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数位分身在工业应用大显身手
降成本又提产能

【作者: 籃貫銘】2020年08月05日 星期三

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若说对於虚拟系统的需求,工业绝对是最大的一个领域,不仅因工业应用的资本规模较庞大,需要更细、更严谨的预先模拟,才能降低故障损失的风险;再者,工业领域的流程与装置繁杂,若无透过虚拟系统,很难提高厂房管理的效率。


也因此,数位分身就被视为实践工业4.0的关键技术之一。透过对设备与机具的深度模拟,达成更细致、更即时的监控,再结合智慧分析软体,将能进一步降低管理人员的负担,提高整体管理的效能。


要导入数位分身,第一步,当然是设备管理的数位化与网路化,这几??是所有业者的起始点。然而,一个工厂的运作是可以被拆解成由点到面的部分,则数位分身也能从小部分的单一点着手,再慢慢扩大至整厂的系统。


奇异公司(GE)就把数位分身的实施分成四大部分,包含元件分身(Parts Twin)、产品分身(Products Twin)、流程分身(Process Twin)、系统分身(System Twin),让业者可以依自身的状况循序渐进导入。


所以在实际应用上,最隹的起点是从元件的数位模拟开始,让机具的关键零组件可以有能够同步的数位模型,除了监控健康状态外,也能够达到预测性维修的目标。而有了元件的模拟,就可再进行一步扩大至产品分身的阶段,而透过收集整机的数据,就可以前进至强化产品功能与改良产品设计的目标。



图一 : 奇异把数位分身的应用拆解成四个部分。(source:GE;CTIMES制作)
图一 : 奇异把数位分身的应用拆解成四个部分。(source:GE;CTIMES制作)

当数位化控制的面向越来越深,数位分身的层级也可以延伸至厂务运营的阶段,也就是流程的模拟与分析。此时的应用目标将会提升至制造现场的排程管理与监控,并进一步运用数据分析来反??至流程的优化。


系统的分身则是数位分身的最终阶段,也就是一个生产制造的系统能够完全以数位的方式进行模拟与控制,当中的每一个设施与零件都能在数位的虚拟世界中呈现,并且完美的进行同步控制。在此阶段中,人工智慧的数据分析以大幅取代人为的判断,所专注的目标就是整厂产能的提升。


但要注意的是,撷取数据是实现数位分身的基本要素,无论第一阶段或者第四阶段皆是。也因此,大量感测器与网路技术,就会被运用在实施数位分身的场域之中。所以,在启动数位分身之前,确保有足够的通讯与感测基础设施,尤其是物联网架构的实施,则是营运者的基本功课。


国际知名顾问公司德勤(Deloitte)旗下的教育中心德勤大学(Deloitte University),也提出报告指出,优异的通讯基础建设,是沟通数位虚拟与实体世界的重要组成,也唯有在此前提之下,实体的资讯才能传送到虚拟世界,并建构成虚拟的数位分身;反之,虚拟世界的洞见,也才能反??到实体世界,转为实际行动。



图二 : 德勤大学(Deloitte University)指出,通讯基础建设是沟通数位虚拟与实体世界的重要组成。(source:Deloitte University;CTIMES制作)
图二 : 德勤大学(Deloitte University)指出,通讯基础建设是沟通数位虚拟与实体世界的重要组成。(source:Deloitte University;CTIMES制作)

透视工业生产流程 助益开发与制造

在最完美的情境下,数位分身将如同一个存在於数位世界的虚拟替身,能够完全复制真实世界里的一切。每一个零组件、线路、机构、外观材料,甚至是资料传递的流向,都能在数位世界里有另一个复制品。


而且,透过无所不在又铺天盖地的网路与感测器,真实世界的装置与数位世界里的分身,将能做到几??没有延迟的同步,也就是实体的即时状况,都能在数位分身上呈现;而对数位分身进行调教,也会立即反映到真实世界的装置上。


如此,管理人员就能从任何地方连接至数位世界里,直接对真实世界里的装置设备进行管理;反之,真实世界里有任何的异常状况,也能即时传送到数位身分中,让管理人员及早因应。


而形成这样的机制与系统之後,就能达到下列几种智慧应用功能,对於工业领域的营运都将有巨大的助益。


加快产品设计与上市

现代的产品开发与制造,势必都会经过电子设计软体的阶段,而结合数位分身的技术,将能让产品的开发从设计阶段就能导入更深度的客制化功能,同时也能让客户更具体的知悉产品推出之後的实际运行状态,这将简化产品的量产前的沟通,同时也能降低不必要设计修改。


而产品开发有了数位分身之後,也意味着虚拟原型(Virtual Prototyping)设计的实践,透过接近实体的3D模型的使用,有助於在产品量产前,进行更全面的检测,并能大量减少产品设计瑕疵的出现,也有助於降低整体的生产成本,并加速上市的时程。


预测性维护

保养维修一直是制造业的痛点,即便是季节性的岁修,只要是机具停机都是损失,也因此过往业者多利用淡季时期,安排设备进行岁修,但如此仍非是最隹的解决之道,尤其是进入工业4.0时代之後,接单与生产的流程与方式将会十分不同,闲置或者维修中的设备都会直接影响获利。


但运用数位分身的模拟与分析技术,则可以随时掌握机具的运行寿命,在关键零组件寿命到期之前,提前进行置换,如此就能制定出更具效益的机具维护计画。再者,透过大量运行数据的分析,也能够早期侦测出故障发生的可能性,进行产线的应变计画,优化产线的产能。


优化产能

大量的机具生产数值,除了可以用来评断机器的健康状态外,也可以用来掌握各个设备与机台的生产状况,甚至透过这些数据的分析,还能进一步用来改善机具本身的设计,或者调整产线的安排与规划,进以提升产能效率。


尤其是在数位分身的运用情境之下,这些数据与数值,都能在虚拟平台中先行进行测试与模拟,更能够提升实际导入的运行成效。特别是数位分身的应用不单单只是在单一的机具设备上,甚至能够深度模拟到整厂的运行状况。


数位分身的工业应用实例

奇异公司的涡轮引擎制造:

飞机引擎是最需要模拟测试的装置之一,如果不能在实际生产启用前,把关键的重大缺失排除,即便是进入原型制造的测试,也需要庞大的成本,更遑论真的量产後才发现的瑕疵。也因此美国奇异(General Electric,GE)公司,就将数位分身的技术运用在旗下的飞机喷射引擎、风力发电涡轮的设计制造,以及後续的健康诊断和预防性保养上。


为了贴近真实的使用情境,并呈现引擎和涡轮中各零组件耗损的程度,奇异拍摄了引擎和涡轮里每一页的风扇叶片的表面状态,并将温度、旋转频率等数值在数位模型中进行模拟,以分析叶片的损坏程度,藉此判断引擎的健康状态,并能在故障前提早进行反应。


奇异自己也宣称,透过运用数位分身,他们在2019年间就帮助制造业客户节省近1.9亿美元的支出。


西门子的零缺陷工厂:


图三 : 西门子已把数位分身落实在自己的工厂,相关的数位化方案也成为其重要的服务项目。(source:CTIMES资料照)
图三 : 西门子已把数位分身落实在自己的工厂,相关的数位化方案也成为其重要的服务项目。(source:CTIMES资料照)

优化产能效率是数位分身的重要目标,而自动化专家西门子(Siemens)则将之完全落实在其位於德国的Amberg工厂中。这座工厂透过实施数位转型,建立了一个全面联网和自动化的生产流程,完全的体现了数位分身在工业制造中的运用情境,并持续朝向零缺陷生产的品质管理体系前进。


为了实现这个场景,西门子已对旗下所有的产品进行数位化,并把数据资料传送至中央系统。而透过这个中央品质管理系统,该工厂就可以随时获取每年生产的1600万个产品的所有产品项目、过程和品质数据。这不仅让系统能够更快地对流程中的偏差做出反应,也促进了工厂和供应商过程的持续改进。


西门子自己表示,透过这套数位系统,该工厂的测试和停机时间已经减少40%,未来还将会持续运用人工智慧(AI)系统,进一步改善生产流程,朝零缺陷生产发展。


结语

毫无疑问,数位化绝对是当今工业发展的重要目标,也是关键课题,而数位分身将会是这个进展的关键里程,人们对智慧制造的美好想像,绝大多数都仰赖这个虚拟与实体深度结合的技术应用。尤其是未来的科技产品无论是在功能或是制造上,都将会更加复杂,整合度也会越来越高,因此在设计与生产上就已非常仰赖数位虚拟的辅助技术,而数位分身将会是这个挑战的答案,它将不只带来生产的效率与效益,进一步改良产品的功能与设计,才是它更大的目标。


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