在項目實施之前對設備和系統進行測試和驗證的能力對于任何制造商來說都至關重要。然而，在這項技術的早期階段，并非每個制造商都為數字化轉型做好了準備。

作為一種更高形式的仿真，數字孿生收集數據以創建精準的仿真，來顯示制造設備和系統的運行、潛在故障以及未來可能的維護問題。數字孿生和仿真之間的關鍵區別在于，數字孿生將來自設備的實時數據輸入整合到其仿真中，以創建逼真的現實表示。

正因為如此，數字孿生這項技術才能迅速成為制造企業的重要工具。能夠幫助企業在使用前運行、測試和優化復雜而昂貴的系統，節省大量時間和成本，并可以避免故障、損壞和員工受傷。

數字孿生與仿真的差異

盡管它們在概念上相似，但仿真和數字孿生在目標上并不同。仿真是基于軟件的，通常用于訓練，使用過程或系統模型來模擬真實世界的行為。這使用戶能夠對設計做出決定，并在必要時進行更改。

仿真主要針對設計和培訓應用，而數字孿生通常用于實時仿真過程或系統的整個生命周期，包括設計、運行、變更、修改以及調試和退役的各個階段。

“任何制造商的數字化轉型之旅，都需要為其產品、系統和整個生產過程打造一個全面的數字孿生。”西門子數字化工業軟件機器人和自動化技術產品經理Josh Carlson表示：“全面的數字孿生使制造商能夠在構建物理系統之前驗證系統，以提高生產質量并減少停機時間。”

Carlson進一步解釋道，雖然仿真是數字化轉型的重要組成部分，對充分利用數字孿生的功能至關重要，但全面的數字孿生所包含的內容要更多。得益于物理、行為和邏輯建模，它是一種可以更接近真實事物的模型。然后，仿真可以讓數字孿生更真實，可以對其進行訓練和分析，并用它來獲得答案和做出決策。

達索系統Delmia戰略業務發展總監Thomas Muth認為，

仿真和數字孿生之間的關鍵區別體現在以下幾個方面：

■范圍：

仿真使用預定義的變量集，數字孿生可對進入方程的任何變量進行調整，沒有數量限制。

■數據集成：

仿真使用靜態、預先確定的設置變量，而動態數字孿生可以實時更新，以針對真實事件進行調整。

■模型：

數字孿生需要模擬真實世界資源的多層模型。關鍵是要有一個可靠的模型，可以在其中與多個場景進行交互。而仿真通常是預定義的，并針對目標場景構建。

■生命周期：

從設計到生產以及交付的整個生命周期中, 數字孿生與物理實體保持著持續的聯系。而仿真通常用于特定場景，可能不會在整個生命周期中持續存在。

■協作：

數字孿生應該允許所有利益相關者，在同一界面內協作和交換相關信息，而仿真往往相對單一且缺乏協作性。

■用例：

數字孿生用例比仿真更加多樣化、動態化并基于角色，包括資產管理、預測性維護以及過程和供應優化。

鑒于技術之間存在的差異和重疊，專業人員應如何選擇一種方法來更高效地調試和測試新的系統或升級過程？

“這通常取決于范圍和效益。“Carlson表示，“對于一些變化不快或過于復雜的企業或市場，如果變化是一次性的，或者變化發生在很長的時間周期內，仿真可能比較合適。如果產品、過程和資源經常發生變化，OEM廠商或集成商可能更希望使用數字孿生。”

Muth補充道，OEM和集成商可能已經使用獨立的仿真工具來估計周期時間、執行設備布局規劃、確定硬件規格以及構建和測試HMI操作員界面。

這些工具在初期規劃和設計階段帶來了價值，但在調試過程中變得有限。

對制造商和集成商來說，

最關鍵和最具挑戰性的方面之一是不同技術和系統的成功整合和集成。

這在調試階段最為明顯，當系統需要調整時成本可能會增加。全面的數字孿生也被稱為虛擬調試，允許在任何設計最終確定之前進行虛擬測試和驗證。

由于虛擬調試是生產系統、自動化技術和控制的全面的數字孿生系統之間的動態實時連接，制造商可以在虛擬調試期間利用軟件在環（虛擬）或硬件（虛擬和物理硬件）。

將測試和驗證轉移到數字世界，比在現場調試期間發現問題的成本要低得多，并且還能縮短整體調試時間。

數字孿生的多樣性和應用

由于能夠實時連接物理世界和虛擬世界，數字孿生可以驗證和優化設計、調試設備以及驗證過程、生產、維護和供應鏈。根據 Muth 的說法，這意味著有許多潛在的數字孿生類型，不過大多數可以歸結為以下三種類型：

■工廠和資源：

模擬新設施或現有設施的設計和布局的數字孿生。

■產品和過程：

模擬生產運營以驗證最佳實踐、模擬機器人和其他車間資源的運行、模擬產品和材料的流動以及定義和驗證流程計劃和虛擬構建的數字孿生系統。

■供應鏈和運營：

模擬供應鏈各個環節的數字孿生，以優化進出工廠的物料流。

Carlson認為，使用全面的數字孿生的主要優勢是可以將產品無縫集成到制造過程中。產品的數字復制品可以代表伺服電機等子組件，也可以代表整車等更復雜的產品。生產的數字表示準確地描述了制造產品所需的制造過程，而全面的數字孿生方法則集成了所有必要的組件。

數字孿生可以幫助評估現有設備升級，規劃新的生產線，并在將產品投入生產之前驗證更改。

例如，對柔性生產線（在一條生產線上生產多種汽車）的推動，以及對重新利用現有設備需求的不斷增加，使得數字孿生技術對汽車行業至關重要。

“雖然實施數字孿生技術對任何行業都有益處，” Muth說，“但我們看到，生產復雜產品的公司以及處在快速增長和變化的行業中的公司可以獲得更顯著的好處。”他舉了兩個具體例子：

■一家大型飛機制造商為其直升機生產線創建了一個虛擬數字孿生。它以3D方式仿真生產機械，并實時更新以監控生產變化。

■一家全球汽車技術提供商部署虛擬數字孿生技術來仿真生產過程。這使公司能夠通過分析序列和每次操作所花費的時間來規劃流程。這種數字化工廠使公司能夠更高效地發展，降低生產啟動成本，并利用資源和最佳實踐與標準化工具更好地合作，以改善工廠內外的溝通。

實施數字孿生的挑戰

從表面上看，數字孿生和仿真技術并沒有真正的缺點，只是各自的特點使其適用于不同應用。Muth說：“如果實施得當，我看不出數字孿生有任何真正的缺點，但在這個過程中肯定需要考慮風險。”兩個主要的潛在風險是：

孤立/獨立的數字孿生和單一用途的數字孿生。

關于孤立的數字孿生，Muth解釋道，“為了最大限度地發揮作用，

數字孿生應該能夠連接到其它數字孿生并與之合作。這是一個關鍵趨勢，互聯的數字孿生解決了這一問題。”

▲ 擁有可操作的數據是數字孿生體驗的重要組成部分，可以更好地規劃和執行，以實現業務和可持續發展目標。

互聯的數字孿生，通過使用大量異構數據和商業化、建立跨公司數據空間以及基于跨公司標準共享數據的能力，

為盡可能廣泛的受眾帶來收益。

對于單一用途的數字孿生，

創建關注點過于狹窄的數字孿生，會使數字孿生的價值最小化，有時甚至到了實施成本超過收益的地步。

Carlson認為，致力于實現全面的數字孿生并利用虛擬調試技術幾乎沒有任何缺點。不過，也有一些戰略需要權衡，比如建立數字孿生系統所需的能力，或者為支持數字化轉型而可能需要改變的內部流程。“制造商必須考慮采用技術和推動內部流程的人才供應情況，以及提升現有員工技能的方法。并非所有制造商和行業都處于數字化轉型的同一階段，正如并非所有制造商都處于機器人和自動化的同一階段一樣。”

盡管人們普遍認為，仿真和數字孿生之間的主要區別在于數字孿生與物理設備相連，可以實時響應輸入的數據，但并不是每個人都同意這一區別。

因此，制造商可能會看到一些被認定為數字孿生的技術，但卻并不符合更廣泛接受的定義。在這種情況下，制造商應該如何選擇這些技術來調試和測試呢？

National Automation公司總裁兼國際自動化學會（ISA）成員Steve Mustard表示：“在某些情況下，能夠運行數千次模擬以確定概率結果（如蒙特卡羅模擬）或最佳配置參數（如控制回路整定）的數字孿生更適合基于動態模擬器的數字孿生。但在另外一些情況下，目標是觀察真實世界中的結果，例如幫助進行操作員培訓，這就需要一個具有三維可視化和模擬功能的更全面的數字孿生系統。”

與仿真一樣，也有不同類型的數字孿生。Steve說：“

有很多工具被認為是數字孿生。從簡單的電子表格到先進的、具有精確地理空間的可視化平臺，以及兩者之間的任何組合都可能被歸入這一類。”

這些不同類型的數字孿生，

它們在調試和測試階段的適用范圍是什么？

Mustard解釋道，在某些情況下，能夠查看設備資產靜態屬性的3D模型可能就足夠了。而在其它情況下，可能需要覆蓋仿真過程數據或查看完整的現場視圖，以可視化任何調試活動的全部影響。

虛擬調試用于機器代碼的早期驗證，它使用虛擬仿真技術來調試或測試具有虛擬模型的控制軟件。

虛擬調試組件還可以與數字孿生集成，以進一步簡化調試/測試過程。

現代高級數字孿生能夠將3D模型、靜態屬性數據、實時過程數據或模擬過程數據集成到一個統一的視圖中。控制器應用程序可在數字孿生上執行，運行過程模擬器并在3D視圖中顯示結果。

這種方法簡化了調試/測試過程，因為它比簡單的I/O測試更能揭示控制器應用對物理世界的影響。

中服云數字孿生平臺V3.0

是基于中服云物聯網平臺和數據中臺打造的一款實時數據2D/3D集成展示監控平臺，旨在解決工業物聯網數據的直觀展示、實虛互動、仿真模擬、故障診斷、告警、預警、預測、實時觀測、實時監控等問題。提供了數據采集、數據底座、監控邏輯、建模工具、展示互動工具、模擬仿真、診斷預測等功能，內置地球、城市、園區、工廠、車間、設備等多個場景。具有直觀性、實時性、集成性、主動性等特點。可應用于實時監控、應急指揮、生產調度、模擬仿真、展示推廣、實體復原、產品測試等多種場景。

審核編輯 黃宇