工業(yè) 4.0 被炒作已久，以至于人們很容易忘記它是游戲規(guī)則的改變者。不是因?yàn)楣I(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的激增預(yù)示著它的到來(lái)，而是因?yàn)槠髽I(yè)實(shí)際上可以利用這些設(shè)備生成的數(shù)據(jù)來(lái)做什么。

簡(jiǎn)而言之，今天的 IIoT 設(shè)備收集了足夠的數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)被稱為“數(shù)字雙胞胎”的虛擬制造設(shè)備，企業(yè)可以使用這些設(shè)備自動(dòng)規(guī)劃或測(cè)試新戰(zhàn)略。借助數(shù)字雙胞胎，工程和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以創(chuàng)建能夠分析物理制造設(shè)備當(dāng)前性能的自主系統(tǒng)，將其與過去的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并相應(yīng)地調(diào)整其設(shè)置。

在下面與 Embedded Computing Design 的 Rich Nass 的問答中，MathWorks 行業(yè)經(jīng)理 Philipp Wallner 解釋了數(shù)字孿生背后的原因以及它們可以為采用——更重要的是，知道如何使用它們的企業(yè)提供的價(jià)值。

什么是數(shù)字孿生？

Philipp Wallner （PW）：數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界物理資產(chǎn)的數(shù)字表示，它基于相關(guān)且易于訪問的歷史數(shù)據(jù)反映資產(chǎn)的當(dāng)前狀況。公司正在使用數(shù)字雙胞胎來(lái)分析組件、機(jī)械和整個(gè)運(yùn)營(yíng)中的生產(chǎn)（或制造）工廠等資產(chǎn)的性能，并將其與過去的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。他們還可以使用它們來(lái)優(yōu)化公司的運(yùn)營(yíng)、預(yù)測(cè)未來(lái)的行為或確保給定的資產(chǎn)處于最佳狀態(tài)。例如，通過泵、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電廠、生產(chǎn)線或車隊(duì)的預(yù)測(cè)性維護(hù)。

數(shù)字孿生如何適應(yīng)工業(yè) 4.0 的更大背景？

PW：擁抱工業(yè) 4.0 的制造商的主要目標(biāo)應(yīng)該是轉(zhuǎn)移遵循特定重復(fù)模式（人工智能算法可以學(xué)習(xí)）的部分決策過程，同時(shí)在未來(lái)從人類決策者那里獲得新的見解和想法。通過這樣做，工程師有更多的帶寬將人類洞察力（應(yīng)用他們的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)）整合到他們公司的流程中。為這些平臺(tái)提供動(dòng)力的模型既使用歷史數(shù)據(jù)，也使用資產(chǎn)傳感器生成的大量新信息，無(wú)論情況如何，都能做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。數(shù)字雙胞胎為這個(gè)過程增加了另一層，讓工程師有機(jī)會(huì)在不使用物理世界中的資產(chǎn)的情況下評(píng)估模型的決策、調(diào)整變量和測(cè)試新場(chǎng)景。

數(shù)字孿生如何工作？

PW：這取決于公司。例如，假設(shè)您從事石油和天然氣行業(yè)，并且您的公司在三個(gè)不同的地點(diǎn)擁有油井，每個(gè)油井都有多個(gè)泵。您可以將數(shù)字雙胞胎用于預(yù)測(cè)性維護(hù)，讓您的工程師為每個(gè)泵構(gòu)建數(shù)字雙胞胎，并使用傳感器生成的數(shù)據(jù)不斷更新數(shù)字雙胞胎，以評(píng)估每個(gè)泵的當(dāng)前運(yùn)行狀況。

為什么公司應(yīng)該使用數(shù)字孿生？

PW：任何一家公司的工程師都可以通過多種方式使用數(shù)字孿生模型，以確保他們的設(shè)備始終在峰值狀態(tài)下運(yùn)行：

減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間：他們可以使用數(shù)字孿生通過預(yù)測(cè)設(shè)備故障并提前預(yù)防來(lái)提高密封件、閥門和柱塞等組件的性能。

庫(kù)存管理：工程師可以通過使用數(shù)字雙胞胎識(shí)別哪些零件可能需要維修或更換來(lái)改進(jìn)公司的庫(kù)存管理。

車隊(duì)管理、假設(shè)模擬和運(yùn)營(yíng)規(guī)劃：回顧我之前提到的石油和天然氣用例是描述這一用例的最簡(jiǎn)單方法。因此，每個(gè)井的泵可能具有相似的功能；但是，每個(gè)位置都具有影響其運(yùn)行方式的獨(dú)特環(huán)境因素，例如溫度。幸運(yùn)的是，該公司可以使用數(shù)字雙胞胎來(lái)監(jiān)控整個(gè)油井（或其他被監(jiān)控的基礎(chǔ)設(shè)施部分），確定提高效率的方法并模擬未來(lái)的場(chǎng)景來(lái)測(cè)試它們，優(yōu)化未來(lái)的運(yùn)營(yíng)。

您能否擴(kuò)展數(shù)字雙胞胎捕捉實(shí)物資產(chǎn)狀況的能力？

PW：數(shù)字雙胞胎經(jīng)常更新以匹配實(shí)物資產(chǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，這可能使它們能夠隨著時(shí)間的推移測(cè)量其狀況。分類信息會(huì)根據(jù)數(shù)字雙胞胎的使用方式和捕獲的內(nèi)容而變化。例如，預(yù)測(cè)性維護(hù)用例中的數(shù)字雙胞胎可用于故障分類，從泵的健康和故障狀態(tài)中捕獲運(yùn)行數(shù)據(jù)，工程師可以將這些數(shù)據(jù)與其他泵的數(shù)字雙胞胎歷史記錄進(jìn)行比較，以了解類似情況如何影響泵的行為以及車隊(duì)的整體效率。需要更多的數(shù)字雙胞胎來(lái)捕捉資產(chǎn)的整體狀態(tài)。

這些監(jiān)控功能也可以用來(lái)檢測(cè)異常嗎？

PW：數(shù)字孿生與物理資產(chǎn)并行運(yùn)行，并標(biāo)記包括異常在內(nèi)的操作行為。當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，數(shù)字孿生可以評(píng)估是否將其標(biāo)記為潛在的設(shè)備損壞。

它們可以用于預(yù)測(cè)性維護(hù)嗎？

PW：由于數(shù)字孿生可以監(jiān)控整個(gè)車隊(duì)，因此非常適合運(yùn)營(yíng)規(guī)劃和資產(chǎn)維護(hù)。例如，運(yùn)行工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)械應(yīng)用的公司可以使用數(shù)字孿生來(lái)確定其設(shè)備的剩余壽命以及維修或更換設(shè)備的最佳時(shí)間。

值得注意的是，由于預(yù)測(cè)性維護(hù)通常需要做出實(shí)時(shí)或?qū)r(shí)間敏感的決策，因此進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)的數(shù)字孿生應(yīng)該直接集成在資產(chǎn)本身或邊緣的工業(yè)控制器上，而不是集成在 IT/OT 上層，如下所示。

（圖 1：典型的智能連接系統(tǒng)拓?fù)湟约皯?yīng)部署數(shù)字孿生的位置。）

人工智能的支持者喜歡關(guān)注的一個(gè)好處是它能夠幫助公司制定新戰(zhàn)略——你認(rèn)為數(shù)字雙胞胎會(huì)給制造商帶來(lái)這種好處嗎？

普瓦：當(dāng)然。數(shù)字孿生可用于模擬多種場(chǎng)景，以檢查車隊(duì)規(guī)模、天氣或運(yùn)營(yíng)條件等因素如何影響公司的業(yè)績(jī)。在工程師的幫助下，企業(yè)主可以使用這些信息就資產(chǎn)管理、維護(hù)計(jì)劃、優(yōu)化運(yùn)營(yíng)做出明智的決策。

使數(shù)字孿生有效檢測(cè)異常的因素能否用于優(yōu)化運(yùn)營(yíng)？

普瓦：當(dāng)然。如前所述，公司可以更改車隊(duì)規(guī)模、天氣、性能或能源成本等變量，并將其應(yīng)用于數(shù)百或數(shù)千個(gè)場(chǎng)景，以衡量他們的準(zhǔn)備情況或確定哪些調(diào)整最有可能產(chǎn)生最佳結(jié)果。這種方法使公司能夠降低風(fēng)險(xiǎn)、降低成本或最大限度地提高系統(tǒng)效率——有時(shí)三者兼而有之。

例如，我們?cè)谑称泛惋嬃闲袠I(yè)的一位機(jī)器制造商客戶創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)字雙胞胎，不僅優(yōu)化了公司機(jī)器人處理設(shè)備的設(shè)計(jì)，還優(yōu)化了其故障測(cè)試和預(yù)測(cè)性維護(hù)能力。您可以在此處了解有關(guān)該示例的更多信息。

讀者如何構(gòu)建數(shù)字孿生？

PW：鑒于我迄今為止概述的許多好處，工程師將越來(lái)越多地被要求為他們的公司開發(fā)數(shù)字雙胞胎。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在準(zhǔn)備、構(gòu)建和應(yīng)用數(shù)字孿生模型時(shí)應(yīng)牢記三種主要模型：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、基于物理的模型以及將兩者結(jié)合的模型。

你能帶我們穿過它們嗎？

PW：很高興。試圖通過估計(jì)資產(chǎn)的剩余使用壽命 （RUL） 來(lái)優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃的公司應(yīng)該使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。如果公司可以訪問相似資產(chǎn)的完整歷史，公司也可以使用相似模型，但如果公司只能訪問故障數(shù)據(jù)，則可以使用生存模型。如果公司無(wú)法訪問故障數(shù)據(jù)但知道資產(chǎn)的安全閾值，則可以使用退化模型來(lái)估計(jì) RUL，并通過傳感器測(cè)量泵的流量、壓力和振動(dòng)等因素來(lái)評(píng)估資產(chǎn)的狀況。

如果一家公司想要試驗(yàn)潛在的未來(lái)場(chǎng)景并模擬車隊(duì)在多種條件下的行為，它應(yīng)該使用基于物理的模型，通過連接液壓和機(jī)械部件創(chuàng)建。基于物理的模型被輸入資產(chǎn)的數(shù)據(jù)，之后工程師被邀請(qǐng)調(diào)整或添加多個(gè)變量或環(huán)境條件，然后查看模擬結(jié)果。

工程師可以使用的另一個(gè)數(shù)字雙胞胎選項(xiàng)是卡爾曼濾波器，它通過對(duì)資產(chǎn)的退化進(jìn)行建模來(lái)結(jié)合物理和數(shù)據(jù)，然后定期更新數(shù)字資產(chǎn)的狀態(tài)以表示物理資產(chǎn)的現(xiàn)狀。

讀者如何將數(shù)字雙胞胎融入設(shè)計(jì)過程？

PW：在設(shè)計(jì)資產(chǎn)時(shí)，工程團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該為每個(gè)組件創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字雙胞胎。他們擁有的與其資產(chǎn)組件相對(duì)應(yīng)的數(shù)字雙胞胎越多，數(shù)字雙胞胎的測(cè)量結(jié)果就越準(zhǔn)確，資產(chǎn)工程師就越有能力虛擬測(cè)試他們的資產(chǎn)。某些應(yīng)用程序可能需要比其他應(yīng)用程序更少的唯一雙胞胎總數(shù)——例如，對(duì)多個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)進(jìn)行建模的團(tuán)隊(duì)可能不需要為每個(gè)系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)雙胞胎，因?yàn)閷?duì)精度的期望可能較低。但是，如果設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)打算運(yùn)行，例如，故障預(yù)測(cè)和故障分類，他們需要為每個(gè)目的創(chuàng)建不同的模型，并且這些模型可用的數(shù)字雙胞胎越多越好。

這是有道理的——數(shù)據(jù)工程團(tuán)隊(duì)擁有的越多，他們可以為雇主提供的價(jià)值就越大？

普瓦：沒錯(cuò)。數(shù)字雙胞胎的靈活性和優(yōu)勢(shì)應(yīng)使其成為向工業(yè) 4.0 過渡的企業(yè)的重中之重。通過提供運(yùn)營(yíng)中資產(chǎn)的最新表示，公司為其工程和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供了無(wú)限的機(jī)會(huì)來(lái)優(yōu)化、自動(dòng)化或提高其資產(chǎn)的效率并評(píng)估未來(lái)的績(jī)效——所有這些活動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致成本節(jié)約、加速開發(fā)和最終，行業(yè)領(lǐng)先。

審核編輯：郭婷