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2021年将有50%大型工业企业应用数字孪生?数字孪生商业路径详解

2020年8月12日              
关键字:数字孪生  

日前国家发改委印发的一份《关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案》中,数字孪生技术被多次提及,受关注程度和云计算、AI、5G等一样,上升到国家高度。方案提出要围绕解决企业数字化转型所面临的数字基础设施、通用软件和应用场景等难题,支持数字孪生等数字化转型共性技术、关键技术研发应用,引导各方参与提出数字孪生的解决方案。

数字孪生(Digital Twin)对大部分人而言“不明觉厉”。简单来说,就是真实的物理实体所对应的1:1数字化镜像。通过数字技术,将物体、系统、流程等实时映射在数字化系统中,对产品、制造乃至工厂虚拟仿真,创造一个数字版的“克隆体”,是推动产品创新、性能提升的底层逻辑和强大支撑。

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数字孪生已成为数字化转型进程中炙手可热的焦点。知名咨询机构IDC预测,到2020年全球头部600家企业都会使用数字孪生来提供产品创新。在近日Gartner和树根互联共同出版的行业白皮书《如何利用数字孪生帮助企业创造价值?》中也预测,到2021年,半数的大型工业企业将使用数字孪生,从而使这些企业的效率提高10%;到2024年,超过25%的全新数字孪生将作为新loT原生业务应用的绑定功能被采用。

随着新基建的推进,企业数字化进程加快,数字孪生与工业互联网的结合,将为制造业的提升带来更广阔的想象空间。

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数字孪生已悄悄在国内外落地应用

数字孪生对于大型、技术复杂的机器设备,如飞机、火箭等尤为重要。由于这类设备技术含量高,且一旦出错,代价昂贵,因此,航空航天领域是最早应用数字孪生的领域。2009年美国空军实验室提出了“机身数字孪生”的概念。2010年NASA也开始在技术路线图中使用“数字孪生”术语。

而在工业制造领域,由于虚拟空间数字映射的分析以及与实体的交互,对设备、系统的发展轨迹有一个提前的预测,从而大幅提升企业的态势感知的能力。而拥有了超前一步的洞察力,必将能指导企业更好的去做相应的业务决策,比如,更合理的检修时间、更完善的排产计划,更贴合市场的上市时机......

近年来,以西门子、GE、SAP、PTC、ESI、ANSYS 等为代表的领先企业更是不断推动着数字孪生的落地。

在生产制造领域:美国GE借助数字孪生这一概念,提出物理机械和分析技术融合的实现途径,并将数字孪生应用到旗下航空发动机的引擎、涡轮,以及核磁共振设备的生产和制造过程中,让每一台设备都拥有了一个数字化的“双胞胎”,实现了运维过程的精准监测、故障诊断、性能预测和控制优化。

在产品开发领域:劳斯莱斯使用数字孪生风扇叶片来制造超级喷气发动机,通过模拟物理对象在各种场景下的性能、验证产品的功能、安全性和质量,避免多个原型的重复开发,并提高了25%的燃油消耗效率。

在全生命周期领域:西门子借助数字孪生的管理工具——PLM(ProductLifecycleManagement)产品生命周期管理软件将数字孪生的价值推广到多个行业,并在医药、汽车制造领域取得显著的效果。以葛兰素史克疫苗研发及生产的实验室为例,通过“数字化双胞胎”的全面建设,使复杂的疫苗研发与生产过程,实现完全虚拟的全程“双胞胎”监控,企业的质量控制开支减少13%,它的返工和报废减少25%,合规监管费用居然也减少了70%。

在销售领域:世界最大的轴承制造商SKF已经将数字孪生模型应用到其分销网络中, 该模型包含800 个库存量单位的主要数据, 涵盖5 个系统的40 个安装单元, 使供应链管理人员能够基于数字孪生的可视化和完整视图进行全球化供应链管理决策。

近年的数字孪生城市的构建,更是引发城市智能化管理和服务的颠覆性创新。新加坡利用仿真系统CityScope, 实现对城市的仿真优化、规划决策等功能; 荷兰第二大城市鹿特丹利用该市的数字孪生系统,来改善基础设施维护、能源效率、道路和水上交通,以及帮助消防员在紧急情况下出行任务等等。

而在国内,数字孪生已在智慧城市建设中有较多落地应用。比如,雄安新区融合地下给水管、再生水管、热水管、电力通信缆线等12种市政管线的城市地下综合管廊数字孪生体让人惊艳;江西鹰潭“数字孪生城市”荣获巴塞罗那全球智慧城市大会全球智慧城市数字化转型奖。

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除此以外,在国内石化、电力等领域的大型工程中也不乏数字孪生成功应用的身影。比如:“世纪工程”的中俄东线天然气管道工程,就利用RayData智能管道可视化交互管理系统,建成全方位、全周期的监控“数字孪生体”,为管道的运营运维、风险排查提供精准、实时的信息数据,成为中国首条“智能管道”的样板工程,实现了在统一的数据标准下开展可研、设计、采办和施工。

随着运营动态数据的不断丰富,“数字孪生体”将跟随管道全生命周期而共同生长。比如:上海110千伏博艺站将变电站本体和设备的BIM模型(建筑信息模型)与数字孪生技术融合,集成变电站设备参数、实验报告、运行状态等信息,实现实体站与数字孪生站的同步建设,实现了变电站全生命周期的管控。

切勿将数字孪生误读为单纯的3D呈现

数字孪生虽已走出了学院、实验室,在真实场景中落地应用。但是,大众对于数字孪生的认知仍比较模糊。在商业应用中,应该避免对其理解片面或偏差,以为做数字孪生,只是呈现层面上的一些交付。更不能简单地将数字孪生当成是3D呈现,为了一个“酷炫”的视觉效果而投入大量人力物力来做3D美化。这将不利于数字孪生的更广泛推广和未来发展。

事实上,3D呈现只是数字孪生冰山露出海面的一角,隐藏在水下的是大量数据的采集、机理模型的构建、机理仿真、3D建模数据等比较完整的综合体作为支撑。有了这部分,才能真正产生价值。这也是建设数字孪生真正的难点。尤其是构建模型中新增的大量传感器,以及相关算法的沉淀和梳理,还有大体量样本的对比。这些是数字孪生真正在背后要去做的有价值的工作。

数字孪生要在工业制造中发挥价值,要依托工业互联网平台,数字孪生可帮助企业全面了解从产品的设计、开发,到生产、上市、直至被使用的全流程。这有助于企业快速发现和解决问题,加快新品上市速度,提高产品质量,优化运营,并开发新的经营模式,提高收益,尤其是提升趋势感知和决策力。

随着工业互联网的应用推进,网络的连通效用使得各个数字孪生在设备资产管理,产品生命周期管理和制造流程管理中开始发生关联、互相补充,通过对原材料、工厂制造、销售、客户需求一体化的管理,打通构成数字孪生的闭环。

以工程机械龙头企业三一集团为例。三一集团通过利用工业互联网的基础能力,把数据采集和建模,围绕产品的全生命周期,从智能研发、智能工厂、智能服务、金融创新方面,带来可观的收益和变革。

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有详实的经济效益数据为支撑。三一集团基于树根互联旗下的工业互联网平台根云平台,构建数字孪生智能服务,让工程师响应时间从原来的300分钟缩短到15分钟,渠道备件库存从10亿降到7亿;智能研发方面,以往一个研发批次数据分析时长长达一周,目前已缩短到3小时以内,以往一个单位测试数据10G分析需要2~3个小时,目前可以在3~5秒内完成,支撑三一每年下线工程机械新产品96款、研发新技术58项。在智能制造上,在不增加设备投资的情况下,三一集团产值复合增长超过55%,特别是2019年上半年销售额比去年同比增长60%。

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先进技术最终要回归实际业务中实现价值。在实际应用中,不同企业应用数字孪生有不同的路径。大型企业由于架构分散,人员、物料和资产数量巨大,可依靠工业互联网平台,通过数字孪生的建设,定义和实现集团物理资产、人、资源和企业的数字化建模标准,从而大幅提升企业的数字化转型速度、降低数字化成本和风险。而对于小型企业而言,针对运营效率不高与资金不足等痛点,可借助公有云的lloT平台,以较小成本快速实现企业能力的提升。

责任编辑:陈玲
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