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最近一段时间,数字孪生技术一直戴着光环被工业互联网业界所探讨。但从国内的实践来看,成功应用并给企业发展带来实质性好处的案例并不多见。一方面,企业觉得技术很酷炫;另一方面,企业觉得该技术成本高的同时,对实时数据依赖性强,一旦数据不准,结论也不可靠,应用风险大。数字孪生技术到底是不是华而不实的镜中花成为业界讨论的热点话题。

技术处于创新触发阶段

尽管gartner曾在2018年将数字孪生列为当年的十大战略技术趋势之一,但数字孪生并不是一项全新的技术。

早在nasa的阿波罗项目中,nasa就制造了两个完全相同的空间飞行器,可谓物理孪生,留在地球上的飞行器称为孪生体(twin)。这个孪生体,在飞行准备期间被应用于训练;在任务执行期间进行仿真实验,该孪生体尽可能精确地反映和预测正在执行任务的空间飞行器的状态,从而辅助航天员在紧急情况下做出最正确的决策。

而数字孪生,则是通过实体和虚体之间的映射,及时、准确、深入地在虚体世界反映实体的状态和行为。

“数字孪生是指在数字化时代,通过数字化来描述整个产品的设计、开发、制造和服务的全生命周期过程,并通过数字化的手段连接产品生产制造和运行环境,实时反映产品的状态,达到‘与物理产品等价的虚拟数字化表达’的数字孪生效果。”北京索为云网科技有限公司数字孪生部经理尚炜向《中国电子报》记者表示。

2012年,nasa发布的“建模、仿真、信息技术和处理”路线图中,数字孪生被正式带入公众的视野。之后,数字孪生从概念模型阶段步入初步的规划与实施阶段。2015年,美国ge公司计划基于数字孪生,并通过predix平台,采用大数据、物联网等先进技术,实现对发动机的实时监控、及时检查和预测性维护。

最近几年来,数字孪生在理论层面和应用层面均取得了快速发展,同时应用范围也逐渐从产品设计阶段向产品制造和运维服务等阶段转移。模型轻量化、mbd、基于物理的建模等模型数字化表达技术逐渐成熟并得到广泛应用,大数据、物联网、移动互联网、云计算等新一代信息与通信技术的快速普及与应用,大规模计算、高性能计算、分布式计算等计算机科学技术的快速发展,以及机器学习、深度学习等智能优化算法的不断涌现,使得产品动态数据的实时采集、可靠与快速传输、存储、分析、决策、预测等成为可能,为虚拟空间和物理空间的实时关联与互动提供了重要的技术支撑,数字孪生的形态和概念不断丰富。

不过,在应用方面,数字孪生还有很长的路要走。

“数字孪生技术目前处于创新触发阶段,这本身就意味着低使用率,目前主要局限于研究机构和公司的研发部门。从技术周期的规律来看,新兴技术可能要在未来的5~10年才能达到被广泛应用的程度。”尚炜表示,“数字孪生技术有着诸多的技术难点,从落地的角度来看,发展还处于起步阶段。有一件事是肯定的:数字孪生将会在未来几年里以不同的解决方案来应对不同的挑战。尽管数字孪生尚处于发展初期,也必然面对一些阶段性的问题,但前途无疑是光明的。”

中小企业为何用不起?

数字孪生通过实体和虚体之间的映射,使得企业可以基于实时数据进行设计迭代、故障诊断、流程优化等,同时在实体世界中也可以借助虚体数据实现控制优化、精准执行等。因此,数字孪生技术在工业领域有着非常广阔的应用场景。

不过,从目前的发展情况来看,对数字孪生技术的大规模采用由大型制造公司主导。几乎所有的行业都可采用某种形式的数字孪生技术,但兴趣最大的可能是工业设备(如加热和冷却系统、泵送液压系统等)和能源行业(如风力涡轮机、石油和天然气等)。

“数字孪生技术最初将应用在高价值领域,以证明部署成本是合理的。高价值领域往往代表着昂贵的设备,而这些成本只有大企业才能负担得起。”尚炜表示。

从国外一些研究数字孪生技术的先驱来看,现阶段走在前列的多是像ge、西门子、ptc、ansys这样的大企业。

不过,除了成本这一因素外,中小企业数字化程度不高也是关键的原因。

“与国外发达国家相比,广大国内企业,尤其是中小企业,目前还处于工业化升级、信息化补课的阶段,数字化水平普遍较低,这些都极大制约了数字孪生技术的应用普及。因此,数字孪生技术没有出现爆发式增长并不是技术本身的问题,而是我们目前还不具备大规模应用普及数字孪生的产业基础。”航天云网天智公司总经理纪丰伟在接受《中国电子报》记者采访时表示,“目前国内外数字孪生技术应用得比较好的企业主要是数字化水平高、有一定网络化基础、存在智能化转型升级的大企业,这与企业自身的基础有一定关系。”

工业互联网平台激活数字孪生生命

随着工业互联网的推进与应用,工业互联网平台为智能制造深化应用提供了信息物理融合、交互和应用的基础。业界专家认为,工业互联网平台激活了数字孪生的生命。

“数字孪生的核心是在合适的时间、合适的场景,做基于数据的实时正确的决定。工业互联网平台天生具有的双向通路特征,使得数字孪生真正成为一个有生命力的模型。”西安电子科技大学智能制造与工业大数据研究中心主任孔宪光说。

据介绍,数字孪生是工业app的完美搭档,工业app可以调用数字孪生,一个数字孪生也可以支持多个app。将数字孪生作为工业互联网平台的知识萃取工具,通过单元级、系统级的数字孪生体,不断将工业系统中的碎片化知识产生并封装到工业互联网平台中,将知识颗粒按照个体级、群体级、产业链级(社区级)重新组装,通过工业互联网平台的app体系放大传播。因此,工业互联网平台是数字孪生的孵化床,数字孪生是工业互联网平台的重要场景。

对于目前数字孪生技术而言,其应用水平也与工业互联网平台息息相关。

“工业互联网的推广应用使得实体和虚体的映射更为可行和紧密,从而进一步加速推动了数字孪生技术的应用。但工业互联网的发展目前还处于产业早期,物连接的数量和质量还有待提高,同时企业应用工业互联网还主要集中在智能化改造、能耗监控、设备征信等初级场景,距离数字孪生这类高级应用还有一定距离。”纪丰伟表示。

此外,他还认为,工业互联网的发展会促进中小企业集体性加快信息化的步伐和自动化水平的提升,并给中小企业带来虚实结合的平台基础,因此工业互联网的发展给中小企业应用数字孪生技术带来了更多的可能性。

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