數(shù)字雙胞胎給設備制造商帶來巨大好處

　　數(shù)字化技術正逐漸獲得設備制造商的認可，因為使用數(shù)字雙胞胎進行虛擬調試將降低機器制造的成本。在機器的制造過程中，早期產(chǎn)品設計的好壞會影響后期制造甚至客戶使用效果，如何確保設計方案的合理性是制造的關鍵。在過去，要想在產(chǎn)品早期設計階段發(fā)現(xiàn)全部問題的是很難的，特別是想要先于競爭對手發(fā)布產(chǎn)品。

　　傳統(tǒng)制造商一般在獲得第一個客戶后，再將組件和子系統(tǒng)集成到機器中，然后才會有可能發(fā)現(xiàn)設計的問題，而這個時候再去通知設計進行方案改進，將會導致昂貴的成本，并有可能超過項目的預算。那么，我們應該如何解決這個問題？

　　為了降低這種因設計失誤而引巨大發(fā)損失的風險，制造商開始尋求新的方法，在產(chǎn)品開發(fā)初期采用動態(tài)建模和仿真工具，對機器組件進行虛擬調試，在產(chǎn)品生產(chǎn)之前驗證出所有的設計問題。這種基于物理規(guī)律和經(jīng)驗數(shù)據(jù)的預測模型越來越多地被稱為數(shù)字雙胞胎或虛擬調試。

　　什么是數(shù)字雙胞胎？

　　數(shù)字雙胞胎通常被理解為使用軟件工具來實現(xiàn)裝配線或整個生產(chǎn)可視化。其實，設備在集成到裝配線之前還需要單個機器調試，并允許用戶探討機械如何被驅動系統(tǒng)驅動的，可以理解為將所有單品和整機系統(tǒng)進行全面的模擬。

　　采用這種方法主要是為了幫助設計者在機器開發(fā)調試階段發(fā)現(xiàn)所有問題，并強制性做出設計上的變更，從而最大限度降低整個制造過程的成本。單單從勞動力的層面來說，如果產(chǎn)品在整合和調試階段發(fā)現(xiàn)問題才去補救，將比在概念和設計階段發(fā)現(xiàn)問題多付出100倍的努力來解決。

　　如果在系統(tǒng)交付給客戶后仍然存在問題，那么修復成本就會繼續(xù)增加，整個產(chǎn)品成本就會變得很大，從而造成生產(chǎn)損失、勞動力浪費以及重大名譽損失。

　　因此，采用虛擬調試工具降低成本是設備商的必然選擇，這些成本降低幅度可以從50％到100％不等。然而，大多數(shù)機床制造商仍然認為實物調試階段才是真實的時刻，期望在實際環(huán)境中測試出問題，并把解決這些問題所花費的時間和資金算到經(jīng)營成本的一部分，其實，這是一種很大的浪費。

　　虛擬調試驗證硬件可行性

　　數(shù)字雙胞胎可以被定義為基于物理對象的模型，其包括由來自不同工程領域（機械、電氣、液壓等等）的眾多子系統(tǒng)組成的機器動力學和運動學。數(shù)字雙胞胎的目的是預測機器運行過程，觀察其對輸入功率和負載變化的響應。

　　在這種情況下，虛擬調試就是在數(shù)字雙胞胎將各種子系統(tǒng)整合在一起，然后通過模擬真實工作環(huán)境來測試其運行。從本質上講，這個過程是如同在真實機器上執(zhí)行相同的測試，只是比實物測試更早，而且沒有硬件成本的支出。

　　數(shù)字孿生系統(tǒng)為工程師提供了一個嚴謹?shù)钠脚_，通過數(shù)字雙胞胎可以幫助設計者，在開發(fā)控制系統(tǒng)時連接和測試控制器。然后，通過將控制系統(tǒng)集成起來并在數(shù)字雙胞胎上的實時自動化平臺上運行，工程師也可以在供應商提供組件的情況下，開始基于雙胞胎平臺進行硬件驗證。

　　虛擬化可以降低生產(chǎn)成本

　　在設計初期對機器設備的運行結果進行了解，將有助于降低調試期間的大量成本。例如，基于虛擬模型的執(zhí)行機構選型可以減少小馬達失敗率，并降低采購過大的部件在產(chǎn)生額外成本?？焖贉y試可以觀察機器工作周期的任何變化，捕捉到一個晚期的設計缺陷，這種虛擬調試將能大幅降低企業(yè)的成本。

　　這種基于雙胞胎的設計技術不會一蹴而就，但它代表著先進制造的發(fā)展方向。隨著早期一些使用者將數(shù)字雙胞胎整合到他們的設計和開發(fā)流程中，我們將看到將越來越多的模型，預計未來10年全球數(shù)據(jù)庫和機器學習技術將緊密整合。

　　制造商將虛擬調試運用到的設計過程是數(shù)字化制造轉型最好切入點，可以為降低集成成本和降低產(chǎn)品風險帶來了直接的好處，同時為未來的數(shù)字孿生發(fā)展奠定了堅實的基礎。

　　大數(shù)據(jù)分析減少停機時間

　　數(shù)字雙胞胎可以看作是物理資產(chǎn)的虛擬復制品，但實際上不僅是這樣，數(shù)字雙胞胎是物聯(lián)網(wǎng)、機器學習和人工智能的結合。它不僅可以創(chuàng)造物理設備的復制品，還將分析和預測該設備操作的所有變化。

　　我們已經(jīng)進入一個新時代，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為企業(yè)獲得的重要資源之一，無論是用詞還是設備機器，現(xiàn)在的目標是收集盡可能多的數(shù)據(jù)，以便于檢測趨勢和對特定的情況作出反應，數(shù)字雙胞胎實則上借鑒了大數(shù)據(jù)的趨勢。

　　如果你正在管理一個機器人，那么你需要觀察它的運轉趨勢變化，分析機器停機的早期跡象，然后執(zhí)行預測性維護，以防止機器故障的發(fā)生。越來越多的企業(yè)期望看及早到問題并制定積極主動性的應對方案，在數(shù)字雙胞胎的基礎上，一旦有足夠的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗和足夠的樣本，就有能力轉向預測性的、規(guī)范性的解決方案。

　　數(shù)字雙胞胎不是簡單的機器人或渦輪機，它就像你正在操作的實際機器一樣。數(shù)字雙胞胎匯集了過去運行的經(jīng)驗總結，以及關于物理機器運行的所有數(shù)據(jù)，可以借鑒部分經(jīng)驗來預測何時發(fā)生某種故障或其他不必要的事件，并且可以學習如何避免該事件。

　　數(shù)字化將帶來更多好處

　　在過去，車主在到車庫之前不會知曉輪胎、剎車、發(fā)動機或變速箱的情況，沒法判斷汽車是否需要保養(yǎng)。現(xiàn)在，汽車數(shù)字雙胞胎可以給車主報告，并建議車主何時需要進行更換和維修。正如特斯拉的所有汽車都連接到云端，他們通過車輛上的傳感器收集數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)分析預測，以建立用戶汽車的準確表示，并預測如果一個人執(zhí)行某種行動會發(fā)生什么。

　　利用數(shù)據(jù)分析也可以進一步給車主操作提供合理的建議，例如根據(jù)天氣預測、制造制動器磨損以及下一條曲線的走向來分析，在不使用牽引力控制的情況下，你可以在給定多少速度達到最佳行使。在未來，基于所有收集數(shù)據(jù)的分析，自動駕駛儀將能夠根據(jù)情況降低速度，以防止激發(fā)汽車潛在問題而導致系統(tǒng)崩潰。

　　收集設備或產(chǎn)品的數(shù)據(jù)其實是一項投資，使用這些數(shù)據(jù)可以優(yōu)化設備運行周期時間，可以減少停機時間和提高產(chǎn)量，而且這種投資可能會很快產(chǎn)生回報。在這個新時代，機器人能夠根據(jù)以前的經(jīng)驗優(yōu)化自己或作出正確決定，最終會達到機器人要求優(yōu)化其路徑或尋求在特定情況下執(zhí)行特定操作的權限的效果。

　　數(shù)據(jù)收集是關鍵環(huán)節(jié)，又是一個長期過程，雖然并不知道這些數(shù)據(jù)以后能用來做什么，但可以肯定，這些數(shù)據(jù)的積累將可以為未來提供有力的參考，機器可以采用過去的經(jīng)驗優(yōu)化生產(chǎn)或避免故障。