數字孿生的五個(gè)維度分別是什么?
數字孿生(DT)是一種實(shí)用的OT/IT融合方法,能夠增強二者的交互,并融合來(lái)自雙方的數據。它有助于開(kāi)發(fā)更智能、更高效、更可靠的制造系統,也是實(shí)施智能制造的關(guān)鍵一步。目前來(lái)看,很多人對數字孿生的認知還不夠全面,尤其“數據”和“應用”并沒(méi)有受到足夠的重視,但其實(shí)這二者是除“物理實(shí)體”和“虛擬實(shí)體”及其“連接”之外,數字孿生中最為重要的兩個(gè)要素??傮w來(lái)說(shuō),數字孿生應該包含物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、物理與虛擬實(shí)體的連接、數據和應用五個(gè)維度。
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/202205/433803.htm數字孿生的發(fā)展
2003年,數字孿生最初是在格里夫斯的產(chǎn)品生命周期管理(PLM)執行課程中提出,他將其定義為三個(gè)維度,包括一個(gè)“物理實(shí)體”、一個(gè)“數字對應物”和一個(gè)將兩部分聯(lián)系在一起的“連接”。
2010年,美國宇航局在《建模、仿真、信息技術(shù)》草案中詳細闡述了航天飛行器數字孿生的定義和功能,“一個(gè)綜合的多物理場(chǎng)、多尺度的飛行器或系統模擬,使用最佳可用的物理模型、傳感器數據更新、歷史數據等來(lái)反映其相應壽命”。
2011年,美國空軍探索了數字孿生在飛機結構健康管理中的應用。
2012年,美國宇航局和美國空軍聯(lián)合發(fā)表了一篇關(guān)于數字孿生的論文,指出它是未來(lái)飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。
2014年,數字孿生白皮書(shū)發(fā)表,其三維度結構得到廣泛宣傳。隨后,它被引入航空航天工業(yè)以外的更多領(lǐng)域,如汽車(chē)、石油和天然氣、醫療保健和醫藥等。
當代數字孿生的五個(gè)維度
(PE表示物理實(shí)體,VE表示虛擬實(shí)體,Ss表示服務(wù)(應用),DD表示孿生數據,CN表示各組成部分間的連接)
隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展,人們發(fā)現“物理實(shí)體”、“虛擬實(shí)體”及其“連接”,這三個(gè)維度已經(jīng)不足以覆蓋數字孿生的范圍?!皵祿焙汀胺?wù)(應用)”兩個(gè)維度加入進(jìn)來(lái)組成了數字孿生的五個(gè)維度,這樣除了物理、虛擬以及二者的交互之外,還可以利用新技術(shù)融合物理和虛擬兩方面的數據,實(shí)現更全面、更準確的信息獲??;同時(shí),“服務(wù)(應用)”納入數字孿生模型中,像檢測、判斷和預測等等對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)就比較直觀(guān)了。
數字孿生的核心
模型、數據、連接和服務(wù)始終在數字孿生中扮演著(zhù)最重要的角色,這四個(gè)部分也是數字孿生的核心。
模型
數字孿生的一個(gè)重要特征是,對于每個(gè)物理對象,都有一個(gè)“數字鏡像”存在于虛擬世界中,并與它在整個(gè)生命周期中一起“工作”。大多數人對數字孿生第一印象中的“3D模型”,可以說(shuō)就是這里所說(shuō)的模型中的一部分,但數字孿生的模型,不僅僅是你能看到的3D模型,它包括幾何尺寸、物理特性和行為等,具有實(shí)時(shí)同步、可靠映射和高保真等特點(diǎn)。
數據
數字孿生數據由五部分組成:一是來(lái)自物理實(shí)體的數據,主要包括運行狀態(tài)和工作條件;二是來(lái)自虛擬鏡像的數據,由模型參數和模型運行數據組成;三是來(lái)自服務(wù)應用的數據,描述服務(wù)的封裝、組合、調用等;四是從收集的數據中挖掘或從現有數據庫和系統中獲取的領(lǐng)域知識;最后是以上數據的融合處理數據,可以通過(guò)數據融合算法(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、D-S算法和卡爾曼濾波)獲得。
服務(wù)
服務(wù)又分為面向物理實(shí)體和面向虛擬鏡像兩種服務(wù)。這些服務(wù)通過(guò)實(shí)時(shí)調節使物理實(shí)體按預期工作,并通過(guò)物理實(shí)體與鏡像模型的關(guān)系校準以及模型參數校準保持虛擬鏡像的高保真度。面向物理實(shí)體的服務(wù)主要包括監測服務(wù)、PHM服務(wù)、狀態(tài)預測服務(wù)、能耗優(yōu)化服務(wù)等;面向虛擬鏡像的服務(wù)主要包括模型的構建服務(wù)、標定服務(wù)和測試服務(wù)等。
連接
從概念圖可以看到,在五維數字孿生中的連接,不止于物理實(shí)體與虛擬鏡像之間的連接,還包括他們與服務(wù)以及數字孿生數據之間的雙向連接。由此也可以看出,數字孿生中服務(wù)和數據角色的增加,也帶來(lái)了整個(gè)體系角色之間聯(lián)系的復雜化。
數字孿生與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)
從技術(shù)角度來(lái)看,數字孿生體系的構建分為:物理實(shí)體建模(傳感、射頻、嵌入、數采)、虛擬鏡像建模(3D模型、行為建模、規則建模、模型集成、模型分析、模型評估)、服務(wù)建模(資源管理、服務(wù)描述、服務(wù)封裝、服務(wù)可視化、搜索與匹配、服務(wù)評估、容錯管理、人機交互)、數據建模(存儲、清理、轉換、集成、融合、分析、可視、完整性、安全性)、連接建模(協(xié)議分析、協(xié)議轉換、感知、無(wú)線(xiàn)、API、標準)。
數字孿生構建的八條準則:基于數據和知識、模塊化、輕量化、層次化、標準化、服務(wù)化、開(kāi)放性和可擴展、魯棒性。這些準則對數字孿生的受眾來(lái)說(shuō),非常貼心。因為,當前數字孿生對很多人來(lái)說(shuō),還很“科幻”,而且往往他們看到的數字孿生相關(guān)宣傳都是“全生命周期(設計、生產(chǎn)、維護等等)”,那么多“全”才叫“全”呢,生命周期應該覆蓋到哪里呢,沒(méi)有設計階段行嗎?這樣的系統得做多大,涵蓋多少范圍?……這時(shí)候這些準則就能解決這些疑問(wèn)。
首先可以肯定的是,數字孿生是未來(lái)的主流方向,其次我們也應該正視當前發(fā)展數字孿生的基礎不足,比如行業(yè)差異、基礎設施等等。在這種情況下,數字孿生的落地就應該是模塊化、輕量化、標準化、服務(wù)化的。所謂服務(wù)化,不只是要將功能、應用、資源等服務(wù)化,還指的是企業(yè)應該將目光放在數字孿生所能提供的最終服務(wù)和應用,比如預測性維護。而數字孿生供應商也應該盡可能的封裝底層技術(shù),為客戶(hù)提供人性化、易用的應用,因為數字孿生不是目的,最終的應用才是目的。而另一方面,數字孿生需要持續開(kāi)發(fā)、持續獲益、持續改進(jìn),模塊化、輕量化、標準化也就顯得尤為重要。
那么,如何才能保證這些技術(shù)和準則的成功實(shí)現,答案就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。無(wú)論是從五維數字孿生的關(guān)鍵技術(shù)支撐集來(lái)看,還是從其構建準則來(lái)說(shuō),我們都可以清晰的看到數字孿生和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有很多的相似性,數字孿生可以看作是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)子集。尤其以數據為中心、以服務(wù)(應用)為導向這關(guān)鍵兩點(diǎn)上更是不謀而合。簡(jiǎn)言之,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺也是數字孿生的基礎平臺。
平臺支撐數字孿生
以寄云NeuSeer 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為例,我們可以發(fā)現,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺很多優(yōu)勢完全就是為了數字孿生構建準則而準備,或者為了解決數字孿生的技術(shù)挑戰而生。它覆蓋了邊緣端,到邊緣物聯(lián)網(wǎng)平臺,數據治理平臺,有全流程的數據生命周期平臺,幫助客戶(hù)實(shí)現應用和系統的構建,幫助客戶(hù)管理數據,發(fā)現數據價(jià)值。
首先,寄云NeuSeer工業(yè)數據采集網(wǎng)關(guān)在物理實(shí)體層面支撐數字孿生的構建。它提供不同類(lèi)型的接口,RS232/485/以太網(wǎng),可以對接包括西門(mén)子、歐姆龍、三菱、臺達等數百種常見(jiàn)的PLC,靈活的配置數據采集的點(diǎn)表和格式化,并提供高性能的MQTT轉發(fā)通道;同時(shí),提供統一的管理接口,支持遠程的配置升級和VPN接入。
在數據方面,寄云工業(yè)數據管理平臺提供封裝好的數據讀寫(xiě)接口,支持數據模型、數據對象,以及各種常見(jiàn)的計算函數,構建各種分析指標。提供可擴展、分布式、海量的實(shí)時(shí)數據庫和MPP數據庫,提供高性能的匯聚和查詢(xún)能力。支持不同類(lèi)型的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數據和業(yè)務(wù)系統的采集和接入,提供便捷的任務(wù)和調度管理。應用通過(guò)數據對象API和規則配置API訪(fǎng)問(wèn)數據,無(wú)需編寫(xiě)SQL語(yǔ)句,降低開(kāi)發(fā)難度、加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度,并實(shí)現數據共享。
不僅如此,工業(yè)數據分析建模平臺還提供靈活的數據模型和數據對象;支持豐富的數據預處理、數據探查、統計分析、機器學(xué)習、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的各種分析模型和可視化;并支持模型的發(fā)布和共享,這與數字孿生理念中的服務(wù)發(fā)現和搜索等技術(shù)相呼應。
除此以外,寄云NeuSeer工業(yè)應用開(kāi)發(fā)平臺無(wú)(低)代碼可視化開(kāi)發(fā)功能的工業(yè)組態(tài)、2D/3D、儀表盤(pán)、分析報表、填報表單,以及直接關(guān)聯(lián)指標數據、安全的發(fā)布機制、可集成到應用中的優(yōu)勢,再加上先進(jìn)的編譯、打包、部署,持續更新,豐富的微服務(wù)目錄,API網(wǎng)關(guān),統一用戶(hù)登錄,支持邊緣端部署等能力,能夠讓數字孿生構建規則中的服務(wù)化、輕量化、模塊化和標準化等實(shí)施起來(lái)如魚(yú)得水。
平臺+數據智能應用雙驅動(dòng)
正因為深刻的看到智能制造、數字孿生的核心是數據,應用是導向,基礎是平臺,寄云科技提出了“平臺+數據智能應用雙輪驅動(dòng)”戰略:“以NeuSeer工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為主線(xiàn),數據智能應用為基礎的雙輪驅動(dòng)模式”。從橫向集成的角度,制造企業(yè)需要通過(guò)平臺去連接人、機、物等各類(lèi)工業(yè)要素,獲取各種設備實(shí)時(shí)數據和生產(chǎn)過(guò)程數據,再深入結合行業(yè)的機理模型,輔以機器學(xué)習和人工智能分析,構建生產(chǎn)指標的優(yōu)化能力,實(shí)現反饋控制和實(shí)時(shí)決策能力,進(jìn)而優(yōu)化生產(chǎn)制造過(guò)程。
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