虚拟的美德

当乘客在波音 787 梦幻客机上享用饮料和款待时，他们的零食来自飞机内饰制造商 Jamco Corporation 制造的厨房。

随着 Jamco 在为波音、空中客车和其他公司制造厨房、厕所和座椅方面取得成功，对 320 万个 CAD 数据集的集成管理需求也随之而来。尽管拥有所有这些数据，但该公司发现自己无法回答一些基本问题。为什么产品是这样设计的？为什么它经常将设计缺陷放入一个零件中，尽管它过去有更改其他零件的 CAD 以消除相同的设计缺陷的经验？为什么它删除了一个降低成本的基本要素，后来又不得不重新添加？它的解决方案是基于低代码产品创新平台 Aras Innovator 创建一个数字线程。该平台让 Jamco 在日本、法国和美国的设计师和工程师能够搜索设计历史并使用相关信息来了解产品为何如此设计，并不再重复过去的错误。

“通过将搜索结果与我们的信息（包括可交付成果和各种法规）联系起来，我们的设计师可以随时搜索直至完成的每一个过程，并且将获得有关 Aras Innovator 的正确信息，而无需依赖工程师之间的技术继承，”Hiroshi Sakurai 在一份案例分析。 Sakurai 是 Jamco 飞机内饰和零部件集团工程技术部副总经理。

Aras 的平台和应用程序是制造商可用于创建数字线程的众多工具之一，理想情况下，这些工具由与产品在其整个生命周期内相关的数据组成。数字线程是从 CAD 数据开始的日志或记录，可以包括来自机器的 PLC、对其进行的维护、传感器、能源使用等信息。

该公司和其他公司还拥有创建数字双胞胎的工具，这是与物理资产连接的虚拟模型，用于了解如何进行更改并评估这些更改的影响，而不必影响现实世界。这些资产可以包括人员、流程、工作流程和单台机器，也可以包括整个工厂等系统。除其他用途外，数字双胞胎还可以在设计阶段帮助进行安全规划和防错。

通常，用于构建数字孪生和线程的工具包括制造业中已经熟悉的工具——CAD、PLM 和 IoT 应用程序。

Innovator 是开源的，而其应用程序和其他供应商的应用程序通常以软件即服务模式的付费订阅形式提供。工具之间的其他变化包括现成与定制、易用性、灵活性、对定制应用程序的支持、包含低代码应用程序、表示数字双胞胎中元素的模型、捆绑或点菜应用程序，等等。

然而，不同的供应商在很大程度上同意的是，从创建数字双胞胎、数字线程或两者兼而有之所获得的回报。

数字孪生丰富了意见箱

Jamco 的经验证明了使用数字线程在设计阶段提供历史和上下文，同时消除重复错误的实用性，所有这些都是为了提高效率和提高质量。

PTC 数字化转型解决方案执行副总裁 Craig Melrose 表示，另一个用途是用于维护。

“我可以通过增强现实（AR）为他们提供维修知识和经验，告诉他们先拆这个，第二个检查这个项目，第三个检查这个项目，”他说。 “如果我需要更换一个项目，这里有关于如何更换或重新安装它的详细信息。如何确认它是否正确完成。如何重新组装设备并验证它是否已正确完成并准备好再次打开。甚至像关闭电源和锁定设备这样的安全项目，这些类型的东西都可以通过 AR 交付。”

数字孪生具有自己的优势。

“收益远大于投资，”价值 240 亿美元的全球合同制造商 Flex Ltd. 负责数字孪生的工程总监 Zohair Mehkri 说。 “例如，您可以在任何事情发生之前对您的流程和建筑物进行全面优化。您可以四处移动、更换产品、安装新机器、添加或删除人数或材料，甚至可以在踏入工厂车间之前在软件中尝试所有这些操作。

“我们花费大量的时间和精力在对我们产生财务影响的物理制造过程上进行反复试验，这是巨大的。因此，在数字双胞胎中做到这一点的能力是巨大的。”

一旦创建了数字双胞胎，制造商就可以开始监控、优化和分析。这些步骤中的每一个都有其自身的好处。

“使用数字双胞胎对流程进行分析非常强大，因为它不仅可以描述您的流程，还可以告诉您需要改进的领域，”Mehkri 说。 “它不一定是瓶颈。甚至可以是，“你这里有一些空白空间，你可以利用它。”或者你可以从你的流程中取出一项非增值任务。”

他说，要记住的关键是数字双胞胎通过硬件和软件连接到物理模型。由于闭环，这可以带来更高的收益。

“如果物理系统发生了什么事，数字模型应该知道物理系统发生了变化，数字模型应该调整自己以反映物理系统，然后根据变化优化自己，然后将优化传递给物理系统，”Mehkri 说。

奥克兰大学工业与系统工程助理教授 Ali Ahmad Malik 表示，如果存在瓶颈，数字孪生可以提供解决方案来纠正它。

“例如，在装配单元中，您的目标是一天生产 1,000 个单位，但在某个小时，数字双胞胎会对其进行评估并告诉您，如果您继续以相同的速度工作，您将无法实现目标，”他说。 “但它不仅告诉我一天结束时可能发生的潜在问题，还给了我一些解决方案，因为它有机会模拟它并且它很智能。它有来自以前事件的信息。建议可能包括添加机器人或提高机器人的速度。只有当我拥有数据连接并且我的数字双胞胎从过去的事件和过去的学习中不断变得智能时，我才能实现这一点。所以应该在其中启用机器学习的一个维度。”

Malik 在创建数字双胞胎方面的经验是使用机器人或协作机器人，他说双胞胎还可以帮助平衡装配过程。在装配单元中，任务被分配给人类和机器人一起工作以在给定的时间内构建装配，因此没有操作员闲置。在数字孪生之前，这个过程总是手动完成的。

“通过不断评估机器人速度的数字双胞胎，它可以保持平衡过程并将任务分配给正确的来源，”他说。 “因此，所有这些流程平衡的手动活动都交给了数字双胞胎。如果您有高混合、小批量生产，这个数字双胞胎可以为您提供很大帮助。”

它还将帮助工厂更快地对市场波动做出反应，因为可以快速、虚拟地添加、删除或修改生产线或单元，以对市场变化做出反应，通过模拟进行测试，并根据结果接受或拒绝。在受监管的行业中，甚至有人说在物理合格之前先通过数字方式对生产线进行资格预审。

Melrose 表示，通过仿真测试的快速虚拟变化可以让工厂的生产保持正常运转。

例如，梅尔罗斯说，假设一个有 10 台机器的虚构工厂。工人很难在机器上更换零件，因为它们太重了，所以工厂老板想增加一个升降辅助装置。

“我可以在计算机上离线测试所有这些，而不是中断生产，以确保它能够正常工作，”他说。 “我会在周末安装和测试它，然后在周一打开它，这样我们就可以使用新添加的项目再次开始生产。”

Aras 首席技术官 Rob McAveney 表示，最重要的是，数字双胞胎提供的是从智能机器流出的传感器数据的上下文和框架。

“如果你考虑一下，因为我有两架不同的飞机，有两种不同的发动机，可以就一个发动机的运行情况和另一台发动机的运行情况提供反馈，”他说。 “这种反馈很有价值，但如果我知道它们安装在哪架飞机上，那架飞机在哪里飞行，那架飞机的维护历史是什么，那就更有价值了。在分析从这些传感器返回的数据方面，所有这些事情都很重要。所以数字孪生对我来说是最有价值的地方。”

线程、孪生应用可能更像 CAD

McAveney 认为最大的挑战是来自不同系统的断开数据。

“你拥有不同格式的数据，这些数据被不同部门的不同人员使用，他们从不相互交谈，”他说。 “如果他们被要求提供他们的数据，他们必须手动调整它以使其适用于其他人的需求。”

拥有不同的系统本身并不坏，事实上它们是没有联系的不同系统。

“而且我的意思不是从技术的角度 [don't talk]，我的意思是从语义的角度 [don't talk]，”McAveney 说。 “这意味着我在 PLM 中有一个物料清单，我在 ERP 中有一个物料清单，但没有映射，没有人坐在中间说‘哦，那个系统中的那个字段与那个系统中的那个字段相同系统。'我们需要确保它们是同步的。现在它们之间甚至没有概念上的联系，更不用说物理上的联系了。”

Malik 将 McAveney 描述的断开数据的情况与来自各种 CAD 软件供应商的数据进行了比较。

“例如，AutoCAD 数据 [曾经] 无法导出或导入 SolidWorks，但现在将数据从一个 CAD 导出和导入另一个 CAD 是非常正常的事情，并且有标准格式，”Malik 说。 “在这个维度上需要做同样的事情，不仅是 CAD 数据，还有动态数据和我们从物理系统获得的信息。目前我们仅限于一家公司的平台。”

供应商和用户一致认为，使用数字孪生的第一步也是最重要的一步是确定您的目标以及您要对物理系统的哪些部分进行建模。

Mehkri 说，工厂老板可能只是想可视化他们的工厂，并回答以下问题：我的材料在哪里？人们把时间花在哪里？什么是人流量大的地区？线路方面的问题在哪里？

“当你开始想象这些类型的挑战时，你可以进入第二个因素，即我如何解决这些问题，我如何优化这些问题，或者我如何摆脱这些问题？”他说。

梅尔罗斯同意选择正确的目标是关键。

PTC 表示：“公司理所当然地规避风险，但规避风险可能会选择价值低的错误用例，并且可能因为不确定价值，因此会根据价格而不是影响选择错误的技术。”梅尔罗斯。 “他们可以进入试炼炼狱。”

虽然一些供应商不鼓励定制，但至少有一家公司不仅允许定制，而且鼓励定制。

McAveney 说：“作为客户，您可以自由地为这些应用程序增加额外的功能，而 Aras 的工作是为 Aras 用户提供按原样使用应用程序、在他们认为合适的时候增加应用程序、在他们认为合适的时候构建新应用程序的能力。” . “那么我们的工作就是确保客户所做的所有这些改变都能够随着技术的发展而向前发展。

“随着 Aras 继续发布与更新的计算堆栈一起使用的平台的新功能和新版本，作为订阅的一部分，我们保证您今天构建的任何东西明年都可以使用。”

在 Mehkri 创建数字双胞胎的经验中，当他的双胞胎与现实世界不匹配时，他依赖于精益制造原则。他说，不可能列出导致差异的所有可能性。

“然而，有一些可能性会发生；我可能建模不正确，可能存在用户错误，可能存在不同的数据源，或者数据源本身可能存在问题，”Mehkri 说。 “我们通常确定这一点的方式是使用 Gemba 的力量，这是一种精益制造技术，它将到达工作完成的地方。通过去实体层，我们能够查看并沉浸在这个过程中，并对导致差异的原因进行 RCA（根本原因分析），然后再继续找出问题所在。”

Mehkri 和该行业的其他人都在努力解决的一个领域是没有足够的现成内容来对数字孪生中的材料、机器和其他元素进行建模。他说，当软件中没有模型时，用户必须自己创建模型，这很耗时。

Malik 说，用户可能需要多种产品来构建他的数字双胞胎。 “也许一个工具能让我设计物理系统中的元素，”他说。另一个工具可以让我定义物理系统的动力学或运动学，然后另一个软件可以让我将来自物理系统的数据集成到数字系统中。所以四五种不同软件的组合可能会帮助我完成一个数字孪生。”

Malik 说，数字工具供应商中的一些知名品牌拥有一套全面的工具来构建数字双胞胎，但中小型公司通常负担不起或没有具备使用它的技能的人。即使在较大的供应商中，各种应用程序也可能无法顺利轻松地传输数据。

“但如果你能在一个环境中找到一些具有更多功能的软件，例如 Visual Components 在一个环境中提供连续模拟、数据连接、离散事件模拟或随机分析，”他说。 “在我的理解中，这是一个非常好的特性，因为这样你就不需要三四个软件了。”