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)品等價的虛擬數(shù)字化表達”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，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)、供應鏈、制造、營銷等不同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，提升產(chǎn)品體驗，降本增效。從實現(xiàn)過程看來，仿真是實現(xiàn)虛擬樣機和監(jiān)控/預測物理資產(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)?？梢哉f，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)字孿生的應用奠定了堅實基礎(chǔ)。為進一步探究數(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Ansys數(shù)字孿生解決方案持續(xù)發(fā)展，并推動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)，負責北美地區(qū)仿真過程和數(shù)據(jù)管理（SPDM）、材料信息管理、過程集成和設計優(yōu)化（PIDO）以及數(shù)字孿生平臺團隊和解決方案。平臺團隊幫助客戶實現(xiàn)業(yè)務轉(zhuǎn)型，是Ansys數(shù)字化轉(zhuǎn)型解決方案的重點部署。Peyman已在Ansys任職超過13年。在擔任當前職務之前，Peyman領(lǐng)導著Ansys在全球范圍內(nèi)的數(shù)字孿生解決方案，推動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獲得機械工程博士學位，還擁有西北大學凱洛格商學院的MBA學位。在PeymanDavoudabadi博士接受e-works采訪期間,JonathanKyle（人口$丫$數(shù)字孿生高級應用工程師）和TylerBruns（Ansys數(shù)字孿生首席應用工程師）對本文觀點亦有貢獻。從仿真視角認識數(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)應用的日趨成熟，基于產(chǎn)品模型的數(shù)據(jù)表達越來越完善。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、可深入洞察機理、模型擴展性好等優(yōu)勢，正成為數(shù)字孿生領(lǐng)域的應用熱點。對于數(shù)字孿生的定義，PeymanDavoudabadi博士的解讀與美國DAU大學給出的釋義十分接近一一由數(shù)字線程實現(xiàn)對既有系統(tǒng)的一種集成多物理場、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)來鏡像和預測其相應物理孿生全生命周期內(nèi)的活動/性能。（Anintegratedmultiphysics,multiscale,probabilisticsimulationofanas-builtsystem,enabledbyDigitalThread,thatusesthebestavailablemodels,sensorinformation,andinputdatatomirrorandpredictactivities/performanceoverthelifeofitscorrespondingphysicaltwin.）PeymanDavoudabadi博士認為，數(shù)字孿生模型是一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)及其所有組成部分的多方面動態(tài)智能數(shù)字模型集，它們準確地描述了產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)過程以及生產(chǎn)系統(tǒng)在運行中的性能。產(chǎn)品或過程的數(shù)字孿生可用于實時監(jiān)控資產(chǎn)、實現(xiàn)預測性維護和優(yōu)化運行中資產(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物理產(chǎn)品設計的數(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爭優(yōu)勢，包括涌現(xiàn)新的商業(yè)模式、降低維護成本和運營成本以及更快的新產(chǎn)品上市時間等。從這個意義上來說，數(shù)字孿生戰(zhàn)略不應該只是現(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)，包括概念設計、工程設計、制造、測試、服務、支持和客戶運營等。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，因為它可以利用和重用仿真模型，將它們與來自資產(chǎn)的實時數(shù)據(jù)流連接起來，從而確定資產(chǎn)的當前配置和性能，在現(xiàn)場進行預測性分析和維護，并提供見解以改進未來的產(chǎn)品設計。傳統(tǒng)上，工程仿真主要被用于新產(chǎn)品設計和虛擬測試，因此無需在產(chǎn)品發(fā)布前構(gòu)建多個原型。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應用的普及，產(chǎn)品或過程的仿真模型被連接到從運行中的資產(chǎn)中獲取數(shù)據(jù)的傳感器中，利用基于多物理場的全面見解，工程師、操作員和維護團隊不僅可以預測資產(chǎn)的哪些組件、什么時候會發(fā)生故障，還可以確定為什么會發(fā)生故障以及如何以最理想的方式進行維護維修。特別是在物聯(lián)網(wǎng)時代，智能互聯(lián)產(chǎn)品面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。仿真技術(shù)在數(shù)字孿生應用中的扮演的角色尤為重要。PeymanDavoudabadi博士說，基于多物理場的仿真提供的數(shù)字樣機功能，可以縮短開發(fā)周期、加快上市時間、降低總體生產(chǎn)成本、降低維護成本、減少工程變更數(shù)量，提高新產(chǎn)品引進成功率；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)品改進和重新設計；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計，以實現(xiàn)低功耗和魯棒性，在智能互聯(lián)產(chǎn)品設計早期應用仿真的價值，同樣適用于傳感器本身。Ansys數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)對于部署數(shù)字孿生的挑戰(zhàn)，PeymanDavoudabadi博士認為可以分四個階段來看：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)品設計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解決方案。Ansys在過去50年里一直是多物理場仿真領(lǐng)域的先驅(qū)，提供覆蓋結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁場、光學、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，從而實現(xiàn)物理產(chǎn)品在虛擬世界的映射。進一步來看，Ansys數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)可以概況為五個方面：系統(tǒng)級支持、控制系統(tǒng)、完整技術(shù)平臺、基于物理場的仿真和集成數(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制資產(chǎn)的物理特性，還可以進行各種工況的仿真，從而實現(xiàn)從設計到運行的產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字孿生應用。首先，AnsysTwinBuilder系統(tǒng)級建模工具支持構(gòu)建數(shù)字孿生模型，從而準確地描述組件、子裝配體與子系統(tǒng)之間錯綜復雜的相互作用。同時AnsysTwinBuilder也支持第三方工具的集成，提供對功能模型接口標準的支持，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。其次，基于AnsysSCADE控制系統(tǒng)解決方案，，工程師可以將來自真實世界的測試數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品數(shù)字孿生的輸入條件，然后進行仿真分析，以補充傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)平臺基礎(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體模型分離，這意味著工程師可以通過離線運行來探索設備的運行狀況。第三，在數(shù)字孿生模型創(chuàng)建、部署過程中，需要采用一個靈活、適應性強、開放、協(xié)作的技術(shù)平臺，將設計/仿真/驗證與生成的數(shù)據(jù)管理起來。AnsysMinerva平臺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還可顯著簡化將多個數(shù)字孿生連接至IoT的流程。第四，針對數(shù)字孿生的構(gòu)建，Ansys提供了完整的基于多物理場的仿真工具，包括結(jié)構(gòu)、流體、電磁等，有助于交付能夠為產(chǎn)品全生命周期帶來真正影響的準確、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)品上市進程、縮短設備停工時間和延長設備使用壽命。第五，為進一步釋放數(shù)字孿生價值，Ansys很早就致力于與生態(tài)合作伙伴推進數(shù)字孿生策略。目前，Ansys仿真軟件和平臺能夠與常見的物聯(lián)網(wǎng)平臺協(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生態(tài)系統(tǒng)是必要的。企業(yè)各有所長，物聯(lián)網(wǎng)平臺公司在互聯(lián)網(wǎng)連接和通信、傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸、安全和認證等方面做得很好，而Ansys最擅長的是工程仿真?！边@也是Ansys尤為關(guān)注平臺互操作性的原因，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)了支持數(shù)字孿生的平臺解決方案，大力支持工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字仿真。以運行泵為例，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)來預測故障和診斷運營問題，這使得企業(yè)能夠立即采取行動糾正并優(yōu)化設備性能。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確地診斷和解決泵的運行問題，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和電力傳動領(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)建了差異化競爭優(yōu)勢，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）、過程集成和設計優(yōu)化（PIDO）、高保真的多物理場仿真、嵌入式軟件和系統(tǒng)級仿真與集成等基礎(chǔ)之上。從戰(zhàn)略的角度來看，正是因為Ansys技術(shù)平臺的互操作性，使得Ansys生態(tài)伙伴圈非常強大，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)盟指導委員會。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計更出色產(chǎn)品和降低物理測試成本的利器，基于數(shù)字孿生應用，仿真技術(shù)已經(jīng)擴展到更廣泛的領(lǐng)域，涵蓋產(chǎn)品的健康管理、遠程診斷、智能維護和共享服務等應用。Ansys數(shù)字孿生應用實踐根據(jù)DellTechnologies的調(diào)研，全球78%的企業(yè)領(lǐng)導者認為數(shù)字化轉(zhuǎn)型應該在企業(yè)中得到更廣泛的應用，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%實施IoT戰(zhàn)略的組織已經(jīng)開始應用數(shù)字孿生，或者計劃在一年內(nèi)應用。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)字孿生應用。以奧地利最大的電力供應商Verbund為例，其每臺渦輪機的任何計劃外停機成本高達每小時6萬美元，所以Verbund希望預測其渦輪機在不同負載條件下的磨損情況，以優(yōu)化渦輪機的輸出。通過應用數(shù)字孿生優(yōu)化渦輪機的運行，Verbund每年可為每臺渦輪機節(jié)省約10萬美元，而Verbund運營著120多個工廠，可以部署多達120個數(shù)字孿生。另一客戶的CPG生產(chǎn)線，利用Ansys仿真平臺將其工廠自動化軟件/硬件連接起來，為客戶的CPG生產(chǎn)線創(chuàng)建了一個數(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)并預測系統(tǒng)性能，通過虛擬傳感器和假設情景準確實現(xiàn)設計變更和資產(chǎn)性能優(yōu)化，而不會對物理資產(chǎn)的性能造成任何中斷。在歐洲，Ansys聯(lián)合渠道合作伙伴CADFEM實現(xiàn)了另一項數(shù)字孿生應用——通過將多物理場、多域仿真模型連接到系統(tǒng)中，預測PhoenixContact安全繼電器的行為和壽命。在實際生產(chǎn)中，如果一條產(chǎn)線的繼電器出現(xiàn)故障，其導致的計劃外停機每小時會造成數(shù)萬美元的損失，由于沒有磨損傳感器，很難預測繼電器故障。基于仿真技術(shù)創(chuàng)建的數(shù)字孿生模型，可以通過實際負載和其他傳感器數(shù)據(jù)（溫度和開關(guān)頻率等）預測磨損，從而達到減少計劃外停機的目的。PeymanDavoudabadi博士指出，“通常情況下，數(shù)字孿生會運行在一個不確定和隨時可變的環(huán)境中，所以，數(shù)字孿生模型需要借助實際運行數(shù)據(jù)進行驗證，同時對數(shù)字孿生模型進行校準或調(diào)諧，并定期重新校準到其物理孿生中。因為Ansys的數(shù)字孿生模型是基于仿真的，Ansys結(jié)合基于多