西门子“数字化双胞胎”战略内涵与建筑数字化未来

时间:2017-08-25    来源:BIM123     BIM编辑:wanghe    阅读人数:

  2016年德国汉诺威工业博览会上,西门子CEO凯飒赠送给美国总统奥巴马一副卡拉威高尔夫球杆。这份礼物的独特之处在于,它诞生于一个“数字化”的世界。

数字化,德国汉诺威工业博览会,中国BIM培训网

  这是根据他的体重、挥杆姿势和力量等所有相关因素量身定制的一根球杆,造价却与普通的球杆没有区别。这套球杆即所谓的“大规模定制化生产的产品”。

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  而背后的”数字化“世界即由”数字化双胞胎“战略所支撑。

  在此次博览会上西门自翔实地展示了其先进的数字化企业解决方案。凭借这一解决方案,西门子支持企业进行涵盖其整个价值链的整合及数字化转型,为从产品设计、生产规划、生产工程、生产实施直至服务的各个环节打造一致的、无缝的数据平台,形成基于模型的虚拟企业和基于自动化技术的现实企业镜像。

  西门子形象地称之为“数字化双胞胎”(DigitalTwin),包括“产品数字化双胞胎”、“生产工艺流程数字化双胞胎”和“设备数字化双胞胎”,完整真实地再现了整个企业,从而帮助企业在实际投入生产之前即能在虚拟环境中优化、仿真和测试,在生产过程中也可同步优化整个企业流程,最终实现高效的柔性生产、实现快速创新上市,锻造企业持久竞争力。

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  西门子安贝格数字化工厂,这里每秒就可以生产出一件西门子SIMATIC系列自动化产品,一次性通过率高达99.9988%。安贝格工厂还实现了高度的自动化,这里的生产设备和计算机可以自主处理75%的流程工作。

  西门子”数字化双胞胎“战略的两大支撑平台

  Teamcenter是不可或缺的平台

  门子通过收购全球产品生命周期管理(PLM)领域软件与服务的市场领导者UGS公司获得了“Teamcenter”软件。

  制造企业需要交付的产品复杂程度越来越高,同时还要优化生产效率,简化全球业务运营。Teamcenter可以帮助这些企业管理包括供应商在内的各项需求,整合工程组态、制造和服务,从而增加收入,加速产品上市,降低成本,提高产品质量。

  西门子大大小小收购了50家软件企业,从而扩充其产品线、增加软件组合,搭建一个更为丰富的平台。

  制造业价值链看作是五个部分:产品设计、生产规划、生产工程、生产制造及服务,通过Teamcenter这一协同平台,实时动态地调整产品设计乃至整个价值链。

  中国核电工程有限公司(下称“中国核电”)也选择了Teamcenter软件来提升核电站设计的效率。该公司采用了这一软件来搭建统一、集成的设计信息管理系统,为跨专业、跨地域和跨部门的员工提供权威和统一的设计信息数据源。通过帮助设计人员在全公司范围内及时获得准确的最新消息,而这一软件系统也将提升整体设计管理效率,同时为设备采购和土建安装以及系统调试提供支持。从传统的设计管理升级转型为数字化设计信息管理系统,中国核电围绕着设备、系统和工厂展开了各个专业协同的设计与信息管理。

  MindSphere工业云

  西门子的MindSphere平台更应被看成是工业领域的“云计算”引领者。它可以为工厂进行全套的流程设计与服务,还可为中小企业及OEM厂商做云计算处理与服务。

  西门子认为”云“只是一个支持条件,最终目的是要将现实和虚拟世界相结合、相连接,在这里你可以看到不同的设备,它们都在提供数据。这些设备基于西门子的技术,并使用了西门子的工具,使客户将数据上传至云平台中。

  波音把基于云计算的航空分析应用转移到微软的Azure平台上,以分析客户和其他信息来源提供的大量数据集,目前300多家航空公司在使用波音的航空分析应用。这一云平台的使用实则在帮助波音于2025年将商用与军用服务业务年收入提升至500亿美元,在今年的基础上增长2倍以上。

  基于云计算、“数字化双胞胎”的数字化企业,其运行方式也将更为高效、安全和高性价比。

  ”数字双胞胎“理念的出现

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  数字双胞胎(Digital Twin)也被翻译成数字孪生,Wikipedia对其的解释为“Digital twin refers to computerized companions of physical assetsthat can be used for various purposes.A digital twin uses data from sensorsinstalled on physical objects to represent their near real-time status, workingcondition or position.”

  数字双胞胎是指可以用于各种目的的物理资产的计算机化伴侣。数字双胞胎使用安装在物理对象上的传感器的数据来表示其近实时状态,工作状态或位置。

  仿真是Digital Twin的基石

  利用仿真技术,可以:

  •在虚拟世界中建立物理系统的映射,利用该映射展示产品的性能或工艺过程。

  •模拟并监控物理系统的真实使用,用于培训产品的维护和使用人员。

  •对物理系统的性能进行评估,对故障或使用问题进行诊断,寻找根本原因。

  •预测系统故障,提前制定规划或者维护方案,优化系统的使用性能,提高系统使用寿命。

  重视对仿真模型的“训练”

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  数字双胞胎的两个重要模型

  数字胞胎有两个重要模型,一是实体的物理模型,二是虚拟模型。虚拟模型是在计算机中,利用数学、统计、图形、逻辑规则等不同方式进行仿真得到的模型,并与物理模型之间通过通讯、感知,紧密地结合起来。

  在Digital Twin里虚拟模型起到非常重要的作用。

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  数字双胞胎的四个层次

  数字胞胎的发展有四个层次,也体现了虚拟模型在Digital Twin中的作用。第一个层次模型映射,即建立物理对象的虚拟映射;第二次层次是监控与操纵,即在虚拟模型中反映物理对象的变化;第三层次是诊断,即发生异常时寻找根本原因;第四层次是预测,即预测潜在风险,合理规划产品或设备的维护。这四个层次应用的背后体现的是仿真的精度与效率,数字双胞胎层次越高,对其要求也就越高。

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  LEVEL1-模型映射

  模型映射即在计算机里建立物理对象的虚拟模型,利用虚拟模型反映真实物理对像的状态。从严格意义上这并不是一个完整的Digital Twin,因为没有通过传感器获取实体模型的信号,从这个角度来说,这是Digital Twin最低的层次。

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  Level 2-监控与操纵

  利用数字双胞胎实现监控和操作,即把实体模型和虚拟模型连接在一起,通过虚拟模型反映物理对象的变化。

  金风科技在风力发电设备上基本能实现该层次。

  风力发电机的实时监控案例,左边是风机的虚拟模型,右边是正在运行的物理风机的各种信号,随着风速的调整迎角会发生变化。将变化参数输入到虚拟模型中,通过对虚拟模型的监测,可以实施更好的控制策略,例如风机的叶片会不会因为风速过大发生变形,或者对震动频率会有什么样的影响,当风速超过一定程度后,需不需要做出停机等操作,或者风速在一定范围的时候要如何改变迎角获取更大的发电效率,这些操作策略需要利用对实时的数据监测,并反应到虚拟模型中,从而对控制行为作一个更好的决策。还包括飞行模拟器也是一个比较典型的数字双胞胎监控和操作案例。

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  Level 3-诊断

  诊断即当设备发生异常时,用仿真手段寻找根本原因。

  监控与诊断/预测的区别。监控允许调整控制输入,并获得系统响应,但过程中不允许改变系统自身的设计。诊断/预测允许调整设计输入,判断系统的影响。

  虚拟路面技术(v-RLDA)能够便捷实现整车设计状态的变更,实时体现设计变更的性能状态。如通过虚拟路面技术,可以在虚拟路面上进行仿真,车辆配用等可以随意更改,更改了之后放到虚拟路面上去运行,不仅大幅度提高开发速度,另外对设计缺陷也可以早期发现。

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  Level 4-预测

  预测是最高层级,帮助企业预测潜在风险,合理规划产品或设备的维护。

  GE也在做同样的事情,并建立了完整的Digital Twin模型。对于发动机内所有的零部件,尤其是一些关键的零部件,如轴承类部件,对异常的预测已经可以达到提前60天,而不是之前的20~30天。这样,就可以提前准备维修保养计划,备品备件,大幅降低运营成本。

  DigitalTwin型——GE Predix

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  建筑数字化的未来

  好奇号火星探测器与无人施工机械

  2012年登陆火星的好奇号探测器,在研发过程中使用了西门子产品全生命周期管理(PLM)软件,在虚拟的世界中仿真火星重力场、太阳辐射等环境,为好奇号日后准确无误的着陆、并接受各种环境考验打下了基础。

  无人施工机械从技术角度早已不是问题,目前受阻于商业化,但科技应用创新一日千里的今天,这点应该很快会被突破。

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  伊隆·马斯克无聊公司”的隧道挖掘机Godot

  传统的隧道建设可以简单分为两个步骤:一是隧道挖掘,二是使用水泥等材料加固刚刚挖掘的部分(防止坍塌),步骤间的转换既消耗时间,又消耗财力。

  马斯克和TBC正着手研发一台可以一边挖掘,一边加固四周的隧道挖掘机,此外他还打算增加挖掘机的功率和耐热性至现有的4~5倍,从而减少运行费用。

  表面看一台无聊的机器可能颠覆隧道工程行业,而背后的支撑系统离不开”数字双胞胎“应用。

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