AR工业趋势|一文读懂为何现代制造业急需数字孪生?_effiar观点

导读:(文/兰光创新董事长 朱铎先)

近年来,工业4.0席卷全球,在中国更是形成了一股飓风,成为了很多企业在转型升级中寄以重望的“神丹妙药”。在深入研究工业4.0后,笔者突发奇想,假如将德国、美国、日本这些国家看成一个个公司,将几次工业革命看成公司发展史上的重要节点,以企业家的视角研究工业4.0的发展,剖析这些工业革命为什么会发生在这些国家而不是其他国家?探寻出其中的规律,或许对我们正处于转型困境中的中国企业具有很好的启迪价值。

我们可以来考虑实现数字孪生所需的所有技术。首先,构成原始设计BOM的CAD图纸和产品数据组成了数字孪生的开始。在生产过程记录中,“已完成”的信息随时都可以发生替换或更改。其次,在生产制造或者在现场的传感器能够将信息回流到数字孪生中。最后,企业将所有这些数据用于更新“已服务”信息。以上只是简单的描述了数字孪生的流程。而这个过程,如果没有云技术的力量,组成数字孪生的传感器、设计文档和服务记录将是不可能的。

尽管前景被看好,但数字孪生的技术和实现仍处于起步阶段。凯捷咨询的一项研究报告称,在已经开始正式数字化转型的70%的公司中,只有5%的公司对自己的进展感到满意。Gartner的一项调查发现,54%的受访者表示,大多数数字孪生只服务于一个领域(团队、部门或合作伙伴),有时也只服务于多个领域。

然而,情况并不总是如此。许多市场研究公司预计,数字孪生将是未来制造业的关键。Gartner估计,到2020年,将会有超过200亿个连接的传感器和端点,而潜在的数十亿个事物将会有其对应的数字孪生体。IDC预测,到2020年,60%的制造商将使用数字孪生来监控产品和资产性能,并提高产品质量。60%的跨国公司将利用数字孪生来提供特殊的客户体验。

此外,预测到2025年,数字孪生市场预计将超过200亿美元。市场增长归功于IoT / IIoT的采用,互联设备的普及以及廉价IoT传感器的可用性。此外,不断减少的上市时间(TTM)、优化流程、监控性能以及检查产品和系统状况的需求不断增长,这为数字孪生市场的增长做出了贡献。

在预测期内,亚太地区数字孪生市场将以30%以上的复合年增长率增长。在该地区,不断增长的互联网普及率,智能设备的普及以及IoT / IIoT的日益普及正在触发数字孪生市场。根据中国互联网络信息中心(CNNIC)的数据,截至2017年12月,中国的互联网用户数量达到7.72亿,比2016年底增加了4,074万。大数据分析,AI,ML,AR,VR和MR等先进技术的出现为数字孪生技术的不断发展提供了支持。这有助于各企业提高其运营效率、产品性能并降低间接成本。AR,VR和MR提供了身临其境的体验,以可视化从传感器获得的数据中获取的见解,并使用大数据分析对其进行处理。

揭开数字孪生迷雾

问题是,仍然有许多公司对于数字孪生是什么、它所真正带来的好处以及如何利用数字孪生帮助公司业务提升没有一个清晰的认知。尽管MES(制造执行系统)是数字孪生的第一种形式,但是IoT(物联网)和工业4.0概念的发展则为如何更好的利用实时数据和优化生产开辟了另一种可能性。

虚拟与现实

要启用工业4.0制造解决方案,需要在设备、数据、连接、流程和人员的集成结构中提供完整的,上下文相关的实时数据。数字孪生将所有数字信息可用的不同资产和技术结合在一起。它依靠虚拟的和真实的“信息物理”。信息物理系统(CPS)由智能传感器、产品和原材料组成。网络物理生产系统(CPPS)是智能机器,它能够交付生产最终产品所需的过程。CPS和CPPS将虚拟和真实存在于一个实体中。

2002年,迈克尔·格里夫斯(Michael Grieves)博士提出了数字孪生的概念,它具有真实空间和虚拟空间,并且它们之间有数据在两者间传递。2017年,他继续与John Vickers撰写论文,题为“在复杂系统中使用数字孪生”,即“数字孪生:减轻复杂系统中不可预测的突发事故。”这是我们在制造工厂中想要的。

制造业的数字孪生

完整的数字孪生支持产品生命周期,包括产品设计、可生产性、所有车间活动以及使用。制造业数字孪生负责处理与制造相关的生命周期部分。对于数字孪生来说,要达到它所能提供的生产效率的潜力,需要对整个流程或甚至工厂进行建模。这样就可以对整个生产系统进行分析,确定可以改进的地方,甚至预测将会发生什么。从历史上来说,MES曾提供过一些这样的服务,但人们仍未广泛了解数字孪生的全部潜力和应用。

数字孪生涵盖了从传感器和资产到完整的生产线或工厂,甚至包括多个工厂的网络在内的所有内容。它包含具有不同类型和数据结构的模型层-包括3D模型、规格和实时数据。为了使其在整个生产生命周期中都能正常工作,它需要许多不同利益相关者的不同看法。例如,维护人员需要比设计人员看到工厂更加不同的一面。

数字线程

数字孪生将系统的虚拟部分和实际部分分开。但是为了更好的反映车间,需要将虚拟和真实联系起来。这就是是数字线程的用武之地。

那么问题来了,什么是数字线程呢?

数字线程指的是通信框架,实际上可以把它看成一个信息结构,它集成并推动现代设计、制造和产品支持流程,包括从设计工程开始并贯穿整个生产链的产品和流程定义。数据流包括质量需求、合规性、规格、测试结果、维护计划等,还包括反馈循环,如经验教训、计划与实际处理结果的对比。在这整个产品生命周期内,它能够使得相互连接的数据相互流动,并且整合其中有用的数据,这个概念超越了传统的孤立观点,打破了信息孤岛,从而也就实现了上文所说的将真实和虚拟联系起来。

数字线程服务于数字孪生,有助于维护其模型并提供有效的数据反馈。反过来,数字孪生贯穿于整个数字线程,确保数据集的组织性,并且符合实际情境。这些共同构成了工业4.0生产模型所需的结构。

拥抱数字孪生的好处

对于制造业企业来说,数字孪生为生产提供了许多好处。首先,它提供了对整个工厂的完整的可见性,使上至管理者、下至基层员工,对于工厂的性能更有信心。其次,它提供的流程视图清楚地说明了管理者应该关注哪些方面,以及可以在哪些方面进行持续的流程改进。最后,它实现了智能资源的实时分配,为虚拟现实和增强现实等技术提供了完整的实时数据,提供了一个清晰的基础。

随着数字孪生和工业4.0为企业提供的不断改进的生产流程和更高的生产效率,企业自然能够在市场中更具竞争力。此外,它们也被用来为企业创建新的业务线,提供优质产品以及更快速地推出产品。

从MES到制造业数字孪生

制造业数字孪生是一组虚拟的信息结构,十分清楚的描述了虚拟或实际的产品。由于近年来相关软硬件的发展以及IoT(物联网)的兴起,它已变得越来越引人注目,而这些不断发展的设备收集信息也越来越容易。

数字孪生为操作者提供了所有的数据,这些数据可以从对产品的实物检验中获得,并以数字形式呈现在现实世界中。对于生产执行,它能够监视、分析和控制生产的所有方面。

如果企业有一个可以通过实时输入来跟踪和控制生产制造过程的MES(制造执行系统)系统,那么它已经有了向数字孪生转型的基础。

MES的目的是提高生产能力和降低成本。它确保生产质量、对过程和过程步骤的严格控制,并且有足够高的灵活性,以更快地响应市场需求,减少新产品的引进时间。它还能够跟踪制造过程,提高可见性,控制和记载生产过程,以实现更大的生产产能优化。

许多公司已经有了MES,因此从定义上来说,它们已经具有了数字孪生的某些特性。然而,为了更好的利用工业4.0和IoT,这些公司还需要一个物联网平台,一个用于可视化的数字孪生体,以及增强现实等其他功能。问题是,如果不使用通用语言和平台进行集成,它们就会成为孤立的解决方案,在集成和维护需求方面将会有巨大的开销。

现代MES是一个数字孪生平台

对于拥有现代MES解决方案的公司来说,这个平台从一开始被设计成可以利用物联网和工业4.0的潜力,因此可以在这个平台上构建一个数字孪生的模型。所有制造业的实体对象都具有三个要素:物理位置;一个状态;和其他参数。所以MES系统需要实现的第一层是x y z坐标;状态模型;和用于存储参数值的数据集。然后,需要在屏幕上为操作员提供这些信息,并在真实世界发生变化时实时更新这些内容。第一层是工厂车间的2D模型,以数字格式提供操作的简单概述,并实时收集和更新信息。但是,3D模型为用户提供了更大的潜力和真正的交互体验。

创建3D视图的方法有很多。可以在MES中创建3D形状,并将其与真实世界的对象(包括设备、容器、产品甚至人)关联起来。也可以上传工厂蓝图,以提供可以放置3D对象的布局。与此同时设备信息可以从诸如Excel之类的包中加载,并与屏幕上的3D实体快速关联。

为了获得更引人注目的和真实的车间视图,还可以将CAD模型加载到MES中。设备表示库可以预先加载,要求用户只需选择设备类型并将其拖放到适当位置即可。所有这些意味着数字孪生可以在几小时而不是几周内创建。这使得价值评估的时间非常短,并且随着车间的发展和变更,不再需要昂贵的专业编程。

3D模型还提供了一条通往虚拟现实(VR)和增强现实(AR)场景的路径,使整个车间的虚拟导航、培训和仿真机会成为可能。机器可以用不同的颜色进行标记,使生产线的状态更加清晰和明显。可以使用RFID标签和读取器,WiFi三角测量系统或图像识别解决方案向移动资产(例如产品,人员和机器人)添加实时定位坐标。

数字孪生的层次

数字孪生可以有许多层来满足个人和业务需求。在最高层,这可能是多个工厂的全局视图。然后,用户可以通过这些层查看各个工厂、生产线或设备的各个部分。商业智能卡还可以集成到数字双屏中,显示关键性能指标,如总体设备效率(OEE)、平均故障间隔时间(MTBF)等。

写在最后

制造业的数字孪生提供了一定的可视性,可以清楚地看到车间里正在发生的事情。这是一个了解问题所在、可以在哪里进行改进以及如何更好地优化生产的窗口。现代MES提供了一个平台,在这个平台上可以直接交付数字孪生,而不需要多个独立的需要持续的集成和维护的系统。实际上,有了真正面向未来的MES,公司就可以在极短的时间内实现和获得制造业数字孪生的好处——为未来更大的业务灵活性、增长和创新创造机会。

本文正文部分绝大多数内容翻译自克里斯·帕森斯(Chris Parsons),他是是关键制造全球营销副总裁。在过去的20年中,他一直在企业软件市场中工作,在复杂的离散制造商的制造运营和质量管理软件应用程序方面获得了丰富的经验,目前专注于工业4.0和将实现数字化转型的智能制造概念。

effiar是由北京慧星视界科技有限公司研发的一款工业AR平台。effiar由WorkGuide更名而来。在AR工业领域,使用者无需技术就可以通过effiar任务管理中心使用拖拽等简单操作,为特定业务场景定制智能眼镜方案应用。该平台包括专家AR远程协作、AR巡检、AR运维、工作流、AR培训、AR+iot、多媒体知识库等多个模块,使用者可以根据业务需要自由剪裁或者互相嵌套。

4.0版本支持更多MR眼镜,以及数字孪生体验,使工作人员能够感知工作环境和设备,更多内容参考开发者。