數字孿生技術:汽車產業未來的助推器


什么是數字孿生技術


顧名思義,是指:針對現實物理世界中的事物,通過數字化的手段,在數字世界構建出一個一模一樣的虛擬事物。這個虛擬事物就像是真實事物的孿生兄弟,具有相同的“形”和“態”。


將真實事物以數字化方式在虛擬空間呈現,主要作用就是:可以在虛擬空間里操控虛擬模型,觀察、研究虛擬模型的變化,從而模擬、預測真實事物在真實環境中的變化規律。


數字孿生技術的核心


數字孿生技術是從仿真技術發展而來的。仿真技術在上個世紀就已經大規模使用,而數字孿生技術的概念直到2002年才由美國Grieves教授提出。在Gartner每年公布的十大戰略科技發展趨勢中,數字孿生技術作為智能制造的關鍵技術之一連續多年名列榜單。


數字孿生技術的核心元素,是數字化模型的建立。建模方法一般可以劃分為兩類:第一性原理或基于物理的方法,以及數據驅動的方法;實際應用中往往是各種建模行為和建模方法的綜合。好的模型,既能逼真地描述真實事物的外在形狀,又能準確地反映真實事物的內在變化規律。


與數字化模型緊密相關的是數據和算法。數據是模型的輸入,它們可能來自于各種傳感器的實時采集,也可能來自于系統以往的歷史積累。算法通常是深度學習的,通過對大量歷史數據的分析處理,不斷地建立、完善模型的內在處理邏輯;實時數據輸入到模型后,算法對數據進行分析處理,然后基于已建立的內在處理邏輯做出判斷,進而控制模型做出相應的變化。


數字孿生助力汽車產業



數字孿生技術在各行各業都可以應用,具體到汽車行業,可以用于研發、制造、銷售、售后等產業鏈各個環節,例如:


研發階段


在汽車市場競爭日益激烈的今天,以更少的成本和更快的速度將更好的產品推向市場,這是所有主機廠都渴望達到的理想境界。借助數字孿生技術,設計者可以在虛擬空間里測試、驗證、優化其產品設計,快速、低成本實現產品的迭代。法國軟件公司達索,利用其CAD和CAE平臺3D Experience,準確進行空氣動力學、流體聲學等方面的分析和仿真,為寶馬、特斯拉、豐田等汽車公司優化其產品設計,大幅度提高產品流線性,減少空氣阻力。

制造階段


生產過程仿真。在產品生產之前,就可以通過虛擬生產的方式來模擬不同產品、不同參數、不同外部條件下的生產過程,實現對產能、效率以及可能出現的生產瓶頸等問題的提前預判,加速新產品導入的過程。


數字化產線。將生產階段的各種要素,如原材料、設備、工藝配方和工序要求,通過數字化的手段集成在一個緊密合作的生產過程中,并根據既定的規則,自動的完成在不同條件組合下的操作,實現自動化的生產過程;同時記錄生產過程中的各類數據,為后續的分析和優化提供依據。


關鍵指標監控和過程能力評估。通過采集生產線上的各種生產設備的實時運行數據,實現全部生產過程的可視化監控,并且通過經驗或機器學習建立關鍵設備參數、檢驗指標的監控策略,對出現違背策略的異常情況進行及時處理和調整,實現穩定并不斷優化的生產過程。


銷售階段


在汽車銷售過程中,借助數字孿生技術,結合VR/AR,可以為用戶提供沉浸式的體驗,讓用戶在虛擬空間操控駕馭汽車,全方位地感受汽車在各種環境各種場景下的性能和魅力,激發用戶的購車欲望。


售后階段


特斯拉公司為其生產和銷售的每一輛電動汽車都建立數字孿生模型,相對應的模型數據都保存在公司數據庫。每輛電動車每天報告其日常經驗,并通過數字孿生的模擬程序使用這些數據來發現可能的異常情況并提供糾正措施。通過數字孿生模擬,特斯拉每天可獲得相當于160萬英里的駕駛體驗,并在不斷的學習過程中反饋給每輛車。


實際應用存在的問題


數字孿生技術給我們描繪出了一幅美好的遠景,就像在科幻電影中表演的那樣:一堆數字模型擺在我們面前,我們拖拉扯拽一頓操作,然后神奇的事情就能發生。然而在現實中,數字孿生技術卻處于一種尷尬的境地:關鍵核心的地方不敢用,不那么關鍵核心的地方卻用不起。


究其原因,就在于我們很難為真實事物建立一個能完全反映其全部特征和規律的數字對應?,F實中的事物是運行在一個復雜的環境中,一個被人忽視的細節可能就會導致嚴重的后果??梢韵胂笠幌?,在那種性命攸關的場景,誰敢把自己的命運交給一堆數字模型來決定?我們甚至可能永遠也無法100%模擬真實的事物,只能是高度的接近。為了追求最后剩下的那百分之幾的完美度,人們往往需要付出極大的代價。


未來,隨著技術的進步,模擬的逼真度會越來越高,成本會越來越低,到那時,才是數字孿生技術真正發揮其威力的時候。但在目前,我們需要看到這項技術的前景,就要開始布局,投入人力和財力進行研究和實踐。


在國內,已經有一些企業在研究、運用數字孿生技術。但是,與其他技術領域情況類似,我們青睞、擅長技術的集成和應用,而技術本身所依賴的底層平臺和工具卻少有人愿意花力氣投入研發,基本都是直接使用國外現成的。“不要重復造輪子”,在IT界這是一句流行很廣的話。但是在當今的國際形勢下,關鍵的輪子還得自己會造,否則別人不賣輪子給你,你就要出問題了。我們應該扶持和引導對底層基礎平臺和工具的研發投入,而不是只對能迅速變現的技術應用集成感興趣。


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