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數位分身不乏術 動員感測、資料分析與整合科技
虛實兩界的動態資料交流機制

【作者: 吳雅婷】   2020年08月04日 星期二

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進入物聯網時代,因為感測、邊緣運算和網路技術的大躍進,不論是小型裝置、大型機械,甚至是生產線或基礎設施,都將更普遍地導入感測、運算與自動資料傳輸功能,因而得以將更詳盡且寫實的數據複製至虛擬世界,加速人腦與電腦互動與合作的過程。


隨著科技加速驅動資料數位化,建立虛擬與現實世界的資訊整合平台將成為必然,而這個平台將不只具備資料蒐集與儲存功能,更將執行自動且智慧化的資料分析與預測功能。數位分身(digital twin、virtual twin)的出現就體現了這個概念,逐步發展出一套全新的動態資料交流機制。


透過結合實物本體與其虛擬模型,數位分身能同時展現該物件的物理特性、生命週期,並提供特定假設情境下的預測結果,進行準確、即時且智慧的監控與模擬。但與一般模擬系統不同的是,數位分身能即時反應現實中的情景,有點像是在實物和模型之間,附加上量子糾纏般的超高度物理相關性。


因此,數位分身不僅能夠執行模擬系統具備的資料處理功能,更能打破時空限制,隨時掌握物件當下狀態的一手資料,兩者功能相乘就建構出一套虛實世界的動態資料交流機制,進而協助生產者降低成本、提升產能或品質,並提供更多的附加價值。


數位分身的誕生

關於如何建立數位分身,其實眾說紛紜,畢竟不同應用中所牽涉的物理特性、運作機制和功能各異。勤業眾信(Deloitte)的報告便建言,企業在導入數位雙生前可以宏觀角度去預想可能的應用情境,逐步確認先導計畫的細節,經過試行與調整後再著手規模化。



圖一 : 勤業眾信(Deloitte)建言,企業在導入數位雙生前可以宏觀角度去預想可能的應用情境,逐步確認先導計畫的細節,經過試行與調整後著手規模化。(source:deloitte analysis)
圖一 : 勤業眾信(Deloitte)建言,企業在導入數位雙生前可以宏觀角度去預想可能的應用情境,逐步確認先導計畫的細節,經過試行與調整後著手規模化。(source:deloitte analysis)

但整體來說,建立數位分身的流程包含三大元素:實物本體、虛擬模型與資訊管理平台。


實物本體

數位分身的原型來自哪裡?就是實物本體。它可以是一項物件(physical asset),例如產品,或是一套系統(system),像是智慧建築、廠房或是基礎設施,也可能是一種流程(process),像是產線或供應鏈。


在物聯網應用下,這些原型多半具備基本甚至進階的感測功能,尤其是在目前現有的數位分身解決方案中,主要的應用場域多半是垂直整合較完整的產業,例如資訊科技、半導體、汽車電子、機械、製造、生醫或零售等企業的數位轉型,或是用於大規模的公共設施,例如智慧電網。


虛擬模型

模型與演算法可說是數位分身的核心,因為它們才是能夠實現進階資料處理功能與人工智慧應用的所在。但與一般模擬系統不同,數位分身中的模型會隨著產品或系統的生命週期而更新,因此除了在開發階段時協助設計工作外,在產品或系統完成生產或安裝後,它還具備異常偵測、預診維修、品質控管、趨勢分析、產品或系統優化等功能。


而為了實現上述多元且智慧化的功能,模型的建立必須經過更複雜的參數估計、最佳化到驗證的過程,甚至為了配合數位分身系統中持續性的資料更新,而強化其跨平台整合或規模化的彈性與效能。


資訊管理平台

這裡所謂的資訊管理平台,其實就是整合實物本體與虛擬模型的程式介面(API),由於數位分身的系統相當複雜,其中所需建構的資訊例如包含硬體規格、產品數據管理(PDM)、產品生命週期管理(PLM)、驅動控制演算法、預測性維護演算法等,因此,可視化、模組化、智慧化的操作系統至關重要。


而因應物聯網應用的大數據處理與客製化需求,數位分身也出現採用雲端系統的資訊管理平台,以增加資料部署與應用的彈性,進而降低營運或開發成本,提升產品或服務的價值與應用範疇。


數位分身的關鍵技術

呼應建構數位分身的三大要角,數位分身亦有三大關鍵技術,能夠協助實物本體擷取環境資訊、虛擬模型進行模擬與預測,並進一步提供資訊管理平台其他的加值服務。



圖二 : 數位分身的三大關鍵技術能夠協助實物本體擷取環境資訊、虛擬模型進行模擬與預測,並進一步提供資訊管理平台其他的加值服務。
圖二 : 數位分身的三大關鍵技術能夠協助實物本體擷取環境資訊、虛擬模型進行模擬與預測,並進一步提供資訊管理平台其他的加值服務。

首先是優化感測功能的技術,擁有這項技術的多半是自動化設備大廠,例如:達梭系統(Dassault Systemes)、洛克威爾(Rockwell)、施耐德(Schneider)、博世(Bosch)等,其最新或未來的產品多半都會搭載先進的感測功能,因此在產品設計與製造時便於導入數位分身系統,進而優化開發、生產、銷售乃至售後服務的流程。


例如,西門子(Siemens)推出了搭載數位分身的CNC系統SINUMERIK ONE,對設備供應商本身而言,他們能更精準且即時地模擬出客製化的產品,加速開發時程,而對設備使用者來說,他們也能利用數位分身,在維持生產線運作的同時,進行客製化訂單的模擬,減少停機帶來的損失。


另一項關鍵技術則聚焦在資料分析的性能,這也是各科技大廠(如IBM、微軟、亞馬遜)、軟體開發商(如SAP、Oracle)、設備供應商等爭相角逐的主戰場,但也因為資料分析的系統複雜度與技術難度高,當然也不乏尋找企業夥伴合作的案例。


舉例來說,微軟的Microsoft Azure Digital Twins與模擬大廠安矽思合作,在微軟的雲端平台上結合安矽思的數位預測性維修方案Ansys Twin Builder,用來擴充整體設施管理的模擬與預測性能。


最後,優化資源整合平台是另一關鍵技術。一方面,部份解決方案採用雲端系統,加速數位分身的系統效能。例如德國軟體大廠思愛普(SAP)致力於優化其數位分身網路中的資料庫,並推出採用記憶體資料庫(in-memory database)的雲端平台SAP HANA Cloud,藉由將資料儲存在記憶體內,而非硬碟,來縮短資料庫進行運算時所花費的資料傳輸時間。


另一方面,解決方案開發商持續擴充其數位分身平台的功能性與易用性。例如達梭系統的3DExperience整合了企業內外部的資源,包含產品開發的3D建模與模擬、跨部門溝通管道、資料搜尋與分析。


結語

綜上所述,數位分身結合了產品、系統或流程在現實運作下的物理特性,以及在虛擬建構的資料模擬與分析,成為物聯網應用的推進者,也是其產物。未來,藉由持續應用先進的感測、資料分析與整合技術,數位分身將更普及至各式智慧場域,實現智慧生活。


**刊頭圖 (source:pxfuel.com)


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