数字孪生体在汽车行业的应用展望
来源：数字孪生体实验室原创
作者：孙昊
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01前言
在当前制造业的环境下，如果我们想制造一个新轮胎，我们可能首先会制作一个轮胎原型并将它安装在车辆上，上路进行测试，然后通过迭代版本和更多的安全检查来更新和完善它。
而如果我们想量产并提高这种轮胎的生产能力，则必须依靠经验和分析来预测产线各个节点的标准节拍，并在必要时对瓶颈工序做出修改和应对。
另外，如果担心自然灾害会破坏供应链，我们当然也可以考虑根据天气预报和其他相关数据来做应急策略，然后寄希望于这种应急策略可以帮我们解决问题。
但在如今这个充满技术变革的时代，制造业公司，尤其是汽车行业的制造业公司有了另一种选择，即更灵活、更具成本效益、更前沿、更贴近企业实际运营的实时现实，称为数字孪生。我们可以将其看作任何物理产品，设备或资产，以及供应链的虚拟副本，并作为可监测、模拟和优化生产、质量和运营性能的测试场。
数字孪生体可以是轮胎或汽车的虚拟版本，也可以是制造这些产品的方法或整个生产线，甚至可以是一个工厂、一个工厂网络或端到端的供应链。借由物联网（IoT）、人工智能、机器学习、过程和数据挖掘，甚至增强现实等颠覆性技术的不断进步，数字孪生体也正在逐渐扩展其可能的应用范围，并作为第四次工业革命的典型代表改变着21世纪的制造业。
数字孪生技术的基础是物联技术，当我们想要创建工厂或者某制造过程的数字孪生体时，我们首先会创建一个或一套设备的数字化模型，然后使用物联网传感器收集有关其性能的实时数据，并将其传输到企业内部服务器或云服务器上。有了这些数据，我们就可以将其与已有的数字模型进行耦合并通过渲染或其它手段，生成现实物体的数字投影，并将其实时直观的显示在我们面前。
我们从物联网获得的数据种类越多、越准确，数字孪生体的表现就会越丰富，越具体。通过数据分析和机器学习，其功能将可以被深化到预测级别，另外，通过虚拟现实和增强现实技术，也可以提升人机交互的体验感，使数字孪生体看起来更加接近真实，在视觉化上更进一步。
当然，我们也可以从其他来源、在其他环境中引入更多的数据，例如供应链中的物流信息，运输中组件的序列号等。有了这些正确的数据，数字孪生体就成了一个可以提供无限空间、无限可能的探索实验室。来料追溯、产品研发、性能测试、假设验证、生产过程模拟、不良品检测、出库物流等等，它可以涵盖到制造业的方方面面。
对于企业来说，我们关注的不是技术本身，而是在现有制造业框架下，数字孪生体能为企业带来哪些效益，能有多大的提升与变革。数字孪生体在汽车行业的应用价值主要表现在以下几个方面。
1. 产品测试：以汽车轮胎为例，通过数字孪生，我们不再需要等待轮胎装配实车后的测试数据，来确定其质量和性能。
我们可以直接开始对轮胎性能展开模拟测试。比如，模拟在不同天气、不同路况下对新轮胎进行性能验证，并收集数据用来改进轮胎设计。我们也可以用数字孪生技术建立数字线程以及全生命周期管理，当我们用不同的化合物和原材料进行模拟实验后，所有的实验数据都将保留在数字线程下，在达成符合预期的结果后，产品可以由数字端直接映射到现实端，可以极大节约测试成本，降低需求方案的管理难度。
2. 提高产能：当每次引入新产品时，都会破坏现有的装配计划。在我们花钱调试新设备和增加生产能力之前，其实我们也可以根据所制造的产品的独特特性和需求来模拟新产品的引入对生产能力和进度的影响。
例如，一家整车厂，也许一天只能生产一定数量的敞篷车，因为在折叠式车顶铺设电线会增加额外的工作量和工位。虽然制造商可以增加人手来完成这些额外的任务，但又不能让装配线过于拥挤。而且还必须考虑其它类型汽车产能的平衡。比如，那些有天窗的汽车以及普通汽车，根据订单需求，我们随时要考虑调节生产线的生产模式。
此时，如果我们为产线建立一个数字孪生体，就可以根据情况来模拟我们的装配线。对于主计划人员，在安排生产计划时，就可以通过数字孪生体，了解到目前各条产线的产能情况。对于产线负责人，可以在需要进行产线换型时，通过数字孪生体指导现场人员换型。对于产线技术人员，在设备安装和连接之前，可以从工程的角度对产线进行实时测试。
3. 工厂基础设施：2020年新冠疫情肆虐全球，如何才能在安全或者说不在工厂的情况下对工厂进行参观和考察？有了数字孪生体，我们就可以做到这一点，甚至还可以做到更多，借助物联技术，我们可以通过虚拟现实实现工厂漫游，设备实时数据、产线产能情况、不良率、工厂布局等数据一应俱全，而且无处不在的摄像头可以代替我们的眼睛，这些现实世界中的摄像头经由物联技术，可以经由数字孪生体来控制。
另外我们也可以通过笔记本电脑远程培训工人。有了数字孪生体，设备甚至不需要实际安装，就可以向其他人展示如何使用它。
4. 资产维护：通过监控生产过程中，物联网传感器传出的实时数据，数字孪生体还可以模拟关键设备何时需要维护，甚至可以用来确定整个生产线、工厂或工厂网络的健康状况。Gartner公司是一家美国评估机构，其在2018年的一份报告中指出，美国所有制造企业经由数字孪生体技术，每年在资产维护方面节省的开支，达到了1万亿美元。
5. 有针对性的召回：建立数字线程和全生命周期管理的数字孪生体，并通过跟踪产品中的关键部件及其序列号，我们不必在产品出现问题时召回成千上万的产品。我们可以将工作范围缩小到那些直接受到影响的产品身上。例如，一批在海外运输途中发生腐蚀的零部件，通过数字孪生体就可以精确定位到其影响范围。
6. 零售业：数字孪生甚至有助于面向消费者的领域。例如，一辆带有三维可视化功能的数字孪生汽车，可以让潜在买家在网上或4S店购车时将汽车的颜色改成自己喜欢的颜色，自己喜欢的内饰，包括车辆附加选项也是如此，这可以提供更丰富、更个性化的客户体验。
7. 售后服务：在二手车市场上，消费者必须猜测车辆的健康状况。但是，如果给车辆一个数字标识（基于数字孪生和区块链），我们就可以开始跟踪它的维修频率。还有其它我们关心的问题：它们是否更换过零件？它们是使用原始设备制造商（OEM）的零件还是售后零件？根据影响分析，是否存在未登记的事故？
数字孪生体构建的全生命周期，将拥有所有实时性能、传感器和检查数据，以及服务历史、配置更改、零件更换和保修数据。
8. 供应链：数字孪生体允许我们监控和模拟影响供应链的事件，例如，自然灾害或与关键国家的贸易争端，以及如何去主动应对这些事件。
例如，如果我们想模拟来自美国的原材料减少的影响，数字孪生可以帮助您决定如何有效地履行客户承诺。您可以开始对各种数据点进行建模，比如新原材料在传输过程中花费的时间，或者其是否易腐，这让制造业开始变得更加主动而不是被动。
参考文献：
https://www.ey.com/en_gl/advanced-manufacturing/how-digital-twins-give-utomotive-companies-a-real-world-advantage
