妙用Digital Twin 加速驅動智慧轉型 – DIGITIMES

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根據Gartner發布的2017年十大戰略技術,「數位雙胞胎」(Digital Twin)高居第五位,有助企業深入理解如何改善產品的設計、製造、運作及維護方式。來源:Essentra


幾個月前,Gartner依慣例發布2017年十大技術趨勢,其中最受矚目的項目,無疑正是區塊鏈(Blockchain),甚至被喻為網際網路問世至今,最具有破壞力的一項創新發明。

對於製造企業而言,當然也關注區塊鏈相關技術的發展,只因它可被用於追蹤產品履歷、保護產品(防止遺失、竊取、偽照或調包)、降低供應鏈的資金轉帳成本、實現供應鏈協同供貨CPFR,但另一個同樣被列入十大技術的項目,似乎更加吸睛。

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奇異(GE)的Global Research團隊,針對供應鏈與工廠流程打造「數位雙胞胎」,藉以持續監測所有裝置設備正在發生的大小事,進而優化決策品質,帶動庫存管理效率及工廠吞吐量攀高。來源:GE

這個被Gartner揭露的亮點,便是Digital Twin,有人把它翻譯為「數位雙胞胎」,其意指物件或系統的多元軟體模型,借助感測器來理解標的物件或系統的真實處境,讓使用者能精準快速地反應各種變動情況,從而改善物件或系統的的操作,或增添其附加價值。

以製造業而論,若能善加運用Digital Twin,即等於巧妙建立一套智慧代理人,可以主動修復與規劃設備服務,規劃製程、產線或整座工廠,從而及早預測設備的潛在故障因子、強化產品開發,終至提升營運效能。

由此看來,一旦企業能夠妙用工業物聯網(IIoT)與Digital Twin,一方面就可以有效彙集來自週邊環境或設備的大量資料,二方面更可善用這些數據,在猶如真實世界化身的數位世界裡執行模擬運算。

如此一來,企業毋需耗費高昂的成本代價購置大量裝置或設備,即可透過Digital Twin這個虛擬分身,持續不斷進行分析與測試,並隨時針對異常狀態進行修補與復原,藉此縮短各項創新研發專案的試誤歷程,且易於維繫創新產品的品質與穩定性。

Digital Twin象徵CPS虛實融合技術

有專家甚至認為,深究Digital Twin的本質,即是一種虛實融合技術,與工業4.0所提及的CPS,可說完全契合;因此若說數位雙胞胎就是CPS,基本上算是一種正確說法,但Digital Twin似乎比起CPS更為生動到位。

而這個概念無疑是從既有虛擬製造、數位原型(包含幾何原型、功能原型、效能原型)等技術基礎演化而來,若欲凸顯前後差異,則是數位原型之建構目的,主要用於描述產品設計者針對此產品的理想定義,作為產品生產製造、功能與效能分析的指引。

但不可諱言,在真實世界裡,產品在生產過程的加工、組裝等程序上,難免稍有誤差,而後續產品被使用、維修的狀態,更充滿不可預測性,因此要讓真實產品與數位模型保持一致,無疑難上加難,這也使得所有在數位模型上執行的模擬分析,不見得具備有效性。

反觀Digital Twin,則充分運用物理模型、感測器資料更新,輔以歷史運行數據,並整合多種維度的模擬過程,在虛擬空間中完成映射,進而更能確實反應出實體物件的全生命週期歷程。

比方說,一個廠房或產線在尚未建構完畢時,即可先行建立數位模型,舉凡3D布局、設備排佈、產線規劃、人因工程模擬與作業研究等因素皆可納入其中,繼而透過虛擬空間,針對廠房或產線進行預先模擬,假使察覺動線不良、產能不佳或可能造成人員傷害等等不利因子,便可預先排除並修正。

同時把經過優化的參數,傳遞予實際建廠的工程團隊,而日後即使該工廠或產線正式啟用,在日常維運過程中,虛實世界兩端也能彼此進行資訊交換。

值得一提的,隨著電腦運算能力增強、感測器價格下降、感測精準度攀高等正面因素加持,展望未來,許許多多事物皆可透過Digital Twin執行高精準度的模擬,使企業得以利用經濟實惠且又安全的環境,模擬各種流程改變可能產生的影響,甚至進一步將虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)、混合實境(MR)乃至Digital Twin等不同技術概念,巧妙融合在一起,幫助企業研發團隊「身歷其境」推動各種創新探索。

就在去年(2016),身處工業4.0概念發源地(德國)的西門子,便在其論壇活動中,針對Digital Twin做了絕佳演繹。該公司強調,透過Digital Twin可助企業縱向或橫向整合價值鏈,從而為工業生態系的建構、乃至工業4.0的實現,打造一條從上到下完整的實踐路徑。

更讓人嘖嘖稱奇的,西門子也將VR技術運用得淋漓盡致,於英國柴郡的一座工廠內安裝Virtalis虛擬實境軟體與系統,藉以實現組裝製程的模擬與優化,並提升概念設計的效率、有效執行工廠規劃,針對製程過程早期階段可能出現的種種問題,一併加以解決。

不僅如此,西門子除透過這套Virtalis VR系統,幫助這座英國工廠減少差錯外,更促進跨專業領域的大規模溝通,使得不論是生產工程師、測試工程師、生產管理者、生產作業員,甚至研發單位、機構部門、物流公司或外包商,都能在VR環境中共同作業,確保新產品研發專案的各個設計環節都趨於完善。

數位雙胞胎加VR  揮灑彈性製造效益

總而言之,虛擬實境、Digital Twin等技術之於工業界的運用範圍相當廣闊,從虛擬廠區佈置、虛擬原型、網路虛擬製造、虛擬裝配,一直到虛擬工廠的建立等,皆擁有很高的利基優勢。

專家解釋,伴隨工業生產技術進步,不少製造企業為了提升競爭力,紛紛把原本單一生產的機台模式,轉變為多台機械連線的自動化生產模式,並結合電腦控制,滿足少量多樣的彈性化生產需求,組合為多數業者並不陌生的彈性製造系統(FMS)。

然而一套FMS箇中涵蓋多個自動化島(Islands of Automation),由多台CNC加工機、搬運設備(例如無人搬運車、輸送帶、機械手臂)、倉儲系統與監控電腦等單元共同組成,可想而知,意欲維運FMS,少不得需要投注大量金錢與人力資源,且可能衍生莫大風險。

為了兼收趨吉避凶、撙節成本等多重效益,近年來部份企業已結合FMS、VR與Digital Twin等不同系統與技術,構築一套虛擬彈性製造系統,讓使用者可透過網際網路從遠端操控系統,譬如藉由CAD/CAM軟體將繪製好的工件圖形轉為NC碼,接著把NC檔案傳送到伺服器,進而匯入虛擬彈性製造系統,實現整個系統加工作業,達到虛擬製造目標。

專家一併提醒,儘管Digital Twin對於製造業而言,算是富含魅力的應用模式,但不宜將之窄化為只是一套「構型管理工具」、「製成品的3D尺寸模型」或是「製成品的模型定義(MBD)」,它主要是透過內嵌的綜合健康管理系統(IVHM),再整合感測器資料、歷史維運資料,經由大數據挖掘出來的高值化資訊,因而可持續預測裝置、設備或系統的健康狀態、剩餘使命壽命,甚至是執行任務的成功機率,亦可預先洞察潛在的安全事件,顯示這些裝置、設備或系統的未知問題。

更有甚者,製造企業一經採用Digital Twin,也可能透過啟動自癒機制或建議修改任務參數等方式,針對有疑慮的裝置、設備或系統進行降級,以便將可能的損害降低到最輕微程度,等於把邁向工業4.0目標的路障,予以有效排除。


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