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数字孪生三大流派(资料整理)

数字孪生三大流派(资料整理) 数组智控产业发展科技院
2022-03-07
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导读:DARPA在2009年率先提出了数字孪生的概念;2012年,NASA和美国空军科学研究办公室的专家提出了数字


DARPA在2009年率先提出了数字孪生的概念;


2012年,NASA和美国空军科学研究办公室的专家提出了数字孪生范式建设的目标;


2013年,美国空军研究实验室启动了机身数字孪生项目,并由通用电气等军工企业验证了P2IAT工程概念和方法;


2015年,工业4.0研究院开始系统研究数字孪生;


2017年,美国咨询公司大力鼓吹数字孪生产业机会,吸引了大量企业进入该领域;


2019年10月16日,工业4.0研究院发起成立数字孪生联盟。



过去十年,不同技术和应用背景的企业纷纷介入数字孪生行业,促使该产业形成了三种具有不同核心价值的技术路径。


第一种技术路径当属美国国防部一直坚持的数据驱动模式,通常称为“数据派”,它强调国防装备各个阶段的数字孪生应用;


第二种技术路径为物联网的应用模式,通过为产品生命周期提供新的视角,形成了“连接派”


第三种技术路径由仿真企业推动,它们更强调仿真的核心价值,强调基于仿真的系统工程,因此该技术路径被称为“仿真派”


在2019年年底发布的《全球工业4.0研究报告(2020)》中,由于三大流派的核心价值突出,应用场景也比较明显,称之为现代数字孪生产业,三大流派将长期存在。


为此,分析三大流派所代表的企业及其核心竞争力非常有必要,这对于期待在数字孪生领域建立核心竞争力的企业有较大的意义。


数据派:降级应用前景无限


数字孪生技术来自国防军工领域,早期主要为美国国防部推进战斗机个性化维护需求,启动了机身数字孪生项目,从而验证了数字孪生的工程应用方法,并获得了较好的成就。


后来民用航空业也引入了该概念,特别是通用电气利用数字孪生构建了Predix平台,实现了发动机的个性化预测性维护,该应用成为Predix平台上的杀手级应用。


然而,数据驱动的数字孪生不仅仅应用于航空航天,它在其他领域的应用更为广泛,当然,这需要把数字孪生技术进一步提炼简化之后,其他较低端的行业才可能应用,毕竟不是每个行业都可以像航天军工一样不计成本和代价。


在一些低端制造业领域,数字孪生的价值主要体现为对供应链的跟踪,由于各种设备资产的几何模型是唯一的,在供应链运行中并不会发生变化,那么只需要实现第一级数字孪生化,就可以满足数字资产管理的需要。


利用同样的方式,在资产管理价值较大的领域,如城市管理、能源行业、医疗健康等,都可以采用降级的数字孪生应用。


英国对数字孪生的数据价值认识比较深刻。


2016年,特雷莎·梅刚刚就任英国首相,她要求英国国家基础设施委员会(National Infrastructure Commission)对较大程度上影响国家生产力水平的技术进行研究,经过一年多时间的研究,该委员会于2017年12月发布了《为公众利益的数据》(Data for the Public Good),强调数字孪生是承载数据的技术,应该重点加以应用;


后来委员会在2018年7月发布了《国家基础设施评估报告》,要求大力建设数字孪生基础设施。


英国数字孪生国家战略


连接派:信息交互产生价值


传统互联网的成功,导致人们对物联网的应用存有期待,但自1999年物联网概念产生以来,它并没有取得消费互联网类似的成功。


2012年通用电气掐头去尾,把工业物联网(IIoT,Industrial Internet of Things)改为工业互联网(IndustrialInternet),以期产生类似于消费互联网的巨大效果,但经过五年多时间的运行,工业互联网并没有达到预期目标,深陷经营危机的通用电气也收缩了其投入。


人们对通用电气推动工业互联网比较了解,但对于它深入介入数字孪生知之甚少。


在美国空军研究实验室招标机身数字孪生项目的时候,通用电气是中标企业,可见它是深入参与了数字孪生相关工作的。


与降维策略不同,通用电气不是想方设法把数字孪生应用到低端行业,而是力图保持高额利润,这迫使它采取别的方法来提高收益,因此它选择了与工业互联网的结合,希望让军工技术迅速在更多领域得到应用,但实际效果并不如预想那么明显。


在连接派心目中,数字孪生只是把设备或物体数字化,形成了数字资产,利用物联网等技术,使这些资产连接起来形成信息交换,当连接入网的数字资产越来越多,网络效应就是自然而然的事了。


这样的逻辑是成立的,只是达到所谓产生网络效应的规模,需要长达十年以上的时间,这不是普通企业可以等待得起的。


简单来说,数字孪生连接派具有较大的价值,但这种价值是建立在对大量设备或物体数字孪生化的基础上的,如果没有低成本的数字孪生化工具,这种场景就可能不太容易出现。


仿真派:一种新的应用方法


从数据颗粒精细度来看,数字孪生仿真派要求细致入微的数据,以保证不仅仅在外形上与实际设备或物体相似,还要在物理特征上与实际情况一致。


从仿真产生的历史来看,它本身就是为了对真实世界的物体进行物理或化学上的描述。在数字孪生化水平中,仿真是第二级的核心要求。


过去50年间,数字计算机发展非常迅速,推动形成了现代意义的仿真技术,它在航空航天领域获得了广泛的应用。


随着计算机图形技术的进步,仿真技术获得了质的改变,系统仿真、方法论和计算机仿真软件提供的可视化、交互性等方面取得了前所未有的效果,先后产生了动画仿真、可视交互仿真、多媒体仿真、虚拟环境仿真和虚拟现实仿真等一系列仿真思想和理论。


虽然仿真技术已经发展到了较为成熟的阶段,但由于其成本较高,对应用人员的要求高,因而阻碍了其更广泛的应用。


数字孪生概念的提出,给传统仿真领域带来了活力,该领域的行业人士迅速发现仿真可以作为实现数字孪生的一种方法,国内外大量仿真企业最近几年纷纷启动数字孪生转型,其目的也是想从较为小众的航空航天市场拓展到其他领域。


不过,正如颠覆性创新所描述的一样,仿真领域的企业从高端行业获得了高额的利润,它们并不愿意或不知道如何转向低端领域的数字孪生应用。


在进入低端行业的时候,它们通常还是以高精度仿真需求来与客户沟通,虽然这些客户被酷炫的仿真效果吸引了,但当他们听完报价之后,大都放弃了基于仿真的数字孪生解决方案。


以上提及的三种数字孪生流派,体现了数字孪生化的不同要求,同时也揭露了该行业的三种价值观。


数字孪生数据派围绕数据提供解决方案,具有较好的扩展性;


寄希望于物联网带来的网络效应,数字孪生连接派只有度过了关键规模的拐点,才可以称得上成功;


具有悠久历史的数字孪生仿真派,如果可以利用降维策略,其前景将是光明的。


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