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不可不知「數位分身」術

力拼工業4.0的關鍵懶人包

工業4.0將需求端、製造系統與製成品之間的互聯關係推到極致,將實體資訊帶往數位世界,實現「實體到數位到實體」的轉型,而「數位分身」是邁向工業4.0的關鍵技術要件。但什麼是數位分身?數位分身的最新技術發展狀況如何?數位分身有哪些已經可行的應用情境?數位分身懶人包,與您力拼工業4.0。

根據勤業眾信(Deloitte)報告:「工業4.0」是一種狀態,一種將製造系統與製成品相互聯結的狀態。是時,不僅能將實體資訊帶往數位領域,還能讓物件彼此溝通,分析並運用前述資訊,於實體世界中進一步驅動行為的改變,實現「實體到數位到實體」的轉型。而「數位分身」技術是實現工業4.0狀態的極關鍵要件,或說是基石(cornerstone)也不為過。工業界近期常聽聞的數位電廠、數位工廠等,皆有數位分身技術的應用在內。以數位電廠為例,透過感測器、控制器、訊號聚合及高效能數據運算,為電廠內的實體設備與關鍵零組件建構數位分身,開發位於雲端的數位電廠模型,作為最佳化效能與營運管理的重要工具。

然而,什麼是數位分身?數位分身如何串連起生產製造與運轉維護的供需雙方,並發揮數據共享價值?目前又有哪些實際可行的數位分身應用案例或情境?透過以下短短篇章,與您分享前進工業4.0不可不知的數位分身懶人包。
  

淺談「數位分身」

數位分身(digital twin)也可翻譯為「數位雙胞胎」或「數位模擬分身」,其概念與定義隨著技術演進不斷微幅調整中。剛開始數位分身指一組具備高保真度的數學模型,能盡可能地反應資產設備的運轉狀態及變動,如實體裝置、工廠等。爾後,對實體物件的「數位化呈現」拓展為可視的動態3D模擬模型;現在,更包含了該物件全生命週期中重要的物理性及功能性資訊。未來,數位分身是否會進一步擴大其範疇或能耐,各界拭目以待。

統合當前各界看法,數位分身可定義為一個以實體物件/流程的原始物理性資料為基礎,結合歷史運轉數據而產生的數位身分(digital profile)模型。該模型作為實體物件/流程在數位世界中的代理角色,可讓使用者在數位平台中,對實體物件/流程在真實世界的行為表現進行預測、模擬、排程及控制。同時真實世界中,該物件/流程的運轉資料也將同步至數位分身(模型),即時修正並精進數位分身,有助於新產品開發、維修保養規劃或最佳化營運管理等。

數位分身的應用價值在數位分身之間,或數位分身與其它軟體工具互動時,得以彰顯。以產品的供需為例,製造廠中將包含多種因應產品設計、生產、裝配而生的數位分身;於此同時,在消費者端則有依不同產品的採購、安裝設置、運轉、維護、廢棄等流程或行為所打造的數位分身。當供需兩方的數位分身進行數據交流時,則串連起雙方的數據共享,提供更加完整的互動全貌,也加速響應,從而精進整個系統的效能。

從規劃到維運的「數位分身」術

若將產品需求規劃到生產、到維運的時間縱軸來看,可劃分為初始規劃、細部規劃、採購及工程測試、建造商轉、營運維護等五個階段,工業4.0下的數位分身將如何落實其中,並帶來數據共享效益?

在第一階段的初始期,我方工程師先以歷年經驗所累積的隱性知識(implicit knowledge)及整廠規劃設置的基本假設,建構出工廠的數位分身。再從數位角色資料庫(digital role library)中選出該廠所需的(虛擬)設備,並與工廠數位分身相連結。第二階段的細部規劃期,供應商可提供的所有產品品類,將以電子化型錄的形式囊括並紀錄前述產品的數位分身。進入採購及工程測試期,先從供應商的電子化型錄中挑選特定產品品項,再透過一標準化介面調整產品規格參數,以滿足所需。依據前述需求所定義的產品數位分身,供應商製造出實體產品,送入我方廠房。在此階段中,產品的安裝、測試、商轉、使用環境等資訊將整合入原產品數位分身中,進一步完善該產品的數位描繪。最後來到營運維護期,產品的健康狀態、即時運轉參數、故障次數等資訊可再同步至數位分身,成為累積過去與當前數據,且不斷貼近真實世界的數位模型。

數位分身應用情境

數位分身技術在製造業已有不少可行的應用情境或案例,主要可歸類為以下三大類型。
  

  • 串連工程、營運與維保
    在目前的產品生命週期中,從生產、安裝、營運到維護等階段的資訊難以有效流通共享。例如售後的維保資訊無法妥善地回饋給製造商或施工單位,以致同類狀況重複發生的機率不易降低,或說得花些時間成本學教訓。此外,各階段有大量來自不同應用工具的資訊,訊息格式百百種,也通常不儲存於統一資料庫,使得取得與應用的困難度相當高。數位分身可作為整合這些多元數據的「集中地」一般,讓數據力量真正發揮,有助於掌握現況,並衍伸對未來趨勢的預測。

  • 推動下一代產品開發
    產品資訊的屏障現象也發生在不同組織之間。例如,設計開發單位往往在產品發生重大故障或品管事件時,才有機會了解產品在運轉維護階段的性能表現與問題。但此時,多半參雜了業務單位與客戶端的情緒抱怨,而難以取得完整客觀的初級與次級資料,作為下一代產品開發的重要參考。數位分身可成為促進與改善跨組織資訊交換的關鍵,產品健康狀態、故障事件等資料,都能在數位分身上進行管理與資料交換。令產品設計走在用戶需求之前,開發響應未來的前瞻產品。

  • 實現遠端設備升級更新
    多數工業裝置或系統,仍需倚靠現場人力執行升級與更新作業,容易有出錯風險外,設備或系統的重新啟動也相對耗時。雖然現場設備集成(field device integration, FDI)及OPC統一架構(OPC Unified Architecture, OPC UA)等技術,已改善前述狀況,數位分身可促成遠端設備升級更新的實現,加速設備重啟。由於數位分身與實體設備相連,技術人員可快速完成比對,自動下載更新資料,協助將現場作業與設備重啟時間,從原先的平均10秒(安裝過程一切順利的情況下),縮短為幾分之一秒。對於一個具有10,000個I/O點的廠商而言,可將一週工時縮短為幾分鐘。

ABB與數位分身

多年前,ABB即開展數位分身相關的深入研究。例如由德國聯邦教育及研究部(Germany Ministry of Education and Research, BMBF)與15個產學界單位共資的BaSys4.0研究專案,其目的是以數位分身技術為基礎,發展一個可參照的開放平台,推動工業製造與製程彈性升級。

工業4.0時代下,物件的串連、資訊的交換共享、價值系統的整合,是重要特點。數位分身技術讓過往未加以管理應用的大量數據,成為產業洞察的線索,開創工業數位化可觀的潛在價值。