、用于产品和工艺的持续改进,形成闭环的数字孪生。直到2010年,“Digital Twin”一词在NASA的技术报告中被正式提出;2012年,美国国家航空航天局与美国空军联合发表了关于数字孪生的论文,应用于未来飞行器发展。2015 - 2020年为数字孪生应用萌芽期,各大工业软件巨头纷纷布局数字孪生业务。近2年数字孪生进入了快速发展期,数字孪生与AI、AR/VR等新兴技术融合,广泛应用在各个行业。

2.数字孪生的典型特征

数字孪生的本质是信息建模,旨在为现实世界中的实体对象在数字虚拟世界中构建数字模型,但数字孪生涉及的信息建模已不再是基于传统的底层信息传输格式的建模,而是对实体对象外部形态、内部机理和运行关系等方面的整体抽象描述。其难度和应用效果相较于传统建模呈指数级增长,主要表现为数字孪生可以有多个变身,即根据不同用途和场景构建形态各异的数字模型。