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。不是因為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的激增預(yù)示著它的到來，而是因為企業(yè)實際上可以利用這些設(shè)備生成的數(shù)據(jù)來做什么。

簡而言之，今天的 IIoT 設(shè)備收集了足夠的數(shù)據(jù)來驅(qū)動被稱為“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)備自動規(guī)劃或測試新戰(zhàn)略。借助數(shù)字雙胞胎，工程和設(shè)計團隊可以創(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)提供的價值。

什么是數(shù)字孿生？

Philipp Wallner （PW）：數(shù)字孿生是現(xiàn)實世界物理資產(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)字雙胞胎來分析組件、機械和整個運營中的生產(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優(yōu)化公司的運營、預(yù)測未來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)動機、發(fā)電廠、生產(chǎn)線或車隊的預(yù)測性維護。

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，同時在未來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）整合到他們公司的流程中。為這些平臺提供動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)字雙胞胎為這個過程增加了另一層，讓工程師有機會在不使用物理世界中的資產(chǎn)的情況下評估模型的決策、調(diào)整變量和測試新場景。

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不同的地點擁有油井，每個油井都有多個泵。您可以將數(shù)字雙胞胎用于預(yù)測性維護，讓您的工程師為每個泵構(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，以評估每個泵的當(dāng)前運行狀況。

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)下運行：

減少設(shè)備停機時間：他們可以使用數(shù)字孿生通過預(yù)測設(shè)備故障并提前預(yù)防來提高密封件、閥門和柱塞等組件的性能。

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

車隊管理、假設(shè)模擬和運營規(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單方法。因此，每個井的泵可能具有相似的功能；但是，每個位置都具有影響其運行方式的獨特環(huán)境因素，例如溫度。幸運的是，該公司可以使用數(shù)字雙胞胎來監(jiān)控整個油井（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的場景來測試它們，優(yōu)化未來的運營。

您能否擴展數(shù)字雙胞胎捕捉實物資產(chǎn)狀況的能力？

PW：數(shù)字雙胞胎經(jīng)常更新以匹配實物資產(chǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，這可能使它們能夠隨著時間的推移測量其狀況。分類信息會根據(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)測性維護用例中的數(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的整體效率。需要更多的數(shù)字雙胞胎來捕捉資產(chǎn)的整體狀態(tài)。

這些監(jiān)控功能也可以用來檢測異常嗎？

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

它們可以用于預(yù)測性維護嗎？

PW：由于數(shù)字孿生可以監(jiān)控整個車隊，因此非常適合運營規(guī)劃和資產(chǎn)維護。例如，運行工業(yè)自動化和機械應(yīng)用的公司可以使用數(shù)字孿生來確定其設(shè)備的剩余壽命以及維修或更換設(shè)備的最佳時間。

值得注意的是，由于預(yù)測性維護通常需要做出實時或?qū)r間敏感的決策，因此進(jìn)行預(yù)測性維護的數(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)字雙胞胎會給制造商帶來這種好處嗎？

普瓦：當(dāng)然。數(shù)字孿生可用于模擬多種場景，以檢查車隊規(guī)模、天氣或運營條件等因素如何影響公司的業(yè)績。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、維護計劃、優(yōu)化運營做出明智的決策。

使數(shù)字孿生有效檢測異常的因素能否用于優(yōu)化運營？

普瓦：當(dāng)然。如前所述，公司可以更改車隊規(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)千個場景，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、降低成本或最大限度地提高系統(tǒng)效率——有時三者兼而有之。

例如，我們在食品和飲料行業(yè)的一位機器制造商客戶創(chuàng)建了一個數(shù)字雙胞胎，不僅優(yōu)化了公司機器人處理設(shè)備的設(shè)計，還優(yōu)化了其故障測試和預(yù)測性維護能力。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，工程師將越來越多地被要求為他們的公司開發(fā)數(shù)字雙胞胎。設(shè)計團隊在準(zhǔn)備、構(gòu)建和應(yīng)用數(shù)字孿生模型時應(yīng)牢記三種主要模型：數(shù)據(jù)驅(qū)動、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。試圖通過估計資產(chǎn)的剩余使用壽命 （RUL） 來優(yōu)化維護計劃的公司應(yīng)該使用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型。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估計 RUL，并通過傳感器測量泵的流量、壓力和振動等因素來評估資產(chǎn)的狀況。

如果一家公司想要試驗潛在的未來場景并模擬車隊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)，之后工程師被邀請調(diào)整或添加多個變量或環(huán)境條件，然后查看模擬結(jié)果。

工程師可以使用的另一個數(shù)字雙胞胎選項是卡爾曼濾波器，它通過對資產(chǎn)的退化進(jìn)行建模來結(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)計過程？

PW：在設(shè)計資產(chǎn)時，工程團隊?wèi)?yīng)該為每個組件創(chuàng)建一個數(shù)字雙胞胎。他們擁有的與其資產(chǎn)組件相對應(yīng)的數(shù)字雙胞胎越多，數(shù)字雙胞胎的測量結(jié)果就越準(zhǔn)確，資產(chǎn)工程師就越有能力虛擬測試他們的資產(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，對多個系統(tǒng)的系統(tǒng)進(jìn)行建模的團隊可能不需要為每個系統(tǒng)創(chuàng)建一個雙胞胎，因為對精度的期望可能較低。但是，如果設(shè)計團隊打算運行，例如，故障預(yù)測和故障分類，他們需要為每個目的創(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)工程團隊擁有的越多，他們可以為雇主提供的價值就越大？

普瓦：沒錯。數(shù)字雙胞胎的靈活性和優(yōu)勢應(yīng)使其成為向工業(yè) 4.0 過渡的企業(yè)的重中之重。通過提供運營中資產(chǎn)的最新表示，公司為其工程和設(shè)計團隊提供了無限的機會來優(yōu)化、自動化或提高其資產(chǎn)的效率并評估未來的績效——所有這些活動都會導(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