5G黑科技之數字孿生：未來制造業(yè)的基石

    01 數字孿生 不僅僅是復制

    孿生，即雙胞胎；數字孿生，顧名思義，就是數字形式的雙胞胎。

    在“數字孿生”中，雙胞胎中的一個是存在于現實世界的實體，小到零件，大到工廠，簡單如螺絲，復雜如人體的結構。

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

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

    數字孿生技術產生的汽車3D模型

圖片來源：“數字孿生城市”白皮書

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

    02 數字孿生有什么用？

    數字孿生這個概念究竟有什么用呢？

    首先，它可以通過設計工具、仿真工具、物聯網、虛擬現實等各種數字化的手段，將物理設備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復制、可轉移、可修改、可刪除、可重復操作的數字鏡像。

    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、批量復制、虛擬裝配等設計活動。

    過去，在沒有數字化模型幫助之下，制造一件產品要經歷很多次迭代設計。

    現在，采用了數字化模型的設計技術，就可以在虛擬的三維數字空間輕松地修改部件和產品的每一處尺寸和裝配關系，這使得幾何結構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的制造次數、時間，以及成本。

    此外，數字孿生還可以通過采集有限的物理傳感器指標的直接數據，借助大樣本庫，通過機器學習推測出一些原本無法直接測量的指標。由此實現對當前狀態(tài)的評估、對過去發(fā)生問題的診斷，以及對未來趨勢的預測，并給予分析的結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。

    例如，針對大型設備運行過程中出現的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數據通過機器學習訓練出針對不同故障現象的數字化特征模型，并結合專家處理的記錄，將其形成未來對設備故障狀態(tài)進行精準判決的依據，最終形成自治化的智能診斷和判決。

    03 應用場景豐富

    1. 數字孿生，5G應用落地強風口

    數字孿生是5G物聯網時代的一個重要場景應用。

    5G網絡的場景應用包括：eMBB（高帶寬）、mMTC（大聯接）、URLLC（高可靠&低延遲）。海量的應用場景和模式都是在這三者的基礎上衍生出來的。

    eMBB全面提升網絡速度，增強網絡體驗；mMTC鏈接更多的智能終端，實現萬物互聯；URLLC因其高可靠性和低延時，應用于自動駕駛、移動醫(yī)療等精度要求高的行業(yè)。

    數字孿生便是上述應用場景的衍生之一。

    5G衍生賦能產業(yè)鏈

數據來源：“數字孿生城市”白皮書，國泰君安證券研究

    目前，數字孿生技術多用于工業(yè)制造領域，尤其是汽車、電子制造領域。工業(yè)互聯網是全球工業(yè)系統(tǒng)與高級計算、分析、感應技術以及互聯網連接融合的結果， 催動工業(yè)互聯網走向完善的關鍵技術很多，然而最能體現工業(yè)互聯網“助燃劑”5G拉動作用的就是數字孿生。

    未來工業(yè)物聯網最核心的應用基礎是數據，無論是在生產線上的工業(yè)設備，還是城市里的垃圾箱、電燈桿，都需要采集出來并映射到數字世界，數字孿生因此不可或缺。

    2. 數字孿生幫助制造業(yè)效能大幅提升

    推進設計和制造高效協(xié)同

    在數字孿生模型中，所需要制造的產品、制造的方式、資源以及地點等各個方面可以進行系統(tǒng)的規(guī)劃，將各方面關聯起來，實現設計人員和制造人員的協(xié)同。

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

    確保設計和制造準確執(zhí)行

    在數字孿生模型中對不同的生產策略進行模擬仿真和評估，結合大數據分析和統(tǒng)計學技術，快速找出有空檔時間的工序。

    調整策略后再模擬仿真整個生產系統(tǒng)的績效，進一步優(yōu)化實現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，實現盈利能力的最大化。

    舉個例子來說，數字孿生車間就是數字孿生技術在制造業(yè)的典型應用，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。

    數字孿生車間主要由物理車間（Physical Workshop）、虛擬車間（Cyber Workshop）、車間服務系統(tǒng)（Workshop Service System: WSS）、車間孿生數據（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，主要負責接收WSS下達的生產任務，并嚴格按照虛擬車間仿真優(yōu)化后的預定義的生產指令，執(zhí)行生產活動并完成生產任務；

    虛擬車間是物理車間的忠實的、完全數字化鏡像，主要負責對生產計劃／活動進行仿真、評估及優(yōu)化，并對生產過程進行實時監(jiān)測、預測與調控等；

    WSS是數據驅動的各類服務系統(tǒng)功能的集合或總稱，主要負責在車間孿生數據驅動下對車間智能化管控提供系統(tǒng)支持和服務，如對生產要素、生產計劃/活動、生產過程等的管控與優(yōu)化服務等；

    車間孿生數據是物理車間、虛擬車間和WSS相關的數據，以及三者數據融合后產生的衍生數據的集合，是物理車間、虛擬車間和WSS運行及交互的驅動。

    3. 數字孿生技術應用場景暢想

    數字孿生技術的應用場景非常龐大，在未來，它會在多個方面改變我們的工作和生活，應用場景涉及各個方面。

    智慧城市管理

    把數字孿生技術應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)設備監(jiān)控

    工廠中的設備都可以通過數字孿生技術復制出來。我們可以利用數字孿生設備了解設備內部的運行機制。數字模型和實體設備一起使用，我們可以知道設備的運行數據，提高故障預判和維修效率。

    健康管理

    個人的數字孿生體可以通過醫(yī)療檢測、掃描儀器、可穿戴設備來復制。比智能手環(huán)更智能的是，我們可以得到數字孿生體每一部位的運動變化數據，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。將數字孿生技術用在大腦研究上，以后可以幫助治療腦部疾病患者。

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

    數字孿生是5G賦能產業(yè)鏈上的重要一環(huán)。數字孿生作為5G衍生應用，加速了物聯網的成型和物聯網設備數字化，這與5G三大場景之一的萬物互聯需求強耦合。此外，數字孿生還是5G推動工業(yè)互聯網發(fā)展過程中的助燃劑，5G時代數字孿生不可或缺。