【導讀】產(chǎn)業(yè)界自2002年首次設(shè)想將數(shù)字孿生(Digital Twins,又稱數(shù)字雙胞胎)應(yīng)用于制造業(yè),至今已有超過20年的歷史。數(shù)字孿生并不算是個新概念,但其價值正逐漸被挖掘,屬于一個常談常新的概念。市場分析機構(gòu)Gartner自2017年開始在每一年的十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢中都有談到數(shù)字孿生,且都有不同的理解。
圖1:數(shù)字孿生入選Gartner《2019年十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢》(圖源:Gartner)
比如,Gartner在《2023年十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢》中預(yù)測,到2027年,全球超過40%的大型企業(yè)機構(gòu)將在基于元宇宙的項目中使用Web3、增強現(xiàn)實(AR)云和數(shù)字孿生的組合來增加收入。
數(shù)字孿生的目標是提供一個用于實際系統(tǒng)優(yōu)化和決策支持的全新方式,物理世界的實時數(shù)據(jù)是其做決策的主要依據(jù)。因而,幫助系統(tǒng)構(gòu)建自我感知能力的傳感器在數(shù)字孿生系統(tǒng)中扮演著重要的角色,這也是貿(mào)澤電子攜手原廠賦能數(shù)字孿生發(fā)展的方式之一。
數(shù)字孿生的概念和價值
從概念上來講,數(shù)字孿生是一種虛擬模型,旨在準確反映物理對象,是現(xiàn)實世界和數(shù)字世界融合的關(guān)鍵性技術(shù)。簡言之,數(shù)字孿生是制造業(yè)流程、產(chǎn)品和服務(wù)的虛擬模型。因此,在數(shù)字孿生的大架構(gòu)下,也會有一些小分類:組件/零件孿生、資產(chǎn)孿生、功能系統(tǒng)孿生和工藝孿生,這些概念從字面意思就很好理解,它們構(gòu)成了整個數(shù)字孿生的大系統(tǒng)。
為了讓數(shù)字孿生系統(tǒng)和物理世界能夠準確對照,整個系統(tǒng)的構(gòu)建需要具備四大屬性,分別是準確性、實時性、協(xié)調(diào)性和閉環(huán)性。
準確性也稱之為保真性,這一特性要求數(shù)字孿生系統(tǒng)獲取到的數(shù)字是真實準確的,這個數(shù)據(jù)越精準,那么虛擬模型和物理實體的接近性越強。在此過程中,不僅是要在系統(tǒng)中構(gòu)建各個設(shè)備、產(chǎn)品、產(chǎn)線的仿真數(shù)據(jù),也要有物理實體的狀態(tài)、相態(tài)和時態(tài)仿真。
對于實時性的要求則是基于因為數(shù)字孿生是多維度、多時間尺度虛擬交互的耦合關(guān)系,以虛控實為最終目的。因此,要實現(xiàn)精準的控制,就需要實時獲取物理實體的狀態(tài)量,形成物理實體實時狀態(tài)的數(shù)字虛體映射。
協(xié)調(diào)性可以進一步分為互操作性和可擴展性,要求數(shù)字孿生中的物理對象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動態(tài)交互和實時連接,并且單一物理實體在不同的數(shù)字模型中支持互操作,以簡化流程的復(fù)雜性。當然,由于生產(chǎn)任務(wù)的變動以及系統(tǒng)升級等需求存在,構(gòu)建好的數(shù)字孿生系統(tǒng)在物理層級和數(shù)字架構(gòu)層級上都要具備可擴展性,這是數(shù)字孿生和柔性生產(chǎn)融合的重點和要點。
閉環(huán)性是指數(shù)字孿生系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的可視化功能和內(nèi)在機理要有統(tǒng)一的平臺控制,因此各系統(tǒng)的監(jiān)視、分析、推理、優(yōu)化、運行功能存在閉環(huán),具有明顯的權(quán)限邊界。
當具備上述特性之后,數(shù)字孿生系統(tǒng)就能夠正式運轉(zhuǎn)起來了。通過引入數(shù)字孿生系統(tǒng),能夠給制造產(chǎn)業(yè)、大型結(jié)構(gòu)項目(建筑物、橋梁等)、電力設(shè)備和復(fù)雜系統(tǒng)項目(渦輪蒸汽機、飛機等)等應(yīng)用帶來智能生產(chǎn)和智能管理的新模式。
尤其是在研發(fā)、生產(chǎn)和設(shè)備管理方面:
01 研發(fā):數(shù)字孿生可以基于現(xiàn)有產(chǎn)品創(chuàng)建大量的關(guān)鍵性能數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)對研發(fā)部門具有很大的參考價值,能夠在產(chǎn)品迭代中進行必要的性能改進;
02 生產(chǎn):數(shù)字孿生系統(tǒng)可以鏡像和監(jiān)測整個生產(chǎn)系統(tǒng),當有產(chǎn)品投入生產(chǎn)后,該系統(tǒng)能夠讓生產(chǎn)任務(wù)實現(xiàn)和保持更高的效率,并通過監(jiān)管預(yù)測系統(tǒng)降低生產(chǎn)中的風險;
03 設(shè)備管理:數(shù)字孿生中的仿真模型是基于物理實體的,對于設(shè)備的生命周期有著明確的信息,可以幫助制造商決定如何處理工作壽命結(jié)束的產(chǎn)品,并通過回收或其他措施進行最終處理。
總結(jié)而言,數(shù)字孿生能夠幫助重點產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)全要素數(shù)字化,完成數(shù)字經(jīng)濟和實體經(jīng)濟的有效融合,助力產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化升級。
傳感器在數(shù)字孿生中的應(yīng)用
上文中我們主要討論了數(shù)字孿生的屬性和價值,接下來我們看看如何具體地實施數(shù)字孿生。下圖是中國電力科學研究院人工智能應(yīng)用研究所分享的一張數(shù)字孿生應(yīng)用框架圖,能夠看到,在物理對象之上,數(shù)字孿生系統(tǒng)包括感知、數(shù)據(jù)、建模、可視化和應(yīng)用五層架構(gòu)。那么,感知系統(tǒng)便是整個系統(tǒng)的底層基礎(chǔ),是數(shù)據(jù)采集的入口。
圖2:數(shù)字孿生系統(tǒng)框圖
(圖源:中國電力科學研究院人工智能應(yīng)用研究所)
感知技術(shù)對運行環(huán)境和數(shù)字孿生組成部件自身狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取,是實現(xiàn)物理對象與其數(shù)字孿生系統(tǒng)間全要素、全業(yè)務(wù)、全流程精準映射與實時交互的重要一環(huán)。因此,物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)和建模技術(shù)也是數(shù)字孿生在數(shù)字仿真階段非常重要的兩項技術(shù)。
以電力設(shè)備的數(shù)字孿生應(yīng)用為例,不僅需要精準掌握發(fā)/輸/配電方面的信息,對于電站周邊氣象數(shù)據(jù)以及設(shè)備溫度、聲音、振動等數(shù)據(jù)也要準確把握,因此需要配備大量震動、溫度、濕度等傳感器。通過數(shù)據(jù)的精準測量,以及數(shù)據(jù)之間的協(xié)同交互,便能夠保證電力設(shè)備的可信、可控。
其他數(shù)字孿生應(yīng)用構(gòu)建同樣需要大量的傳感器。在此,我們?yōu)榇蠹彝扑]兩款可用于數(shù)字孿生應(yīng)用的傳感器,它們可以幫助打造設(shè)備、生產(chǎn)、倉儲等所需要的空氣環(huán)境,兩款設(shè)備均是空氣質(zhì)量傳感器,來自制造商Sensirion。
在數(shù)字孿生應(yīng)用中,空氣質(zhì)量傳感器的應(yīng)用非常廣泛,無論是工業(yè)制造,還是城市管理等應(yīng)用都離不開空氣質(zhì)量傳感器。比如,在城市管理中通過空氣質(zhì)量傳感器能夠模擬碳排放和空氣質(zhì)量等重要指標,減少資源的浪費和環(huán)境的污染,幫助規(guī)劃者制定科學有效的城市規(guī)劃策略。
首先,我們要介紹的第一款空氣質(zhì)量傳感器在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的料號為SGP41-D-R4。
圖3:SGP41-D-R4
(圖源:貿(mào)澤電子)
SGP41-D-R4屬于Sensirion SGP41 CMOSens/MOXSens數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器中的一款,是一種完整、易于使用的單芯片傳感器系統(tǒng)。該系列器件具有優(yōu)秀的性能,提供基于VOC和基于NOx的室內(nèi)空氣質(zhì)量信號,擁有500個VOC和NOx索引點,可完成65,535計次測量;器件之間的變化分別為<±15個VOC索引點和<±50個NOx索引點;可重復(fù)性為<±5個VOC索引點和<±10個NOx索引點;采樣間隔范圍為0.5s至10s。
在清潔空氣測量中,該系列數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器可測量空氣中乙醇為0至1,000,000ppb,指定值為500ppb至10,000ppb;在潔凈空氣測量中,該系列數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器可測量NO2范圍為0至10,000ppb,指定值為50ppb至650ppb。
圖4:SGP41系列數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器
對乙醇、NO2和O3的測量表現(xiàn)
(圖源:Sensirion)
SGP41系列之所以具有如此優(yōu)秀的性能,得益于該系列數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器的設(shè)計。器件內(nèi)具有數(shù)字I2C接口和溫控微熱板,搭載的傳感元件和氣體索引算法具有對空氣質(zhì)量應(yīng)用中存在的污染氣體的高魯棒性,從而實現(xiàn)獨特的長期穩(wěn)定性和低漂移。小尺寸封裝可以輕松集成到空氣凈化器或按需控制的通風系統(tǒng),產(chǎn)品壽命超過10年。
圖5:SGP41系列數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器內(nèi)部框圖
(圖源:Sensirion)
第二款空氣質(zhì)量傳感器在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的料號為SCD40-D-R2,屬于SCD4x微型二氧化碳傳感器中的一款。當然,該系列器件不僅能夠測量二氧化碳,也可以測量相對溫度和相對濕度(RH/T)。
圖6:SCD4x微型二氧化碳傳感器
(圖源:貿(mào)澤電子)
SCD4x微型二氧化碳傳感器具有2.4V至5.5V電源電壓范圍、完全校準的數(shù)字I2C輸出以及±(30ppm+3%MV)精度標稱值。該系列中不同型號的器件提供不同的精度選擇,具體如下表所示:
SCD4x微型二氧化碳傳感器采用了光聲感測原理,光學腔的尺寸大幅減小,同時不會影響傳感器性能。SCD4x的尺寸僅為10.1mm x 10.1mm x 6.5mm,與SCD30相比,占位面積僅為前者的1/5。另外,SCD4x系列設(shè)有高質(zhì)量濕度和溫度傳感器,可提供兩個額外傳感器輸出。
圖7:SCD4x系列器件內(nèi)部框圖
(圖源:Sensirion)
特別要提到的是,SCD4x系列具有非常棒的易用性,采用表面貼裝,機械堅固,可進行回流焊;無需外部電路,無能量損耗,組裝后即可提供準確讀數(shù)。SCD4x系列非常適合用于傳感市場,如物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、汽車、暖通空調(diào)、電器和消費電子產(chǎn)品。
數(shù)字孿生三大發(fā)展趨勢,傳感器如何應(yīng)對?
數(shù)字孿生的目標是將物理世界數(shù)字化,因此其有三大明顯的發(fā)展趨勢,分別是智能化、物聯(lián)網(wǎng)化和應(yīng)用廣泛化。隨著滲透率提升,通過數(shù)字孿生技術(shù),我們可以更好地理解和掌握復(fù)雜系統(tǒng),并提供有效的優(yōu)化和決策支持。不過,無論數(shù)字孿生技術(shù)如何迭代發(fā)展,其技術(shù)框架體系是較為固定的,離不開廣泛布局的傳感器網(wǎng)絡(luò)。
當然,隨著數(shù)字孿生系統(tǒng)復(fù)雜度提升,傳感器也要順應(yīng)這種發(fā)展趨勢,向著集成化、智能化和小型化方向不斷升級。在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上,不僅能夠找到性能優(yōu)秀的傳感器,還有豐富的元器件和方案可用于數(shù)字孿生,加速大家的方案開發(fā)。
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