數位孿生/數位分生

工業4.0/智慧製造

數位孿生,讓虛擬與實體融合與預測

智慧製造中也有「雙子殺手」!! 工業4.0核心技術-數位孿生/數位分身系統正持續地發展,並因為5G高速連網技術的發展,更受到矚目。本文簡介數位孿生的意義及數位孿生的行業應用案例。

作者

黃正傑

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・2021/09/06

李安導演的「雙子殺手」科幻電影受到矚目。在電影情節中,「雙子殺手」展示了複製人被派來追殺本尊的緊張情節,也顯露了父與子間的關懷。在電影特效中,「雙子殺手」利用3D+的數位影像特效模擬主角年輕的分身。事實上,在工業4.0或智慧製造中,類似「雙子殺手」的「數位孿生」(或稱「數位分身」)的概念與技術,持續地被討論與發展。



圖、數位孿生概念(資料來源:DHL)


數位孿生的意義

「數位孿生」(Digital Twin)主要是利用軟體或網路空間(cyber space),針對實體的物件、設備進行監控、分析、模擬、預測、甚至進行控制的技術或方法。

 

追溯「數位孿生」技術,可說是來自於軟體模擬技術、CAD/CAM模擬軟體、或PLM產品生命週期管理軟體的技術與延續發展。最早的軟體模擬技術來自於1970年代,美國NASA為了阿波羅13登陸月球任務受損時,打造地球版阿波羅13號分身模擬系統,進行各項恢復計畫策略模擬,以便將最佳操作指令給予太空人進行操作。接著,許多美國太空計畫、飛行器、武器系統均利用模擬系統進行事先模擬與評估。

 

2011年,美國空軍實驗室(US Air Force Research Laboratory)為了因應如何模擬各個航空器不同任務條件下的維護與生命週期預測,而提出「數位孿生」(Digital Twin)這個概念。2013年,德國推動工業4.0,以「網宇實體系統」或「虛實整合系統」(Cyber-Physical System,CPS)為核心,強調實體物件與虛擬空間透過網路即時的數據傳輸與互動,為「數位孿生」確立了更清晰的概念。

 

時至今日,感測技術、大數據技術、人工智慧技術及運算能力、聯網技術的進步,可以讓數位孿生技術進行更多種實體特性(如:產品材質、零件狀況)、更多層次(如:產品、產線、工廠乃至於公司整體)、更動態(如:即時接受資訊與回饋)地進行各項複雜的模擬與預測。

 

數位孿生的行業應用

數位孿生技術已經運用在各個行業,以下說明幾個應用:

 

1. 車輛工廠建立設備預測維修:一家生產農機具、工業車輛的工廠,運用焊接機器手臂進行車身焊接時,常因為零件損毀,造成生產中斷或機器手臂損壞。該工廠打造數位孿生模型,將不同材料機殼、焊接需求、機器手臂狀況及生產計畫等數據整合,利用模擬與大數據分析,可以預測零組件損壞機率;並可運用”What-If”模擬,調整維護計畫與零組件補貨計畫等,減少機器手臂計畫與非預期的停機。

 

2. 藥品製造建立產線模擬:製藥公司從研發、製造、試驗到藥品上市可能需要10數年的時間。一家製藥公司為改善製藥速度,建立生物化學反應、活體試驗等各項製藥發展過程的數位孿生系統。透過系統,該公司可以模擬化學反應預估時間,加快整個製藥過程。

 

3. 零售賣場打造消費模型:零售業賣場可以透過蒐集商品價格、銷售狀況、庫存狀況及消費者行為等,建立賣場數位孿生系統,建立動態促銷計畫、庫存管理等。達梭系統與SES零售科技公司透過電子標籤及庫存系統、銷售點系統等數據,建立賣場3D模型。該系統可以透過各項模擬情境,導引顧客消費庫存或特價產品,有助於減少庫存或避免商品不足等。


圖、零售賣場數位孿生系統(資料來源:SES)

 

4. 輪胎產品建立里程計費模式: 一家輪胎公司長期以來在輪胎上面安裝感測器並利用數位孿生模擬,以了解輪胎磨損、效率等狀況,作為輪胎研發的參考。當歐洲開始風行以里程計價的商業模式後,該輪胎公司進一步併購一家蒐集汽車駕駛狀況數據蒐集的公司,將輪胎磨損、駕駛狀況等數據建立起數位孿生模型,可以提供磨損預測、安全分析等模擬與預測,並提供依里程、駕駛行為計價的商業模式。

 

 

 

圖、輪胎數位孿生安全分析系統(資料來源:BridgeStone)

 

小結

由於感測器、大數據、人工智慧、高速連網等技術的進步,使得數位孿生系統得以更快速地模擬、預測設備或產線、工廠、零售賣場等實體物件。展望未來,在5G的發展下,將更融入各個行業中,展現人、物、環境的虛實整合。在技術上,除了模擬、預測外,也會發展更多透過網路空間進行回饋、控制實體等技術應用。數位孿生也不僅僅是在設備、物件上,更延伸到人類的數位分身上,成為「個人數位孿生」,是不是愈來愈像電影情節了呢?

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