什么是数字双胞胎?

如果你关注过与产品开发、预测分析或 基于物联网的环境监测在过去的几年里,你很可能听说过 "数字双胞胎 "或 "数字双胞胎建模 "这个术语。但究竟什么是数字孪生?最简单的说法是,它是存在于现实世界中的物理对象、设备或结构的虚拟代表。

这项创新技术还有很多内容,我们将深入研究其在制造业、医疗保健和供应链管理等行业快速发展的使用案例的影响。但首先,重要的是要了解是什么导致了对数字孪生开发的广泛兴趣和投资,以及今天看到的使用案例。

数字双胞胎从1960年代就已经存在了从概念上讲,从2002年开始更广泛地普及--直到最近,这一领域的创新才爆发出来。随着数字能力越来越成为客户体验和运营的核心。 数据驱动的洞察力 已成为推动创新和创造价值的力量。

数字双胞胎的等距图
因此,数字双胞胎正开始优化产品和流程的开发和性能。让我们来探讨一下如何。
 


什么是数字孪生技术?

让我们从数字双胞胎的定义开始。数字双胞胎是基于使用连接的传感器收集的实时数据的虚拟模型。这些虚拟双胞胎,有时被称为,被设计成反映真实世界的物体、机器和过程--使系统设计师和技术人员能够模拟真实世界系统的物理属性和性能。

ǞǞǞ 数字化结对的过程 创建一个数字表示,可以随着物理版本的变化而更新,无论是受环境条件影响还是被修理。为了捕捉这些变化,该物体需要装上 IoT 设计的传感器 以捕捉和传输有关物体或设备的物理特性和性能的数据。

这些信息可以包括物体的形状、能源使用、材料应力水平、温度或性能。然后,对收集到的信息进行处理,用于创建或更新虚拟表现。

一旦创建,数字双胞胎就可以用来运行 两种类型的模拟:
  1. 基于现在。设想如果当前条件被改变,实物会有什么反应。
  2. 基于未来。运行预测性模拟以显示对未来条件的反应。

数字双胞胎的类型有哪些?

总体而言,数字双胞胎的创建方式--使用 IoT 设备和软件 - 无论哪种类型的物体、设备或过程被数字化表示,都是相当一致的。

数字孪生的复杂性可以有很大的范围,因为需要的数据量取决于虚拟代表的预期用途。通常,组织将创建一个数字孪生的初始原型,以确定如何最好地纳入所有需要的数据。

三种功能类型 常用的数字双胞胎的。
  • 状态双胞胎。用于监测实物和设备的物理状态
  • 操作双胞胎。用于允许用户根据链接的行动或工作流程来调整操作参数
  • 仿真双胞胎。用于预测物体或设备在未来对操作条件的反应,这对预测性维护和产品开发有帮助。

数字孪生技术是如何使用的?

由于数字双胞胎的设计有如此多的变化,所以也有许多方法来对这些虚拟复制品的设计和功能进行分类。
数字双胞胎应用示意图
例如,一个组织可能需要所有这些系统 虚拟双胞胎的架构:
  • 离散的数字双胞胎。用于可视化、监控和分析单一设备
  • 复合数字双胞胎。由多个离散的数字孪生子组成,代表一个有多个组件的设备或过程。
  • 一个组织的数字双胞胎(DTO)。对整个组织的组成部分和互动的高度复杂的表述
那么,对于这三种数字孪生系统架构中的任何一种,数据的使用方式都可以归结为 五个类别或级别:
  • 描述性双胞胎是一个物体或设备的虚拟代表,可以用建筑信息模型(BIM)软件的三维模型进行编辑和分析。
  • 信息化双胞胎将数字结对工作向前推进了一步,从IoT 感应器上获取感兴趣的物体或设备的物理和操作数据,并实时更新虚拟复制品以匹配其现实世界的对应物。
  • 预测性双胞胎 将用于创建信息性双胞胎的实时数据与额外的背景数据和预测性分析相结合。这允许建模和基于现在的模拟,可以识别或预测性能或结构完整性的问题。
  • 综合双胞胎使用更先进的建模来预测所呈现的物体或设备将如何应对尚未发生的基于未来的场景。用于这种类型的数字双胞胎的规定性分析可以为下一步采取什么措施提供建议(例如,维护、产品设计)。
  • 自主的双胞胎也使用基于未来的模拟,以及先进的算法,做出人工智能和机器学习(AI/ML)驱动的决定,根据物体过去的性能或物理条件对不断变化的环境条件做出反应。

今天,哪些行业使用数字孪生兄弟?

数字孪生技术可用于以各种方式创造商业价值。这一切都取决于数据源的种类、功能类型(即离散型、复合型或DTO)以及所创建的虚拟代表的水平(即描述性、信息性、预测性、综合性或自主性)。
航空航天中的数字孪生体实例
数字孪生技术可以适用于几乎每一个部门的组织,今天使用数字孪生的一些行业包括在多个垂直空间,其中包括 Digi提供技术解决方案 为IoT 产品开发、网络、自动化、预测性分析和工业4.0的未来。
  • 制造业。这 项技术可用于可视化、监测和改善工厂车间的制造流程。通过全面或自主的数字双胞胎,企业甚至可以确定如何在未来避免资产损坏和收入损失。
  • 医疗保健。 目前,数字双胞胎最常被用于三类医疗保健用例。
    • 模拟和测试不同的组织和护理服务模式
    • 侵入性外科手术的培训和
    • 用基因组、生活方式和生理学模型来开发个性化的药物。
  • 航空航天。数字结对实际上首先用于航空航天 工程,现在该领域的工程师可以更好地利用预测分析来测试部件和零件的故障,而不需要冒昂贵的设备或安全风险。
  • 汽车。除了改善汽车行业的标准制造,数字结对也被用来帮助开发自动驾驶汽车。自动驾驶汽车需要IoT 传感器,收集有关汽车及其环境状况的数据。虚拟副本可用于测试车辆在各种情况下的功能。
  • 建筑和工程。建筑物的数字孪生体可用于设计更适合其环境的建筑结构,并监测现有建筑物的材料故障,减少倒塌的风险并支持预测性维护。

数字孪生技术的一般用例

在实施一个特定行业的用例之前,开发人员和数据科学家需要一起工作,以确定到底需要表示哪些组件。而同一个现实世界的对象可能需要极大的不同的数据输入,这取决于 数字孪生模型的最终目标:
  • 材料或部件
  • 整个资产或产品
  • A系统
  • 一个过程
让我们探讨一下数字孪生技术可以帮助加速和改善的三大类用例。
 

产品开发和设计

为了保持竞争力,各组织在产品开发和设计方面投入了大量资金,特别是在汽车、制药和制造业等行业。而且,公司一直在寻找在不牺牲质量和产品市场适应性的情况下更快开发产品的方法。

数字双胞胎可以帮助改善产品开发和设计,使产品团队能够。
  • 利用虚拟模拟对材料进行压力测试
  • 将对物理原型的早期反馈纳入虚拟表现中
  • 一次性创建多个产品版本,以测试和收集反馈意见

流程和运营优化

今天的企业也希望优化他们的内部流程和运营--无论是在工厂车间、供应链还是企业资源规划方面。创建数字双胞胎可以帮助企业更好地。
  • 分析生产结果,计划如何提高生产力和效率
  • 识别浪费和时间损失的领域,并对如何减少它们进行模拟测试
  • 实施预测性维护或自主操作,保护有价值的设备、系统或流程免受昂贵的损坏或停工的影响

环境监测和灾害应对

通过开发制造、农业或供应链流程的数字双胞胎,组织可以在以下情况下更快地做出反应 环境条件 或设备故障使他们的场地和员工面临不安全的条件,或使他们的员工受到影响。 当地环境受到威胁.启用更复杂的数字孪生体的警报也可以帮助现场管理人员和员工快速有效地做出反应,以减少灾难发生时对公众健康和环境安全的风险。
 

数字孪生技术的价值何在?

全球数字孪生技术市场预计将在未来几年内继续出现爆炸性增长,预计复合年增长率(CAGR)为 从2022-2027年的31.7%.这是因为使用数字孪生模型不仅可以提高生产力和效率,还有助于加速创新。
 

利用数字双胞胎提高生产力和效率

创建数字双胞胎可以提供洞察力和价值的场景层出不穷。随着人工智能建模和IoT ,公司可以更好地预测产品、设备和流程对新环境条件或压力的反应。
公司可以在虚拟环境中探索潜在的影响,而不是创建一个昂贵的原型来测试或在事件发生后作出反应。这样做的结果是 速度与价值 这正是数字结对近年来迅速发展的原因。
 

利用数字结对来加速创新

虽然数字双胞胎被用来代表已经存在的东西,但实际上,它们是一个最好的途径来 达到创新的目的 这还没有到来。创建数字双胞胎使产品设计师、开发人员、工程师和数据科学家能够进行合作,设想材料、产品或工艺的未来版本,同时还能模拟各种场景以评估性能。

因此,数字孪生技术可以帮助企业确定采取哪些路径来实现创新,并以更少的时间、精力和成本更快地交付价值。
 

数字化结对和智能城市的未来

今天,每个行业的公司都在高度投资于寻找 绿色技术解决方案 在削减运营成本的同时,减少对环境的影响,提高生产力。公司需要IoT 启用的解决方案,以支持许多最有效的 可持续发展解决方案 这可以帮助他们减少对环境的影响,并在灾害发生时避免或应对。

监测设备和材料对各种环境条件的反应,不仅有助于预测性维护,而且还有助于改善整体环境监测。在未来,系统级的数字双胞胎可以帮助加速发展 智慧城市 可以配备支持IoT 的传感器,并对其进行优化,以更有效、更经济和更环保的方式使用公共资源。

仍有 需要克服的挑战 来实现这个未来。各组织需要找到能帮助他们的解决方案。
  • 有效地从分布的远程站点的各种来源收集数据
  • 保持一致的数据标准,便于整合和分析
  • 在确保安全的前提下,协调各组织和市政当局的数据共享
但只要有正确的 远程基础设施管理 解决方案和安全的IoT 设备,现代组织可以随时利用数字结对应用提供的生产力和创新优势。
 

Digi Solutions如何将数字孪生模型变为现实

DigiIoT 解决方案将物理世界与数字世界连接起来,提供来自IoT 设备的实时机器和传感器数据,将这些数据输入建立数字双胞胎的AI/ML模型和算法。
Digi数字双胞胎图示

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