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數(shù)字孿生技術(shù)在3大行業(yè)的重點(diǎn)應(yīng)用！

2023-8-25新聞

數(shù)字孿生技術(shù)在流程行業(yè)、多品種小批量離散行業(yè)以及少品種大批量離散行業(yè)的行業(yè)分析和重點(diǎn)應(yīng)用。多個企業(yè)實(shí)際案例圖，值得收藏分享！

- 文章信息 -

本文引自：《數(shù)字孿生：數(shù)實(shí)融合時代的轉(zhuǎn)型之道》，作者：劉陽、趙旭等。轉(zhuǎn)自于「數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室」。

流程行業(yè)分析

流程行業(yè)具備數(shù)字化基礎(chǔ)好、生產(chǎn)過程連續(xù)、安全生產(chǎn)要求高等特點(diǎn)。目前，數(shù)字孿生應(yīng)用重點(diǎn)聚焦于提升設(shè)備管理、工廠管控和安全管理水平。流程行業(yè)數(shù)字孿生重點(diǎn)應(yīng)用如圖1所示。

圖1 流程行業(yè)數(shù)字孿生重點(diǎn)應(yīng)用

一是基于數(shù)字孿生的全工廠3D 可視化監(jiān)控，如圖2所示。當(dāng)前以石化、鋼鐵為代表的流程行業(yè)企業(yè)已經(jīng)具備了較好的數(shù)字化基礎(chǔ)，很多企業(yè)全面實(shí)現(xiàn)了對全廠設(shè)備和儀器儀表的數(shù)據(jù)采集。在此基礎(chǔ)上，多數(shù)企業(yè)涌現(xiàn)出對現(xiàn)有工廠進(jìn)行3D 數(shù)字化改造的需求。一些企業(yè)通過構(gòu)建工廠3D 幾何模型，為各個設(shè)備、零部件幾何模型添加信息屬性，并與對應(yīng)位置的IoT 數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全工廠行為實(shí)時監(jiān)控。

圖2 基于數(shù)字孿生的全工廠3D 可視化監(jiān)控

二是基于數(shù)字孿生的工藝仿真及參數(shù)調(diào)優(yōu)，如圖3 所示。工藝優(yōu)化是流程行業(yè)提升生產(chǎn)效率的有效舉措，但由于流程行業(yè)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行工藝調(diào)參會面臨安全風(fēng)險，所以工藝優(yōu)化一直是流程行業(yè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)?；跀?shù)字孿生的工藝仿真為處理上述問題提供了解決方案，企業(yè)可以通過在虛擬空間中進(jìn)行工藝調(diào)參驗(yàn)證工藝變更的合理性，以及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 基于數(shù)字孿生的工藝仿真及參數(shù)調(diào)優(yōu)

三是基于實(shí)時仿真的設(shè)備深度運(yùn)維管理，如圖4 所示。傳統(tǒng)設(shè)備預(yù)測性維護(hù)往往只能預(yù)測“設(shè)備在什么時間出現(xiàn)故障”，不能預(yù)測“設(shè)備的哪個關(guān)鍵部位出現(xiàn)了問題”。而基于數(shù)字孿生實(shí)時仿真的設(shè)備監(jiān)測將離線仿真與IoT實(shí)時數(shù)據(jù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真分析，能夠?qū)崟r分析設(shè)備哪個關(guān)鍵部位出現(xiàn)了問題，并給出最佳響應(yīng)決策。

四是基于智能仿真的設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化，如圖5 所示。基于數(shù)字孿生的智能仿真診斷分析，將傳統(tǒng)仿真技術(shù)與AI 技術(shù)結(jié)合，極大地提升了傳統(tǒng)仿真模擬的準(zhǔn)確度。

圖4 基于實(shí)時仿真的設(shè)備深度運(yùn)維管理

圖5 基于智能仿真的設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化

五是基于數(shù)字孿生虛擬仿真的安全操作培訓(xùn)，如圖6 所示。流程行業(yè)具有生產(chǎn)連續(xù)、設(shè)備不能停機(jī)、生產(chǎn)安全等特點(diǎn)，導(dǎo)致無法為新入職的設(shè)備管理、工廠檢修等技術(shù)工程師提供實(shí)操訓(xùn)練環(huán)境。基于數(shù)字孿生的仿真培訓(xùn)為現(xiàn)場工程師提供了模擬操作環(huán)境，能夠快速幫助工程師提升技能，為其真正開展實(shí)際運(yùn)維工作提供基礎(chǔ)訓(xùn)練。

圖6 基于數(shù)字孿生虛擬仿真的安全操作培訓(xùn)

多品種小批量離散行業(yè)分析

多品種小批量離散行業(yè)具備生產(chǎn)品種多、生產(chǎn)批量小、產(chǎn)品附加價值高、研制周期長、設(shè)計仿真工具應(yīng)用普及率高等特點(diǎn)。當(dāng)前，以飛機(jī)、船舶等為代表的行業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用重點(diǎn)聚焦于產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)備管理、工廠管控等方面。可以說，在基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品全生命周期管理方面，多品種小批量離散行業(yè)應(yīng)用成熟度高于其他行業(yè)，如圖7 所示。

一是基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品多學(xué)科聯(lián)合仿真研發(fā)，如圖8 所示。多品種小批量離散行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)涉及力學(xué)、電學(xué)、動力學(xué)、熱學(xué)等多類交叉學(xué)科領(lǐng)域，產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)含量高、研發(fā)周期長，單一領(lǐng)域的仿真工具已經(jīng)不能滿足復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)要求。基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品多學(xué)科聯(lián)合仿真研發(fā)有效地將異構(gòu)研發(fā)工具接口、研發(fā)模型標(biāo)準(zhǔn)打通，支撐構(gòu)建多物理場、多學(xué)科耦合的復(fù)雜系統(tǒng)級數(shù)字孿生解決方案。

二是基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品并行設(shè)計，如圖9 所示。為了更好地提升產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計效率，企業(yè)需要通過組織多個零部件研發(fā)供應(yīng)商協(xié)同開展設(shè)計。同時，為了保證設(shè)計與制造的一致性，企業(yè)需要在設(shè)計階段就將制造階段的參數(shù)設(shè)定考慮其中，進(jìn)而為產(chǎn)品設(shè)計制造一體化提供良好支撐。總之，產(chǎn)品并行設(shè)計的關(guān)鍵是在研發(fā)初級階段就定義好每一個最細(xì)顆粒度零部件的幾何、屬性和組織關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)，為全面構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

圖7 多品種小批量離散行業(yè)數(shù)字孿生重點(diǎn)應(yīng)用

圖8 基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品多學(xué)科聯(lián)合仿真研發(fā)

圖9 基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品并行設(shè)計

三是基于數(shù)字樣機(jī)的產(chǎn)品遠(yuǎn)程運(yùn)維，如圖10 所示。對于飛機(jī)、船舶等高價值裝備產(chǎn)品，基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品遠(yuǎn)程運(yùn)維是必要的安全保障。而脫離了與產(chǎn)品研發(fā)階段機(jī)理算法相結(jié)合的產(chǎn)品遠(yuǎn)程運(yùn)維，很難有效保證高質(zhì)量的運(yùn)維效果。而基于數(shù)字樣機(jī)的產(chǎn)品運(yùn)維將產(chǎn)品研發(fā)階段的各類機(jī)理模型、IoT實(shí)時數(shù)據(jù)、AI 分析相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更可靠的運(yùn)維管理。

圖10 基于數(shù)字樣機(jī)的產(chǎn)品遠(yuǎn)程運(yùn)維

此外，以航天為代表的少數(shù)高科技領(lǐng)軍行業(yè)，除了利用數(shù)字孿生開展綜合決策外，還希望能基于數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)自主控制。特斯拉SpaceX 飛船、我國嫦娥五號、美國國家航空航天局（NASA）航天探測器等均基于數(shù)字孿生開展產(chǎn)品自主控制應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)采集—分析決策—自主執(zhí)行”的閉環(huán)優(yōu)化。

數(shù)字工程：需求與挑戰(zhàn)

少品種大批量離散行業(yè)以汽車、電子等行業(yè)為代表，生產(chǎn)品種少、生產(chǎn)批量大、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、對生產(chǎn)效率和質(zhì)量要求高，多數(shù)企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了自動化。當(dāng)前，少品種大批量離散行業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用場景較多，涵蓋了產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)備管理、工廠管控、物流管理、安全管理等諸多方面，如圖11 所示。

圖11 少品種大批量離散行業(yè)數(shù)字孿生重點(diǎn)應(yīng)用

一是基于虛實(shí)聯(lián)動的設(shè)備監(jiān)控管理，如圖12 所示。傳統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)控僅顯示設(shè)備某幾個關(guān)鍵工況參數(shù)的變化，而基于數(shù)字孿生的設(shè)備監(jiān)控需要建立與實(shí)際設(shè)備完全一致的3D 幾何模型，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)采集或添加傳感器全方位獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，并將各個位置數(shù)據(jù)與虛擬3D 模型一一映射，實(shí)現(xiàn)物理對象與孿生設(shè)備完全一致的運(yùn)動行為，更加直觀地監(jiān)控物流對象的實(shí)時狀態(tài)。

二是基于設(shè)備虛擬調(diào)試的控制優(yōu)化，如圖13 所示。汽車、電子等多品種小批量離散行業(yè)在修改工藝時均需要進(jìn)行設(shè)備自動化調(diào)試，傳統(tǒng)設(shè)備自動化調(diào)試多數(shù)為現(xiàn)場物理調(diào)試，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)時間過長，生產(chǎn)效率降低。而基于數(shù)字孿生的設(shè)備控制調(diào)試能夠在虛擬空間開展虛擬驗(yàn)證，有效縮短了物理調(diào)試時間，減少了物理調(diào)試費(fèi)用。

圖12 基于虛實(shí)聯(lián)動的設(shè)備監(jiān)控管理

圖13 基于設(shè)備虛擬調(diào)試的控制優(yōu)化

三是基于CAE 仿真診斷的產(chǎn)品研發(fā)，如圖14 所示。傳統(tǒng)CAE 仿真是數(shù)字孿生產(chǎn)品設(shè)計的最主要方式，企業(yè)利用這種方式通過仿真建模、仿真求解和仿真分析等步驟評估產(chǎn)品在力學(xué)、流體學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)等多個方面的性能，在不斷的模擬迭代中設(shè)計更高質(zhì)量的新型產(chǎn)品。

圖14 基于CAE 仿真診斷的產(chǎn)品研發(fā)

四是基于離散事件仿真的產(chǎn)線規(guī)劃，如圖15 所示。在傳統(tǒng)的新建工廠或產(chǎn)線的過程中，企業(yè)確定各個設(shè)備的擺放位置、工藝流程的串接均憑借現(xiàn)場工程師的經(jīng)驗(yàn)開展，影響了產(chǎn)線規(guī)劃的準(zhǔn)確率。而基于數(shù)字孿生的產(chǎn)線虛擬規(guī)劃大大提升了產(chǎn)線規(guī)劃準(zhǔn)確率，通過在虛擬空間以“拖拉曳”的形式不斷調(diào)配各個工作單元（如機(jī)器人、機(jī)床、自動導(dǎo)引車等）之間的擺放位置，實(shí)現(xiàn)合理的產(chǎn)線規(guī)劃。此外，在對數(shù)字化產(chǎn)線進(jìn)行虛擬規(guī)劃后，部分領(lǐng)先企業(yè)還將數(shù)字化產(chǎn)線與生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了工廠規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維一體化管理。

圖15 基于離散事件仿真的產(chǎn)線規(guī)劃

五是基于數(shù)字孿生的供應(yīng)鏈優(yōu)化，如圖16 所示。少數(shù)少品種大批量離散行業(yè)企業(yè)構(gòu)建了供應(yīng)鏈數(shù)字孿生應(yīng)用，通過打造物流地圖、添加物流實(shí)時數(shù)據(jù)、嵌入物流優(yōu)化算法等舉措，打造供應(yīng)鏈創(chuàng)新解決方案，持續(xù)減少庫存量和降低產(chǎn)品運(yùn)輸成本。

圖16　基于數(shù)字孿生的供應(yīng)鏈優(yōu)化

六是基于“機(jī)械-電子-軟件”一體化的綜合產(chǎn)品設(shè)計，如圖17所示。如以汽車為代表的產(chǎn)品，正在由傳統(tǒng)個人交通工具朝著智能網(wǎng)聯(lián)汽車方向發(fā)展。在這一發(fā)展趨勢下，新型整車制造除了需要應(yīng)用軟件工具和機(jī)械控制工具，還需要融入電子電氣的功能，進(jìn)而推動汽車發(fā)展朝著電動化、智能化方向演進(jìn)。隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展愈發(fā)成熟，基于“機(jī)械-電子-軟件”一體化的產(chǎn)品綜合設(shè)計解決方案的需求有望不斷加大。