西门子公司把数字孪生融入到其数字化战略中去(图)

“1.西门子的数字孪生实践”

西门子紧跟德国工业4.0和智能制造的发展趋势。近年来，非常重视数字孪生技术的研究和应用探索。数字孪生 融入其数字战略并深入研究解决方案。 2017年底，完整的数字孪生应用模型正式发布，包含在西门子的数字孪生body应用模型中：

(1）数字孪生产品（数字孪生产品），可以使用数字孪生进行有效的新产品设计；

(2）数字孪生生产（数字孪生），用于制造和生产计划数字孪生;

(3）数字孪生数字孪生)，利用数字孪生对运营数据进行采集、分析、作用，形成完整的解决方案系统，整合西门子目前的部分产品和系统包括，如PLM等。

在汽车领域，西门子通过数字孪生将现实世界和虚拟世界无缝融合，通过产品的数字孪生，制造商可以对产品进行数字化设计、仿真和验证数字孪生技术应用领域，包括机械和其他物理特性，并集成电气和电子系统，如图 1 所示。新技术为车辆设计和制造提供了一种新范式，数字孪生 制造商可以在此基础上规划和验证生产流程、创建工厂布局、选择生产设备并模拟和预测，并优化人员和制造过程的工作条件。可编辑控制器的代码自动生成后，通过虚拟调试技术，可以在虚拟环境中对自动化系统进行验证，从而实现快速高效的现场调试。然后，利用虚拟世界控制物理世界，将可编辑的控制器代码下载到车间的设备中。通过全集成自动化，实现高效可靠的生产；通过制造运营管理系统，可以实现生产调度和生产执行和质量。检查;通过数字孪生可以随时监控所有机械设备，构建生产和产品及性能，实现对实际生产的分析评估（图2）。另外，通过物理世界，连续反馈给产品和生产数字孪生可以在现实世界中实现生产和产品的持续改进，缩短产品设计优化的周期。

图1西门子车数字孪生

图2基于平台的西门子数字孪生

我们大多数人都认为呼吸是理所当然的，每天呼吸大约 17,000 到 23,000 次。目前，一些感染 COVID-19 的患者有严重的呼吸问题，难以生存。 Vyaire Medical 拥有超过 25,000 种呼吸产品，是医疗技术领域的全球市场领导者，提供诊断、治疗和监测生命各个阶段呼吸状况的服务。该公司利用西门子提供的技术支持，使用 Simcenter 开发其产品 数字孪生，从而通过消除构建和测试物理原型的耗时过程显着缩短了开发时间。在开发新产品的早期阶段，能够在模拟中工作而不是构建昂贵的物理原型，可以使应用程序缩短时间周期并加快工作速度。

西门子在风力涡轮机方面也有相关应用。当风力涡轮机或风电场开始运行时，会生成额外的数据。记录、分析和返回运营绩效数据作为反馈，以支持产品、运营流程优化和风力涡轮机优化。基于数字孪生 的功能可以提高工程效率、缩短上市时间、简化调试、优化流程和改进服务。优点包括以下三个方面：

(1）数字孪生模型支持在量产前对风能设备进行数字化设计和测试。风电机组的数字孪生还可以在调试前模拟关键阶段，确保安全此外，维修人员还可以在实际调试前进行虚拟培训。

(2）数字孪生指导风力发电机组的运行。由于数字孪生可以连续记录运行和性能数据，并对这些数据进行综合分析，它可以支持一个可持续优化的风力发电机组生产和性能。

(3）数字孪生辅助设备维护和保养。为确保最大限度地利用维护间隔，维护时间不能过早，但同时也不能太晚，以避免任何计划外停机，将停机时间降至最低。维护后或因更换组件而对风力发电厂所做的更改直接记录在系统中，并且有关系统状态的所有文档始终是最新的。

“2.ANSYS'数字孪生实践”

如图 3 所示，ANSYS 构建了泵数字孪生。首先数字孪生技术应用领域，在泵上设置加速度计、压力传感器、流量计等传感器，与控制器采集的数据一起支持泵数字孪生模型构建、基于模型的动态交互等功能可以提供服务，例如作为实时检测和维修模拟，泵的数字孪生可以帮助更好地了解和优化产品性能，辅助故障检测和个性化维修指导。例如，通过泵的 数字孪生 模型发现了对异常振动根本原因的分析，其中压力下降导致气蚀形成气泡，从而产生振动。

图 3 ANSYS 构建的泵数字孪生

ANSYS还将数字孪生应用到石油和天然气行业，提供设备运维管理服务。石油和天然气行业一直在寻找降低能源生产成本的方法。为实现这一目标，石油和天然气行业可以将数字孪生应用于石油和天然气行业的各种工业设备。该行业可以建立在数字孪生 管道的实时监控基础上，并使用数字孪生 模型来预测腐蚀、腐蚀、屈曲和疲劳将如何影响实际资产。此外，这些数据还可用于优化未来设计、预测维护周期、防止泄漏、减少停机时间并提高吞吐量。

“3.达索的数字孪生实践”

达索已经开展了一个名为“活心脏计划”(LHP) 的项目，旨在通过生物技术传感器和扫描技术为人类心脏构建数字孪生。 数字孪生 是具有电和肌肉特性的个性化全尺寸心脏模型，可模拟真实心脏的行为。它不仅可以支持各种操作，例如紧贴起搏器、倒置心室、切割任何横截面和运行假设，而且还可以对心脏进行虚拟分析，以便在心脏病患者手术前进行护理。疾病开始了。

此外，达索还开展了数字孪生城市的应用探索。新加坡政府正在以 3D 形式建造城市 数字孪生，供设计师、规划师和政策制定者探索未来。第一次数字孪生技术应用领域，现实世界的 3D 虚拟表示使官员更容易“解释和交流”VR ，因为“3D 是自然语言”。其次，官员可以鸟瞰城市或选择放大该地区的特定特征。在最广泛的层面上，虚拟新加坡将显示实际建筑物的地形、形状和位置，这对于洪水分析很有用。此外，规划人员可以获得建筑物的详细视图，包括纹理、屋顶和窗户，用于规划太阳能电池板屋顶或紧急疏散路线等。单击建筑物以显示其消耗的电量。他们可以走到行人楼层并查看阴影通道的可达性、交通和可用性。新加坡的城市 数字孪生 拥有丰富的数据，包括交通信号灯和公交车站等位置的静态数据，公交车位置和登革热集群等传感器的动态数据，以及人们行为方式的数据，例如多少人进出公交车，这样可以优化交通。 数字孪生city 平台也将用于长期规划和决策。例如数字孪生工厂 ，新加坡人口老龄化将需要对基础设施进行重大改变。未来公民和企业也将能够访问虚拟新加坡，例如，公司可以使用虚拟新加坡测试无人驾驶汽车，而无需将它们放置在交通繁忙的道路上。

“4.PTC 的数字孪生实践”

PTC 在自行车上使用了 数字孪生。自行车的 数字孪生 可以实时监控自行车的性能。此外，随着自行车骑行及其部件的移动，虚拟空间的自行车数字孪生模型同步移动，该原型的开发涉及三个主要步骤。第一步是用零件组装自行车；第二步是在这些组件和 PTC 的 Thingworx IoT 平台之间创建通信链接。第三步是将 Thingworx 输入连接到仪表板式界面，并以有意义的自行车性能信息的形式为用户提供来自传感器的数据流的实时视图。 数字孪生 能够更好地适应市场并通过分析真实世界的产品使用和状态数据来提供特性和功能要求，从而提供增值服务。此外，还为产品设计提供数字化支持。

T-Systems 是世界领先的信息和通信技术提供商之一。随着基础设施的老化，T-Systems 在客户端面临的最大挑战是数字化转型。 PTC 与其合作创建了 T-Systems数字孪生 模型，以有效地设计和监控汽车行业的刹车片。在 ThingWorx 中收集和可视化真实世界的数据，并将这些真实世界的数据链接到 Windchill PLM 系统中的产品数据。通过利用 PTC 技术，T-Systems 可以收集实时数据并以有意义的方式反馈给客户。

“5.微软的数字孪生实践”

Microsoft 使用 Azure 数字孪生作为物联网平台，支持构建环境的综合数字模型，目标是建筑物、工厂、能源网络，甚至整个城市。通过构建数字孪生模型，可以达到推动更好的产品生产、优化运营流程、降低成本、提升客户体验的目的。 Azure Digital Twins具有以下功能，使Azure Digital Twins能够实现从数据获取、数字孪生体建模、数字孪生体实时表示、到双胞胎数据存储和分析的全业务流程。

(1）使用开放语言构建数字孪生模型。在Azure Digital Twin中，使用“模型”将物理环境中的人、空间、事件等因素映射到对应的数字实体，并使用开放建模语言数字孪生定义语言（digital twins language，DTDL）构建模型，可以从状态属性、遥测事件、组件和关系等多方面描述模型。数字化 在Twins模型的构建中，可以采用模型继承的方法来构建新的模型，从而提高构建模型的效率和通用性。

(2）保证数字孪生实体对其实体的实时表示。在Azure Digital Twin中，数据处理和业务逻辑可用于实现实时数字孪生实体在此功能中，Azure Digital Twin可以通过连接外部计算数据来保证数据处理能力，同时可以使用查询API实现属性值、关系、模型信息等条件数字孪生 body 中的每个组件 搜索以了解有关 数字孪生body 的更多信息。

(3）丰富的数据源。Azure Digital Twins可以接收来自物联网和业务系统的输入作为驱动数字孪生体的数据。一些物联网中心连接到可管理的设备以实现物联网数据访问；在同时数字孪生技术应用领域，Azure Digital Twins可以通过相应的API接口或其他服务的连接器从其他数据源获取数据来驱动数字孪生body的操作。

(4）提供完整的数据存储和处理服务。Azure Digital Twins可以将数字孪生体中的数据传递给下游Azure服务进行数据存储和进一步处理，例如使用Azure Data Lake使用 Azure Synapse Analytics 或其他 Microsoft 数据分析工具存储数据并分析数据。

“6.空客的数字孪生实践”

空中客车公司（以下简称空中客车公司）在飞机装配过程中使用 数字孪生 技术来提高自动化程度并缩短交货时间。

碳纤维增强基体复合材料（cARbon fiber-polymer, CFRP）机身结构装配过程中，由于CFRP构件的存在，要求装配过程中的残余应力不超过一定值。为了达到降低残余应力的目的，空客开发了采用数字孪生技术的大型零部件装配系统，自动控制装配过程以降低残余应力。系统的数字孪生模型具有以下特点：

(1）构建数字孪生体的行为模型。在这个装配系统中创建的数字孪生模型不仅是对应实际零部件的3D CAD模型，而且基于对设备的传感器进行建模，并对各部件的行为模型进行建模，包括部件的力学行为模型和变形行为模型。

(2）建立不同层次的数字孪生体。在这个装配系统中，不仅为每个零部件建立了对应的数字孪生体模型，还建立了对应的数字孪生@ > 为系统本身建立体模型。数字孪生模型。系统本身的数字孪生体用于系统设计，为每个装配过程提供预测模拟。

(3）虚实交互与孪生的协调。在装配过程中，多个定位单元配备传感器、驱动器和控制器。在收集传感器数据的同时，每个定位单元还需要与相邻定位单元匹配，传感器将获得的变形数据和待组装车身的位置数据传送到定位单元的数字孪生车身，双胞胎对数据进行处理，计算出相应的校正位置。有限应力值范围内导向部件的装配过程如图4所示。

图4 各定位单元配合引导装配过程

引自：《智能制造的信息安全》（作者：李辉、朱辉、张跃宇、赵兴文）