在很大程度上，工業物聯網（IIoT）使數字孿生成為可能，更易于對工業運營、設備和系統進行優化。數字孿生和IIoT技術可以協同工作。實施數字孿生可以使工業運營和系統受益。
01 數字孿生的定義
數字孿生（Digital Twin），是真實世界機器、設備或過程的數字表示。但數字孿生不僅僅是仿真。數字孿生精確地復制了真實世界中的系統功能和行為。這種復制是通過數字線程實現的。數字線程是一種通信框架，它從與現實世界系統互連的平臺中提取數據，并將這些數據饋送到數字孿生模型。
與數字孿生相連的系統，可能包括IIoT設備、計算機輔助設計（CAD）軟件、產品生命周期管理（PLM）軟件、制造執行系統（MES）和企業資源規劃（ERP）系統。數字線程還允許用戶在數字孿生模型上運行仿真，并根據客觀、真實的場景、結果和數據做出決策。
如果沒有諸如IIoT和基于云的數據管理等實時提供細顆粒度數據的技術，數字孿生將不可能實現，或者，至少效率要低得多。
02 數字孿生模型：細節程度
要使數字孿生模型發揮作用，需要細化到哪種程度？
簡單地說，這取決于具體情況。數字孿生需要何種程度的細節，通常取決于用戶期望實現的目標。在一個理想的世界里，數字孿生會精確復制整個制造過程，包括前端和后端物流?；蛘?，在產品設計方面，數字孿生將復制從概念到構建的整個設計過程。對于大多數制造商以及使用數字孿生的目的來說，這樣的細節既不現實也不可行。
在現實世界中，大多數數字孿生模型的實現都專注于特定的過程或產品。當使用數字孿生優化過程時，應將核心過程的信息，如過程時間、流程、數量以及拒收或返工率，輸入到數字孿生模型中。如果可能，數字孿生模型還應包括核心過程上游和下游的一兩個步驟。最重要的是，一旦確定了重點領域，就應在該領域內收集盡可能多的信息。
請記住，在使用數字孿生技術來幫助企業開發過程或產品時，數字表示是在產品或過程構建或實施之前創建的。因此，一旦物理系統就位，就必須更新數字孿生模型。如果不更新，數字孿生模型對真實世界系統的表示很可能是不準確的。如果使用一個不準確的數字孿生模型，可能會導致時間、精力，當然還有成本的浪費。
▲西門子的仿真軟件 ProcessSimulate，顯示了機器人工作單元與 ABB 機器人的數字孿生模型。仿真面板用于查看和仿真運行編程軟件的 I/O。
03 數字孿生模型更新的頻率
為了維持正常功能，多久就需要更新一次數字孿生模型？如果現實世界的系統發生變化，數字表示就應隨之更新，即使變化看起來微不足道。在制造或生產過程中可能會發生無法立即察覺的變化，例如零件打滑或隨著時間的推移生產線速度降低。
擁有一個準確且最新的數字孿生模型，可以讓參與者將現實世界的過程和結果與數字孿生模型預測的結果相比較。然后，用戶就可以非常準確、可靠地確定問題發生的位置或原因。這是數字孿生技術應用主要的、持續的優勢之一，即使在最初的設計、開發和調試完成之后，它們仍然具有相當的價值。
盡管在理論上，保持數字孿生模型的最新狀態很簡單，但一些制造商發現這是一項艱巨的任務，因為工業過程涉及的變量非常多，而且它們可能隨時會變化。
04 自動更新數字孿生模型
更新可以自動進行嗎？在初次采用數字孿生模型時，最主要的挑戰來自通信和標準化。即使所有信息都可用，但它們存在于不同的設備中，如傳感器、控制器、3D模型和ERP系統等。將信息轉換為相同的格式或語言，聚合并將其傳輸給數字孿生模型，各個環節都面臨著挑戰。
雖然數字孿生的信息集成仍然是一個挑戰，但機器學習和人工智能技術將有助于解決這些問題?，F在，數字線程平臺可以采集來自不同系統的數據，將其標準化，并在物理過程或產品與數字孿生之間提供無縫連接。借助自動化功能，數字線程可在很大程度上處理更新，尤其是在應用于單個產品或流程時。
然而，對于超大規模過程和整個工業運營，利用自動化進行數字孿生的更新更具挑戰性。如果我們探討的是一條完整的生產線或工廠，則需要將每個事件和序列的時間傳遞給數字孿生模型——而利用現有技術，很難從現實世界的組件和系統中提取這些信息。
考慮到這一點，讓我們來看看目前數字孿生技術能為制造商真正帶來好處的一些應用場景。
05 數字孿生適合的應用場景
數字孿生可以應用于幾乎任何產品或過程。實際應用中，數字孿生也經常用于非制造業，如軟件開發。它的真正價值，在于如何在產品、過程或系統的整個生命周期中使用數字孿生。
▲許多機器人制造商提供自己的仿真軟件，例如 Fanuc的 Roboguide 機器人仿真軟件，可以充當數字孿生仿真。
可以在產品或過程的開發過程中使用數字孿生，以模擬設計、功能和工作流程。數字孿生在制造應用中非常有用，在這些應用中，有多個軸運動或過程同時發生或以緊密的順序發生。
汽車行業裝配線的數字孿生案例：零件可以在傳送帶上沿生產線向下游傳送，多個機器人在不同的工位對零件進行操作。必須非常周密地協調和控制所有這些運動和過程，從零件裝上傳送帶到卸載。如果零件在傳送帶上滑動，或者如果某個位置出現故障，這將會如何影響生產線的其余部分？或者，如果希望將傳送帶速度提高20%，用戶需要知道機器人和末端執行器的循環周期需要如何改變，以與提速后的傳送帶匹配?？梢酝ㄟ^數字孿生技術和仿真來解決這些問題。
產品或過程修改、測試的數字孿生案例：對于測試產品或過程的修改結果，數字孿生也很有價值。數字孿生讓設計師和控制工程師可以測試各種場景和案例，而不會中斷生產，也無需投資物理原型和測試設備。當最終迭代被鎖定時，實施和啟動會更快、更順利，因為通常情況下在這個階段需要解決的長長的“假設”列表已經被解決了。在這個場景中使用數字孿生，會消除過程中的大量不確定性和風險。
不確定性可能導致代價高昂的錯誤、時間和精力的浪費。這就是為什么數字孿生所帶來的的經濟價值，通常取決于在開發、啟動和調試、整個產品或過程生命周期的修改以及故障排除過程中所節?。ɑ蚩梢怨澥。┑臅r間和成本。
06 實施數字孿生的成本
實施數字孿生是否需要大量的成本和時間投資？關于實施數字孿生最大的誤解之一，是前期難以估量的成本和時間。事實上，數字孿生系統已經通過產品設計軟件被設計為數字產品，或通過PLC被編程為控制系統。數字線程平臺可以從各種設備引入3D模型、程序和所有數據，因此工程師和設計團隊不必擔心所有部件之間的數據傳輸和通信。
雖然數字孿生需要有前期投資，但它可以節省大量的設計、編程和配置時間，并可以預防掉入“陷阱”和最后關頭出現災難性問題。這些優勢，再加上模擬變更和故障排除等長期好處，要遠超數字孿生所花費的前期時間和成本。
