5G黑科技之?dāng)?shù)字孿生：未來制造業(yè)的基石

    01 數(shù)字孿生 不僅僅是復(fù)制

    孿生，即雙胞胎；數(shù)字孿生，顧名思義，就是數(shù)字形式的雙胞胎。

    在“數(shù)字孿生”中，雙胞胎中的一個是存在于現(xiàn)實世界的實體，小到零件，大到工廠，簡單如螺絲，復(fù)雜如人體的結(jié)構(gòu)。

    而雙胞胎中的另一個則只存在虛擬和數(shù)字世界之中，是利用數(shù)字技術(shù)營造的與現(xiàn)實世界對稱的鏡像。

    如果以家用電腦為例，Word文檔和打印出來的文稿就是“數(shù)字孿生”。若以導(dǎo)航軟件為例，城市中的實體道路和軟件中的虛擬道路也是“數(shù)字孿生”。

    數(shù)字孿生技術(shù)產(chǎn)生的汽車3D模型

圖片來源：“數(shù)字孿生城市”白皮書

    此外，這個數(shù)字孿生體，不僅是對現(xiàn)實實體的虛擬再現(xiàn)，還可以模擬對象在現(xiàn)實環(huán)境中的行為。因此可以說，數(shù)字孿生是將物理對象以數(shù)字化方式在虛擬空間呈現(xiàn)，模擬其在現(xiàn)實環(huán)境中的行為特征。

    02 數(shù)字孿生有什么用？

    數(shù)字孿生這個概念究竟有什么用呢？

    首先，它可以通過設(shè)計工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等各種數(shù)字化的手段，將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復(fù)制、可轉(zhuǎn)移、可修改、可刪除、可重復(fù)操作的數(shù)字鏡像。

    這極大的加速了操作人員對物理實體的了解，激發(fā)模擬仿真、批量復(fù)制、虛擬裝配等設(shè)計活動。

    過去，在沒有數(shù)字化模型幫助之下，制造一件產(chǎn)品要經(jīng)歷很多次迭代設(shè)計。

    現(xiàn)在，采用了數(shù)字化模型的設(shè)計技術(shù)，就可以在虛擬的三維數(shù)字空間輕松地修改部件和產(chǎn)品的每一處尺寸和裝配關(guān)系，這使得幾何結(jié)構(gòu)的驗證工作和裝配可行性的驗證工作大為簡單，大幅度減少了迭代過程中物理樣機(jī)的制造次數(shù)、時間，以及成本。

    此外，數(shù)字孿生還可以通過采集有限的物理傳感器指標(biāo)的直接數(shù)據(jù)，借助大樣本庫，通過機(jī)器學(xué)習(xí)推測出一些原本無法直接測量的指標(biāo)。由此實現(xiàn)對當(dāng)前狀態(tài)的評估、對過去發(fā)生問題的診斷，以及對未來趨勢的預(yù)測，并給予分析的結(jié)果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。

    例如，針對大型設(shè)備運行過程中出現(xiàn)的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數(shù)據(jù)通過機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練出針對不同故障現(xiàn)象的數(shù)字化特征模型，并結(jié)合專家處理的記錄，將其形成未來對設(shè)備故障狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)判決的依據(jù)，最終形成自治化的智能診斷和判決。

    03 應(yīng)用場景豐富

    1. 數(shù)字孿生，5G應(yīng)用落地強(qiáng)風(fēng)口

    數(shù)字孿生是5G物聯(lián)網(wǎng)時代的一個重要場景應(yīng)用。

    5G網(wǎng)絡(luò)的場景應(yīng)用包括：eMBB（高帶寬）、mMTC（大聯(lián)接）、URLLC（高可靠&低延遲）。海量的應(yīng)用場景和模式都是在這三者的基礎(chǔ)上衍生出來的。

    eMBB全面提升網(wǎng)絡(luò)速度，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)體驗；mMTC鏈接更多的智能終端，實現(xiàn)萬物互聯(lián)；URLLC因其高可靠性和低延時，應(yīng)用于自動駕駛、移動醫(yī)療等精度要求高的行業(yè)。

    數(shù)字孿生便是上述應(yīng)用場景的衍生之一。

    5G衍生賦能產(chǎn)業(yè)鏈

數(shù)據(jù)來源：“數(shù)字孿生城市”白皮書，國泰君安證券研究

    目前，數(shù)字孿生技術(shù)多用于工業(yè)制造領(lǐng)域，尤其是汽車、電子制造領(lǐng)域。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是全球工業(yè)系統(tǒng)與高級計算、分析、感應(yīng)技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)連接融合的結(jié)果， 催動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)走向完善的關(guān)鍵技術(shù)很多，然而最能體現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“助燃劑”5G拉動作用的就是數(shù)字孿生。

    未來工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)最核心的應(yīng)用基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，無論是在生產(chǎn)線上的工業(yè)設(shè)備，還是城市里的垃圾箱、電燈桿，都需要采集出來并映射到數(shù)字世界，數(shù)字孿生因此不可或缺。

    2. 數(shù)字孿生幫助制造業(yè)效能大幅提升

    推進(jìn)設(shè)計和制造高效協(xié)同

    在數(shù)字孿生模型中，所需要制造的產(chǎn)品、制造的方式、資源以及地點等各個方面可以進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃，將各方面關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)設(shè)計人員和制造人員的協(xié)同。

    一旦發(fā)生設(shè)計變更，可以在數(shù)字孿生模型中方便地更新制造過程，將完成各項任務(wù)所需的時間以及所有不同的工序整合在一起，進(jìn)行分析和規(guī)劃，直到產(chǎn)生滿意制造過程方案。

    確保設(shè)計和制造準(zhǔn)確執(zhí)行

    在數(shù)字孿生模型中對不同的生產(chǎn)策略進(jìn)行模擬仿真和評估，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計學(xué)技術(shù)，快速找出有空檔時間的工序。

    調(diào)整策略后再模擬仿真整個生產(chǎn)系統(tǒng)的績效，進(jìn)一步優(yōu)化實現(xiàn)所有資源利用率的最大化，確保所有工序上的所有人都盡其所能，實現(xiàn)盈利能力的最大化。

    舉個例子來說，數(shù)字孿生車間就是數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)的典型應(yīng)用，也是突破制造的物理世界和信息世界之間的交互與共融瓶頸的典型實例。

    數(shù)字孿生車間主要由物理車間（Physical Workshop）、虛擬車間（Cyber Workshop）、車間服務(wù)系統(tǒng)（Workshop Service System: WSS）、車間孿生數(shù)據(jù)（Workshop Digital Twin Data）四部分組成。其中：

    物理車間是車間客觀存在的實體集合，主要負(fù)責(zé)接收WSS下達(dá)的生產(chǎn)任務(wù)，并嚴(yán)格按照虛擬車間仿真優(yōu)化后的預(yù)定義的生產(chǎn)指令，執(zhí)行生產(chǎn)活動并完成生產(chǎn)任務(wù)；

    虛擬車間是物理車間的忠實的、完全數(shù)字化鏡像，主要負(fù)責(zé)對生產(chǎn)計劃／活動進(jìn)行仿真、評估及優(yōu)化，并對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)測、預(yù)測與調(diào)控等；

    WSS是數(shù)據(jù)驅(qū)動的各類服務(wù)系統(tǒng)功能的集合或總稱，主要負(fù)責(zé)在車間孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動下對車間智能化管控提供系統(tǒng)支持和服務(wù)，如對生產(chǎn)要素、生產(chǎn)計劃/活動、生產(chǎn)過程等的管控與優(yōu)化服務(wù)等；

    車間孿生數(shù)據(jù)是物理車間、虛擬車間和WSS相關(guān)的數(shù)據(jù)，以及三者數(shù)據(jù)融合后產(chǎn)生的衍生數(shù)據(jù)的集合，是物理車間、虛擬車間和WSS運行及交互的驅(qū)動。

    3. 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用場景暢想

    數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用場景非常龐大，在未來，它會在多個方面改變我們的工作和生活，應(yīng)用場景涉及各個方面。

    智慧城市管理

    把數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到智慧城市管理上，會讓城市更安全。街道、社區(qū)、娛樂、商業(yè)，甚至是電力線、變電站、污水系統(tǒng)、供水排水系統(tǒng)等，都會有數(shù)字孿生體，從而可以更輕松便捷地監(jiān)控管理城市的每個地方。

    工業(yè)設(shè)備監(jiān)控

    工廠中的設(shè)備都可以通過數(shù)字孿生技術(shù)復(fù)制出來。我們可以利用數(shù)字孿生設(shè)備了解設(shè)備內(nèi)部的運行機(jī)制。數(shù)字模型和實體設(shè)備一起使用，我們可以知道設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，提高故障預(yù)判和維修效率。

    健康管理

    個人的數(shù)字孿生體可以通過醫(yī)療檢測、掃描儀器、可穿戴設(shè)備來復(fù)制。比智能手環(huán)更智能的是，我們可以得到數(shù)字孿生體每一部位的運動變化數(shù)據(jù)，更加有效地管理個人健康。

    大腦活動的監(jiān)控與管理

    人腦非常復(fù)雜，大腦的活動更加不容易追蹤研究。大腦的思考方式、運動感知功能都是科研人員研究的重難點。將數(shù)字孿生技術(shù)用在大腦研究上，以后可以幫助治療腦部疾病患者。

    雖然總體來看，數(shù)字孿生技術(shù)還處在早期階段，但可以肯定的是，在數(shù)字時代的未來，數(shù)字孿生將完全改變我們發(fā)現(xiàn)、認(rèn)知和改造世界的方式，未來世界大有可為。

    數(shù)字孿生是5G賦能產(chǎn)業(yè)鏈上的重要一環(huán)。數(shù)字孿生作為5G衍生應(yīng)用，加速了物聯(lián)網(wǎng)的成型和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)字化，這與5G三大場景之一的萬物互聯(lián)需求強(qiáng)耦合。此外，數(shù)字孿生還是5G推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中的助燃劑，5G時代數(shù)字孿生不可或缺。