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数位分身不乏术 动员感测、资料分析与整合科技
虚实两界的动态资料交流机制

【作者: 吳雅婷】2020年08月04日 星期二

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进入物联网时代,因为感测、边缘运算和网路技术的大跃进,不论是小型装置、大型机械,甚至是生产线或基础设施,都将更普遍地导入感测、运算与自动资料传输功能,因而得以将更详尽且写实的数据复制至虚拟世界,加速人脑与电脑互动与合作的过程。


随着科技加速驱动资料数位化,建立虚拟与现实世界的资讯整合平台将成为必然,而这个平台将不只具备资料搜集与储存功能,更将执行自动且智慧化的资料分析与预测功能。数位分身(digital twin、virtual twin)的出现就体现了这个概念,逐步发展出一套全新的动态资料交流机制。


透过结合实物本体与其虚拟模型,数位分身能同时展现该物件的物理特性、生命周期,并提供特定假设情境下的预测结果,进行准确、即时且智慧的监控与模拟。但与一般模拟系统不同的是,数位分身能即时反应现实中的情景,有点像是在实物和模型之间,附加上量子纠缠般的超高度物理相关性。


因此,数位分身不仅能够执行模拟系统具备的资料处理功能,更能打破时空限制,随时掌握物件当下状态的一手资料,两者功能相乘就建构出一套虚实世界的动态资料交流机制,进而协助生产者降低成本、提升产能或品质,并提供更多的附加价值。


数位分身的诞生

关於如何建立数位分身,其实众说纷纭,毕竟不同应用中所牵涉的物理特性、运作机制和功能各异。勤业众信(Deloitte)的报告便建言,企业在导入数位双生前可以宏观角度去预想可能的应用情境,逐步确认先导计画的细节,经过试行与调整後再着手规模化。



图一 : 勤业众信(Deloitte)建言,企业在导入数位双生前可以宏观角度去预想可能的应用情境,逐步确认先导计画的细节,经过试行与调整後着手规模化。(source:deloitte analysis)
图一 : 勤业众信(Deloitte)建言,企业在导入数位双生前可以宏观角度去预想可能的应用情境,逐步确认先导计画的细节,经过试行与调整後着手规模化。(source:deloitte analysis)

但整体来说,建立数位分身的流程包含三大元素:实物本体、虚拟模型与资讯管理平台。


实物本体

数位分身的原型来自哪里?就是实物本体。它可以是一项物件(physical asset),例如产品,或是一套系统(system),像是智慧建筑、厂房或是基础设施,也可能是一种流程(process),像是产线或供应链。


在物联网应用下,这些原型多半具备基本甚至进阶的感测功能,尤其是在目前现有的数位分身解决方案中,主要的应用场域多半是垂直整合较完整的产业,例如资讯科技、半导体、汽车电子、机械、制造、生医或零售等企业的数位转型,或是用於大规模的公共设施,例如智慧电网。


虚拟模型

模型与演算法可说是数位分身的核心,因为它们才是能够实现进阶资料处理功能与人工智慧应用的所在。但与一般模拟系统不同,数位分身中的模型会随着产品或系统的生命周期而更新,因此除了在开发阶段时协助设计工作外,在产品或系统完成生产或安装後,它还具备异常侦测、预诊维修、品质控管、趋势分析、产品或系统优化等功能。


而为了实现上述多元且智慧化的功能,模型的建立必须经过更复杂的叁数估计、最隹化到验证的过程,甚至为了配合数位分身系统中持续性的资料更新,而强化其跨平台整合或规模化的弹性与效能。


资讯管理平台

这里所谓的资讯管理平台,其实就是整合实物本体与虚拟模型的程式介面(API),由於数位分身的系统相当复杂,其中所需建构的资讯例如包含硬体规格、产品数据管理(PDM)、产品生命周期管理(PLM)、驱动控制演算法、预测性维护演算法等,因此,可视化、模组化、智慧化的操作系统至关重要。


而因应物联网应用的大数据处理与客制化需求,数位分身也出现采用云端系统的资讯管理平台,以增加资料部署与应用的弹性,进而降低营运或开发成本,提升产品或服务的价值与应用范畴。


数位分身的关键技术

呼应建构数位分身的三大要角,数位分身亦有三大关键技术,能够协助实物本体撷取环境资讯、虚拟模型进行模拟与预测,并进一步提供资讯管理平台其他的加值服务。



图二 : 数位分身的三大关键技术能够协助实物本体撷取环境资讯、虚拟模型进行模拟与预测,并进一步提供资讯管理平台其他的加值服务。
图二 : 数位分身的三大关键技术能够协助实物本体撷取环境资讯、虚拟模型进行模拟与预测,并进一步提供资讯管理平台其他的加值服务。

首先是优化感测功能的技术,拥有这项技术的多半是自动化设备大厂,例如:达梭系统(Dassault Systemes)、洛克威尔(Rockwell)、施耐德(Schneider)、博世(Bosch)等,其最新或未来的产品多半都会搭载先进的感测功能,因此在产品设计与制造时便於导入数位分身系统,进而优化开发、生产、销售乃至售後服务的流程。


例如,西门子(Siemens)推出了搭载数位分身的CNC系统SINUMERIK ONE,对设备供应商本身而言,他们能更精准且即时地模拟出客制化的产品,加速开发时程,而对设备使用者来说,他们也能利用数位分身,在维持生产线运作的同时,进行客制化订单的模拟,减少停机带来的损失。


另一项关键技术则聚焦在资料分析的性能,这也是各科技大厂(如IBM、微软、亚马逊)、软体开发商(如SAP、Oracle)、设备供应商等争相角逐的主战场,但也因为资料分析的系统复杂度与技术难度高,当然也不乏寻找企业夥伴合作的案例。


举例来说,微软的Microsoft Azure Digital Twins与模拟大厂安矽思合作,在微软的云端平台上结合安矽思的数位预测性维修方案Ansys Twin Builder,用来扩充整体设施管理的模拟与预测性能。


最後,优化资源整合平台是另一关键技术。一方面,部份解决方案采用云端系统,加速数位分身的系统效能。例如德国软体大厂思爱普(SAP)致力於优化其数位分身网路中的资料库,并推出采用记忆体资料库(in-memory database)的云端平台SAP HANA Cloud,藉由将资料储存在记忆体内,而非硬碟,来缩短资料库进行运算时所花费的资料传输时间。


另一方面,解决方案开发商持续扩充其数位分身平台的功能性与易用性。例如达梭系统的3DExperience整合了企业内外部的资源,包含产品开发的3D建模与模拟、跨部门沟通管道、资料搜寻与分析。


结语

综上所述,数位分身结合了产品、系统或流程在现实运作下的物理特性,以及在虚拟建构的资料模拟与分析,成为物联网应用的推进者,也是其产物。未来,藉由持续应用先进的感测、资料分析与整合技术,数位分身将更普及至各式智慧场域,实现智慧生活。


**刊头图 (source:pxfuel.com)


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