数字孪生技术如何弥合制造人才差距

数十年来，数字孪生的概念（组织创建其业务运营的虚拟表示）以各种形式存在，但近年来发生了巨大转变。

以前，数字孪生是使用电子表格创建的，用于输入数据并查看各种场景的潜在结果。由于人工智能和虚拟现实的进步，数字孪生技术取得了进步，基于可以从世界任何地方访问的无穷无尽的数据流，以更快、更准确的预测为基础。它本质上是为制造公司创建一个“元宇宙”。

通过使用直接数据馈送和应用机器学习，数字孪生技术使制造工厂能够实时利用数据，从而变得更智能、更高效。它通过识别制造过程中的差距，在收集信息时以越来越高的准确性预测维护或故障生产问题的时间来做到这一点。尽早或在问题发生之前管理这些问题可以防止停机和生产力损失。

随着制造业努力解决熟练劳动力短缺的问题，数字孪生技术正在帮助领导者在资源有限的情况下保持高效、安全的工厂车间。

支持精益运营

随着经验丰富的制造业工人退休，并且很少有技术工人可以替代他们，美国工业部门多年来一直面临技能短缺的问题。在 COVID-19 大流行的推动下，大辞职只会增加挑战。

随着制造商努力吸引、加入和培训新人才，数字孪生技术正成为许多制造商的生命线。公司正在使用它来测试不同的设备设置，以找到最高效的选项并防止停机。此外，自动化允许许多制造工厂在可用劳动力减少的情况下继续生产。单台机器操作员可以自主运行多台机器，因为数字孪生分析数据以了解不同的输入和流程将如何影响生产力。

数字孪生技术在制造的原型设计阶段特别有用，在这个阶段，团队正在开发产品的多次迭代，以确定哪种设计和材料将生产出最好的最终产品。数字孪生可以简化原型制作过程，以缩短上市时间，同时降低成本。数字孪生原型是数字渲染，它允许设计团队查看不同模型在现实世界中的表现，而无需将材料和生产时间用于多次可能的迭代。原型可以包含与物理属性、特性、操作参数、材料清单、零件编号等有关的信息。借助数字原型，可以在流程中更早地构建产品，并且可以使用虚拟现实进行模拟。可以在构建物理机器之前快速进行更改以改进设计。

如果传统的上市时间需要两到三个原型制作周期，那么在早期到中期使用数字孪生可以消除一个完整的原型制作周期，从而减少时间、资源和成本。

优化工作环境

通过考虑在给定时间将有多少员工工作，以及他们的技能水平和设备需求，数字孪生可以模拟将某些员工转移到不同区域对生产力的影响。它可以平衡工作流程并预测工人和设备的哪种组合将最具生产力。

数字孪生还可以根据设备使用年限、所用材料、维护记录和其他数据点等因素预测故障，从而使工作人员能够优先考虑预防性维护以避免不必要的停机。

如果发生设备故障，数字孪生可实现虚拟故障排除，让员工能够调查故障原因和可能的解决方案。这减少了诊断问题和手动找到解决方案所需的不必要的时间和劳动力。然后，领导者可以寻求正确专家的帮助来解决问题，而不是逐一处理每个潜在的设备问题。由于数字孪生在高性能计算机上运行，​​因此可以在几分钟内完成分析和模拟，而不是几小时甚至几天。

实施步骤

一旦高层领导了解数字孪生技术的潜在收益，制造领导者就可以推进实施过程。随着新技术的引入，采取以下关键步骤非常重要：

• 确立你的目标。 在开始创建数字孪生的技术流程之前，确定数字孪生将要做什么。它要解决什么与业务相关的问题？会不会是监控设备报故障？预测故障并推荐预防性维护？或者运行模拟以查看不同的活动将如何影响生产力？数字孪生数据可以帮助组织解决其需要解决的问题，例如预测预防性维护，但随着数字孪生数据不断变得更加智能并收集更多数据，它也可以指示其他改进领域。还有一个问题是需要监控什么。您需要一台机器或生产线的数字孪生，还是整个工厂中更大的机器或生产线？虽然监控工厂的各个方面可能很诱人，但重点关注将带来最大投资回报的领域。数字双胞胎以后总是可以扩展的。
• 找到合适的软件。 对于制造商而言，选择数字孪生创建者就像选择商店中的任何其他工具一样——考虑应用程序、目标以及实现这些目标所需的条件。如果您只打算监控设备的运行效率，那么有限的数字孪生就足够了，而运行模拟则需要更先进的技术。
• 导入 CAD 模型和数据。 这是事情真正开始融合的地方。将计算机辅助设计 (CAD) 模型和其他数据流导入软件将使您能够构建数字双胞胎。根据数字双胞胎的复杂程度（监控与模拟、单机与完整运行的工厂），创建准确虚拟表示所需的数据将有很大差异。通常，期望导出尽可能多的数据流以查看最佳结果。
• 创建安全连接。 由于数字孪生需要在系统之间不断传输数据，因此安全网络对于保护主要制造工厂免受黑客攻击或其他干扰至关重要。在选择数字孪生平台时，请询问为最大程度地降低风险而采取的安全措施。
• 规划规模。 即使您只是从一台机器或一条生产线的数字孪生开始，所需的计算能力也可能超出商店中的任何标准系统。在您考虑工具和平台时，请规划规模并利用云技术，以确保在您以后选择添加其他机器生产线时仍有增长空间。

建立数字孪生可以帮助制造商提高车间的生产力和安全性，但必须满足一些条件才能确保成功。提供对准确数据的访问至关重要，确保网络安全也是如此。除了技术规范之外，领导者还需要提供足够的培训、沟通和激励措施，以确保所有员工都参与到流程中。有效的变更管理是成功实施的关键。提供商需要展示数字孪生的好处，同时培训员工如何使用该平台。重要的是要了解，虽然准确度并不总是 100%，尤其是在开始时，但即使在 80% 到 90% 的情况下，数字孪生也可以轻松改善结果，并且会随着接收和分析更多数据而继续变得更好。

与该领域经验丰富的合作伙伴合作也有助于制造商实现价值。了解特定工厂如何设置的来龙去脉、使用的设备类型以及行业特定挑战的数字孪生提供商将能够更好地创建满足公司需求和目标的数字孪生。

CV Ramachandran 是数字转型和运营改进专家，Vignesh Ramesh 是 PA Consulting 的数字健康专家。