元宇宙虚火?在工业界它是真火
“元宇宙”这个词这两年在大众语境中逐渐冷却,那个设想中的“虚拟世界”似乎很遥远,而现阶段的应用又缺乏可行的商业模式——但这仅限于大众消费端。实际上,在工业界,“元宇宙”背后的核心理念——现实世界和虚拟世界的融合——已经落地并产生商业价值。
本文将就以下几个议题进行探讨:
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全球顶尖的F1红牛车队,如何研发赢得冠军的赛车?
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一艘有700万个离散零部件的氢动力船舶,该怎么设计?
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中信戴卡如何从零开始,以惊人速度切入汽车供应链的新赛道?
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传统工厂的设计和运营有哪些堵点和漏点,数字孪生能帮到什么?
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AI如何继承粮油行业中难以言传的老师傅经验?
Part.1
数字孪生是什么?
近十多年,这个概念在工业界开始兴起。顾名思义,它就是把真实世界里的机器、工厂、建筑或者其他东西,在虚拟的数字世界里塑造一个“双胞胎”。通过数字孪生,我们可以模拟物理世界事物的运行方式,而这个模拟可以在很多方面提升效率,或是改善这些产品的性能或体验。
首先,数字孪生不是一个单一的技术,而是许多技术的融合,是一个前沿的、科学的理念。第二,它不是一个凭空跳出来的概念,而是在前人的基础上逐渐发展起来的,而过去许多领域的建模、仿真技术,就是数字孪生的基础。从应用角度讲,数字孪生是基于实体的详细数据和精准的机理模型,构造出一个高度逼真的虚拟世界。在这个世界中,通过虚拟仿真技术,我们可以对实际场景进行准确的预测和验证,从而达到决策优化的目的。从技术上来讲,数字孪生还有一个很重要的特征,就是通过构造高度逼真的虚拟世界,实现对物理实体的贯穿整个生命周期的精准模拟与实时交互。
简单来说,数字孪生不仅是长得像,而且行为也像,后者对技术的要求要复杂得多。因为行为像,所以它特别适合应用在一些复杂的产品上。因为复杂,这些产品的设计、研发、制造有很多不确定性,但通过数字孪生,就可以大幅减少这种不确定性。
Part.2
全球顶尖的F1红牛车队,如何研发赢得冠军的赛车?一艘有700万个离散零部件的氢动力船舶,该怎么设计?
西门子曾和F1红牛车队合作,用数字孪生帮助他们研发赛车。
F1和许多竞技体育一样,对于车队的财政投入有很多限制。此外,F1每年对赛车的各方面技术指标也都会有限制,甚至在赛季中也会有新的规定,这就对车队的合规提出更多要求。对于车队来说,要想办法在更低的预算之下研发赛车,即用更低成本、更灵活的方式确保自己在合规的前提下,造出尽可能快的赛车。
此时,数字孪生就能发挥很大的作用。比如,赛车在研发中有很重要的一块涉及到碳纤维部件的设计,过去这是一个非常耗时的手工搭建的过程,现在运用数字孪生可以大大提升它的速度,并且零件第一次就能设计正确,这一个改进能节约大量时间。比如有一个部件是从尾翼延伸到车头附近的大型地板造型,通过数字孪生,它的制造时间缩短了25%,4个预固化的悬挂系统就节省了24小时。而这些时间又返还给赛车设计团队,让他们有更多时间改进设计,提升性能,而且节约的时间也不需要额外的成本投入,满足了财政限制。
另一个比较类似的例子是造船。船比赛车大得多,但同样是超级复杂的机器。西门子曾和英伟达宣布了一个合作项目,它们共同为著名的造船企业HD现代提供服务,用数字孪生技术帮助它制造复杂的氨动力和氢动力船舶。
然而,一艘船就有将近700万个离散的零部件。一个直观、逼真、实时的数字孪生,可以帮助工程师节约很多试错的时间,过去要花几天的研发流程,现在可能只需要几小时。
Part.3
中信戴卡如何从零开始,以惊人速度切入汽车供应链的新赛道?
以上两个例子里,时间都是一个关键词。我们再举一个强调时间和效率的例子。
主角叫中信戴卡,它是一个国内领先的铝制压铸件的制造商,它的压铸件在汽车领域有广泛的应用,其中最有名的就是铝制轮毂。而过去几年,它非常大胆地进入了一个如今在汽车行业十分火热的新领域,这当中数字孪生发挥了很大的作用。
我们都知道特斯拉在很多方面引领着汽车业的技术创新,其中很重要的一个层面就是汽车的生产制造流程。它率先在汽车业引入了大型的一体式压铸技术,就是把原本许多部件组成的车身底部,变成了一个压铸机压一次就成型的大部件,这大大降低汽车的研发周期和制造成本。这个技术需要引入大型压铸机设备,近几年国内许多车企都在迅速跟进,大型的高压压铸机一下子成为一个新的汽车产业链热点。
中信戴卡为了抢占市场,需要尽可能快地拿出产品,因为这个产品的需求是有限的,而且一般来说,生产线选择了一个产品,就不会轻易更改。但是大型的高压压铸机是一个非常复杂的机械,它运行起来就像一个封闭的黑盒,原材料进去,一压,出来就是部件,里面的过程很难直观看到。如果在研发和运行过程中出现问题,要测试和修正也会很困难。据了解,中信戴卡的一些友商研发第一台设备大概花了2~3年的时间,中信戴卡的目标是这个数字的一半甚至更短。
数字孪生最大的价值就是能让研发设计第一次就做对,因为试错都在虚拟环境中模拟完成了。也正因为此,中信戴卡才能够按照规划快速推出这个产品。但数字孪生的价值还不止于此,因为压铸机是一个需要长期运营的重要设备,所以数字孪生还可以实现远程的维修保养及技术支持,甚至可以提前预警故障风险,这会大幅降低设备的使用成本。另外数字孪生还有一个营销功能,过去你和客户推介的时候只能做ppt,然后在上面放参数,但现在你可以直接展示一个虚拟的产品,让客户很直观地感受它的效果,这对于向B端客户推广起到很大作用。
Part.4
传统工厂的设计和运营有哪些堵点和漏点,数字孪生能帮到什么?
当下,数字孪生在工业界最普遍的一个应用是在工厂里。你可以将工厂理解为一个超级复杂的软硬件系统。它要长期运转,并且不断更新,它有很长的生命周期,这是数字孪生非常重要的价值,因为它不是一个静态的模型,它能够模拟实际运行的状况,所以非常适合这种长生命周期的系统。
西门子南京数控工厂是西门子第一座原生数字化工厂。它在破土动工之前,已经在虚拟世界里用西门子自己的软件建造了一座虚拟的工厂,并且在真实世界的工厂完工运行之后,还可以实时交互、管理,而整个软硬件系统都是用西门子自己的,可以理解为一个西门子的工业元宇宙“样板房”。
它可以解决许多过去工厂设计和运营当中的困难问题。举一个最简单的例子,工厂设计有一个重点是物流动线,你所有的原料和产品如何在各个区域之间移动是非常影响整个工厂的效率的。过去的做法就是在软件上预先设计好动线,但实际运转中,总会有预想不到的堵点。有了数字孪生,就可以让虚拟工厂里的物流先跑起来,然后再修改动线,这个就大大提升了工厂开工后的生产效率。
数字孪生在运营期间能做的事情就更多了。比如工厂的一个重要发展方向——柔性生产。柔性生产很考验运营的精细程度,要生产不同的产品,你就需要提前备好不同的物料,而且顺序时间都要卡好,越精准越好。如果没有准备好,生产效率就会大大降低。但用数字孪生就可以提前预测接下来需要哪些物料,工序有什么调整,可以精准到小时。数字孪生可以让精益生产更容易实现。相比过去的老工厂,西门子南京工厂作为一个原生数字化工厂,产能提升近2倍,产品上市时间缩短20%,物流周转效率提升50%,柔性生产能力提升30%。
能把数字孪生做得好的公司,一般而言有两个特点,第一是拥有完整的软硬件储备,从传感器到软件等;第二是本身要懂工业。这类技术先在自己身上产生效果了,才能向外推广。尽管数字孪生听上去像是玩游戏,你把一堆新技术用在工厂上就可以像游戏那样管理一座工厂了。但实际上,数字孪生不是一个一劳永逸的事情,数字孪生提供了大量的数据和能力是一个富矿,但如果这些数字只是放在那里没有用来提升业务,那就是暴殄天物。所以让更多工程师甚至一线工人有数字化的思维,它的重要性一点不比建立一套数字孪生的系统低。西门子南京工厂就建立了从上到下与数字孪生相关的管理架构和激励机制。比如工厂会建立工程师社区,让不同部门的专业工程师学习数字孪生的工具。
Part.5
AI如何继承粮油行业中难以言传的老师傅经验?
数字孪生是目前工业元宇宙领域最显性、最为人所知的应用。此外,还有一个重要的技术趋势,就是人工智能,它也在对工业界产生十分实际和深远的影响。现在大家关注比较多的是用户端AI产品,相较而言,工业端的AI应用则更加脚踏实地、目标明确。
举一个食品工业的例子,它的主角是金龙鱼等知名品牌的母公司益海嘉里。其生产的玉米淀粉在国内的现状是:产能过剩、利润薄、竞争激烈。这种行业的共同特点就是非常讲究控制成本。而在玉米淀粉的生产线上,控制成本的核心要义之一就是控制水分。国家对此有一个标准,就是水分的重量占比要低于14%才算达标。所以工厂的目标是希望让水分尽可能接近及格线,最好只比及格线微微低一点点,比如13.9%。因为这样的话,投入同样的玉米原料,最后产出的淀粉的总量才能最多。而且,在实际生产中,玉米淀粉的水分控制,是要靠消耗热能来烘干的,如果水分太低,就意味着你降低产能的同时还增加了成本。过去,主要是靠老师傅的手感,玉米淀粉的生产线后端有一个水分检测仪,老师傅根据这个数值,还有他的经验,来微调产线上的一些参数,或是进料的多少。但这个know-how很难写在纸上,或者变成自动化的程序。
更关键的是,应用AI的思路可以大规模复用,凡是一些多变量、非线性的系统,就会需要AI的学习和预测能力。工业生产永恒的一个目标就是精益生产、精确控制。仅食品行业就有很多场景,比如牛奶行业要控制蛋白质含量,还有种重要的动物饲料叫膨化大豆粉,它的蓬松程度也需要控制。这些都是过去只能靠经验,但现在AI可以派上用场的地方。
本质上,预测、诊断、优化这套逻辑,数字孪生和AI是共通的。随着大模型的发展,未来数字孪生和AI会有更直接的结合。这当中一个重要的趋势是大语言模型对于数字孪生系统使用门槛的降低。目前,这些数字孪生工具还是有比较高的专业性,但是未来,如果大语言模型可以融入,那么你通过一些自然语言的指令,就可以简单地让数字孪生模拟各种现实当中可能的情况。比如说你跟系统说给我展示这条生产线接下来的耗电量变化,给我看它的物流动线有哪些堵点,系统就可以直接输出结果。这也就大大降低了数字孪生的门槛,而只有更多人使用和挖掘,一套数字孪生系统才能发挥最大作用。
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