數(shù)位孿生，讓虛擬與實(shí)體融合與預(yù)測

文：黃正傑 2021-1-25

發(fā)布時(shí)間： 2021-01-25 13:51:00

遇見智慧 數(shù)位孿生 工業(yè)4.0

智慧製造中也有「雙子殺手」!! 工業(yè)4.0核心技術(shù)-數(shù)位孿生/數(shù)位分身系統(tǒng)正持續(xù)地發(fā)展，並因?yàn)?G高速連網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，更受到矚目。本文簡介數(shù)位孿生的意義及數(shù)位孿生的行業(yè)應(yīng)用案例。

最近，李安導(dǎo)演的「雙子殺手」在電視臺再度的播放。在電影情節(jié)中，「雙子殺手」展示了複製人被派來追殺本尊的緊張情節(jié)，也顯露了父與子間的關(guān)懷。在電影特效中，「雙子殺手」利用3D+的數(shù)位影像特效模擬主角年輕的分身。事實(shí)上，在工業(yè)4.0或智慧製造中，類似「雙子殺手」的「數(shù)位孿生」(或稱「數(shù)位分身」)的概念與技術(shù)，持續(xù)地被討論與發(fā)展。

圖1、數(shù)位孿生概念(資料來源： DHL)

數(shù)位孿生的意義

「數(shù)位孿生」(Digital Twin)主要是利用軟體或網(wǎng)路空間(cyber space)，針對實(shí)體的物件、設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、分析、模擬、預(yù)測、甚至進(jìn)行控制的技術(shù)或方法。

追溯「數(shù)位孿生」技術(shù)，可說是來自於軟體模擬技術(shù)、CAD/CAM模擬軟體、或PLM產(chǎn)品生命週期管理軟體的技術(shù)與延續(xù)發(fā)展。最早的軟體模擬技術(shù)來自於1970年代，美國NASA為了阿波羅13登陸月球任務(wù)受損時(shí)，打造地球版阿波羅13號分身模擬系統(tǒng)，進(jìn)行各項(xiàng)恢復(fù)計(jì)畫策略模擬，以便將最佳操作指令給予太空人進(jìn)行操作。接著，許多美國太空計(jì)畫、飛行器、武器系統(tǒng)均利用模擬系統(tǒng)進(jìn)行事先模擬與評估。

2011年，美國空軍實(shí)驗(yàn)室(US Air Force Research Laboratory)為了因應(yīng)如何模擬各個(gè)航空器不同任務(wù)條件下的維護(hù)與生命週期預(yù)測，而提出「數(shù)位孿生」(Digital Twin)這個(gè)概念。2013年，德國推動工業(yè)4.0，以「網(wǎng)宇實(shí)體系統(tǒng)」或「虛實(shí)整合系統(tǒng)」(Cyber-Physical System,CPS)為核心，強(qiáng)調(diào)實(shí)體物件與虛擬空間透過網(wǎng)路即時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸與互動，為「數(shù)位孿生」確立了更清晰的概念。

時(shí)至今日，感測技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智慧技術(shù)及運(yùn)算能力、聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，可以讓數(shù)位孿生技術(shù)進(jìn)行更多種實(shí)體特性(如：產(chǎn)品材質(zhì)、零件狀況)、更多層次(如：產(chǎn)品、產(chǎn)線、工廠乃至於公司整體)、更動態(tài)(如：即時(shí)接受資訊與回饋)地進(jìn)行各項(xiàng)複雜的模擬與預(yù)測。

數(shù)位孿生的行業(yè)應(yīng)用

數(shù)位孿生技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用在各個(gè)行業(yè)，以下說明幾個(gè)應(yīng)用：

1. 車輛工廠建立設(shè)備預(yù)測維修：一家生產(chǎn)農(nóng)機(jī)具、工業(yè)車輛的工廠，運(yùn)用焊接機(jī)器手臂進(jìn)行車身焊接時(shí)，常因?yàn)榱慵p毀，造成生產(chǎn)中斷或機(jī)器手臂損壞。該工廠打造數(shù)位孿生模型，將不同材料機(jī)殼、焊接需求、機(jī)器手臂狀況及生產(chǎn)計(jì)畫等數(shù)據(jù)整合，利用模擬與大數(shù)據(jù)分析，可以預(yù)測零組件損壞機(jī)率；並可運(yùn)用”What-If”模擬，調(diào)整維護(hù)計(jì)畫與零組件補(bǔ)貨計(jì)畫等，減少機(jī)器手臂計(jì)畫與非預(yù)期的停機(jī)。

2. 藥品製造建立產(chǎn)線模擬：製藥公司從研發(fā)、製造、試驗(yàn)到藥品上市可能需要10數(shù)年的時(shí)間。一家製藥公司為改善製藥速度，建立生物化學(xué)反應(yīng)、活體試驗(yàn)等各項(xiàng)製藥發(fā)展過程的數(shù)位孿生系統(tǒng)。透過系統(tǒng)，該公司可以模擬化學(xué)反應(yīng)預(yù)估時(shí)間，加快整個(gè)製藥過程。

3. 零售賣場打造消費(fèi)模型：零售業(yè)賣場可以透過蒐集商品價(jià)格、銷售狀況、庫存狀況及消費(fèi)者行為等，建立賣場數(shù)位孿生系統(tǒng)，建立動態(tài)促銷計(jì)畫、庫存管理等。達(dá)梭系統(tǒng)與SES零售科技公司透過電子標(biāo)籤及庫存系統(tǒng)、銷售點(diǎn)系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，建立賣場3D模型。該系統(tǒng)可以透過各項(xiàng)模擬情境，導(dǎo)引顧客消費(fèi)庫存或特價(jià)產(chǎn)品，有助於減少庫存或避免商品不足等。

圖2、零售賣場數(shù)位孿生系統(tǒng)(資料來源：SES)?

4. 輪胎產(chǎn)品建立里程計(jì)費(fèi)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(shù)位孿生模擬，以了解輪胎磨損、效率等狀況，作為輪胎研發(fā)的參考。當(dāng)歐洲開始風(fēng)行以里程計(jì)價(jià)的商業(yè)模式後，該輪胎公司進(jìn)一步併購一家蒐集汽車駕駛狀況數(shù)據(jù)蒐集的公司，將輪胎磨損、駕駛狀況等數(shù)據(jù)建立起數(shù)位孿生模型，可以提供磨損預(yù)測、安全分析等模擬與預(yù)測，並提供依里程、駕駛行為計(jì)價(jià)的商業(yè)模式。

圖3、輪胎數(shù)位孿生安全分析系統(tǒng)(資料來源：BridgeStone)?

小結(jié)

由於感測器、大數(shù)據(jù)、人工智慧、高速連網(wǎng)等技術(shù)的進(jìn)步，使得數(shù)位孿生系統(tǒng)得以更快速地模擬、預(yù)測設(shè)備或產(chǎn)線、工廠、零售賣場等實(shí)體物件。展望未來，在5G的發(fā)展下，將更融入各個(gè)行業(yè)中，展現(xiàn)人、物、環(huán)境的虛實(shí)整合。在技術(shù)上，除了模擬、預(yù)測外，也會發(fā)展更多透過網(wǎng)路空間進(jìn)行回饋、控制實(shí)體等技術(shù)應(yīng)用。數(shù)位孿生也不僅僅是在設(shè)備、物件上，更延伸到人類的數(shù)位分身上，成為「個(gè)人數(shù)位孿生」，是不是愈來愈像電影情節(jié)了呢?

黃正傑

你喜歡挑戰(zhàn)不斷隆起的技術(shù)高原、探索無限寬廣的創(chuàng)新領(lǐng)域嗎? 那麼我們是同路人。黃正傑，臺大資管博士，協(xié)助鼎新進(jìn)行前瞻技術(shù)研究與應(yīng)用發(fā)展。歷經(jīng)IT架構(gòu)技術(shù)顧問、供應(yīng)鏈管理顧問、軟體產(chǎn)業(yè)分析師等多項(xiàng)職務(wù)，並兼任文化大學(xué)助理教授。讓我們一起從創(chuàng)新與變革角度，探索新興技術(shù)！

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