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数字孪生重塑工业运行模式

工业数字孪生是顺应工业领域数字化、精准化、智能化的发展趋势,通过虚实结合、实时交互联动、智能分析构建起的综合监测及决策能力,推动工业企业及产业链供应链全流程闭环优化的创新应用。
发布时间:2023-12-05 09:31        来源:赛迪顾问        作者:

工业数字孪生是顺应工业领域数字化、精准化、智能化的发展趋势,通过虚实结合、实时交互联动、智能分析构建起的综合监测及决策能力,推动工业企业及产业链供应链全流程闭环优化的创新应用。基于工业数字孪生技术,工业企业可以建立与实体生产设备、工艺流程或完整生产线相对应的数字影像,实时监控生产过程、追踪产品状态、优化工艺参数,并通过大数据分析和智能决策支持进行实时调整,从而实现各环节运营的高度仿真和智能化管理,进而提高自身生产效率、降低运营成本、优化信息和物质资源配置。目前,工业数字孪生已经在汽车、航空航天、化工能源等典型行业顺利实现了落地应用。

数字孪生贯穿工业制造全生命周期

工业数字孪生的发展主要经历了三个阶段:第一阶段为早期探索阶段,数字模拟系统在个别场景下探索应用;第二阶段为概念成熟阶段,标志事件是美国国家航空航天局(NASA)首次提出数字孪生表述;第三阶段为落地应用阶段,工业数字孪生落地方案百花齐放。

目前,随着我国工业互联网创新发展工程的深入实施,以及多项相关政策的出台,工业数字孪生拥有良好的社会环境,落地明显提速。在工业数字孪生领域,现有的解决方案已贯穿工业制造全生命周期,包括对产品研发设计生产进行验证,以及对工业制造设计、制造、运行、维护等问题的解决,可全面提升工业的智能化水平。尽管工业数字孪生稳步发展,但是由于其涉及跨学科知识的综合应用,且工业领域各行业间差异较大,导致模型通用性较差。为实现数字孪生跨企业、跨领域、跨产业的广泛应用,需进一步提升关键技术。

工业数字孪生推动工业转型升级更加精细深入。工业数字孪生是工业领域数字化向精深层次迈进的重要方向,核心要义是深入打通和融合“虚”“实”两个世界、多个系统:一是深入协同实体工厂多个独立网络和独立系统,推动生产制造环节中底层OT和IT的有机融合;二是不断优化数据流动过程,解决数据采集、数据传输、模型构建优化及交互协同等方面的问题,提高数据的质量和可用性;三是持续提升企业内部管控质量与协同水平,建立跨部门的协同机制,优化生产资源的配置。

工业数字孪生催生出新的商业模式。工业数字孪生是关联设备泛在接入、多模态网络通信、工业数据采集与分析、系统集成、虚实融合等多技术方向的综合技术门类,推动不同技术领域的厂商走出碎片化研发方向,进入融合和多元化发展的轨道,逐步形成更加完备的工业数字孪生产业链。同时,由工业数字孪生催生出的工业资产数字化,正成为新的发展方向,目前,不少工业装备厂商正着手通过工业数字孪生技术,在传统实体装备研发售卖的基础上,配套开发出虚拟的孪生“装备”,提高工厂数字孪生建设效率,开辟出虚实产品相结合的新型商业模式。

数字孪生提高工业运行可靠性

工业数字孪生在工业领域的研发、生产、运维等全链条中发挥着越来越重要的作用。

在研发阶段,基于工业数字孪生虚拟调试等核心能力,工业设计方案可以在虚拟数字环境中进行测试和检验,能有效降低产品研发成本,提高产品设计质效。典型应用场景为,汽车制造商在产品开发早期通过工业数字孪生对车辆各项性能指标进行模拟,降低工业研发设计阶段的试错成本,优化整体流程。

在生产阶段,工业数字孪生可以构建实时联动的三维可视化工厂模型,对生产、供应链等流程进行数字化仿真,通过对生产过程的实时监测、数据分析和智能决策,提升产品生产效率与产品良率。典型应用场景为,家电生产商通过构建实时联动的三维可视化工厂模型,对生产、供应链等流程进行数字化仿真,对生产过程进行实时监测,提高产品良率。

在运维阶段,工业数字孪生不仅能预测设备可能发生故障的时间,还能精确定位故障发生的位置,从而极大地提高了运维过程的可预测性、安全性和可靠性。典型应用场景为,风力发电厂通过使用数字孪生技术来监控风机的运行状态,预测维护需求,并基于此制订相应的设备维护及应急计划。

工业数字孪生发展仍面临挑战

工业数字孪生各项标准需进一步完善。工业数字孪生连接制造业实体世界和虚拟世界,若要更加广泛地提升应用质效,需要建立统一的标准规范体系,但目前在落地的各个环节中仍存在较多割裂和不成熟的地方:一是不同解决方案数据采集渠道、数据颗粒度、数据格式和参数等标准不统一,阻碍了系统或模块之间的互联互通;二是不同厂商采用的建模语言和建模工具存在不一致或不兼容问题;三是行业内普适通用的交付验收规范较为缺失,目前各厂商解决方案的落地质量差异性较大。

工业数字孪生应用或出现更多安全问题。工业数字孪生是在网络数据传输的基础上对工厂实体进行的数字仿真。在实际应用过程中,工业数字孪生将较为封闭的工厂系统转变为开放状态,可能会带来更多的网络安全甚至是生产安全问题。一方面,数字孪生的模型交互与数据传输过程中会产生大量繁杂的数据通信和存储需求,在此过程中存在较大的数据泄露风险;另一方面,数字孪生的核心能力之一是资源自组织和工艺自决策,而高自主性同样会带来更多的未知隐患,如系统生产指令下达错误会出现生产安全问题,系统遭受网络攻击会导致关键数据泄露等。

将推动工业运行模式的变革与重塑

工业数字孪生将重塑工业生产与运行模式。工业数字孪生是工业领域虚实融合的闭环优化技术,基于数据和模型,工业数字孪生可以打通工厂生产层、业务层和管理层,以深度的可视化实现生产流程管理、监控与诊断,以高度的数字化畅通企业内部的技术流、资金流、人才流、物资流,将实体工厂的物理行为映射到虚拟工厂,并将虚拟工厂的数字指令反馈到实体工厂。同时,工业数字孪生可以连通供应链上下游,以广泛的协同性推动上下游企业间的产业链、价值链深度交融,最终推动工业运行模式的变革与重塑。

工业数字孪生解决方案将更加成熟完整。工业数字孪生真正下场实践,需要对工业流程中的研发设计、生产制造、管理等流程进行深层次数字化改造,也要在数据和系统层面打通产业链上下游关系。此外,工业各细分领域存在较为明显的需求差异,行业间、客户间解决方案的可复用性较低。未来,工业数字孪生厂商会将更多的研发力量集中在综合性的集成与协同技术上,推出可满足跨区域、跨行业、跨企业、跨部门等需求的高效协同方案。同时,随着工业数字孪生优势的不断显现,预计会有更多客户在工业数字孪生领域投入更多资源,也会推动相关解决方案趋于成熟。

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