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導讀：在這些年提及數字化轉型的浪潮中，數字孿生應該是最知名並且有望實現的一項技術。與此同時，數字孿生也被Gartner視為過去三年中的一個頂級技術趨勢，它從產品生命週期的每個階段收每個點集產品信息，並將其合併為實體產品的3D形式表示。數字孿生有望幫助企業提高產品質量、獲得知名度並且加強團隊合作並且降低成本。
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我們可以來考慮實現數字孿生所需的所有技術。首先，構成原始設計BOM的CAD圖紙和產品數據組成了數字孿生的開始。在生產過程記錄中，“已完成”的信息隨時都可以發生替換或更改。其次，在生產製造或者在現場的傳感器能夠將信息迴流到數字孿生中。最後，企業將所有這些數據用於更新“已服務”信息。以上只是簡單的描述了數字孿生的流程。而這個過程，如果沒有云技術的力量，組成數字孿生的傳感器、設計文檔和服務記錄將是不可能的。
儘管前景被看好，但數字孿生的技術和實現仍處於起步階段。凱捷諮詢的一項研究報告稱，在已經開始正式數字化轉型的70%的公司中，只有5%的公司對自己的進展感到滿意。Gartner的一項調查發現，54%的受訪者表示，大多數數字孿生只服務於一個領域(團隊、部門或合作伙伴)，有時也只服務於多個領域。
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然而，情況並不總是如此。許多市場研究公司預計，數字孿生將是未來製造業的關鍵。Gartner估計，到2020年，將會有超過200億個連接的傳感器和端點，而潛在的數十億個事物將會有其對應的數字孿生體。IDC預測，到2020年，60%的製造商將使用數字孿生來監控產品和資產性能，並提高產品質量。60%的跨國公司將利用數字孿生來提供特殊的客戶體驗。
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此外，預測到2025年，數字孿生市場預計將超過200億美元。市場增長歸功於IoT / IIoT的採用，互聯設備的普及以及廉價IoT傳感器的可用性。此外，不斷減少的上市時間（TTM）、優化流程、監控性能以及檢查產品和系統狀況的需求不斷增長，這為數字孿生市場的增長做出了貢獻。
在預測期內，亞太地區數字孿生市場將以30％以上的複合年增長率增長。在該地區，不斷增長的互聯網普及率，智能設備的普及以及IoT / IIoT的日益普及正在觸發數字孿生市場。根據中國互聯網絡信息中心（CNNIC）的數據，截至2017年12月，中國的互聯網用戶數量達到7.72億，比2016年底增加了4,074萬。大數據分析，AI，ML，AR，VR和MR等先進技術的出現為數字孿生技術的不斷髮展提供了支持。這有助於各企業提高其運營效率、產品性能並降低間接成本。AR，VR和MR提供了身臨其境的體驗，以可視化從傳感器獲得的數據中獲取的見解，並使用大數據分析對其進行處理。
揭開數字孿生迷霧
問題是，仍然有許多公司對於數字孿生是什麼、它所真正帶來的好處以及如何利用數字孿生幫助公司業務提升沒有一個清晰的認知。儘管MES（製造執行系統）是數字孿生的第一種形式，但是IoT（物聯網）和工業4.0概念的發展則為如何更好的利用實時數據和優化生產開闢了另一種可能性。
虛擬與現實
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要啟用工業4.0製造解決方案，需要在設備、數據、連接、流程和人員的集成結構中提供完整的，上下文相關的實時數據。數字孿生將所有數字信息可用的不同資產和技術結合在一起。它依靠虛擬的和真實的“信息物理”。信息物理系統（CPS）由智能傳感器、產品和原材料組成。網絡物理生產系統（CPPS）是智能機器，它能夠交付生產最終產品所需的過程。CPS和CPPS將虛擬和真實存在於一個實體中。
2002年，邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）博士提出了數字孿生的概念，它具有真實空間和虛擬空間，並且它們之間有數據在兩者間傳遞。2017年，他繼續與John Vickers撰寫論文，題為“在複雜系統中使用數字孿生”，即“數字孿生：減輕複雜系統中不可預測的突發事故。”這是我們在製造工廠中想要的。
製造業的數字孿生
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完整的數字孿生支持產品生命週期，包括產品設計、可生產性、所有車間活動以及使用。製造業數字孿生負責處理與製造相關的生命週期部分。對於數字孿生來說，要達到它所能提供的生產效率的潛力，需要對整個流程或甚至工廠進行建模。這樣就可以對整個生產系統進行分析，確定可以改進的地方，甚至預測將會發生什麼。從歷史上來說，MES曾提供過一些這樣的服務，但人們仍未廣泛瞭解數字孿生的全部潛力和應用。
數字孿生涵蓋了從傳感器和資產到完整的生產線或工廠，甚至包括多個工廠的網絡在內的所有內容。它包含具有不同類型和數據結構的模型層-包括3D模型、規格和實時數據。為了使其在整個生產生命週期中都能正常工作，它需要許多不同利益相關者的不同看法。例如，維護人員需要比設計人員看到工廠更加不同的一面。
數字線程
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數字孿生將系統的虛擬部分和實際部分分開。但是為了更好的反映車間，需要將虛擬和真實聯繫起來。這就是是數字線程的用武之地。
那麼問題來了，什麼是數字線程呢？
數字線程指的是通信框架，實際上可以把它看成一個信息結構，它集成並推動現代設計、製造和產品支持流程，包括從設計工程開始並貫穿整個生產鏈的產品和流程定義。數據流包括質量需求、合規性、規格、測試結果、維護計劃等，還包括反饋循環，如經驗教訓、計劃與實際處理結果的對比。在這整個產品生命週期內，它能夠使得相互連接的數據相互流動，並且整合其中有用的數據，這個概念超越了傳統的孤立觀點，打破了信息孤島，從而也就實現了上文所說的將真實和虛擬聯繫起來。
數字線程服務於數字孿生，有助於維護其模型並提供有效的數據反饋。反過來，數字孿生貫穿於整個數字線程，確保數據集的組織性，並且符合實際情境。這些共同構成了工業4.0生產模型所需的結構。
擁抱數字孿生的好處
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對於製造業企業來說，數字孿生為生產提供了許多好處。首先，它提供了對整個工廠的完整的可見性，使上至管理者、下至基層員工，對於工廠的性能更有信心。其次，它提供的流程視圖清楚地說明了管理者應該關注哪些方面，以及可以在哪些方面進行持續的流程改進。
最後，它實現了智能資源的實時分配，為虛擬現實和增強現實等技術提供了完整的實時數據，提供了一個清晰的基礎。隨著數字孿生和工業4.0為企業提供的不斷改進的生產流程和更高的生產效率，企業自然能夠在市場中更具競爭力。此外，它們也被用來為企業創建新的業務線，提供優質產品以及更快速地推出產品。
從MES到製造業數字孿生
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製造業數字孿生是一組虛擬的信息結構，十分清楚的描述了虛擬或實際的產品。由於近年來相關軟硬件的發展以及IoT（物聯網）的興起，它已變得越來越引人注目，而這些不斷髮展的設備收集信息也越來越容易。
數字孿生為操作者提供了所有的數據，這些數據可以從對產品的實物檢驗中獲得，並以數字形式呈現在現實世界中。對於生產執行，它能夠監視、分析和控制生產的所有方面。
如果企業有一個可以通過實時輸入來跟蹤和控制生產製造過程的MES（製造執行系統）系統，那麼它已經有了向數字孿生轉型的基礎。
MES的目的是提高生產能力和降低成本。它確保生產質量、對過程和過程步驟的嚴格控制，並且有足夠高的靈活性，以更快地響應市場需求，減少新產品的引進時間。它還能夠
跟蹤製造過程，提高可見性，控制和記載生產過程，以實現更大的生產產能優化。許多公司已經有了MES，因此從定義上來說，它們已經具有了數字孿生的某些特性。然而，為了更好的利用工業4.0和IoT，這些公司還需要一個物聯網平臺，一個用於可視化的數字孿生體，以及增強現實等其他功能。問題是，如果不使用通用語言和平臺進行集成，它們就會成為孤立的解決方案，在集成和維護需求方面將會有巨大的開銷。
現代MES是一個數字孿生平臺
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對於擁有現代MES解決方案的公司來說，這個平臺從一開始被設計成可以利用物聯網和工業4.0的潛力，因此可以在這個平臺上構建一個數字孿生的模型。所有制造業的實體對象都具有三個要素：物理位置；一個狀態；和其他參數。所以MES系統需要實現的第一層是x y z座標;狀態模型;和用於存儲參數值的數據集。然後，需要在屏幕上為操作員提供這些信息，並在真實世界發生變化時實時更新這些內容。第一層是工廠車間的2D模型，以數字格式提供操作的簡單概述，並實時收集和更新信息。但是，3D模型為用戶提供了更大的潛力和真正的交互體驗。
創建3D視圖的方法有很多。可以在MES中創建3D形狀，並將其與真實世界的對象(包括設備、容器、產品甚至人)關聯起來。也可以上傳工廠藍圖，以提供可以放置3D對象的佈局。與此同時設備信息可以從諸如Excel之類的包中加載，並與屏幕上的3D實體快速關聯。
為了獲得更引人注目的和真實的車間視圖，還可以將CAD模型加載到MES中。設備表示庫可以預先加載，要求用戶只需選擇設備類型並將其拖放到適當位置即可。所有這些意味著數字孿生可以在幾小時而不是幾周內創建。這使得價值評估的時間非常短，並且隨著車間的發展和變更，不再需要昂貴的專業編程。
3D模型還提供了一條通往虛擬現實(VR)和增強現實(AR)場景的路徑，使整個車間的虛擬導航、培訓和仿真機會成為可能。機器可以用不同的顏色進行標記，使生產線的狀態更加清晰和明顯。可以使用RFID標籤和讀取器，WiFi三角測量系統或圖像識別解決方案向移動資產（例如產品，人員和機器人）添加實時定位座標。
數字孿生的層次
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數字孿生可以有許多層來滿足個人和業務需求。在最高層，這可能是多個工廠的全局視圖。然後，用戶可以通過這些層查看各個工廠、生產線或設備的各個部分。商業智能卡還可以集成到數字雙屏中，顯示關鍵性能指標，如總體設備效率(OEE)、平均故障間隔時間(MTBF)等。
寫在最後
製造業的數字孿生提供了一定的可視性，可以清楚地看到車間裡正在發生的事情。這是一個瞭解問題所在、可以在哪裡進行改進以及如何更好地優化生產的窗口。現代MES提供了一個平臺，在這個平臺上可以直接交付數字孿生，而不需要多個獨立的需要持續的集成和維護的系統。實際上，有了真正面向未來的MES，公司就可以在極短的時間內實現和獲得製造業數字孿生的好處——為未來更大的業務靈活性、增長和創新創造機會。
本文正文部分絕大多數內容翻譯自克里斯·帕森斯（Chris Parsons），他是是關鍵製造全球營銷副總裁。在過去的20年中，他一直在企業軟件市場中工作，在複雜的離散製造商的製造運營和質量管理軟件應用程序方面獲得了豐富的經驗，目前專注於工業4.0和將實現數字化轉型的智能製造概念。
關於effiar
effiar是國內領先的企業級智能眼鏡軟件平臺。在AR工業領域，使用者無需技術就可以通過effiar任務管理中心進行拖拽等簡單操作，為特定業務場景(如AR巡檢）定製AR智能眼鏡方案應用。該平臺包括專家AR遠程協作、工作流、AR、數據互聯、多媒體知識庫等多個模塊，使用者可以根據業務需要自由剪裁或者互相嵌套。
THE END
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