實施數字雙胞胎文化，包括真實和虛擬產品生命周期管理軟件，可以顯著減少設計周期時間和測試，并提高產出率。這些制造方面的改進會帶來維護和產品成本的合理降低。

聽起來很有吸引力？過去幾年里，企業已看到工業 4.0 工業物聯網 (IIoT) 遷移到數字雙胞胎。這一戰略和 Siemens 解決方案一起，將 20 世紀眾多傳統的順序性卓越孤島變成從開始到結束的內聚性應用，其中包括預見性維護、流程規劃和優化、產品設計和虛擬原型開發。

憑借這些優勢，數字雙胞胎項目吸引了那些追求真正零故障和持續加速流程卓越的人的注意。數字雙胞胎的核心是真實世界和數字世界之間的實時聯結。

什么是數字雙胞胎？

數字雙胞胎是指為實物創建一個高度復雜的虛擬模型，從實物肇始到生命周期終結，虛擬模型與實物完全對應。“實物”可以是下一代制造或產品，它有五個主要發展階段：規劃、設計、建造、支持和生命周期完結。數字雙胞胎流程捕捉數據，通過仿真軟件預測未來，以此連接全部操作（圖 1）。

圖 1：這個高效生產車間利用數字雙胞胎技術將所有操作從頭到尾連接起來。（圖片來源：Analog Devices）

圖 1 中，流程監視器利用數據為最終用戶預測最終實物結果。數字雙胞胎憑借在公司的員工中實施這些階段，展現其最重要的競爭優勢。工業 4.0 的數字雙胞胎版本有望使制造商更容易生產出符合市場需要的產品，同時吸引和留住即將到來的 Z 世代的新型工程技術人才。

數字雙胞胎如何運作？

物理資產上的互聯傳感器收集數據，然后數據映射到虛擬模型上。任何查看數字雙胞胎的人都會看到關于實物的規劃、創建和實際應用的關鍵信息。通過這種方式，數字雙胞胎有助于了解現在和預測未來。在前端，流程仿真決定了數字雙胞胎產品（圖 2）。

圖 2：數字雙胞胎有助于了解現在和預測未來。（圖片來源：Siemens）

在第二階段（圖 2），流程自動化和流程質量支持數字雙胞胎生產期間的性能數據。此時，需要注意的是，仿真和數據收集仍在繼續進行。雖然之前的仿真提前預測了真實產品的特性，但真實產品的生產發生在最后階段。

數字雙胞胎給個人和軟件技術帶來的最重要好處之一，是消除了造成部門之間孤島的有形和無形壁壘。例如，一個工業 3.0 產品的設計細節，在工程設計部門之外幾乎是無法獲知的。制造、采購、銷售和服務團隊很難有效地完成各自的工作，并向其他小組提供反饋以改進產品和流程。例如，車間技術人員不知道產品完全組裝好后應該是什么樣子。服務團隊逐頁查閱虛擬 PDF 文件，試圖弄清楚如何維修一個他們從未見過的零件。銷售團隊銷售特性選項，而供應鏈經理只知道零件編號。這不僅為每個團隊成員的工作帶來挑戰，而且還意味著工程師無法獲得改進設計的關鍵意見。如果公司能讓設計更容易使用，創新速度就會加快，員工也會更多地參與到生產流程中。

數字雙胞胎結構

數字雙胞胎技術為產品和資產提供了前所未有的可見性，有利于發現瓶頸，簡化操作，并創新產品開發。數字雙胞胎有三種主要類型：預見性維護，流程規劃和優化，以及產品設計和虛擬原型開發。

預見性維護

公司可在設備健康狀況和性能視圖中即時發現運行異常和偏差。主動計劃的維護和備件補充可最大限度地減少檢修時間，避免昂貴的資源故障。數字雙胞胎的預見性維護提供了基于服務的新收入流，同時有助于提高 OEM 產品可靠性。

流程規劃和優化

對產品率和廢品計數等關鍵性能指標 (KPI) 的全面分析，來源于傳感器和企業資源規劃 (ERP) 數據的數字足跡。此流程可診斷出低效率和吞吐量損失的根本原因，而診斷又可以優化產出率，減少浪費。此外，設備歷史數據、流程和環境支持停機時間預測，這可改善生產調度。

產品設計和虛擬原型開發

虛擬產品模型可提供有關使用模式、退化點、工作負載能力、引發缺陷等的見解。通過了解產品特征和故障模式，設計人員和開發人員可以評估產品的可用性并改進未來的部件設計。同樣，OEM 可以根據特定用戶行為和產品實施背景，為不同的客戶群體提供定制的產品。數字雙胞胎技術還有助于開發虛擬原型，并在經驗數據的基礎上運行穩固的激勵進行功能測試。

真實使用案例

現實世界中，在將產品、流程或設施引入生產線之前，必須有能力對其進行測試，這一點至關重要。數字雙胞胎可實現這一目的。著眼全球，眾多公司使用數字雙胞胎來改進流程、供應鏈、設施管理等。以下是數字雙胞胎技術如何改變各行各業的例子。

利用 Siemens 的 SIMATIC 實現更智能的貨運包裝

Siemens 的 SIMATIC 技術是許多創新包裝機械解決方案的核心。這些項目展示了 SIMATIC T-CPU（CPU 原理圖技術）如何幫助機器在各個方面實現更簡單更精益的流程、更好的質量以及最優性能。

TMG 公司生產用于食品和飲料、化妝品、化學品包裝的包裝機（圖 3）。

圖 3：TMG 的包裝機。（圖片來源：Siemens）

在他們的系統中，七臺 SINAMICS S120 驅動器和格式轉換只需要很少的時間。Siemens 的 PROFINET 網絡集成了 SIMATIC S7-1500TF CPU、舒適面板、S120 和 G120 驅動器，支持在單一的全面集成自動化 (TIA) 門戶環境中進行自動化、運動控制和安全開發。由于采用 SIMATIC S7-1500TF 和 SINAMICS 驅動技術的集成通用解決方案，TMG 在配置效率、高性能和新格式轉換的簡易性方面表現出色。

人工智能與運動控制的結合 (147)

Wittmann Battenfeld 的處理系統為注塑成型機抓取和嵌入零件，然后再將其嵌入到另一臺機器中。該設備可自由移動和旋轉相應的物體，并為處理系統提供五個軸——三個用于空間內移動，另外兩個用于在任意方向上旋轉嵌件。處理系統完成這一復雜任務所需的周期時間很短，從而提高生產力，使流程盡可能地靈活運作。SIMATIC 是 Siemens 的自動化解決方案，在一個控制器中提供所有功能映射——運動控制、圖像識別和自動化。Wittmann Battenfeld 在 Siemens 的處理標準應用幫助下實現了這一功能，它支持工程運動控制任務和可視化模塊。該軟件包還包括追蹤功能，幫助 Wittmann Battenfeld 的開發人員用 3D 模型追蹤夾鉗的運動。

圖 4：SIMATIC 控制器指揮夾鉗抓取振動臺上的嵌件。AI 模塊處理攝像頭數據。（圖片來源：Siemens）

數字雙胞胎部署的關鍵考慮因素

數字雙胞胎是 20 世紀制造模式的新范式。財務狀況影響了工廠轉向采用數字雙胞胎模式。然而，設備和生產線可靠性的提高，就是對數字雙胞胎投資的一種回報。數字雙胞胎技術通過減少停機時間、提高生產力和性能來改善整體設備效率 (OEE)。虛擬模型與現實的連接降低了各方面的風險，包括產品可用性和市場聲譽。

數字雙胞胎是制造業中實物產品的虛擬表示，實物怎么設計、怎么建造、怎么維護，虛擬模型就怎么表示。這種虛擬表示基于實物產品、生產系統或設備配置來映射實時的流程數據和分析。數字雙胞胎的另一個優勢在于，它允許工程師先對概念和假設進行測試，再將其應用于真實機器。

數字雙胞胎和 Siemens 的數字仿真是工業自動化革命的一部分。數字雙胞胎對行業產生了怎樣的影響？這種數字仿真不斷影響著產生數據的物理資產、操作和框架。數字雙胞胎是工業 4.0 發展的核心，它囊括了自動化、數據交換和制造流程，為工業發展創造了無窮的機會。

參考文獻：

1. Video Insights: Pioneering Digital Twins，2021 年 10 月 6 日，對話數字雙胞胎概念發明者 Michael Grieves 博士。

2. TMG: more performance, less time video，Siemens。

3. Artificial Intelligence meets motion control: Taking technology a step further，Siemens。