数字双胞胎，工业物联网技术如何造福运营

工业物联网(IIoT)在很大程度上实现了数字双胞胎，使工业操作、设备和系统更容易优化。数字双胞胎和工业物联网技术协同工作。实施数字双胞胎可以使工业运营和系统受益。问题、答案和要点见下文。

数字双胞胎，已定义

首先，让我们定义一下什么是数字双胞胎(以及什么不是)。

一个数字双是现实世界机器、设备或过程的数字表示。但数字双胞胎不仅仅是一个模拟。数字双胞胎完全复制了真实系统的功能和行为。这种复制是由数字线程实现的，数字线程是一种通信框架，它从连接到现实世界系统的平台提取数据，并将这些数据提供给数字双胞胎。连接到数字双胞胎的系统可能包括工业物联网设备、计算机辅助设计(CAD)软件、产品生命周期管理(PLM)软件、制造执行系统(MES)和企业资源规划(ERP)系统。数字线程还可以让用户在数字双胞胎上运行模拟，并根据客观的、现实世界的场景、结果和数据做出决策。

如果没有诸如工业物联网和基于云的数据管理等实时提供粒度数据的技术，数字双胞胎将不可能实现，或者至少效率会低得多。

数字双胞胎:有多少细节

要让数字双胞胎有用，需要多少细节?

简而言之，这要看情况。数字双胞胎所需的细节数量取决于用户想要实现的目标。在一个完美的世界里，数字双胞胎将完全复制整个制造过程，包括前端和后端物流。或者，就产品设计而言，数字双胞胎将复制从概念到制造的整个设计过程。对于大多数制造商和他们使用数字双胞胎的目的来说，这样的细节是不实际或不可行的。

在现实世界中，大多数数字孪生的实现都集中在特定的流程或产品上。当使用数字双胞胎来优化流程时，输入数字双胞胎的信息应该包含核心流程，例如流程时间、流程、数量以及拒收率或返工率。如果可能的话，数字孪生还应该包括核心流程的上游和下游的一个或两个步骤。最重要的是，一旦确定了重点领域，就应该在该领域内收集尽可能多的信息。

关键：当使用数字孪生来协助流程或产品的开发时，请记住在构建或实现产品或流程之前创建了数字表示。因此，一旦物理系统就位，更新数字双胞胎是很重要的。如果没有更新，数字版本很可能是真实系统的不准确表示。如果在接下来的过程中使用了不准确的数字孪生(用于优化、进一步开发，甚至是故障排除问题)，则可能会浪费时间、精力，当然还有成本。

数字双胞胎更新的频率

数字双胞胎需要多久更新一次才能继续发挥作用?

关键:数字表示应该在实际系统发生变化时随时更新，即使这些变化看起来微不足道。在制造或生产过程中，可能会发生一些不能立即注意到的变化，比如零件滑动或生产线随着时间的推移而失去速度。拥有一个准确且最新的数字双胞胎，可以让参与者将现实世界的过程和结果与数字双胞胎预测的结果进行比较。然后，用户可以以非常高的准确性和可靠性确定问题发生在哪里或导致问题的原因。这是数字双胞胎的关键持续优势之一，即使在最初的设计、开发和调试之后，它们也有价值。

尽管保持数字双胞胎的最新状态在理论上很简单，但一些制造商发现这是一项艰巨的任务，因为工业过程涉及太多变量，可能会不断变化。

自动数字孪生更新

更新可以自动进行吗?

当数字双胞胎第一次被采用时，一些最大的挑战是通信和标准化。即使所有的信息都是可用的，它也存在于不同的设备中，如传感器、控制器、3D模型、ERP系统等等。将这些信息转换成相同的格式或语言，进行聚合，并将其传输给数字双胞胎，这些都是挑战。

关键点:数字双胞胎信息集成仍然是一个挑战，但机器学习和人工智能(AI)技术已经帮助解决了这些问题。现在，数字线程平台可以从不同的系统捕获数据，将其标准化，并在物理过程或产品与数字孪生体之间提供无缝链接。借助自动化功能，数字线程可以在很大程度上处理更新，特别是应用于单个产品或流程时。

然而，为大规模流程和整个工业操作自动化数字孪生更新更具挑战性。如果我们谈论的是一条完整的生产线或工厂，那么每个事件和顺序的时间都需要转移到数字双胞胎中，而这些信息很难用现有技术从现实世界的组件和系统中提取出来。

考虑到这一点，让我们来看看数字双胞胎可以为制造商带来真正好处的场景。

数字双胞胎最好应用在哪里?

数字双胞胎在哪里有意义?

数字双胞胎几乎可以应用于任何产品或流程。事实上，数字双胞胎经常用于非制造业，如软件开发。我认为它们的真正价值在于如何在产品、流程或系统的生命周期中使用数字双胞胎。

数字双胞胎可以在产品或流程的开发过程中使用，以模拟设计、功能和/或工作流程。数字双胞胎在制造应用中很有帮助，其中有多个轴或运动或过程同时发生或彼此之间有紧密的顺序。

汽车行业装配线的数字双胞胎示例:一个零件可能在传送带上沿着生产线行进，多个机器人在不同的工位上工作。所有这些运动和过程都必须非常紧密地协调和控制——从零件装载到传送带上到卸货。如果零件在传送带上滑倒，或者某个位置出现故障，这将如何影响生产线的其他部分?或者，如果目标是将输送机速度提高20%，用户需要知道机器人和末端执行器的周期时间需要如何改变以跟上增加的输送机速度。这些以及其他场景都可以用数字双胞胎来模拟和解决。

用于产品或工艺修改、测试的数字孪生实例数字双胞胎对于测试产品或流程修改的结果也很有价值。数字双胞胎可以让设计师和控制工程师在不中断生产或投资物理原型和测试设备的情况下测试广泛的场景和案例。当锁定最后的迭代时，实现和启动会更快更顺利，因为在这个阶段通常必须解决的一长串“假设”已经解决了。在这种情况下使用数字双胞胎可以减少过程中的大量不确定性和风险。

不确定性会导致代价高昂的错误，浪费时间和精力。这就是为什么数字双胞胎的货币价值通常取决于在开发、启动和调试、整个产品或流程生命周期的修改以及故障排除工作期间节省(或可以节省)多少时间和成本。

数字双胞胎的成本:时间、金钱

实现数字双胞胎是否需要大量的成本和时间投资?

关键:关于实施数字双胞胎的最大误解之一是，前期成本和时间将使其难以证明。事实上，数字双胞胎系统已经被数字化设计为使用产品设计软件的产品或在可编程逻辑控制器(PLC)中编程的控制系统。数字线程平台可以引入3D模型、程序和各种设备的所有数据，因此工程师和设计团队不必担心所有部件之间的数据传输和通信。

数字双胞胎需要前期投资，但数字双胞胎可以节省大量的设计、编程和设置时间，并防止“陷阱”和最后一秒的灾难。这些好处，再加上模拟变化和故障排除问题的长期好处，比数字孪生所需的前期时间和成本更有价值。

山姆·霍夫的创始人兼总裁/首席执行官是Patti工程公司，他是美国的认证会员控制系统集成商协会．CSIA和Patti Engineering是CFE Media的内容合作伙伴。由内容经理马克·霍斯克编辑，控制工程、《媒体，mhoske@cfemedia.com。

关键词:数字双胞胎，工业物联网

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