不同类型的数字孪生技术比较

过去6年多的数字化热潮带来了一些真正令人兴奋的新技术概念。数字孪生(又称:数字化双胞胎)就是这样的一个概念,它获得了广泛的关注。

原文: https://iot-analytics.com/how-the-worlds-250-digital-twins-compare/ 译:吴若童

什么是 “数字孪生”?

如今很多公司都提供 “数字孪生技术”,大家定义有巨大差异。IoT Analytics最近对 “数字孪生 “进行了深入研究,并发布了一份长达90页的洞察报告。

纵观提供 ” 数字孪生 “技术的公司网站,可以发现,对于 ” 数字孪生 “的定义有很多,但并没有一个公认的定义。

  • 西门子将数字双胞胎定义为 “物理产品或工艺的虚拟表示,用于理解和预测物理对应的性能特征”。
  • 达索系统公司将数字双胞胎技术定义为 “已生产的产品的虚拟表示”。
  • IBM将范围限定为实时数据,并将其定义为 “物理对象或系统在整个生命周期中的虚拟表示,利用实时数据实现理解、学习和推理”。

大多数定义的共同点是, 数字孪生是 “物理系统的属性/行为的数字抽象或表示“。细节中这差异就太大了,可能是一个完全自动化同步,也可能只是一个简单的交互软件。

数字孪生技术的250种分类

IoT Analytics对该课题的研究表明,数字孪生 有3个主要的维度可以划分。

  • 数字孪生 的应用层级(6个层级)。
  • 数字孪生 的生命周期阶段(6个阶段)。
  • 数字孪生 的用途(7种最常见的用途)。

6个层级、6个阶段、7个最常用的用途(6x6x7=252),一共有252种可能的组合,这些组合都描述了数字孪生的不同分类。

数字孪生技术的3个维度

维度1:层级

数字孪生有6个层次的层次。

  1. 信息:信息的数字化表达,如:电子操作指导手册。
  2. 组件:设备组件或物体的其中一部分的数字化表示,例如,机械臂中的螺栓或轴承的虚拟表示。
  3. 产品:组件/部件在产品层面上协同工作时的互操作性的数字表示,例如,旋转机械臂的虚拟表示。
  4. 过程:一组设备在工艺层面共同工作以实现结果,例如,制造生产线工艺的虚拟表示。
  5. 系统:数字化的表示方式,将多个过程和工作流程结为一体,而不仅仅局限于物理对象,在系统层面上实现操作的优化,例如,整个制造系统的虚拟表示方式。
  6. 多系统:多个系统作为一个统一的实体共同工作的数字表示,以数据驱动的方式对关键业务指标进行前所未有的洞察、测试和监控,例如,多个系统的虚拟代表,如工业制造、供应链、交通控制、通信、人力资源等系统的虚拟代表。

维度2:生命周期阶段

这里有6个生命周期阶段的数字孪生应用。

  1. 设计阶段:在设计阶段,收集需求,完成设计(例如,组件、产品、流程或系统)。例如,基于对象属性和参数值,并在此基础上建立虚拟表示。
  2. 构建阶段:构建阶段是根据之前框定的需求,来构建实际的基于软件的数字双胞胎。这个阶段包括数据管理、配置提供、存储库管理和报告等,例如,使用数字孪生兄弟姐妹来虚拟构建和模拟原型,而不需要构建成本更高的物理对等物进行测试。
  3. 运营阶段:运营阶段是实际用户开始在作业操作中使用在线数字双胞胎。典型的操作任务包括提取传感器数据或远程协调设备,例如,从生产线上的旋转机械臂提取实时传感器数据或远程更新设备配置。
  4. 维护阶段:维护阶段包括对硬件、软件和文档进行更改,以支持其运行效果。它包括进行更改以纠正问题、增强安全性或解决用户需求,例如,定期维护任务,如发送系统配置或网络安全的OTA更新等。
  5. 优化阶段:优化阶段需要利用现有的信息和统计方法来进行改善。这可以用来改进设备元素、预测性能或优化操作,例如:通过大量的测试,产生洞察力,帮助预测未来的效能或故障。
  6. 退役阶段:退役阶段包括将数字孪生机从使用中移除。这项活动也被称为系统退役,例如,远程退役不再使用的设备,并将对应的数字孪生机移除。

维度3:用途

数字孪生最常见的7种用途

图3:数字双胞胎的7种常见用途

数字孪生有多种用途,这里重点介绍7种最常见的用途。

  1. 数字化:将信息进行表现。
  2. 可视化:将物理物体的进行视觉化的表示。
  3. 模拟:物理系统在其环境中的模拟模型。(没有硬件交互)
  4. 仿真:物理系统与真实软件的仿真模型。
  5. 提取:物理的实时数据流提取到虚拟模型。(硬件到软件)
  6. 协调:用于虚拟控制/更新物理设备的协调模式。
  7. 预测:预测模型,预测物理系统的未来行为。

典型的数字孪生分类组合示例

虽然根据立方体模型,数字双胞胎在技术上有252种不同的分类,但在现实中并每个组合都有大量应用。我们分析了30多个案例的,发现以下3种是比较常见的应用。

产品×设计×视觉化。

数字双胞胎 = 产品×设计×可视化

公司经常在设计阶段使用数字双胞胎技术将产品可视化,以节省开发最佳设计的时间,并通过建造更少的物理原型来节省成本。物联网分析报告中讨论的一个例子是,为一个新的自动化包装机的虚拟机电一体化设计模型的可视化。

流程×构建×模拟。

数字双胞胎 = 流程×建造×仿真

许多公司在构建阶段使用数字双胞胎技术来模拟他们的流程,以便在发布流程更新(或新流程)投入生产之前,测试和验证所有集成的产品是否符合预期,并按预期工作。IoT分析报告中讨论的一个例子是在发电厂中模拟正在推出的新工艺。

多系统×优化×预测。

数字双胞胎 = 多系统x优化x预测

企业还经常在优化阶段使用数字双胞胎技术来预测多系统的结果,以便在微调和调整当前参数的基础上预测性能提升。例如:对医院的运营场景和工作流程进行预测和优化。

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