數(shù)字孿生助力 IT與 OT融合

數(shù)字孿生不僅僅是復(fù)制。

孿生，即雙胞胎；數(shù)字孿生，顧名思義，就是數(shù)字形式的雙胞胎。

在“數(shù)字孿生”中，雙胞胎中的一個(gè)是存在于現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體，小到零件，大到工廠，簡單如螺絲，復(fù)雜如人體的結(jié)構(gòu)。

而雙胞胎中的另一個(gè)則只存在虛擬和數(shù)字世界之中，是利用數(shù)字技術(shù)營造的與現(xiàn)實(shí)世界對(duì)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(shù)字孿生”。若以導(dǎo)航軟件為例，城市中的實(shí)體道路和軟件中的虛擬道路也是“數(shù)字孿生”。

數(shù)字孿生技術(shù)產(chǎn)生的汽車3D模型數(shù)據(jù)來源：“數(shù)字孿生城市”白皮書

此外，這個(gè)數(shù)字孿生體，不僅是對(duì)現(xiàn)實(shí)實(shí)體的虛擬再現(xiàn)，還可以模擬對(duì)象在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為。因此可以說，數(shù)字孿生是將物理對(duì)象以數(shù)字化方式在虛擬空間呈現(xiàn)，模擬其在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為特征。

數(shù)字孿生有什么用？

數(shù)字孿生這個(gè)概念究竟有什么用呢？

首先，它可以通過設(shè)計(jì)工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等各種數(shù)字化的手段，將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復(fù)制、可轉(zhuǎn)移、可修改、可刪除、可重復(fù)操作的數(shù)字鏡像。

這極大的加速了操作人員對(duì)物理實(shí)體的了解，激發(fā)模擬仿真、批量復(fù)制、虛擬裝配等設(shè)計(jì)活動(dòng)。

過去，在沒有數(shù)字化模型幫助之下，制造一件產(chǎn)品要經(jīng)歷很多次迭代設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在，采用了數(shù)字化模型的設(shè)計(jì)技術(shù)，就可以在虛擬的三維數(shù)字空間輕松地修改部件和產(chǎn)品的每一處尺寸和裝配關(guān)系，這使得幾何結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證工作和裝配可行性的驗(yàn)證工作大為簡單，大幅度減少了迭代過程中物理樣機(jī)的制造次數(shù)、時(shí)間，以及成本。

此外，數(shù)字孿生還可以通過采集有限的物理傳感器指標(biāo)的直接數(shù)據(jù)，借助大樣本庫，通過機(jī)器學(xué)習(xí)推測出一些原本無法直接測量的指標(biāo)。由此實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估、對(duì)過去發(fā)生問題的診斷，以及對(duì)未來趨勢的預(yù)測，并給予分析的結(jié)果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。

例如，針對(duì)大型設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數(shù)據(jù)通過機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練出針對(duì)不同故障現(xiàn)象的數(shù)字化特征模型，并結(jié)合專家處理的記錄，將其形成未來對(duì)設(shè)備故障狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)判決的依據(jù)，最終形成自治化的智能診斷和判決。

數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和重要場景

當(dāng)下，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)迅速發(fā)展，對(duì)推動(dòng)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化進(jìn)程起到關(guān)鍵作用，尤其是信息技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)的強(qiáng)大計(jì)算和分析能力為制造業(yè)發(fā)展開辟嶄新的發(fā)展空間，IT和OT的融合越來越受到制造企業(yè)的重視。伴隨新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為制造業(yè)從“顯”到“隱”的抓手，互聯(lián)網(wǎng)從“虛”向“實(shí)”的載體。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展離不開技術(shù)支撐，包括數(shù)字孿生、邊緣計(jì)算、5G、IPV6、標(biāo)識(shí)解析、TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）、PON（無源光網(wǎng)絡(luò)）等都是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用推進(jìn)，數(shù)字孿生被賦予了新的生命力，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)延伸了數(shù)字孿生的價(jià)值鏈條和生命周期，凸顯出數(shù)字孿生基于模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)方面的的優(yōu)勢和能力，打通了數(shù)字孿生應(yīng)用和迭代優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)路徑，正成為數(shù)字孿生的孵化床。

數(shù)字孿生基于物理實(shí)體的基本狀態(tài)，以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的方式將建立的模型、收集的數(shù)據(jù)做出高度寫實(shí)的分析，用于物理實(shí)體的監(jiān)測、預(yù)測和優(yōu)化。另外，數(shù)字孿生作為邊緣側(cè)技術(shù)，可以有效連接設(shè)備層和網(wǎng)絡(luò)層，成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的知識(shí)萃取工具，不斷將工業(yè)系統(tǒng)中的碎片化知識(shí)傳輸?shù)焦I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，不同成熟度的數(shù)字孿生體，將不同顆粒度的工業(yè)知識(shí)重新組裝，通過工業(yè)APP進(jìn)行調(diào)用。因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是數(shù)字孿生的孵化床，數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的重要場景。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重塑數(shù)字孿生閉環(huán)

數(shù)字孿生，以數(shù)字方式為物理對(duì)象創(chuàng)建高寫實(shí)虛擬模型，并模擬、分析、預(yù)測其行為，為實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與制造業(yè)融合鋪平了道路。借助數(shù)字孿生，可以集成復(fù)雜的制造工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，制造和智能服務(wù)等閉環(huán)優(yōu)化，數(shù)字孿生將成為未來數(shù)字化企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念出現(xiàn)之前，數(shù)字孿生的概念還只是停留在軟件環(huán)境中，比如幾何建模的CAD系統(tǒng)、產(chǎn)品生命周期管理的PLM等。但隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的連通效用使得各個(gè)數(shù)字孿生在設(shè)備資產(chǎn)管理，產(chǎn)品生命周期管理和制造流程管理中開始發(fā)生關(guān)聯(lián)、互相補(bǔ)充。

例如，西門子公司就利用其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)Mindsphere，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生不同應(yīng)用場景數(shù)據(jù)的打通。通過破除設(shè)備、設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等產(chǎn)品生命周期隔離，打通構(gòu)成數(shù)字孿生的閉環(huán)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)激活數(shù)字孿生生命

隨著制造業(yè)不斷發(fā)展，數(shù)字孿生盡管尚未成為主流，卻成為每一個(gè)數(shù)字化企業(yè)都要關(guān)注的技術(shù)。數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù)，但虛擬模型創(chuàng)建和數(shù)據(jù)分析需要專業(yè)的知識(shí)，對(duì)于不具備相關(guān)知識(shí)的人員，構(gòu)建和使用數(shù)字孿生任重道遠(yuǎn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)恰恰可以解決上述問題，通過平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析外包、模型共享等業(yè)務(wù)。

具體來說，物理實(shí)體的各種數(shù)據(jù)收集、交換，都要借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)，利用平臺(tái)具有的資源聚合、動(dòng)態(tài)配置、供需對(duì)接等優(yōu)勢，整合并利用各類資源，賦能數(shù)字孿生。例如，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)向下將邊緣側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施同數(shù)字孿生體關(guān)聯(lián)，向上將數(shù)據(jù)傳遞、存儲(chǔ)在云端，其他用戶也可以根據(jù)自身需要通過平臺(tái)的服務(wù)來建立數(shù)字孿生體，可以說工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)激活了數(shù)字孿生的生命。

數(shù)字孿生助力IT與OT融合

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中關(guān)鍵一環(huán)，加速了IT和OT各要素的融合，數(shù)據(jù)是融合過程中最重要的粘結(jié)劑，要讓IT部門和OT部門融合的更好，首先要處理好數(shù)據(jù)這項(xiàng)隱形的資產(chǎn)。另外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在試圖打破企業(yè)的邊界，試圖填滿IT與OT之間的各種縫隙，打造軟件定義、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、模式創(chuàng)新的新生態(tài)，而數(shù)字孿生剛好為融合發(fā)展提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)的接口。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，數(shù)字孿生可以展示、預(yù)測，分析數(shù)字模型和物理世界之間的互動(dòng)過程。基于數(shù)字孿生的設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)有物理產(chǎn)品的虛擬映射，研究大量數(shù)據(jù)以獲取有價(jià)值的知識(shí)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新。

設(shè)計(jì)人員只需將需求發(fā)布到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，平臺(tái)管理者就能就精確匹配設(shè)計(jì)人員需要的數(shù)據(jù)服務(wù)以及用于處理數(shù)據(jù)的模型和算法服務(wù)。通過調(diào)用，組合和操作這些服務(wù)，結(jié)果將返回給設(shè)計(jì)人員。IT和OT的融合以“按需付費(fèi)”的方式，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上悄然完成。

此外，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)和組件后，需要測試設(shè)計(jì)質(zhì)量和可行性。借助數(shù)字孿生，設(shè)計(jì)人員可以通過驗(yàn)證虛擬產(chǎn)品快速地模擬運(yùn)行狀況，完成虛擬設(shè)計(jì)和虛擬運(yùn)行。服務(wù)封裝后，模型服務(wù)可以通過服務(wù)搜索，匹配，調(diào)度和調(diào)用來使用。通過服務(wù)，數(shù)字孿生有效地應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，減少預(yù)期行為和設(shè)計(jì)行為的不一致產(chǎn)生的修改，大大縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本。

打造基于數(shù)字孿生的工業(yè)APP服務(wù)池

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其核心思想“數(shù)據(jù)+模型=服務(wù)”的影響不斷擴(kuò)大，服務(wù)在制造業(yè)中扮演著越來越重要的位置。優(yōu)化服務(wù)不僅僅可以應(yīng)對(duì)激烈的競爭并獲得更多收入，還可以借助工業(yè)APP和微服務(wù)解決不同供應(yīng)商標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議兼容、異構(gòu)系統(tǒng)集成等問題。

數(shù)字孿生服務(wù)包括設(shè)備服務(wù)、技術(shù)服務(wù)、測試服務(wù)、模擬服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、知識(shí)服務(wù)、模型服務(wù)、算法服務(wù)等，此外，還有許多輔助服務(wù)，如物流服務(wù)、運(yùn)維服務(wù)、金融服務(wù)等。

工業(yè)APP可以充分釋放數(shù)字孿生的潛力。工業(yè)APP可以將數(shù)字孿生的各種組件分解為可由單個(gè)服務(wù)完成的子任務(wù)模塊，客戶按需定制滿足一定功能的微模塊，組建起一定功能的微服務(wù)組，經(jīng)服務(wù)封裝后，數(shù)字孿生服務(wù)發(fā)布到服務(wù)池和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。通過微服務(wù)，復(fù)雜虛擬模型數(shù)字孿生的每個(gè)組件都可以統(tǒng)一管理、共享和使用。