數(shù)字孿生案例分析

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。

美國國防部最早提出利用Digital Twin技術(shù)，用于航空航天飛行器的健康維護與保障。首先在數(shù)字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現(xiàn)與飛機真實狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等。

數(shù)字孿生，有時候也用來指代將一個工廠的廠房及產(chǎn)線，在沒有建造之前，就完成數(shù)字化模型。從而在虛擬的賽博空間中對工廠進行仿真和模擬，并將真實參數(shù)傳給實際的工廠建設(shè)。而工房和產(chǎn)線建成之后，在日常的運維中二者繼續(xù)進行信息交互。

工廠就像有機體 - 過程交織在一起，傳送帶承載著從A到B的重要部件，每個元素都有一個目的。它們還有一種可以稱為心臟的東西：渦輪機或電動機，在專家圈子里也被稱為旋轉(zhuǎn)機器。只要這些都已啟動并運行，工廠中的其他所有內(nèi)容也會運行。如果它們發(fā)生故障，公司將失去寶貴的時間、金錢和資源。為了防止此類不良事件，博世（BOSCH）開發(fā)了一種集成資產(chǎn)績效管理（IAPM）解決方案，該解決方案由在Microsoft Azure上運行的數(shù)字孿生提供支持。該解決方案允許旋轉(zhuǎn)機器自己指示何時需要維護，從而幫助它們以最佳成本和最大效率運行。

挑戰(zhàn)：不要太早，也不要太晚 - 在適當(dāng)?shù)臅r間執(zhí)行維護

當(dāng)博世客戶解決方案合作伙伴 Prahallad 談到創(chuàng)新時，他聲音中的興奮之情清晰可聞。關(guān)鍵是要降低復(fù)雜性，使人們的工作更輕松。而且，正如他所說，這是關(guān)于“生產(chǎn)東西的任何地方最重要的機器”。在生產(chǎn)能源時，風(fēng)力發(fā)電機中的渦輪機使一切保持運轉(zhuǎn);在汽車工業(yè)的工廠中，它是電氣系統(tǒng)。這些旋轉(zhuǎn)機器的使用壽命為10至20年或更長時間的情況并不少見。這是很長一段時間，在此期間，它們會不斷進行維修。“為了避免發(fā)生故障的風(fēng)險，作為預(yù)防措施，即使還沒有必要，也經(jīng)常更換零件。這不是非常節(jié)省資源，“Prahallad說，不僅指組件及其制造商的成本，還指維護專家投入的時間，這些時間可以更好地花在其他地方。

這一觀察結(jié)果催生了一個想法，這個想法是由博世自己的創(chuàng)業(yè)孵化器Grow直接推動的。畢竟，博世本身在自己的工廠中運行著數(shù)百臺旋轉(zhuǎn)機器。“我們希望能夠看到以前看不到的東西：何時需要更換零件以及機器的狀況。換句話說，實時查看機器的實際情況，“Prahallad說。“由此，可以預(yù)測維護何時真正有意義。實現(xiàn)這一點需要許多不同類型的數(shù)據(jù)，例如機器本身通過傳感器提供的數(shù)據(jù)，以及來自其他來源的數(shù)據(jù)，例如來自制造商的歷史機器數(shù)據(jù)和標準數(shù)據(jù)集。

該團隊希望創(chuàng)造真正的附加值，除此之外，還要降低復(fù)雜性和壓力。“人們不接受新的解決方案，除非這些解決方案使他們的個人日常工作更容易，”Prahallad說。“這將需要額外的自動化和與機器的交互。當(dāng)出現(xiàn)問題時，紅燈不會削減它。因此，該團隊在云中開發(fā)了一個數(shù)字孿生 - IAPM，它不僅可用于收集，分析和預(yù)測機器生成的數(shù)據(jù)，還可以促進與機器的通信。

解決方案：專注于以可靠性為中心和全面的生產(chǎn)維護，以提高生產(chǎn)的可持續(xù)性

“我們從最重要的機器開始 - 旋轉(zhuǎn)機器，”Prahallad說。“因為如果你掌握了這些，你也掌握了所有其他的，這使得擴展更容易。但這不是唯一的考慮因素。該市場也提供了很大的潛力，特別是在歐洲，正如博世銷售和全球戰(zhàn)略合作伙伴Bhuvan Shetty所解釋的那樣：“這些機器中約有53%是在DACH地區(qū)制造的。運輸，能源，加工和離散制造業(yè)領(lǐng)域最大的公司都在這里。質(zhì)量標準非常高。簡而言之，如果博世團隊能夠在這里獲得客戶對其解決方案的信心，那么它就可以在世界各地做到這一點。

這行得通。在某種程度上，這是因為博世在自己的工廠中運行了數(shù)字孿生。“我們從直接在這些系統(tǒng)上工作的同事那里知道，例如，當(dāng)他們的機器承受異常負載時，應(yīng)力水平會上升。我們的數(shù)字孿生使您能夠做出數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策，從一開始就避免故障。作為數(shù)字助理，它確實減輕了日常工作量。

所有相關(guān)的計算機數(shù)據(jù)都通過 Azure IoT 中心提供，該中心與 Power Apps 連接。每當(dāng)檢測到癥狀時，Power App 都會觸發(fā)警報。“目前的解決方案只有在已經(jīng)出現(xiàn)磨損跡象時才這樣做。這對我們來說通常為時已晚，“Bhuvan Shetty說。這就是為什么博世的解決方案不僅考慮了傳感器數(shù)據(jù)，還考慮了整個數(shù)據(jù)情況，并確定了即將磨損的癥狀。這使得零件能夠在正確的時間更換 - 不要太早，特別是不要太晚，但總是在事情發(fā)生故障之前。

如果已觸發(fā)警報，數(shù)字孿生將通過設(shè)備上控制臺上的 Microsoft Teams 以及看守人的手持設(shè)備發(fā)送消息，指示問題所在。根據(jù)警報的復(fù)雜程度，還會通過 Dynamics 365 創(chuàng)建票證，并將其發(fā)送給適當(dāng)?shù)膶＜?，然后他們可以對計算機進行維修。檢查可以遠程或現(xiàn)場進行。如果需要來自不同位置的專家的幫助，可以使用 HoloLens 2 和遠程協(xié)助以虛擬方式引入他們。這就是理想的預(yù)測性維護如何成功。

因此，來自數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)直接提高了可持續(xù)性。畢竟，只有在真正必要時才更換零件。但這還不是全部：“當(dāng)我們知道故障場景并知道，例如，當(dāng)機器傾向于過熱時，那么我們也知道如何最有效地操作它們，”Prahallad說。“高效的機器需要更少的能源，因此所需原材料的消耗得到優(yōu)化，從而節(jié)省能源。這是制造業(yè)公司特別關(guān)注的一個關(guān)鍵領(lǐng)域。

因此，博世的解決方案簡化了復(fù)雜的相互關(guān)系，實現(xiàn)了流程自動化，提高了效率，并有助于節(jié)省資源。最重要的是，它使人們的工作更輕松，而這正是該解決方案榮獲 2021 年微軟智能制造獎的原因。

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