這么流行的數(shù)字孿生能干啥？
發(fā)布時間：2019-11-11 作者：宋華振
關(guān)于Digital Twin成為當(dāng)下熱門話題，其實，我一直想知道它與傳統(tǒng)的建模仿真（Modeling & Simulation）有什么區(qū)別？因為看上去它似乎就是建模仿真，此前與西安的翰林兄弟電話交流了一次，覺得幾個比較重要的概念必須先厘清吧！
一、數(shù)字孿生概念厘清
1.談數(shù)字孿生必須考慮數(shù)字主線（Digital Thread）,即，M&S主要談的是一個單元，而主線則談的是整個流程，從設(shè)計、制造、運營、維護(hù)的全流程，因此，單獨一個單元的建模仿真不能稱為數(shù)字孿生。
如下圖所示，數(shù)字主線貫穿產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)，也包括制造環(huán)節(jié)的價值鏈條，以及運營維護(hù)的資產(chǎn)管理環(huán)節(jié)，是整體而非局部，是集成而非孤立，是包含物料、能量也包含價值的數(shù)字化集成，也即垂直、水平、端-端的數(shù)字化集成。
2.必須明確的是Digital Twin必須是“動態(tài)交互”，而非靜態(tài)的，即，在數(shù)字對象與物理對象之間必須能夠?qū)崿F(xiàn)上下行的數(shù)據(jù)交互，這樣才能讓這個數(shù)字孿生運行具有持續(xù)改善的工業(yè)應(yīng)用價值。
上行與下行數(shù)據(jù)的交互與商業(yè)環(huán)境相比需要考慮周期性、數(shù)據(jù)接口與信息建模，以便提高效率。
3..數(shù)字孿生解決的“不確定” 環(huán)境中的問題，即，數(shù)字孿生體用于解決傳統(tǒng)機理模型無法解決的非線性、不確定性問題，數(shù)字孿生技術(shù)可以與機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)構(gòu)成一個不斷進(jìn)化的系統(tǒng)。
其實在上圖中我們看到兩種數(shù)字優(yōu)化，一種模型驅(qū)動（Model-Driven），一種數(shù)據(jù)驅(qū)動（Data-Driven），即我們可以將機理模型與/或強化學(xué)習(xí)構(gòu)建一個適合工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)化方法包。
4.建模仿真與數(shù)字孿生關(guān)注點不同，建模仿真關(guān)注于模型的保真度，即，是否能夠準(zhǔn)確的還原物理對象的特性與狀態(tài)，而數(shù)字孿生技術(shù)則關(guān)注于動態(tài)中的變化關(guān)系。
圖3.建模仿真關(guān)注模型本身
二、數(shù)字孿生應(yīng)對個性化挑戰(zhàn)
其實個性化本身就是提高了不確定性，這是一個大的不確定性環(huán)境，另一個是對實體對象描述和測控中的不確定性，因為在精細(xì)的系統(tǒng)也有干擾、不可測量或不易測量（成本過高）的變量，而傳統(tǒng)意義上模型無法進(jìn)行測量驗證的又恰恰是學(xué)習(xí)可以擅長解決的問題嗎？
因此它最大的意義正是應(yīng)對個性化、解決不確定性環(huán)境中的問題，而今天的時代，一方面需求導(dǎo)致更多這樣的問題，另一個是指工具、方法也同樣提供了一定的外在條件。
三、數(shù)字孿生可以干什么？
其實數(shù)字孿生的用途就是數(shù)字建模的用途，如果對產(chǎn)品，生產(chǎn)，維護(hù)各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)建模，就為我們利用數(shù)字化打下堅實基礎(chǔ)。
1.早期驗證-應(yīng)對個性化時代
1.1個性化才使得產(chǎn)品設(shè)計變得多樣、產(chǎn)線生產(chǎn)的頻繁切換、運營維護(hù)的粒度變小，這些“變化”都需要進(jìn)行早期驗證，即，各種可能的變化都可以在產(chǎn)線投產(chǎn)，工藝切換前進(jìn)行驗證，因此，“虛擬”在這里幫助“現(xiàn)實”節(jié)省時間與成本。
最有意思的事情就是虛擬的、數(shù)字化的對象可以滿足你任意的創(chuàng)新想法，以往這種測試驗證代價不菲，今天你可以低成本實現(xiàn)驗證。
1.2.采用AI方法解決不確定
在過去，很多生產(chǎn)運營、控制都是基于機理模型，而對于無法進(jìn)行有效建模的干擾、非線性就無法有效控制，使得系統(tǒng)無法必須付出較大的裕度來保障基本運行，就像人們無法獲得最優(yōu)慣量比時候選擇大號電機一樣，造成浪費。
那么機器學(xué)習(xí)可以為從物理對象獲得的數(shù)據(jù)與建模的機理模型匹配協(xié)作，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的回歸特性或者關(guān)聯(lián)關(guān)系，這樣依據(jù)機理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動構(gòu)建“白盒”可解釋的訓(xùn)練模型及算法。
2.虛擬調(diào)試
在傳統(tǒng)的機器產(chǎn)線調(diào)試都是人員在物理對象傷進(jìn)行，調(diào)試會耗費比較多的時間精力，而且特別依賴人的經(jīng)驗，而數(shù)字孿生為工程師搭建的數(shù)字化平臺提供了便利和高效的工具。
虛擬調(diào)試可以分為控制與工藝、設(shè)備與產(chǎn)線協(xié)同等多種調(diào)試發(fā)，其功能實現(xiàn)、代碼驗證等均可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行，虛擬調(diào)試比較好在于不需要實際的生產(chǎn)測試驗證，可以避免物理對象調(diào)試的成本，在虛擬環(huán)境中發(fā)現(xiàn)潛在的機械、控制問題并及時改善，虛擬調(diào)試也可以降低風(fēng)險，包括安全風(fēng)險及時間風(fēng)險。
構(gòu)建數(shù)字孿生體后，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以在生產(chǎn)服務(wù)等環(huán)節(jié)體現(xiàn)增值，延續(xù)企業(yè)的價值鏈。
3.數(shù)字孿生應(yīng)用于生產(chǎn)運營服務(wù)
通過構(gòu)建數(shù)字孿生體，我們可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程的診斷，維護(hù)指導(dǎo)、更換硬件，這些服務(wù)都可以降低人員的消耗，而且更為高效，具有良好的預(yù)測性-顯然，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，智能制造中，數(shù)據(jù)都是可以用于直觀呈現(xiàn)資產(chǎn)健康狀態(tài)、設(shè)備故障的學(xué)習(xí)/機理模型的預(yù)測性分析的。
4.數(shù)字化遠(yuǎn)程培訓(xùn)
當(dāng)我們構(gòu)建了數(shù)字孿生體，結(jié)合AR/VR技術(shù)可以實現(xiàn)虛擬的教學(xué)，可以操作機器，而事實上這個機器可以是一個遠(yuǎn)程的或者本地的，你可以模擬到它的各種反饋，更為生動直觀。
對于未來的數(shù)字時代的教育與培訓(xùn)而言，數(shù)字孿生是再好不過的選擇，既可以可視化教學(xué)又可以遠(yuǎn)程操作，樂趣而實際。
四、工欲善其事必先利其器
當(dāng)然，必須說明的是，數(shù)字孿生也是一種工具與方法體系，它借助于不斷發(fā)展的IT技術(shù)和傳統(tǒng)的數(shù)字建模與仿真技術(shù)，用于解決制造業(yè)中的問題。
還是回到任正非先生所說“我們不要炫耀鋤頭而忘記種地”，數(shù)字孿生必須建立在良好的創(chuàng)新設(shè)計思想導(dǎo)向下，有數(shù)字建模的基礎(chǔ)，有完整的體系而不是局部技術(shù)，才能發(fā)揮效力。
這是一個改變制造業(yè)的方向，但它必須建立在踏實的工作基礎(chǔ)上。（作者：宋華振）