工业 5.0 时代的数字孪生：迈向高效和可持续的智能工厂

原文作者：Livio Mariano

Altair 全球仿真数据与数字孪生系统开发总监

数字孪生（物理机器或流程的虚拟代表）正在彻底改变工业物联网和流程监控。这项新兴技术可实现实时模拟，提高效率、可持续性并降低成本。航空航天和汽车等行业已经从这些创新系统中获益匪浅

数字孪生是数字模拟器的演变，因此，它的概念是实体的数字模型，无论是物理的还是虚拟的，简单的还是复杂的，以及系统的系统。数字孪生超越了模拟的范畴，因为它可以与真实系统并行、实时运行，成为一个真实的数字参考，不断接收真实系统接收的相同数据，并不断通过系统本身产生的输出进行验证。

这种新兴技术，注定会改变许多工业领域的格局，是实现数字化转型的重要因素。

莱昂纳多公司（Leonardo）的直升机是数字孪生系统应用的典范。通过传感器、超级计算、云和带宽的融合，虚拟平台可以对真实平台所需的性能和安全标准进行持续监控和验证。这种方法可以复制，用于研究任何系统在不同运行条件下的行为：无论是飞机、卫星、基础设施还是整个工业厂房。

机器-数字连续体

在真实的直升机和它的完美复制品——数字孪生体之间建立了一个机器-数字连续体，数字孪生体模拟直升机的行为、改装、故障以及与真实环境的互动。运行中的直升机记录了多达 3,000 种不同的飞行参数，而莱昂纳多的数字基础架构系统（其引擎是 davinci-1 HPC）则使这种互联成为可能。

所处理的数据是一座信息宝库，可在各个阶段扩展直升机的潜力和能力，在节省设计和测试时间、生产成本和环境影响方面具有明显的优势。此外，新的可能性还扩展到飞行员和维护人员的培训，通过模拟飞行任务的每一个细节，直到通过模拟认证，一架直升机甚至在制造出任何部件之前就能通过认证。

数字孪生如何改变智能工厂的面貌？

Gartner 已将数字孪生列为未来十年推动技术创新的五大新兴趋势之一。事实上，数字孪生使智能工厂能够开发新的商业机会，它已经成为工业 4.0 的关键要素之一，并将在向日益智能化、可持续发展和弹性工厂模式（典型的工业 5.0，以人为本）过渡的过程中发挥战略性作用。

什么是数字孪生？

根据 Ambrosetti 的研究，数字孪生是 “复杂物体或系统的交互式数字副本，可以对其行为进行分析、模拟和预测”。因此，“数字孪生 ”是物理系统的互联虚拟复制品，借助人工智能（AI）和机器学习（ML）算法，数字对象与传感器获取的真实数据之间的持续交换使实时复制其行为和优化其运行成为可能。

数字孪生技术得益于四种技术的融合应用：物联网、人工智能、大数据和高性能计算（HPC）。这些技术与超高速连接和用户体验设计（UX Design）系统相结合，使最终用户能够轻松使用。

数字孪生的增长

Straits Research 的研究显示，全球数字孪生市场正在稳步增长：从 2022 年的 97 亿美元，预计到 2031 年将达到 1850 亿美元，2023-2031 年的复合年增长率为 38.8%。市场份额最高的是汽车和运输领域，但数字孪生也应用于许多其他领域，从能源到航空航天，从基础设施到智能城市和零售。

在意大利，与当前情况相比，在制造业中系统地使用数字孪生将使生产率提高 4.5%，为国内生产总值贡献 120 亿欧元（+0.7%）。此外，根据 Atos Italia 开展的 “数字孪生促进转型 ”研究，能源账单成本将减少 16% 至 33%，产品上市时间将缩短 35%，温室气体排放量将减少 3040 万吨二氧化碳。

数字孪生为智能工厂带来的好处

数字孪生技术彻底改变了物理资产的整个生命周期，从设计到生产，从运行寿命到维护和报废。它可以降低开发成本，提高产品可靠性，为客户提供支持，预测异常行为，降低风险和低效率，并增强公司的竞争力。

航空航天与国防领域和数字孪生公司

凯捷研究院（Capgemini Research Institute）最新发布的一份题为 “镜像现实：航空航天与国防领域的数字孪生”（Mirroring Reality: Digital Twins in Aerospace and Defence）的报告显示，在上一财年，航空航天与国防领域的企业对数字孪生的投资增长了 40%，占其营业额的 2.7%。之所以取得这样的成果，是因为人们对这项技术的能力越来越有信心，相信它不仅能在产品设计阶段带来效益，还能在从制造到日常运营的整个价值链中带来效益。三分之二的受访企业还提到了数字孪生技术在实现可持续发展目标方面的优势。

该报告强调了一个日益增长的趋势，即研发机构正在转向数字孪生技术，以在其数字化转型之路上取得进展，实现数字化连续性并使其运营智能化。凯捷研究院此前曾对所有主要行业对数字孪生的兴趣进行过研究分析，在此基础上，研究发现 73%的 A&D 企业目前已为此类技术制定了长期路线图，而一年前这一比例仅为 57%。

数字孪生的驱动因素和优势

研究显示，投资数字孪生的主要驱动因素包括技术进步（78%）、降低成本（71%）、缩短上市时间（70%）、提高销售额（63%）和为员工创建先进的培训系统（68%）。

航空业历来是碳密集度极高的行业，仅在 2018 年就产生了超过 10 亿吨的二氧化碳。许多公司正在意识到数字孪生在减少碳足迹方面可以发挥的关键作用，每三家企业中就有两家（67%）表示，提高对可持续发展方面的关注是其投资数字孪生的主要驱动力，而 2022 年这一比例仅为 60%。

继汽车行业不断努力之后，航空领域的公司也将氢燃料和电动电池作为推动脱碳的手段。然而，对于这两种方案，工程师需要在开发的早期阶段对一系列方案进行评估。

研究表明，75% 的航空和研发机构表示，数字孪生可以在产品开发和运营的早期阶段立即增加价值，因为该技术可以让工程师批准设计过程的几乎每个阶段，减少原型设计和测试的时间和成本。此外，数字孪生还能提高现有发动机的效率，从而大幅减少碳排放。

效率和数据管理

近一半（47%）的受访企业认为，在设计阶段实施数字孪生技术将在短期内带来效益，39%的受访企业认为这项技术还将优化供应链，33%的受访企业认为这项技术将为生产工程提供支持。

供应链问题已经影响到所有行业，包括航空与国防。开发虚拟网络环境，对产品在供应链中的性能和流动进行建模、模拟、监控和分析，可为应对未来中断和优化当前运营带来诸多好处。此外，报告还发现，五分之四（81%）的受访者认为数字孪生可提高系统和设备的可用性和可靠性，同时 73% 的受访者认为数字孪生可优化生产速度。

报告强调，智能数字基础设施和良好的数据管理对于充分挖掘数字孪生的潜力至关重要，78% 的原始设备制造商（OEM）和一级供应商同意这一观点，他们已经启动了数字孪生计划。然而，近 60% 的组织仍将缺乏统一的数据平台作为实施该技术的挑战之一。

航空航天公司开始认识到，数字孪生的价值远不止为产品和解决方案创建三维模型这么简单。数字孪生的真正潜力在于能够精确模拟从设计到制造再到实际操作和应用的每一个创造过程阶段。许多组织目前使用的三维模型只是静态图像，而功能完备的数字孪生的实现就像一部实时的、不断发展的电影。

数字孪生和人工智能：未来会怎样？

由于人工智能和机器学习的发展，数字孪生已经从模拟器发展成为一个混合系统，能够预测指标的行为，并以更少的时间和费用复制复杂的环境，如整个车间。

从工业 5.0 的角度来看，通过便携式设备和传感器收集数据也将成为可能，从而为工人提供更好、更安全的环境。数字孪生技术的采用将能更有效地利用资源，减少浪费，量化生产对环境的影响，帮助企业变得更加可持续和智能。

Altair（纳斯达克股票代码：ALTR）是计算智能领域的全球领导者之一，在仿真、高性能计算 (HPC) 和人工智能等领域提供软件和云解决方案。Altair 能使跨越广泛行业的企业们在连接的世界中更高效地竞争，并创造更可持续的未来。

公司总部位于美国密歇根州，服务于 16000 多家全球企业，应用行业包括汽车、消费电子、航空航天、能源、机车车辆、造船、国防军工、金融、零售等。

欲了解更多信息，欢迎访问公众号：Altair 澳汰尔