工业元宇宙中数字孪生的成熟度模型 | |
发表时间:2022-11-16 阅读次数:190 字体:【大 中 小】 | |
![]() 1、数字孪生成熟度评价需求分析 数字孪生作为实现信息物理融合的有效手段,受到国内外学术界、政府部门和相关领域人士的广泛关注与高度重视。近年来,作者团队围绕数字孪生五维模型、数字孪生模型构建理论、数字孪生多尺度建模方法、数字孪生模型评价指标体系、数字孪生数据、数字孪生服务、数字孪生标准体系、数字孪生使能技术与工具等开展了探索性理论研究工作, 并聚焦数字孪生车间、数字孪生装备、数字孪生卫星等开展了一系列应用实践工作。然而,在与国内外学者、政府部门和相关领域企业交流探讨的过程中,发现存在以下共性疑问和困惑: (1)如何判断是不是数字孪生? (2)如何评判现有数字孪生能否满足应用需求? 上述问题可归结为缺少针对数字孪生范畴和发展阶段的系统性描述和评价方法,而成熟度模型是对目标系统的概念范畴、发展过程和阶段性目标的系统性描述,同时,它还具有评价目标系统现阶段发展水平和能力程度的功能。因此,本文从落地应用的角度出发,研究提出了一套数字孪生成熟度模型,并设计了一套数字孪生成熟度评价应用流程。 2、数字孪生成熟度等级 统计分析现有数字孪生相关理论研究和应用实践,依据其功能和用途主要可分为以下几类:①基于数字孪生的物理实体设计验证与等效分析;②基于数字孪生的物理实体运行过程可视化监测;③基于数字孪生的物理实体远程运维管控;④基于数字孪生的诊断与预测;⑤基于数字孪生的智能决策和优化;⑥基于数字孪生的物理实体全生命周期跟踪、回溯与管理。通过对上述各类数字孪生研究和应用进行共性分析发现,物理实体、数字孪生模型和两者间的连接与交互组成了数字孪生的“最小概念”。在此基础上,基于作者团队前期提出的数字孪生五维模型,从物理实体(PE)、数字孪生模型(DM)、数字孪生数据(DD)、连接交互(CI)和功能服务(FS)五个维度出发,根据连接交互方式与自动化程度的不同,以数字孪生所能提供的功能服务为主线,将数字孪生分为六个成熟度等级,如图1所示。其中,物理空间中的物理实体与信息空间中的数字孪生模型通过两者间的连接进行交互,数字孪生数据则蕴含数字孪生的所有信息,贯穿当前-未来、物理空间-信息空间、物理实体-数字孪生模型-连接交互-功能服务。此外,图1中的物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据、连接交互和功能服务在数字孪生的各成熟度等级具有不同等级的能力程度,但由于图片的信息容量有限,图1没有对其进行详细展开和具体描述,该部分内容将在第三章进行展开。 以虚仿实指利用数字孪生模型对物理实体描述和刻画,具有该能力的数字孪生处于其成熟度等级的第零等级(L0),满足此要求的实践和应用可归入广义数字孪生的概念范畴。在该等级,数字孪生模型从几何、物理、行为和规则某个或多个维度对物理实体单方面或多方面的属性和特征进行描述,从而能够在一定程度上代替物理实体进行仿真分析或实验验证,但数字孪生模型与物理实体之间无法通过直接的数据交换实现实时交互,主要依赖人的介入实现间接的虚实交互,包括对物理实体的控制和对数字孪生模型的控制与更新等。 2.2 一级(L1):以虚映实 2.3 二级(L2):以虚控实 2.4 三级(L3):以虚预实 2.5 四级(L4):以虚优实 2.6 五级(L5):虚实共生 3、数字孪生成熟度评价因子 数字孪生成熟度等级从宏观角度描述了数字孪生的概念范畴和阶梯目标,以及由各阶段目标串联而成的数字孪生演进路径。为实现可操作的数字孪生成熟度评价,从物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据、连接交互和功能服务五个维度,进一步分析得到能够影响数字孪生成熟度等级的十九个相关因素,将其作为评价因子进行成熟度分级,并明确数字孪生各成熟度等级对于评价因子成熟度等级的具体要求,如表1至表6所示。 表1 数字孪生各成熟度等级要求 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 上述数字孪生成熟度等级和数字孪生成熟度评价因子构成了数字孪生成熟度模型,如图2所示。其中,数字孪生成熟度等级系统性描述了数字孪生的概念范畴和阶段性目标,以及数字孪生在各个发展阶段所具有的能力特征,而数字孪生成熟度评价因子则从物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据、连接交互和功能服务五个细分维度,分别梳理了不同成熟度等级的数字孪生所需要具备的不同程度的能力,为可操作的数字孪生成熟度评价奠定了基础。 ![]() ![]() 为验证本文提出的数字孪生成熟度模型及其应用流程,分别对单元级数字孪生(数字孪生机器人)和系统级数字孪生(数字孪生车间)进行成熟度评价,分别如图4和图5所示。其中,对单元级数字孪生的成熟度评价结果用于指导其升级优化,对系统级数字孪生的成熟度评价结果用于比较两个数字孪生车间的发展程度。 ![]() ![]() 和数字孪生车间B的成熟度评价结果 最后的一些学习体会: 工业元宇宙不是一种技术,是基于互联网技术和融合网络发展,是数字信息生态融合发展的新业态,是一组技术提升下新集合。工业元宇宙是以场景下新组织模型为基础,结合现代可视化或XR技术、以三维数字孪生为代表的新型信息通信技术与实体工业经济深度融合的工业新型生态。通过XR、AI、loT、云计算、数字孪生等技术,打通人、机、物、系统等领域的无缝连接,实现数字技术与现实工业结合,促进实体工业高效发展。因此在思想上要做好“生态”,“开源”,“服务”的理念。元宇宙是打破“烟囱”的壁垒,实现虚拟人,“机器人”场景“物”的无缝连接,提升组织效率,提高组织安全。工业元宇宙可以理解成元宇宙概念、技术在工业中的应用,是元宇宙赋能工业,促进工业改进、创新,乃至革命的质变因素。需要全新的思维来提高认识。工业元宇宙将颠覆目前的经济社会结构,不同的传统行业将会在工业元宇宙中得到重生,是一次留给中国制造业弯道超车的历史性机遇;反对者则认为,工业元宇宙是概念炒作,目前离工业元宇宙的实现还存在遥远的距离,现在谈论纯属“无中生有”;甚至有部分人的观点认为,工业元宇宙就是工业乌托邦,是根本不存在的虚构。我认为数字的虚实重构新生态是不会停下脚步的。目前来看元宇宙的数字孪生应用已经不只存在于消费领域,而是能推进工业领域的发展。最近微软宣布,川崎重工已成为其“工业元宇宙”业务的新客户。川崎重工计划让车间工人佩戴微软HoloLens头戴设备来辅助生产、维修和供应链管理。微软的工业元宇宙已有亨氏和波音两家重要客户。微软HoloLens设备,其实让我想到的近20年前的维纳斯计划-属于智慧家庭,还有Mediaroom 系统-属于IPTV系统。虽然这两个系统都没有成为微软的“金牛”型产品,但是在产业逻辑上至少是方向性的。那下一步元宇宙平台呢?我个人看法会由相对封闭,走向开源基础上定制场景中实现工业元宇宙落地。毕竟除了微软,还有以另一个科技巨头英伟达也瞄向了“工业元宇宙”,基于Omniverse平台、AI以及计算等技术,英伟达可以实现构建工业元宇宙的成果。除了目前“大厂”在布局,其他的生态圈我们深信还有很多专业领域的大大小小公司。不过本文在工业元宇宙的数字孪生成熟度模型的研究值得在实践中深入学习,在构建数字孪生模型中是非常有必要的方式,和很好的指引作用。 |
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