制造业的“元宇宙”

“世界的尽头是铁岭,互联网的尽头是元宇宙”,这是最近频繁被提及的一句玩笑话。

今年,“元宇宙”成为顶流热词,特别是在科技、游戏及互联网行业,国内外互联网巨头也争相入局,随着Facebook母公司宣布改名Meta“All in元宇宙”,#元宇宙#话题一度冲上热搜,成为大家争论的焦点。

其实元宇宙的概念并不新鲜,早在1992年美国作家尼尔斯蒂芬森的科幻小说《雪崩》中,就描绘了一个平行于现实世界的虚拟世界,每一个人都沉浸在这个虚拟空间里,以虚拟替身的形式相互交流,这一描述在小说出版时,被贴上了“科幻”的标签。从科幻到现实,仅仅过了不到三十年。

在一些科幻电影中,元宇宙也有体现,例如电影《头号玩家》的“绿洲”、《失控玩家》的“自由城”,被认为是目前最符合《雪崩》中描述的“元宇宙”状态,主人公戴上VR头盔便可进入虚拟世界,不仅能“看到”,还能通过体感设备体会到,这种直观感受,让大家对“元宇宙”有了更深层次的理解。

换句话说,元宇宙是对现实世界的数字化表达,现实中的人、物、天气,甚至故事、情感都可以搬进虚拟世界中,让人们在这里能进行社交、娱乐、教育、交易等社会性活动,为用户提供丰富的消费内容、可靠的经济系统、沉浸式的交互体验。

那么,元宇宙就可以和XR(扩展现实)、游戏划等号了吗?恐怕也不是。

01、智能制造元宇宙爆发

随着数字孪生(DT)、增强现实(AR)、人工智能(AI)、虚拟现实(VR)元宇宙的底层技术不断进步融合,元宇宙的应用范围正在不断拓展,每个行业都从自身角度,为元宇宙赋予了不同的定义。

目前行业对“元宇宙”发展趋势,已初步形成两大方向:

第一是消费市场,赋能新消费、新娱乐,主流形态将明显集中在游戏领域,侧重沉浸式消费体验与娱乐社交。

第二是商用市场,赋能智能制造、智慧服务、智慧办公等,改变人们生活、工作连接方式,实现降本提效,以及产业数字化、智能化。

我们如今的元宇宙时代正是娱乐、社交最火热的消费阶段,它在诸多现实场景中已获得了广泛应用,不过伴随元宇宙经济的快速发展,商用在经济中的拉动力愈发凸显。换句话说,未来元宇宙最广泛的应用,或许不是面向个人消费者,而是率先产生实际价值的商用市场,特别是全球新一轮科技与产业竞争核心的“智能制造”。

“智能制造元宇宙”的本质,是围绕“研发”、“制造”、“销售”、“终端”四大场景创建的虚拟场景,模拟其在现实环境状态而产生的价值。形象地讲,相当于企业把自己打包搬进了虚拟世界,变成一座虚拟工厂,同时,这座虚拟工厂与现实工厂数据同步,实现生产要素可视、可析、可验证以及智能化管理的“元宇宙”应用,大大减少实体运营维护,提高生产效率、降低生产成本。

区别于传统认知,“元宇宙”已初步应用到企业研发制造场景,在其中扮演“关键先生”的,就有联想。作为很早就开始智能化转型企业,联想走在了行业前列,尤其是智能制造转型探索中,联想通过内生外化、实践孕育出了5大能力:互联互通、柔性制造、虚实结合、闭环质量、智能决策,这些能力渗透在联想智能制造场景应用的每一个环节,形成了制造转型的最短路径。

聚焦于“智能制造元宇宙”,联想依托产品设计和制造过程中的虚实结合能力,尤其是数字孪生-仿真技术的应用,帮助企业建立“虚拟工厂”,实现虚拟环境下的测试和分析,然后再通过虚拟制造对生产流程验证和优化,确保真实的生产顺利进行。产品进产线后,进行数字孪生虚实互联,让关键设备在模型上实时监控,识别和调整设备的状态,改善现有产品、运营和服务,这一系列数字孪生技术的应用,让联想走在了“智能制造元宇宙”应用前列。

如果说联想可以打开“智能制造元宇宙”的大门,那么“数字孪生”正是打开大门的关键之钥。

02、数字孪生的元宇宙方法论

“数字孪生”,也被称为数字映射、数字镜像,元宇宙是数字孪生对现实世界的镜像表达,通俗解释就是在一个设备或系统基础上,创造一个与之对应的数字版“克隆体”。

数字孪生体最大的特点在于它对“本体”的动态仿真,数字孪生体是会“动”的。而且,数字孪生体“动”的依据,来自本体的物理设计模型,还有本体上面传感器反馈的数据,这就是数字孪生的“模拟仿真”技术。

说白了,本体的实时状态,还有外界环境条件,都会复现到“克隆体”身上。在“智能制造元宇宙”中,不仅是外界的环境条件会复现到“克隆体”中,同时“克隆体”的情况也会映射到实物产品,把实物产品运营实际过程中的数据作为输入传到数字孪生模型中,就可以优化实际的产品性能。

这种特性,刚好让“数字孪生”在元宇宙应用场景中,拥有极强的可塑性。

以我国航天为例,今年首次出舱活动的神舟十二号,数字孪生的技术突破在研发中起到了关键性的作用,通过模拟仿真构建一个和飞船一模一样的虚拟模型,让科学家在虚拟太空中进行无数次的模拟飞行,在研发效率和成本控制上达到了新的高度,不仅于此,还可以操作现实中无法进行的实验。

如果把“智能制造元宇宙”比喻成一款RPG游戏,数字孪生扮演的角色就是“游戏引擎”,所有人物、设备、场景都由它进行赋能创建,没有它的模拟仿真技术介入,就很难制作出细腻真实的游戏世界。

在“智能制造元宇宙”的搭建中,数字孪生重要性不言而喻,对关键设备的仿真、建模、分析,再部署传感器实现虚实交融,实时反馈设备信息,不仅数据可追溯、故障点可精确定位,同时也可以远程操控、诊断恢复,当维护人员通过AR/VR检查设备时,简直就相当于在游戏中开了上帝视角。

03、数字孪生实践路径,为制造企业转型赋能

数字孪生实践应用又是什么样的情况呢?

随着智能化浪潮,叠加疫情常态化,今天,产品开始越来越注重个性化,快速迭代的压力不断增长,这对制造业的挑战越来越大,虽然很多企业已加速自身智能化转型步伐,但技术融合过程中,能有的放矢、精准转型,仍然是一个困难重重的过程。

在生产制造过程中,产品验证周期长、依赖实物、工艺灵活度不够一直是制造企业面临的痛点,这些问题也同样困扰过联想.....

几年前,联想开始智能化转型,通过“端-边-云-网-智”全覆盖的新IT架构,将数字孪生技术应用于从销售、计划、采购、生产、交付、服务的各个场景,比如MBD解决方案、数字化工艺解决方案、产品工程化仿真方案、智能仓储解决方案、智能包装解决方案、智能城配路线解决方案、物流网络选址解决方案。

在产品设计的流程中,传统方式中,由于产品设计团队多、跨专业,试制品整合需要大量的时间和精力,联想的MBD解决方案可以充分利用信息系统的优势,将相应单学科设计软件工具的设计图样,集成至PTC的Winchill PLM,形成3D数字化样机。

联想MBD架构图

3D数字化样机具有可视化的特点,可以让设计团队在完整的视图中评审产品,排除问题,简直像上帝视角,这一应用也大幅提高了设计团队的效率和设计品质。

在生产运营流程中,传统方式的研发设计与制造工艺数据分开独立管理运行,这就造成了信息不对称,很容易导致停线、重工、上市推迟等损失。联想打破了从研发到制造的“数据孤岛”,通过建立物理产品的数字映射,基于产品使用过程中产生的数据形成闭环反馈和优化,打造了数字化工艺解决方案,该方案的应用场景主要包括:

1、研发人员可以实时查看产品在工厂产线的工序工艺等制造信息,一目了然。

2、工厂工艺或制造工程师可以实时查看产品的研发图档、设计要求等研发信息。

3、根据订单配置不同,实时生成对应的最佳工艺序列,以可视化的方式呈现给产线员工。

4、工厂可以实时及时收到变更信息,自动更新产线的可视化工艺。

在生产运营流程中,为了构建从产品设计到生产规划、生产工程、生产执行、服务支持的全价值链数字化体系,联想还有一个产品工程化仿真方案。产品工程化仿真是指物理产品在虚拟空间的数字模型,这个数字模型不仅和现实世界的物理产品形似,能模拟产品的实际运行,还能通过产品在包装过程中反馈的数据,反映产品运行状况,乃至改变产品形态。

在该方案中,产品工程验证阶段,制造工程人员可以通过设计图纸仿真提前发现设计问题并进行研发优化,制造工艺人员能够提前规划产能及设备的布置,在整个产品的生命周期内,制造工程人员还可以通过仿真工具分析问题并找到解决方案。

通过对数字孪生仿真工具的使用,该方案能切实为企业带来从研发量产周期、到生产效率、再到产品质量的全方位提升。比如,缩短10-20%的上市时间,制造效率提升10-20%,制造成本降低10-20%,质量提升15-20%。

联想产品形态繁多,各种类的产品随着功能的扩展,带来制造过程的复杂。同时,联想还面临高成本压力下的高质量需求,新材料的使用、不断更新的零部件、人力成本的攀升产生成本压力,同时客户对产品质量的要求逐步提高。

产品更新换代的加速造成新产品的生命周期不断缩短,需要在较短的产品生命周期内保障足够的产能。这其中还包括定制机型与个性化需求要求产线具备柔性制造的能力。

为了应对以上挑战,联想探索出了制造过程仿真解决方案可以应用于以下场景:

场景一,在工厂/仓库/产线还处于设计阶段,没有实体设备时,通过建立数字化的仿真模型,可验证设计方案中流程、产线和设备结构的合理性,发现潜在问题,并针对性地提出改进建议。

场景二,对于已建成准备投产的工厂/仓库/产线,可建立对应的仿真模型,模拟运行产品生产流程,验证产能,发现瓶颈,优化流程。

场景三,在现有的产线上进行生产订单切换、新产品投产等生产变动之前,可以通过仿真验证是否会对产能及交付时效性产生影响。

人机因仿真

尤其是在新品导入时,联想通过数字模型验证和仿真技术,来解决样品装配,避免试投才发现问题。这样做的效果,是我们可以提前2-3周发现并解决20%的问题,这就大大加速了新品导入过程,而且保证了量产时的质量水平。

更值得一提的是,数字孪生不仅能够单独赋能,去年联想还结合物联网(IOT)技术,在工厂试点虚拟工厂,由数字工艺平台直接向产线发布调整工艺,根据产品配置、人力情况,灵活调整生产情况;并采集设备和人工操作数据,全面监控生产,让一条线每年可节约125小时以上的换线时间。

在“智能制造元宇宙”的展望里,这仅仅是一个开始。随着联想对数字孪生技术的深入理解,这些代表了未来的新技术正在不断推广、应用到新产品、新工厂。长远的未来里,元宇宙也将携着数以亿计的实体设备,让万物皆可“数字孪生”。