工业 4.0 和数字孪生

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介绍

没有回头路可走。制造过程正变得越来越数字化。随着这一趋势的发展，许多公司往往难以确定他们应该做些什么来推动和提供运营和战略上的真正价值。事实上，数字解决方案可能会为组织带来巨大的价值，而这些价值在互联智能技术出现之前是无法实现的。最近特别令人着迷的是数字孪生的概念：物理对象或过程的近乎实时的数字图像，有助于优化业务绩效。

直到最近，由于数字技术能力的限制以及高昂的计算、存储和带宽成本，数字孪生及其处理的大量数据对企业来说往往仍然难以捉摸。然而，近年来，这些障碍已大大减少。成本的显著降低以及功率和功能的改进导致了指数级的变化，使领导者能够将信息技术 （IT） 和运营技术 （OT） 结合起来，从而实现数字孪生的创建和使用。

那么，为什么数字孪生如此重要，为什么组织应该考虑它呢？数字孪生可以让公司从设计和开发到产品生命周期结束，对其产品进行完整的数字足迹。反过来，这可以使他们不仅了解设计的产品，而且了解构建产品的系统以及产品在现场的使用方式。随着数字孪生的创建，公司可以通过新产品、改进运营、减少缺陷和新兴的新商业模式来推动收入，从而在加快上市速度方面实现重大价值。

数字孪生可以使公司更快地发现物理问题，以更高的准确性预测结果，设计和制造更好的产品，并最终更好地为客户服务。通过这种类型的智能架构设计，公司可以比以往任何时候都更快地迭代地实现价值和收益。

如果一家公司想一次尝试，创建数字孪生可能是一项艰巨的任务。关键可能是从一个领域开始，在那里创造价值，并继续发展。但首先，企业应该首先了解数字孪生的定义和开发方法，以避免不知所措。在接下来的几页中，我们将讨论数字孪生的定义、创建方式、如何推动价值、在现实世界中的典型应用，以及公司如何为数字孪生规划过程做好准备。

数字孪生：它是什么，为什么它很重要

工业界和学术界以几种不同的方式定义数字孪生。然而，也许这两个小组都没有对数字孪生的过程方面给予必要的重视。例如，根据一些人的说法，数字孪生是竣工产品的集成模型，旨在反映所有制造缺陷，并不断更新以包括使用过程中持续的磨损。其他广为流传的定义将数字孪生描述为物理对象的传感器支持的数字模型，该模型在实时环境中模拟对象。

从根本上说，数字孪生可以定义为物理对象或流程的历史和当前行为的不断发展的数字配置文件，有助于优化业务绩效。数字孪生基于跨多个维度的海量、累积、实时、真实世界的数据测量。这些测量可以在数字世界中创建对象或过程的不断发展的轮廓，从而提供有关系统性能的重要见解，从而导致物理世界中的行动，例如产品设计或制造过程的更改。

数字孪生不同于传统的计算机辅助设计 （CAD），也不仅仅是另一种支持传感器的物联网 （IoT） 解决方案。它可能远不止任何一个。CAD 完全封装在计算机模拟环境中，该环境在复杂环境建模方面取得了一定的成功；更简单的物联网系统测量整个组件的位置和诊断等内容，但不测量组件之间的交互和整个生命周期过程。

事实上，数字孪生的真正力量——以及为什么它如此重要——在于它可以在物理世界和数字世界之间提供近乎实时的全面联系。很可能正是由于产品或流程的真实世界和数字世界之间的这种交互性，数字孪生可能会带来更丰富的模型，从而产生更现实和全面的不可预测性测量。由于更便宜、更强大的计算能力，这些交互式测量结果可以使用现代大规模处理架构和高级算法进行分析，以实现实时预测反馈和离线分析。这些可以实现根本的设计和工艺更改，而这些更改几乎肯定是无法通过当前方法实现的。

从根本上说，数字孪生可以定义为物理对象或流程的历史和当前行为的不断发展的数字配置文件，有助于优化业务绩效。

制造工艺示例

数字孪生旨在对复杂的资产或流程进行建模，这些资产或流程以多种方式与其环境交互，而这些环境很难预测整个产品生命周期的结果。事实上，数字孪生可以在各种环境中创建，以服务于不同的目标。例如，数字孪生有时用于模拟特定的复杂部署资产，如喷气发动机和大型矿用卡车，以监测和评估资产在现场使用时的磨损和特定类型的应力。这种数字孪生可能会产生重要的见解，从而影响未来的资产设计。风电场的数字孪生可以揭示运营效率低下的见解。部署特定资产的数字孪生的其他例子比比皆是。

尽管特定部署资产的数字孪生可能具有洞察力，但制造过程的数字孪生似乎提供了一个特别强大和引人注目的应用。图 1 表示物理世界中的制造过程模型及其在数字世界中的伴生双胞胎。数字孪生可以近乎实时地模拟工厂车间实际发生的情况。分布在整个物理制造过程中的数千个传感器共同捕获各种维度的数据：从生产机械和在制品的行为特征（厚度、颜色质量、硬度、扭矩、速度等）到工厂内部的环境条件。这些数据持续传送到数字孪生应用程序并由数字孪生应用程序进行汇总。

尽管特定部署资产的数字孪生可能具有洞察力，但制造过程的数字孪生似乎提供了一个特别强大和引人注目的应用。

数字孪生应用程序持续分析传入的数据流。在一段时间内，与理想的可容忍性能范围相比，分析可能会发现制造过程在特定维度上的实际性能的不可接受的趋势。这种比较洞察力可能会引发调查，并可能改变物理世界中制造过程的某些方面。

这是物理世界和数字世界之间的交互过程，图 1 试图传达这一点。这一过程凸显了数字孪生的巨大潜力：数以千计的传感器进行连续的、重要的测量，这些测量被传输到数字平台，而数字平台又执行近乎实时的分析，以透明的方式优化业务流程。

NSDT 数字孪生：NSDT 编辑器

图 1 中的模型具体通过五个使能组件（来自物理世界的传感器和执行器、集成、数据、分析和不断更新的数字孪生应用程序）来表达。图 1 的这些构成要素在下面进行了简要说明：

• 传感器—分布在整个制造过程中的传感器产生信号，使孪生体能够捕获与现实世界中的物理过程相关的操作和环境数据。

• 数据—来自传感器的真实操作和环境数据被汇总并结合来自企业的数据，例如物料清单 （BOM）、企业系统和设计规范。数据还可能包含其他项目，例如工程图纸、与外部数据源的连接和客户投诉日志。

• 集成—传感器通过物理世界和数字世界之间的集成技术（包括边缘、通信接口和安全）将数据传送到数字世界，反之亦然。

• 分析—分析技术用于通过算法模拟和可视化例程来分析数据，数字孪生体使用这些模拟和可视化例程来生成见解。

• 数字孪生—图 1 的“数字”方面是数字孪生本身，即将上述组件组合成物理世界和过程的近乎实时的数字模型的应用程序。数字孪生的目标是识别任何不同维度上与最佳条件的不可容忍的偏差。这种偏差是业务优化的案例;要么孪生体在逻辑上有错误（希望没有），要么已经确定了节省成本、提高质量或实现更高效率的机会。由此产生的机会可能会导致回到物理世界的行动。

• 执行器—如果在现实世界中需要某个动作，数字孪生会通过执行器产生动作，在人为干预下触发物理过程。

显然，物理过程（或对象）的世界及其数字孪生模拟比单个模型或框架所能描述的要复杂得多。当然，图 1 中的模型只是一种数字孪生配置，它侧重于产品生命周期的制造部分。但是，我们的模型旨在展示的是物理世界和数字世界配对的集成、整体和迭代质量。正是通过这个棱镜，人们可以开始创建数字孪生的实际过程。

数字孪生和物理-数字-物理循环

图 1 中的数字孪生配置代表了从物理世界到数字世界再到物理世界的旅程。这种物理-数字-物理的旅程或循环是德勤实现工业 4.0 方法的基石。工业 4.0 有时被称为“第四次工业革命”，它广义地描述了一种数字制造环境，它将先进的制造技术与物联网相结合，不仅创造了一个互联的制造企业，而且创造了一个通信、分析和使用信息以推动物理世界的进一步智能行动的企业。

创建数字孪生

但是，如何创建数字孪生呢？一般来说，数字孪生的创建包括两个主要关注领域：

1. 设计产品生命周期中的数字孪生流程和信息需求 — 从资产设计到资产在现实世界中的现场使用和维护

2. 创建使能技术，以集成物理资产及其数字孪生，以实现来自公司核心系统的传感器数据以及运营和交易信息的实时流动，如概念架构中所表达的那样。

数字孪生流程设计和信息要求

数字孪生的创建从流程设计开始。孪生体将针对哪些流程和集成点进行建模？应使用标准流程设计技术来展示业务流程、支持流程的人员、业务应用程序、信息和物理资产如何交互。创建图表，将流程与创建数字孪生所需的应用程序、数据需求和传感器信息类型联系起来。流程设计增加了可以改进成本、时间或资产效率的属性。这些通常构成基线假设，数字孪生增强应从此开始。

数字孪生的关键是关注所考虑资产的整个生命周期中所需的各种信息。以可重用的方式构建信息通常很重要。为此，创建规范数据模型可能很重要。规范数据模型是一种通用的企业标准数据结构。它使不同的系统和应用程序能够连接和交换企业信息。规范结构可以允许与数字孪生集成的各种系统以简单的商定格式进行通信。反过来，这样可以减少必须存储在记录系统之外的信息量，可以消除管理大型主数据结构的需要，并且可以允许公司以多种方式使用数字孪生，更灵活地在与企业集成时不断更新数字孪生， 但不受其负担。

数字孪生概念架构

数字孪生概念架构（图 2）可以正确地视为对构成图 1 中制造过程数字孪生模型的使能组件的扩展或“幕后”观察，尽管相同的基本原则可能适用于任何数字孪生配置。概念架构最好理解为六个步骤的序列，如下所示：

NSDT 数字孪生：NSDT 编辑器

1. 创造： 创建步骤包括为物理过程配备无数传感器，这些传感器测量来自物理过程及其周围环境的关键输入。传感器的测量大致可分为两类：（1）与生产资产（包括多项在建工程）的物理性能标准有关的操作测量，例如抗拉强度、位移、扭矩和颜色均匀性;（2） 影响实物资产运行的环境或外部数据，例如环境温度、气压和湿度水平。可以使用编码器将测量结果转换为安全的数字消息，然后传输到数字孪生。来自传感器的信号可以通过来自制造执行系统、企业资源规划系统、CAD 模型和供应链系统等系统的基于过程的信息进行增强。这将为数字孪生提供广泛的不断更新的数据，用作其分析的输入。

2. 沟通： 通信步骤有助于物理过程和数字平台之间的无缝、实时、双向集成/连接。网络通信是实现数字孪生的根本性变化之一；它包括三个主要组成部分：

3. 边缘处理：边缘接口连接传感器和过程历史数据库，在源附近处理来自它们的信号和数据，并将数据传递到平台。这有助于将专有协议转换为更易于理解的数据格式，并减少网络通信。该领域的重大进展消除了过去限制数字孪生可行性的许多瓶颈。

4. 通信接口：通信接口有助于将信息从传感器功能传输到集成功能。该领域需要许多选择，因为从理论上讲，产生洞察力的传感器几乎可以放置在任何位置，具体取决于所考虑的数字孪生配置：工厂内部、家庭、采矿作业或停车场，以及无数其他位置。

5. 边缘安全：新的传感器和通信功能带来了新的安全问题，这些问题仍在发展中。最常见的安全方法是使用防火墙、应用程序密钥、加密和设备证书。随着越来越多的资产启用 IP，对安全启用数字孪生的新解决方案的需求可能会变得更加迫切。

6. 骨料： 聚合步骤可以支持将数据引入到数据存储库中，并对其进行处理和准备以进行分析。数据聚合和处理可以在本地或云端完成。在过去几年中，为数据聚合和处理提供动力的技术领域发生了巨大的变化，使设计人员能够以更高的敏捷性创建可大规模扩展的架构，并且成本仅为过去的一小部分。

7. 分析： 在分析步骤中，对数据进行分析和可视化。数据科学家和分析师可以利用高级分析平台和技术来开发迭代模型，以生成见解和建议并指导决策。

8. 洞察力： 在洞察步骤中，来自分析的见解通过带有可视化效果的仪表板呈现，突出显示数字孪生模型和物理世界模拟在一个或多个维度上的性能存在不可接受的差异，指示可能需要调查和更改的领域。

9. 做： 在行动步骤中，可以将先前步骤中的可操作见解反馈到物理资产和数字流程中，以实现数字孪生的影响。洞察通过解码器传递，然后被输入到资产流程的执行器中，这些执行器负责移动或控制机制，或者在控制供应链和订购行为的后端系统中进行更新，所有这些都受到人为干预。¹⁷这种交互完成了物理世界和数字孪生之间的闭环连接。

数字孪生应用程序通常使用企业的主要系统语言编写，该语言使用上述步骤对物理资产和流程进行建模。此外，在整个过程中，标准和安全措施可以应用于数据管理和可互操作的连接。

大数据引擎的计算能力、分析技术的多功能性、聚合区域的海量和灵活的存储可能性，以及与规范数据的集成，使数字孪生能够模拟比以往任何时候都更丰富、更不孤立的环境。反过来，这种发展可能会导致更复杂和更现实的模型，所有这些都具有低成本软件和硬件的潜力。

需要注意的是，上述概念架构的设计应具有分析、处理、传感器和消息数量等方面的灵活性和可扩展性。这可以使架构随着市场的持续变化（有时是指数级变化）而快速发展。

数字孪生和数字主线

任何关于数字孪生的有意义的讨论都可能还包括对一个被称为“数字线程”的密切相关概念的讨论。在最高层面上，数字主线是一条连续、无缝的链，它连接了产品生命周期的每个阶段，从设计到制造，再到现场使用。实际上，它提供了有关产品的数据传输的渠道。这些数据（包括存储、随时访问、建模和分析）创造了对生产进行建模和推动高效供应链通信的能力。

当人们想到数字孪生时，人们可能会想到一种“活生生的”现象——一种非静态产品或流程的模型，其目的是优化业务绩效。在很大程度上，数字主线使数字孪生能够通过提供孪生执行分析所需的各种数据来实现这一目的。从这个意义上说，数字孪生的“生命”部分来自数字线程提供的信息。反过来，数字孪生的洞察力可能会导致产品设计或制造过程的变化，从而改变所考虑对象未来迭代的数字主线。¹⁸

推动业务价值

对于任何开始数字化之旅的公司来说，一个紧迫的问题可能是，从创建数字孪生的投资中展示收益并实现价值的明确能力。这种新方法如何导致公司运营和开展业务的方式发生变化，从而带来可衡量的商业价值？过去，创建数字孪生成本高昂且收益有限。随着越来越有利的存储和计算成本的出现，实现数字孪生的用例和可能性的数量大大增加，从而推动了业务价值。

随着越来越有利的存储和计算成本的出现，实现数字孪生的用例和可能性的数量大大增加，从而推动了业务价值。

在考虑数字孪生提供的商业价值时，公司应关注与战略绩效和市场动态相关的问题，包括改进和更持久的产品性能、更快的设计周期、新收入来源的潜力以及更好的保修成本管理。除其他外，这些战略问题可以转化为特定的应用程序，这些应用程序可能会提供数字孪生可能实现的广泛业务价值。表 1 按类别列出了此类值的摘要。

NSDT 数字孪生：NSDT 编辑器

除了上述业务价值领域外，数字孪生还可能有助于解决制造公司的许多其他关键绩效和效率指标。总体而言，数字孪生可能会提供许多应用程序来推动价值，并开始从根本上改变公司的经营方式。这种价值可以通过有形的结果来衡量，这些结果可以追溯到企业的关键指标。

使用案例：开发全生命周期数字孪生

到目前为止，大部分讨论都集中在产品生命周期的制造过程部分的数字孪生模型上。制造过程仅代表一种数字孪生配置。事实上，广泛的数字孪生用例的另一个可行愿景是在产品的整个生命周期内提供基于产品的应用：从创意开发到使用。其中一个例子涉及工业制造商，在现场面临许多质量问题，导致昂贵的维护和高昂的保修责任。制造商试图确定对客户信心和品牌形象产生不利影响的问题的根源。这些问题给制造商的供应网络带来了额外的压力，并在试图解决已发现的问题时增加了成本。

为了解决这些问题，工程和供应网络组织采用了数字孪生方法，旨在解决质量问题并改善与维护保修相关的可持续售后服务。首先，他们决定将“设计”BOM 与制造过程中产生的所有类似信息相结合，称为“制造”BOM。为了帮助区分它们，设计 BOM 由开发和测试元素组成，而制造 BOM 由用于生产产品的设备聚合的元素组成，包括采购零件详细信息和装配详细信息。这些结果使工程师能够运行分析，并提供有关影响质量的生产变化的见解。因此，该团队能够提供意想不到的见解来改进装配过程，将返工减少 15-20%。

有了部分数字孪生工作的信息，售后部门计划很快扩展此用例，以利用数字孪生流程更有效地使用来自现场产品的信息（“维护”BOM），以更好地了解流程变化如何影响应解决的性能变化和改进。从设计 BOM、制造 BOM 和维护 BOM 中获得的完整信息创造了一个“从摇篮到坟墓”的数字旅程，允许进入商业机会的新时代，包括资产可用性管理、备件库存优化、预测性维护和服务。

如何开始

鉴于数字孪生的广泛应用，如何开始？进行数字孪生过程的一个主要挑战可能在于确定创建数字孪生模型的最佳细节水平。虽然过于简单的模型可能无法产生数字孪生所承诺的价值，但采用过于快速和广泛的方法几乎可以保证迷失在数百万个传感器的复杂性、传感器产生的数亿个信号以及理解模型的大量技术中。因此，过于简单或过于复杂的方法可能会扼杀前进的动力。图 3 提供了一种介于两者之间的可能方法。

NSDT 数字孪生：NSDT 编辑器

想象一下各种可能性。 第一步是想象并筛选出一组可以从数字孪生中受益的场景。对于每个组织和情况，正确的方案可能有所不同，但可能具有以下两个关键特征：

1. 所考虑的产品或制造过程对于企业来说足够有价值，可以投资构建数字孪生。

2. 存在未解决的、无法解释的流程或产品相关问题，这些问题可能会为客户或企业释放价值。

创建方案候选名单后，将对每个方案进行评估，以确定可以使用数字孪生提供快速制胜的流程部分。我们鼓励与运营、业务和技术领导层的成员进行有针对性的构思会议，以加快评估速度。

确定进程。 下一步是确定试点数字孪生配置，该配置既具有最高价值，又最有可能成功。在确定哪些配置最适合试点时，请考虑运营、业务和组织变更管理因素。专注于有可能跨设备、站点或技术扩展的领域。公司可能会面临挑战，过于深入地研究高度复杂的设备或制造过程的特定数字孪生，而在整个组织中广泛部署的能力往往会带来最大的价值和支持：专注于广泛而不是深入。

试行一个项目。 考虑使用迭代和敏捷周期快速进入试点计划，以加速学习、主动管理风险并最大限度地提高初始投资回报。试点可以是业务部门的子集，也可以是限制范围的产品，但能够向企业展示价值。在进行试点时，实施团队应支持适应性和开放的心态 - 在旅程的任何时候，维护一个开放且不可知的生态系统，以实现适应性和与新数据（结构化和非结构化）的集成，并利用新技术或合作伙伴。虽然您应该希望与任何类型的数据源（例如，新传感器和外部数据源）无关，但您还需要一个能够支持端到端解决方案（从早期开发到售后）扩展的解决方案。一旦实现了初始价值，请考虑在此基础上继续推动取得更大的成果。将实现的价值传达给更大的企业。

实现工艺工业化。 一旦在现场取得成功，您就可以使用已建立的工具、技术和行动手册将数字孪生开发和部署过程工业化。管理试点团队和其他寻求采用它的项目的期望。开发有关数字孪生流程的见解，并将其发布到大型企业。这可能包括从更加孤立的实施转向集成到企业中、实施数据湖、增强性能和吞吐量、改进治理和数据标准，以及实施组织变革以支持数字孪生。

缩放孪生体。 一旦成功，确定扩展数字孪生的机会可能很重要。以相邻流程以及与试点有互连的流程为目标。利用从试点中吸取的经验教训以及试点期间开发的工具、技术和 playbook 来快速扩展。随着规模的扩大，继续向更大的企业和股东传达通过采用数字孪生实现的价值。

监控和测量。 应监控解决方案，以客观地衡量通过数字孪生提供的价值。确定在周期时间、产量、质量、利用率、事故和每件商品成本等方面是否有切实的好处。以迭代方式对数字孪生流程进行更改，并观察结果以确定最佳配置。

最重要的是，这不是一个在确定、实施和衡量收益后通常应该结束的项目。为了在市场上不断脱颖而出，公司应该计划随着时间的推移在新的业务领域再次经历周期。

总而言之，在数字孪生之旅中实现早期里程碑的真正成功可能取决于发展和维持数字孪生计划的能力，这种方式可以随着时间的推移为企业展示不断增长的价值。为了帮助确保这样的结果，人们可能需要将数字技术和数字孪生集成到完整的组织结构中——从研发到销售——不断利用数字孪生洞察力来改变公司开展业务、做出决策和创造新收入来源的方式。

结论

数字孪生可以为公司带来切实的价值，创造新的收入来源，并帮助他们回答关键的战略问题。凭借新的技术功能、灵活性、敏捷性和更低的成本，公司可能能够以比以往更低的资本投资和更短的价值实现时间开始创建数字孪生的旅程。数字孪生在产品的整个生命周期中有许多应用，可以实时回答以前无法回答的问题，提供几年前几乎不可想象的各种价值。也许问题不在于是否应该开始，而在于应该从哪里开始在最短的时间内获得最大的价值，以及如何在竞争中保持领先地位。第一步是什么，你将如何开始？到达那里可能是一项艰巨的任务，但旅程始于一步。

转载：工业 4.0 和数字孪生 (mvrlink.com)