通往工业元宇宙的数字孪生,为何离不开实时3D技术?

2021年,元宇宙是当之无愧的业界焦点。作为一个融合扩展现实(XR)、数字孪生、物联网、云计算、5G/6G网络、区块链等ICT技术的概念,正吸引着各大行业巨头纷纷跑步入场,如微软就提出面向未来办公生活场景的[企业元宇宙]概念,Facebook改名为 Meta 聚焦建立[元宇宙], Unity 则提供创建[元宇宙]的底层开发工具集。面向制造业,业界寄希望于元宇宙可以满足市场日益崛起的智慧园区、智能工厂、数字化产线等业务需求,从而催生了[工业元宇宙]这一细分概念。智能制造也有望乘此东风,加速 ICT 技术的研发来贯通制造业 OT 域。工业元宇宙更关注虚实数据之间的互动,涵盖物理实体、虚拟实体、数字孪生业务、孪生体间的数据、各组件的连接五个维度,因此以数字孪生技术驱动的虚实映射和实时同步特性,和以实时3D技术驱动的数据可视化、实时交互、跨平台特性,共同构成了打造工业元宇宙雏形的关键技术。01挑 战应用现状与痛点纵观数字孪生开发与应用现状,在产业井喷的背后,发展过程中的痛点也不容忽视。制造业数字孪生解决方案的开发难点在于,它是一个融合多学科、多技术、多维度的复杂系统。这既需要生产工艺、工厂运营和管理等切身经验和行业前瞻眼光来厘定方案功能和用户体验,还要能基于信息化技术知识提出技术路线,选择合作伙伴、工具链等。在具体实践当中主要痛点包括:第一,开发成本高,腰部企业落地难。事实上,除了头部企业能有足够的资金和团队构建完整的技术栈和服务内容,绝大多数腰部企业很难打通涵盖芯片、传感器、边缘网关、云平台、数据平台、算法模型优化、应用开发的整个技术链,这是客观现状。第二,需要长期迭代优化才能形成方案。行业的需求不仅是做好一个项目的开发,更重要的是不断将新的需求引入项目来做功能的调试和验证,最终形成成熟方案。这个开发周期往往需要数年之久。第三,个性化定制不可避免。我们熟知的国内外大厂都在构建自己的数字孪生平台,但在实践中仍需基于现实环境进行大量定制,当前谁都无法提供一个开箱即用的平台来满足各行业的不同需求和应用场景,这就对开发理念、具体技术选型、开发工具使用和拓展等能力提出了高要求。针对这些问题的答案,我们或许可以通过国资上海仪电旗下企业上海南洋万邦软件技术有限公司与合作伙伴境腾科技在2021年第四届进博会上展示的[云.数.智.联-AIoT]制造业数字化转型解决方案管中窥豹。数字孪生在智能工厂的应用图片来源:南洋万邦02探 索智能工厂数字孪生实践南洋万邦的[智能工厂数字孪生展区]以制造业转型为主题,展示了设备、流水线、工厂三个级别的制造业数字孪生技术演示。南洋万邦资深业务副总经理王珏表示,不同层级上的数字孪生价值各不相同。比如在生产单元层面,通过数字孪生拆解一个设备可以让操作和运维人员实时真切地看到实验场景和设备状态。以远程维修辅助和预测性维护应用场景为例。当SMT产线的多功能贴片机运行发生故障时,产线运维人员可以通过产线数字孪生的运维系统直接通过三维模型定位故障设备,并根据压力传感器数据看到,故障原因是因为系统管路里的压力超过了压力预警设置值,直接导致了空压机的停止运行,并且影响到了多功能贴片机的正常运行。同时运维人员可以通过系统看到基于 AI 的预测性设备故障信息和建议预案,并且可以选择呼叫该设备厂商的专家远程联线;远程专家在实时收到现场故障警报和故障原因,并给到维修指导,实现生产制造的快速恢复。该技术演示是其数字孪生解决方案的简化版,完整方案的亮点包括:数化:基于Unity及其数字孪生工具链对生产线和仓储设备的工况信息与运行状态在数字世界中进行实时三维渲染、交互和可视化分析,实现模拟和重现并可快速部署到各类主机和移动设备;互动:建立泛物联网设备管理系统,实现物理实体与孪生体之间有效数据的实时采集、处理和绑定;先知:基于算法提取原始工控信号有效内容,从而识别故障,产生预警信息和发展趋势;优化:基于生产和订单数据,预测分析产线运行态势,通过机器学习优化分析订单和资源分配状态为业务决策提供支撑。南洋万邦智能制造数字孪生解决方案架构图片来源:南洋万邦成立于1993年的南洋万邦,通过整合云计算、大数据、物联网、人工智能应用和信息安全技术提供基于云托管的技术和服务;自2013年成为上海仪电集团全资的信息化服务提供商之后,先后参与过上海市政务云和大数据中心的业务,目前自研的云平台、物联网平台都是项目实践的积累沉淀。在王珏看来,数字孪生的价值不仅体现在事后的服务环节,还包括事前的预测。正是因为有了数字孪生体的构建,使得可以在工业元宇宙中模拟还未发生的事情,实现快速、低成本的预测。譬如将人员、机器、材料、场景、生产工艺等在数字世界中进行复现和模拟;模拟生产工艺的变更对产量,或某一个厂区布局的影响。更广泛来说,数字孪生在产品研发设计、生产制造、营销和售后维护的全生命周期都能产生巨大的价值。03破 局小步快跑与螺旋上升王珏总结说,制造企业,尤其是腰部企业在数字化转型过程中要学会小步快跑,先快速建立小的场景并实现迭代的模式。此外,企业也需要紧密结合市场需求和趋势来理解数字孪生解决方案的开发,它包含规划设计(Plan)、项目构建(Build)和运营维护(Run)等完整的开发生命周期,是一个螺旋上升不断迭代的过程。不管是前期的SKU上线、软硬件技术选型,还是构建IT平台来采集设备接入数据,抑或是设备和数据的运营维护、分析反馈等等,都需要找到理解制造业 OT 技术并能有效整合前沿 IT 技术,并且能够提供全生命周期支撑和服务托管服务的合作伙伴来帮助企业管控成本和迭代产品。王珏还强调了标准化交付与个性化定制之间的平衡。制造数字孪生方案必须打造通用组件,设备、数据、算法模型管理和管道的框架。他透露,南洋万邦有一个长期计划,在现有的IoT管理平台上建立一个和物理世界相迭代、能够通过语义模型存储在IoT平台的解决方案,将通用的组件提炼出来形成可标准化交付的功能,同时使后续的定制尽可能简化,以加速解决方案交付的速度。如今,越来越多离散制造业的生产制造模式朝着大规模、小批量、个性化方向发展,以数字孪生实现产品参数化设计和产线虚拟调试,后疫情时代的数字化售后服务以及通过虚拟仿真实现故障和缺陷检测、预测性运维已经是需求明确、前景广阔的应用场景。以数字孪生实现产品参数化设计和产线虚拟调试面向具体行业,王珏以三个行业列举数字孪生用例。在空压机行业,目前有近5000台设备在国内已经联网,未来整个亚太区有近4万台设备联网,大型设备的售后服务与状况监控数字孪生应用已经落地,海量的数据采集和推理训练也将为产品、业务、市场等其他部门提供数据洞察驱动的敏捷业务拓展;沪宁杭地区的芯片制造园区有三十多个高标准实验室,为规避用电故障导致的火灾等险情,催生了智能实验室的场景,就是根据实验室用电环境要求采集园区用电、能耗和各维度环境的状态属性信息做实时三维渲染和可视化分析,给实验室负责人提供监测预警信息;在双碳政策背景下,中头部低压配电企业正积极探索数字孪生技术来升级配电系统从而实现为客户交付更具安全性、能耗优化的、同时又是智能化的解决方案,使得他们在市场上拥有更强的竞争力。空压机数字孪生应用场景图片来源:南洋万邦04要 诀快速、高效构建之道从技术和系统实现来看,南洋万邦的技术合作伙伴境腾科技 CEO 张力认为制造业数字孪生应用与某些游戏场景的开发语言和开发结构是大致相同的,最大的区别在于客户对象不同。手游在游戏场景设计上要考虑玩家的游戏体验,而行业客户更加强调准确无误地获取全局及局部信息来做管理决策,关注把 IoT数据、数字孪生映射模型、MR混合现实互动形成联动,包括积累有效数据为数字孪生方案创造预测性维护、运营仿真等价值。成立于2017年的境腾科技,是一家专注于混合现实MR技术的高科技企业。在创立之初,境腾科技就设定了[连接虚拟与现实,构建数字新未来]的方向,基于XR技术服务智能制造,推进数字化转型。基于 Unity和微软 HoloLens 2,境腾科技已经开发出全息协作会议BeamLink彼临、全息3D说明书、全息流程指导JTWorkflow循序和远程专家支持JTRA明达等[工业元宇宙]产品,其中 BeamLink 彼临混合现实会议产品已经支持HoloLens和其他 Windows MR/VR设备,iOS 移动设备。境腾科技[工业元宇宙]产品图片来源:境腾科技张力认为,[工业元宇宙]概念的提出实质上说明行业客户除了实现业务目标,已经开始追求比拟部分游戏的极致用户体验了。因此,境腾科技很自然地选择了发源于游戏行业的实时 3D 引擎 Unity 作为其[工业元宇宙]开发工具。张力坦言,主机、移动设备和AR/VR设备的交互模式不同,有赖于Unity 的跨平台支持技术,境腾科技可以复用 HoloLens 2的应用代码快速部署到电脑主机上做交互适配,在进博会极其紧张的工期下实现了应用的快速跨端部署;在未来也同样可以部署到平板和手机等移动端,为不同受众展示了制造数字孪生的价值。Unity 在手游行业有诸如>、>、>等叫好又叫座的顶级案例,从技术开发角度而言,实现[工业元宇宙]对画质、交互、沉浸感等极致的用户体微商app验是不在话下的。Unity 近几年也同样展示了进军制造业、工程建设行业的能力和决心。Unity 本身就提供了非常好的物理仿真性能和大量可复用的工业资产素材库,结合 Unity Reflect, PiXYZ, Luban 等数字孪生工具链,行业用户可以轻松将工业模型和元数据导入 Unity 进行定制开发,从而快速构建设备、产线、厂房、园区乃至城市级的虚拟仿真,通过将实时物联网数据导入Unity 开发的运行程序,就可以实现端到端的工业数字孪生。Unity 实时 3D 技术可解决产品全生命周期中的挑战图片来源:Unity除此外,利用Unity云服务可获得低时延高可靠的高质量图形渲染性能;通过Unity 机器学习解决方案可提高机器人分析认知能力,实现自主操控;通过UnitySimulation进行虚拟调试与仿真验证;通过Unity Mars制作智能混合现实体验和增强现实体验;采用更多灵活的定制化插件,完成全生命周期智能化数字孪生系统构建,充分利用其强大的检测、模拟、预测能力,真正实现工厂的信息化、数字化、智能化。在选择 Unity 作为底层开发工具之初,张力看重的是Unity轻量级开发功能。随着时间的推移,其从产品到技术再到服务的全方位支持让境腾科技受益颇多。张力表示,客户对于数字孪生项目的期望是越来越高的,给每一个项目团队的压力也越来越大。面对这些挑战,Unity 中国团队也适时推出了相应的技术支持和联合定制开发服务,解决了从行业Know-how到实际开发等方面的技术难题,大大提升了最终客户的满意度,增强了合作伙伴在市场中的竞争力。05落 地降低应用门槛张力非常认同微软CEO Satya Nadella提出的企业元宇宙(Enterprise Metaverses)概念,其中包含了IoT物联网、Digital Twin数字孪生、MR混合现实三个重要组成部分。这一解读使得元宇宙在现阶段有了边界,且有了可以尝试实现的路径:IoT将现实世界中运行的隐性信息抓出来,并通过数字化的方式将隐性信息显性化表达出来;数字孪生将现实世界中的显性对象、网络和流程通过数字化方式构建出一个数字实体,并将数字化实体与现实世界映射起来;MR则可以通过与数字信息的本能式交互,即与IoT获取的转显信息+数字孪生对应的数字实体进行交互,实现了通过数字化交互反作用于现实世界的目的,从而产生新的运营和服务模式,进一步赋能企业产生全新的商业模式可能。化身在 Mesh for Teams 沉浸式空间中会面和协作图片来源:微软官方网站从技术角度来看,实现数字孪生的许多关键技术都比较成熟,如多维度建模、多物理场仿真、预测分析模型等。但要实现对产品或系统的全面预测分析,数字孪生还需要大量的数据支撑,既包括设计环节的BOM数据,生产制造端数据和供应商数据,来自服务系统的备品备件、维修记录等数据,还包括产品的性能、工况和环境参数等等数据。这些数据贯穿产品研发、订单管理、计划管理、物料采购、生产管理、能耗管理等各个关键流程,需要PLM、ERP、WCS、WMS、MES、AIoT等多个智能系统相互配合,并且通过相关的数据技术方法来处理各类数据,才可以产出可量化的、可持续的数据价值。那么,如何将这些数据更好的呈现给用户呢?XR提供了解决之道。在实现过程中,基于实时3D技术的内容创建就显得更加不可或缺。纵观产品和系统的生命周期,在设计阶段,可以用数字孪生进行产品设计和规划;在工程阶段,可以用数字孪生进行仿真测试;在实施阶段,借助数字孪生可以进行智能制造;在营销阶段,借助数字孪生可更好地介绍或推销产品;在使用阶段,数字孪生还可用于虚拟培训或维护。从这个意义上来说,不管是产品设备的数字孪生,还是车间、生产线的数字孪生,或是工厂的数字孪生,Unity的实时3D技术都是构建数字孪生体的使能技术。这意味着,Unity扮演的是降低数字孪生应用门槛的角色。06深 耕释放合作潜能如王珏所说,数字孪生可以看作是企业数字化转型的深化应用。在南洋万邦对企业数字化转型的理解中,[缺省的数字化]至关重要,即在组织和管理中,总是优先考虑通过数字化技术来解决,促使数字化技术与业务的紧密结合。王珏指出,从业务模式来看,南洋万邦经历了最早的软硬件代理商、到后来的信息化系统集成和售后服务商,再到如今的公有云服务商,在这个过程中,南洋万邦积极践行包括云管理平台、大数据、物联网集成平台等数字化技术的研发,助力企业实现数字化转型。除此之外,南洋万邦认为数字化转型是整体性的转变:数字化转型并非意味着完成一个项目、升级一项技术、创建一个电子商务网站或开发一个新的移动应用程序,而更多要考虑利用数据技术,实现企业组织架构、产品、服务、流程的数字化以及业务模式的重塑。其中最关键的是,数据是数字化转型的核心,将云计算、物联网、人工智能、数字孪生等技术与数据洞察能力结合,提升客户体验、优化业务运营和转变、升级业务模式。王珏强调,南洋万邦只是数字孪生价值链中的一份子,只有积极地与各方合作伙伴共同探索、联合研发,包括芯片、模组、网关等硬件层面以及实时3D内容开发、建模仿真、供应链、数据管理等软件层面,才能构建更完善的解决方案。除此之外,南洋万邦也在持续深耕垂直行业,在行业中寻找更多的应用场景。张力同样认为合作在数字孪生价值链中至关重要。在他的展望中,境腾科技将继续拓展相关能力,与数字孪生和物联网的协同和交互,深化与Unity和南洋万邦等伙伴的合作,一起更好地服务客户,共建工业元宇宙,实现数字科技的新未来。在这个进程中,境腾科技是南洋万邦重要的合作伙伴,而Unity凭借其强大的实时3D技术以及面向行业的数字孪生工具链,将成为实现制造数字孪生、XR 应用的首选工业仿真和内容开发管理平台之一。

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