数字孪生:应对当今挑战的颠覆性工具
当今工业运营面临的主要挑战
随着工厂试图应对不断变化的运营环境，我们在与客户的合作中看到了以下共同的挑战:
- 资产健康和安全仍然是工厂管理人员最关心的问题。风险需要持续监控、评估和管理。随着设施的增长、老化或转向，或者这些要求的严格性增加，以及考虑社会和环境影响的需求扩大，这变得更具挑战性。
- 数据仓库由于系统分层而没有适当的整合导致决策效率低下。就像今天的许多植物一样，几十年来，已经在不同的过程域中独立部署了大量内部和供应商开发的应用程序，以帮助进行生产管理、过程监视和操作控制。这些系统之间较差的集成会产生许多数据孤岛，导致您的行业价值链出现碎片化，而不是整体视图。从原材料采购到物流/库存管理和生产计划的综合优化，更好的沟通、分析和价值获取的机会都失去了。缺乏集成也限制了机器学习(ML)和人工智能(AI)等新技术实现它们能够实现的突破性业务转型的潜力。
- 技能短缺对未来构成重大风险。由于劳动力老龄化，越来越多的工厂在维护和向下一代传递工艺知识方面遇到困难。新员工通常更注重技术，不太适应“老式”的工作方式。工厂工程师经常忙于处理日常操作问题，因此很少有时间和资源可用于培训、知识转移和绩效改进方面的长期投资。
- 远程功能变得越来越关键。该行业对远程监控、诊断、操作和技术支持的需求不断增加。远程功能不再是锦上添花，它们是业务的重要组成部分。它们不仅是正常情况下安全和生产力等方面的关键驱动因素，而且对于快速、安全、以最短的停机时间应对我们今天面临的全球冠状病毒大流行等紧急风险，它们也是不可或缺的。
什么是数字孪生?为什么这么多的组织正在构建它们?
在过去的五年里，第四次工业革命的概念或4.0行业它可以被粗略地理解为制造业的数字化，已经成为文章、会议和研究的一个有吸引力的主题。但它不再只是一个流行语。市场压力、技术创新和行业对数字化的广泛接受的融合正在真正推动所有行业的转型。
物联网(IoT)、云基础设施、扩展现实(XR)环境和ML/AI工具等数字发展的日益成熟，正在引领各行各业的许多组织创建数字孪生。
数字孪生是物理资产或系统的动态数字表示。该表示由多种建模技术(第一主体、数据驱动、2D和3D CAD建模)以及实时数据和高级数据分析工具构建而成。其结果可以对关键操作进行更深入、更先进、更有意义的洞察，从而改善人类的决策。
数字双胞胎的概念从何而来?虽然数字孪生的概念已经存在了很多年，但第一个明确的定义是由美国国家航空航天局[1]2010年:“数字孪生是一种集成的多物理场、多尺度、概率模拟的车辆或系统，它使用最好的可用物理模型、传感器更新、机队历史等，来反映其飞行孪生体的生命。”
在许多新兴的颠覆性技术中，创建数字孪生是组织(现在包括许多工业运营)为其业务释放更大价值所采取的第一步也是最关键的步骤之一。
哈奇数字双胞胎的三个关键支柱
在我们的实践经验中，一个有效的数字孪生应该包括以下三个关键支柱:集成、智能和交互(参见图1)。
- 通过物联网集成连接数据。想象一个动态的可视化环境，在这个环境中，来自过程操作、设备维护和产品质量的所有数据源以及高保真的2D/3D资产模型相结合，创建了现实生活中实际发生的事情的数字版本。数字表示和物理孪生之间的实时数据交换创建了一个单一版本的真相(SVOT)，通过安全的云基础设施呈现按需、情境化的信息，并确保所有指定用户的数据透明度和可用性。
- 将知识与内置智能连接起来。内置智能是上一代商业智能仪表板与数字孪生之间的关键区别。后者有能力将各种类型和来源的知识整合到一个集中的地方，包括从其他系统产生的数据。数字孪生体提供了一个完整且有意义的连接分析平台，可以有效地结合第一性原理模型、大数据和ML/AI技术，生成可操作的见解，并做出与物理孪生体的安全性、可靠性、效率和盈利能力相关的智能决策。
- 使用交互连接值。数字孪生通过各种服务创建新的、更有意义的人机交互点，从而为企业增加价值。预测性维护、场景分析、增强培训和远程专家支持等功能只是数字孪生可以提供的一些潜在增值服务。与现有的ISA-95标准相比，数字孪生提供了一个更精简、更集中的模型(见图2)，用于集成企业和控制系统。数字孪生方法打破了孤岛
并促进运营部门、职能部门和外部合作伙伴(如oem和服务提供商)之间的新型协作。
数字化转型之旅的起点
随着工业4.0的深入发展，毫无疑问，越来越多的行业将把传统的运营方式转变为更复杂的数字化。遵循通过集成、智能和交互塑造数字孪生的愿景，我们在其优化设计和部署方面取得了重大进展。我们的经验表明，数字孪生体是数字化之旅的理想起点。它所带来的透明度、连通性、参与度和决策能力的提高，是数字化可持续企业的基石——能够应对和适应在真正全球化的社会中对企业领导者来说越来越普遍的新的、意想不到的变化。
我们通过合作伙伴关系开发的几个数字孪生应用程序已经证明了这项技术作为强大的颠覆性工具的可行性。在我们的下一篇文章中，我们将讨论我们的开发方法，一些重要的经验教训，以及数字双胞胎如何帮助解决我们行业最紧迫的挑战。
你如何利用数字创新来应对你所在行业面临的最大挑战?请在下面的评论中告诉我们。
参考文献
作者简介
张豫
首席顾问，系统集成和互操作性，数字化
张豫是一名专业工程师，在金属和钢铁行业的过程系统工程和数字技术咨询和开发方面拥有20多年的经验。他的客户遍布北美、南美、欧洲、中国和东南亚。他的技术专长涵盖智能决策优化、数据分析、离散事件模拟和高级过程控制等领域。耶鲁目前在Hatch的角色是领导数字孪生技术的进步，为业务和工厂运营提供可操作的可见性和洞察力。，