数字孪生:它是什么以及它如何工作

希望探索实时模拟、预测洞察和个性化解决方案在您的业务中的变革力量?了解数字孪生如何帮助您释放创新、提高效率并推动进步。

数字孪生是物理对象的虚拟模型,通常用于物理对象的模拟、测试和监控。

它们使复杂项目的可视化变得更加容易,例如大型机器、喷气发动机、智能城市和公用设施。

数字孪生也可以存在于不存在的对象中——在这种情况下,它们用于规划和开发此类对象。

该博客详细介绍了您需要了解的有关数字孪生的所有信息,并让您了解它是否可能使您的下一个项目受益。

数字孪生的特点

数字孪生技术具有一系列独特的特征,使其与其他技术区分开来,这些特征包括:

  • 模块化:数字孪生技术通常采用模块化设计方法来构建具有多个组件的单一机器。这种方法可以轻松识别可以通过某些方式交换、改进或调整的特定组件,以实现所需的结果。
  • 连接方式:数字孪生也很大程度上依赖于连接性,这通常是通过物联网设备连接的传感器来实现的。这种连接是双向的,可以实现数字孪生和物理孪生之间的通信。
  • 智能且可重新编程:数字孪生系统是智能的,因为您可以更改不同的参数。例如,来自物联网传感器的信息可以使数字孪生调整一些参数,并同样将这些新设置发送到物理孪生进行自我调整。
  • 均质化:同质化是指以简单的数字格式简化来自物理机器的所有数据和输入,以便于与其他用户、系统或团队成员共享。
  • 数字追踪制作:数字孪生还会留下痕迹,使机器的状态可以轻松倒回,例如,回到故障发生之前的时间。因此,可以轻松诊断问题。

数字孪生如何工作

数字孪生的功能过程相对简单。这是基本的 3 步流程。

1. 物理双胞胎

首先是物理对象或机器,可以是从 V8 内燃机到涡轮风扇喷气发动机、工厂的装配线或整个供应链的任何东西。物理双胞胎配备了传感器,可以收集所有形式的数据并将其传输到虚拟双胞胎。这些数据可以包括温度、每分钟转数、压力、噪音水平、振动等。

2. 数字孪生

在计算机世界中,为虚拟模拟创建物理孪生的相应虚拟模型。该虚拟模型可以根据需要简单或复杂。它可以使用简单的图形表示,也可以采用具有物理或工程原理的更复杂的图形,使其更真实地模仿其物理双胞胎。 

3. 数据连接

只有当来自传感器的实时数据被输入数字孪生以创建实时反馈循环时,该系统才变得完整,其中物理孪生影响其数字对应物,而数字孪生反过来也可以监控物理性能,运行模拟,对物理双胞胎进行更改,或用于培训人员进行工作。

数字孪生的好处

数字孪生的优点很多,以下是其中一些:

  • 预测性维护: 通过对设备及其性能的稳定监控,数字孪生可以实现预测性维护,并有助于防止代价高昂的设备故障和意外停机。
  • 提高运营效率: 通过提供基于实时数据优化流程和优化资源分配的见解,数字孪生还可以显着提高生产力。
  • 加强安全和风险管理: 可以使用数字孪生来模拟危险场景,以识别潜在危险并采取适当的步骤。
  • 创新与产品开发: 数字孪生可以在投入物理生产之前提供用于测试和完善想法的虚拟环境,从而有助于促进创新。这可以加速创新和产品开发流程,有助于将产品更快地推向市场。
  • 改进决策: 数字孪生提供对物理系统状态和性能的实时、数据驱动的洞察。这些信息可以帮助决策者做出明智的选择,优化系统流程,并更轻松地应对不可预见的情况。
  • 节约成本: 数字孪生可以通过预测性维护、流程优化和改进的整体资源管理来节省组织的成本。

数字孪生的类型

根据其应用或范围,数字孪生有多种类型。以下是主要的:

  • 组件双胞胎:也称为零件孪生,这是对应于系统最小元素的数字孪生。一个例子是 6 缸发动机的单个活塞。组件孪生可以监控振动和温度等特定参数。
  • 产品双胞胎:产品或资产孪生通常结合多个组件孪生来实现具有更高复杂性的模型。产品孪生通常代表物理产品,例如发动机、呼吸机等。
  • 进程双胞胎:用于建模和模拟系统内的操作或工作流程。流程孪生可用于优化或监控制造和供应链管理等工业流程。
  • 系统双胞胎:结合多个流程或产品孪生来创建一个复杂的系统,用于分析或模拟作为单个单元的各种虚拟模型的交互。

跨行业应用

公司正在将数字孪生技术应用于世界各地的各个行业。以下是其中一些主要应用:

  • 制造: 数字孪生有助于优化工厂的生产流程,从而最大限度地减少停机时间、监控设备健康状况并提高公司的整体运营效率。
  • 航天: 航空航天制造商采用数字孪生进行飞机部件设计和测试。其他公司则将其用于实时监控,例如劳斯莱斯对其发动机进行的监控。
  • 智慧城市: 智慧城市正在将数字孪生应用于交通优化、能源监控、管理以及做出各种有利于城市居民的明智决策。
  • 能源与公用事业: 数字孪生技术有助于管理可再生能源、电网和任何复杂的能源系统组合。它们可以帮助优化资源配置、能源需求预测等。
  • 施工: 数字孪生允许建筑师和工程师在不同的选项破土动工之前对其进行可视化和模拟。此外,他们还可以在建筑物建成后对其进行监控。
  • 供应链管理: 复杂的供应链可以利用数字孪生技术来实时跟踪货物和材料,优化运输路线,识别潜在的延误,并提高供应链的整体效率。
  • 产品开发: 数字孪生可用于在将新产品推向市场之前对其进行虚拟测试和改进,从而降低开发成本。

应用示例

以下是公司采用数字孪生技术的不同方式的一些令人难忘的示例。

  • 通用电气风力涡轮机: GE 使用风力涡轮机的数字孪生进行性能监控和预测性维护。
  • SpaceX公司:其 Dragon 太空舱的数字孪生使操作员能够监控和调整轨迹、负载和推进系统,以确保安全性和可靠性。
  • 新加坡智慧城市: 新加坡正在开发整个城市的数字孪生,包括建筑物、基础设施及其交通网络,以实时监控能源消耗、空气质量和交通。
  • 施耐德电网: 施耐德电气使用电网数字孪生来优化能源流、潜在停电预测和电网恢复能力。
  • 百威英博:世界上最大的啤酒制造商采用数字孪生技术来管理其供应链和生产线。
  • 劳斯莱斯: 劳斯莱斯公司使用其飞机发动机的数字双胞胎来进行实时发动机跟踪、优化和燃油效率。
  • 联合利华: 这家制造巨头采用数字孪生技术来优化工厂流程并实现资源最大化。
  • 波士顿咨询集团: 波士顿咨询集团 (BCG) 利用业务流程的数字孪生来识别和解决效率低下的问题、预测流程瓶颈并优化客户业务中的资源分配。

数字孪生相关技术

数字孪生技术并不是在真空中发展的。它们是与多种其他技术交互的结果,其中包括:

  • 人工智能与机器学习:人工智能(AI)和 机器学习 (ML) 是计算机科学领域,使工程师可以轻松地从数字孪生系统中获取传感器和数据输入,并将其转化为可操作的见解或其他有价值的业务应用程序。
  • IoT:物联网 (IoT) 是不断发展的互连设备网络,这些设备可以相互通信以及与其他计算平台通信。物联网应用和创新仍在不断增长。
  • 扩展现实: 扩展现实 是一个总称术语,指虚拟现实、增强现实和混合现实应用程序。
  • 云与边缘:云平台让数据同质化更容易,同时 边缘计算 系统帮助公司优化其基础设施和数据处理能力。
  • 模拟器:从 3D 建模系统到物理引擎、可视化工具和其他支持数字孪生创建和可视化的平台。
  • 全面、:一些数字孪生应用程序,例如供应链解决方案,适用 区块链技术 实现精确可靠的数据管理。

资源

结论

您已经看到了数字孪生如何改变和彻底改变我们感知物理世界以及与物理世界互动的方式。从产品设计到整个城市生态系统的编排,数字孪生提供了无与伦比的见解、效率和创新。

数字孪生还通过实时数据分析和预测功能将物理和数字领域连接起来,使各行业能够轻松优化流程并增强决策。这可以帮助您和您的企业释放新的可能性。

Nnamdi Okeke

纳姆迪·奥克克

Nnamdi Okeke 是一位喜欢阅读各种书籍的计算机爱好者。 他偏爱 Linux 而不是 Windows/Mac,并且一直在使用
Ubuntu 从早期开始。 你可以在推特上通过 邦戈特拉克斯

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