數(shù)字孿生之旅,從工程仿真開啟

數(shù)字孿生之旅，從工程仿真開啟2002年，MichaelGrieves教授提出“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”模型，成為數(shù)字孿生（DigitalTwin）概念的前身。近年來，隨著定制化、智能互聯(lián)產(chǎn)品和服務(wù)模式越來越普及，數(shù)字孿生逐漸成為業(yè)界備受關(guān)注的熱點(diǎn)，Gartner甚至連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大新興技術(shù)之一。通過建立物理產(chǎn)品的數(shù)字孿生，并基于產(chǎn)品使用過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)形成閉環(huán)反饋和優(yōu)化，“數(shù)字孿生”可以全面提升產(chǎn)品的全生命周期管理，打通研發(fā)、供應(yīng)鏈、制造、營(yíng)銷等不同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，提升產(chǎn)品體驗(yàn)，降本增效。從實(shí)現(xiàn)過程看來，仿真是實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)和監(jiān)控/預(yù)測(cè)物理資產(chǎn)的決策依據(jù)，和數(shù)字孿生有著不可分割的關(guān)系，也是構(gòu)成數(shù)字孿生不可或缺的技術(shù)。可以說，CAD/CAE等使能技術(shù)的發(fā)展，特別是仿真軟件的普及為數(shù)字孿生的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。為進(jìn)一步探究數(shù)字孿生與工程仿真之間的關(guān)聯(lián)和內(nèi)涵，e-works采訪到AnsysCustomerExcellence總監(jiān)PeymanDavoudabadi博士，Peyman分享了他對(duì)于數(shù)字孿生技術(shù)的見解與洞察。在Ansys工作的十余年里，Peyman領(lǐng)導(dǎo)Ansys數(shù)字孿生解決方案持續(xù)發(fā)展，并推動(dòng)Ansys仿真技術(shù)與戰(zhàn)略合作伙伴的技術(shù)結(jié)合。PeymanDavoudabadi博士，AnsysCustomerExcellence總監(jiān)，負(fù)責(zé)北美地區(qū)仿真過程和數(shù)據(jù)管理（SPDM）、材料信息管理、過程集成和設(shè)計(jì)優(yōu)化（PIDO）以及數(shù)字孿生平臺(tái)團(tuán)隊(duì)和解決方案。平臺(tái)團(tuán)隊(duì)幫助客戶實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型，是Ansys數(shù)字化轉(zhuǎn)型解決方案的重點(diǎn)部署。Peyman已在Ansys任職超過13年。在擔(dān)任當(dāng)前職務(wù)之前，Peyman領(lǐng)導(dǎo)著Ansys在全球范圍內(nèi)的數(shù)字孿生解決方案，推動(dòng)Ansys技術(shù)與GE、PTC、SAP、RockwellAutomation等戰(zhàn)略合作伙伴的技術(shù)相結(jié)合。Peyman在芝加哥伊利諾伊大學(xué)獲得機(jī)械工程博士學(xué)位，還擁有西北大學(xué)凱洛格商學(xué)院的MBA學(xué)位。在PeymanDavoudabadi博士接受e-works采訪期間,JonathanKyle（人口$丫$數(shù)字孿生高級(jí)應(yīng)用工程師）和TylerBruns（Ansys數(shù)字孿生首席應(yīng)用工程師）對(duì)本文觀點(diǎn)亦有貢獻(xiàn)。從仿真視角認(rèn)識(shí)數(shù)字孿生隨著基于模型的定義MBD、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM、模型輕量化技術(shù)、AR/VR等技術(shù)應(yīng)用的日趨成熟，基于產(chǎn)品模型的數(shù)據(jù)表達(dá)越來越完善。這其中，采用仿真方法建立數(shù)字化模型的數(shù)字孿生一一“基于仿真的數(shù)字孿生”，因其具有數(shù)據(jù)依賴性低、可深入洞察機(jī)理、模型擴(kuò)展性好等優(yōu)勢(shì)，正成為數(shù)字孿生領(lǐng)域的應(yīng)用熱點(diǎn)。對(duì)于數(shù)字孿生的定義，PeymanDavoudabadi博士的解讀與美國DAU大學(xué)給出的釋義十分接近一一由數(shù)字線程實(shí)現(xiàn)對(duì)既有系統(tǒng)的一種集成多物理場(chǎng)、多尺度的概率仿真，它使用最佳可用模型、傳感器信息和輸入數(shù)據(jù)來鏡像和預(yù)測(cè)其相應(yīng)物理孿生全生命周期內(nèi)的活動(dòng)/性能。（Anintegratedmultiphysics,multiscale,probabilisticsimulationofanas-builtsystem,enabledbyDigitalThread,thatusesthebestavailablemodels,sensorinformation,andinputdatatomirrorandpredictactivities/performanceoverthelifeofitscorrespondingphysicaltwin.）PeymanDavoudabadi博士認(rèn)為，數(shù)字孿生模型是一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)及其所有組成部分的多方面動(dòng)態(tài)智能數(shù)字模型集，它們準(zhǔn)確地描述了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程以及生產(chǎn)系統(tǒng)在運(yùn)行中的性能。產(chǎn)品或過程的數(shù)字孿生可用于實(shí)時(shí)監(jiān)控資產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)和優(yōu)化運(yùn)行中資產(chǎn)的性能，數(shù)字孿生還提供了可用在產(chǎn)品全生命周期中改進(jìn)物理產(chǎn)品設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)?；跀?shù)字孿生技術(shù)，為企業(yè)資產(chǎn)和流程的高保真可視性帶來了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，包括涌現(xiàn)新的商業(yè)模式、降低維護(hù)成本和運(yùn)營(yíng)成本以及更快的新產(chǎn)品上市時(shí)間等。從這個(gè)意義上來說，數(shù)字孿生戰(zhàn)略不應(yīng)該只是現(xiàn)有產(chǎn)品開發(fā)和部署流程的附屬品。相反，它涉及在整個(gè)企業(yè)和產(chǎn)品全生命周期中注入仿真技術(shù)，包括概念設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、服務(wù)、支持和客戶運(yùn)營(yíng)等。數(shù)字孿生系統(tǒng)是基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）框架的自然延伸，因?yàn)樗梢岳煤椭赜梅抡婺Ｐ停瑢⑺鼈兣c來自資產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流連接起來，從而確定資產(chǎn)的當(dāng)前配置和性能，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)性分析和維護(hù)，并提供見解以改進(jìn)未來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)上，工程仿真主要被用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試，因此無需在產(chǎn)品發(fā)布前構(gòu)建多個(gè)原型。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應(yīng)用的普及，產(chǎn)品或過程的仿真模型被連接到從運(yùn)行中的資產(chǎn)中獲取數(shù)據(jù)的傳感器中，利用基于多物理場(chǎng)的全面見解，工程師、操作員和維護(hù)團(tuán)隊(duì)不僅可以預(yù)測(cè)資產(chǎn)的哪些組件、什么時(shí)候會(huì)發(fā)生故障，還可以確定為什么會(huì)發(fā)生故障以及如何以最理想的方式進(jìn)行維護(hù)維修。特別是在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能互聯(lián)產(chǎn)品面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。仿真技術(shù)在數(shù)字孿生應(yīng)用中的扮演的角色尤為重要。PeymanDavoudabadi博士說，基于多物理場(chǎng)的仿真提供的數(shù)字樣機(jī)功能，可以縮短開發(fā)周期、加快上市時(shí)間、降低總體生產(chǎn)成本、降低維護(hù)成本、減少工程變更數(shù)量，提高新產(chǎn)品引進(jìn)成功率；仿真技術(shù)還為數(shù)字孿生提供了高保真的洞察力，有助于了解潛在的故障、未來的產(chǎn)品改進(jìn)和重新設(shè)計(jì)；此外，傳感器的布置和集成也具有挑戰(zhàn)性，集成到智能產(chǎn)品中的傳感器需要高效和良好的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)低功耗和魯棒性，在智能互聯(lián)產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期應(yīng)用仿真的價(jià)值，同樣適用于傳感器本身。Ansys數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)對(duì)于部署數(shù)字孿生的挑戰(zhàn)，PeymanDavoudabadi博士認(rèn)為可以分四個(gè)階段來看：首先是企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的成熟度和水平；其次，企業(yè)在研發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用仿真軟件的情況；第三，將數(shù)字孿生技術(shù)集成到企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和PLM系統(tǒng)中；第四，將解決方案集成到企業(yè)的ERP、ALM、SCM等系統(tǒng)中。PeymanDavoudabadi博士說，“針對(duì)部署數(shù)字孿生不同階段的挑戰(zhàn)，Ansys均可以提供幫助和相應(yīng)解決方案。Ansys在過去50年里一直是多物理場(chǎng)仿真領(lǐng)域的先驅(qū)，提供覆蓋結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁場(chǎng)、光學(xué)、電路/系統(tǒng)等領(lǐng)域完備的仿真能力?！被趶V泛而深入的仿真技術(shù)，Ansys通過仿真工具建立產(chǎn)品或過程的數(shù)字孿生，在此基礎(chǔ)上，將仿真數(shù)據(jù)與真實(shí)產(chǎn)品中的傳感器數(shù)據(jù)連接，形成閉環(huán)反饋和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)物理產(chǎn)品在虛擬世界的映射。進(jìn)一步來看，Ansys數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)可以概況為五個(gè)方面：系統(tǒng)級(jí)支持、控制系統(tǒng)、完整技術(shù)平臺(tái)、基于物理場(chǎng)的仿真和集成數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)。通過構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)，工程師不僅可以在軟件中復(fù)制資產(chǎn)的物理特性，還可以進(jìn)行各種工況的仿真，從而實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到運(yùn)行的產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字孿生應(yīng)用。首先，AnsysTwinBuilder系統(tǒng)級(jí)建模工具支持構(gòu)建數(shù)字孿生模型，從而準(zhǔn)確地描述組件、子裝配體與子系統(tǒng)之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用。同時(shí)AnsysTwinBuilder也支持第三方工具的集成，提供對(duì)功能模型接口標(biāo)準(zhǔn)的支持，幫助工程師將各種來源的模型組合成全面的系統(tǒng)描述。借助AnsysTwinBuilder，工程師還可以將數(shù)字孿生模型連接到各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。其次，基于AnsysSCADE控制系統(tǒng)解決方案，，工程師可以將來自真實(shí)世界的測(cè)試數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品數(shù)字孿生的輸入條件，然后進(jìn)行仿真分析，以補(bǔ)充傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析不到的情況。止匕外，通過AnsysSCADE，工程師還可以將數(shù)字孿生中的虛擬模型與實(shí)體模型分離，這意味著工程師可以通過離線運(yùn)行來探索設(shè)備的運(yùn)行狀況。第三，在數(shù)字孿生模型創(chuàng)建、部署過程中，需要采用一個(gè)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、開放、協(xié)作的技術(shù)平臺(tái)，將設(shè)計(jì)/仿真/驗(yàn)證與生成的數(shù)據(jù)管理起來。AnsysMinerva平臺(tái)則可以為工程師提供仿真流程和決策支持，具體到數(shù)字孿生方面，Minerva還可顯著簡(jiǎn)化將多個(gè)數(shù)字孿生連接至IoT的流程。第四，針對(duì)數(shù)字孿生的構(gòu)建，Ansys提供了完整的基于多物理場(chǎng)的仿真工具，包括結(jié)構(gòu)、流體、電磁等，有助于交付能夠?yàn)楫a(chǎn)品全生命周期帶來真正影響的準(zhǔn)確、深刻和可靠的分析結(jié)果，從而提高產(chǎn)品研發(fā)效率、加快產(chǎn)品上市進(jìn)程、縮短設(shè)備停工時(shí)間和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。第五，為進(jìn)一步釋放數(shù)字孿生價(jià)值，Ansys很早就致力于與生態(tài)合作伙伴推進(jìn)數(shù)字孿生策略。目前，Ansys仿真軟件和平臺(tái)能夠與常見的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)協(xié)同使用，包括PTC的ThingWorx、SAP的PredictiveEngineeringInsights、Microsoft的Azure，RockwellAutomation等。攜手生態(tài)伙伴推進(jìn)數(shù)字孿生策略在PeymanDavoudabadi博士看來，“目前，沒有任何一家公司能夠在整個(gè)數(shù)字孿生和數(shù)字線程技術(shù)范圍提供所有的解決方案，因此，與生態(tài)伙伴合作，利用彼此最好的數(shù)字化解決方案覆蓋整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)是必要的。企業(yè)各有所長(zhǎng)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)公司在互聯(lián)網(wǎng)連接和通信、傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸、安全和認(rèn)證等方面做得很好，而Ansys最擅長(zhǎng)的是工程仿真?！边@也是Ansys尤為關(guān)注平臺(tái)互操作性的原因，Ansys仿真軟件與PLM、CAD、IoT、PLC、SCM、ALM和ERP等系統(tǒng)的連接是在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的必要條件。過去幾年，Ansys在基于仿真的數(shù)字孿生技術(shù)方面進(jìn)行了大量投資，并在這一領(lǐng)域建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，包括與RockwellAutomation.PTC、Microsoft.SAP等領(lǐng)軍企業(yè)的合作。例如，Ansys和PTC聯(lián)合研發(fā)了支持?jǐn)?shù)字孿生的平臺(tái)解決方案，大力支持工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字仿真。以運(yùn)行泵為例，通過創(chuàng)建泵的數(shù)字孿生，顯示了數(shù)字孿生如何處理從儀表儀器上生成傳感器數(shù)據(jù)，并利用仿真技術(shù)來預(yù)測(cè)故障和診斷運(yùn)營(yíng)問題，這使得企業(yè)能夠立即采取行動(dòng)糾正并優(yōu)化設(shè)備性能。與常規(guī)方法相比，基于數(shù)字孿生的解決方案能更快更準(zhǔn)確地診斷和解決泵的運(yùn)行問題，通過Ansys和PTC的合作，也成功地將泵和閥門的數(shù)字孿生延伸到了電機(jī)和電力傳動(dòng)領(lǐng)域。與生態(tài)伙伴的深度合作，幫助Ansys在數(shù)字孿生領(lǐng)域構(gòu)建了差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，PeymanDavoudabadi博士指出，“Ansys基于仿真的數(shù)字孿生解決方案是建立在仿真過程和數(shù)據(jù)管理（SPDM）、過程集成和設(shè)計(jì)優(yōu)化（PIDO）、高保真的多物理場(chǎng)仿真、嵌入式軟件和系統(tǒng)級(jí)仿真與集成等基礎(chǔ)之上。從戰(zhàn)略的角度來看，正是因?yàn)锳nsys技術(shù)平臺(tái)的互操作性，使得Ansys生態(tài)伙伴圈非常強(qiáng)大，可以幫助客戶更大規(guī)模地構(gòu)建和部署數(shù)字孿生應(yīng)用?！睘榧铀僭诓煌袠I(yè)推廣和部署數(shù)字孿生技術(shù)，Ansys還聯(lián)合Microsoft.Dell、Lendlease等共同加入數(shù)字孿生聯(lián)盟指導(dǎo)委員會(huì)。Ansys與眾多生態(tài)伙伴的合作，表明仿真技術(shù)不僅僅只是作為工程師設(shè)計(jì)更出色產(chǎn)品和降低物理測(cè)試成本的利器，基于數(shù)字孿生應(yīng)用，仿真技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)展到更廣泛的領(lǐng)域，涵蓋產(chǎn)品的健康管理、遠(yuǎn)程診斷、智能維護(hù)和共享服務(wù)等應(yīng)用。Ansys數(shù)字孿生應(yīng)用實(shí)踐根據(jù)DellTechnologies的調(diào)研，全球78%的企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者認(rèn)為數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)該在企業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用，而數(shù)字孿生是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要組成部分。截至目前，75%實(shí)施IoT戰(zhàn)略的組織已經(jīng)開始應(yīng)用數(shù)字孿生，或者計(jì)劃在一年內(nèi)應(yīng)用。在探索數(shù)字孿生技術(shù)的過程中，Ansys已幫助諸多企業(yè)構(gòu)建和部署數(shù)字孿生應(yīng)用。以奧地利最大的電力供應(yīng)商Verbund為例，其每臺(tái)渦輪機(jī)的任何計(jì)劃外停機(jī)成本高達(dá)每小時(shí)6萬美元，所以Verbund希望預(yù)測(cè)其渦輪機(jī)在不同負(fù)載條件下的磨損情況，以優(yōu)化渦輪機(jī)的輸出。通過應(yīng)用數(shù)字孿生優(yōu)化渦輪機(jī)的運(yùn)行，Verbund每年可為每臺(tái)渦輪機(jī)節(jié)省約10萬美元，而Verbund運(yùn)營(yíng)著120多個(gè)工廠，可以部署多達(dá)120個(gè)數(shù)字孿生。另一客戶的CPG生產(chǎn)線，利用Ansys仿真平臺(tái)將其工廠自動(dòng)化軟件/硬件連接起來，為客戶的CPG生產(chǎn)線創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)字孿生解決方案一一通過數(shù)字孿生模型映射物理資產(chǎn)并預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能，通過虛擬傳感器和假設(shè)情景準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)變更和資產(chǎn)性能優(yōu)化，而不會(huì)對(duì)物理資產(chǎn)的性能造成任何中斷。在歐洲，Ansys聯(lián)合渠道合作伙伴CADFEM實(shí)現(xiàn)了另一項(xiàng)數(shù)字孿生應(yīng)用——通過將多物理場(chǎng)、多域仿真模型連接到系統(tǒng)中，預(yù)測(cè)PhoenixContact安全繼電器的行為和壽命。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果一條產(chǎn)線的繼電器出現(xiàn)故障，其導(dǎo)致的計(jì)劃外停機(jī)每小時(shí)會(huì)造成數(shù)萬美元的損失，由于沒有磨損傳感器，很難預(yù)測(cè)繼電器故障。基于仿真技術(shù)創(chuàng)建的數(shù)字孿生模型，可以通過實(shí)際負(fù)載和其他傳感器數(shù)據(jù)（溫度和開關(guān)頻率等）預(yù)測(cè)磨損，從而達(dá)到減少計(jì)劃外停機(jī)的目的。PeymanDavoudabadi博士指出，“通常情況下，數(shù)字孿生會(huì)運(yùn)行在一個(gè)不確定和隨時(shí)可變的環(huán)境中，所以，數(shù)字孿生模型需要借助實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行校準(zhǔn)或調(diào)諧，并定期重新校準(zhǔn)到其物理孿生中。因?yàn)锳nsys的數(shù)字孿生模型是基于仿真的，Ansys結(jié)合基于多