據(jù)悉，在數(shù)字孿生體的構(gòu)建和應(yīng)用過程中，物理對象和其數(shù)字孿生體之間，存在著海量的實時數(shù)據(jù)交互。數(shù)字孿生體應(yīng)用程度和通信網(wǎng)絡(luò)的支撐是相互促進和提升的關(guān)系。例如對于生產(chǎn)裝備或無人駕駛汽車的實時控制，就對通信網(wǎng)絡(luò)的延時和可靠性提出很高要求，而數(shù)字孿生體同時又是5G等高標準通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要場景。
01、5G三大應(yīng)用場景
來源：數(shù)字孿生體實驗室原創(chuàng)
作者：丁杰
所謂5G就是第五代通信技術(shù)。2015年9月，國際電信聯(lián)盟ITU正式確認了5G的三大應(yīng)用場景，分別是eMMB，uRLLC和mMTC。
eMBB，是Enhance Mobile Broadband，增強型移動寬帶。這種場景就是現(xiàn)在人們使用的移動寬帶（移動上網(wǎng)）的升級版，主要是服務(wù)于消費互聯(lián)網(wǎng)的需求。在這種場景下，強調(diào)的是網(wǎng)絡(luò)的帶寬（速率）。
uRLLC，是Ultra Reliable&Low Latency Communication，低時延、高可靠通信。這主要是服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)場景的。例如車聯(lián)網(wǎng)、無人機、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。在這類場景下，對網(wǎng)絡(luò)的時延有很高的需求。
mMTC，是Massive Machine Type Communication，海量物聯(lián)網(wǎng)通信。這個也是典型的物聯(lián)網(wǎng)場景。例如智能井蓋、智能路燈、智能水表電表等，在單位面積內(nèi)有大量的終端，需要網(wǎng)絡(luò)能夠支持這些終端同時接入，指的就是mMTC場景。
這三大應(yīng)用場景，只有一個是主要為人聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的，另外兩個都是主要為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的，所以說5G的物聯(lián)網(wǎng)屬性要強于人聯(lián)網(wǎng)屬性。
02智慧工廠實踐案例
5G和數(shù)字孿生體結(jié)合催生
網(wǎng)絡(luò)化自適應(yīng)智慧工廠的實踐案例
5G與數(shù)字孿生體應(yīng)用的結(jié)合，在數(shù)字孿生生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)、城市和戰(zhàn)場等方面，具有廣泛的結(jié)合點和發(fā)展空間，國內(nèi)外正處于起步和快速發(fā)展階段。我們以位于德國亞琛的“歐洲5G工業(yè)園區(qū)”實踐為例，看兩者在生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的結(jié)合點和發(fā)展趨勢。
園區(qū)同步引入了數(shù)字孿生體、增材制造等面向未來的數(shù)字化技術(shù)和制造工藝裝備，正在創(chuàng)建一個全球范圍內(nèi)獨特的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。這些設(shè)施配備了最先進的IT和生產(chǎn)系統(tǒng)，因此提供了獨特的基礎(chǔ)架構(gòu)，以研究、開發(fā)基于5G、融入數(shù)字孿生體和增材制造的新一代工業(yè)4.0技術(shù)。
03園區(qū)典型研究領(lǐng)域
產(chǎn)品全生命周期中的數(shù)字孿生
每個產(chǎn)品的所有生產(chǎn)和傳感器數(shù)據(jù)都分別保存在數(shù)字孿生體中，因此包含了完整的生產(chǎn)歷史。
其中的挑戰(zhàn)是伴隨零件加工和移動、組裝過程的數(shù)據(jù)采集和傳輸，為每個記錄的數(shù)據(jù)記錄添加明確的位置和時間參考，以便可以正確分配各種傳感器數(shù)據(jù)；例如車間溫度，機器振動或設(shè)置的過程工藝參數(shù)。在發(fā)生質(zhì)量問題或故障的情況下，可以追溯加工過程中錯誤發(fā)生的具體信息。
渦輪零件的批量生產(chǎn)
通過使用實時制造數(shù)據(jù)，在渦輪零件的批量生產(chǎn)中實現(xiàn)更經(jīng)濟的過程數(shù)據(jù)鏈，數(shù)據(jù)通過標準化接口收集，并且在整個過程鏈中都可用，以進行仿真和記錄。
研究人員開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)噪聲的無線傳感器，可檢測刀具與材料的接觸，刀具的磨損或破損，并可以預(yù)警和觸發(fā)設(shè)備保護。不僅如此，研究人員還創(chuàng)建了一個多傳感器平臺，該平臺獲得加工加速度、切削力、加工溫度、工作扭矩等數(shù)據(jù)。為信息提供時間戳，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理并通過5G傳輸。
融入了5G智能傳感技術(shù)的增減材制造裝備（源自3D科學(xué)谷）
燃氣輪機葉片的制造和維修
對于燃氣輪機葉片的制造和維修，使用了特定應(yīng)用的虛擬計劃工具，例如用于增減材制造和維修過程的過程仿真和過程鏈重新配置。通過在過程中詳細記錄實際數(shù)據(jù)，可以通過優(yōu)化的計劃工具確保數(shù)據(jù)一致性和計劃的透明性。
增減材制造和燃氣輪機使用現(xiàn)場產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)進行傳輸和記錄，通過數(shù)字孿生體所內(nèi)置的模型和算法進行動態(tài)仿真，實現(xiàn)預(yù)測性維護。
自適應(yīng)過程鏈的可預(yù)測性
基于數(shù)字孿生體過程鏈模型的仿真，可以為制造的決策過程和產(chǎn)品優(yōu)化提供重要信息。軟件可以識別并考慮到制造過程中的緊急情況，即使在實際制造第一個組件之前，過程計劃者也可以實現(xiàn)高度的工藝優(yōu)化。
基于5G高速傳輸，真實數(shù)據(jù)與相關(guān)模擬的不斷比較有助于不斷改進模型，從而最終改善產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。
模具制造過程中的預(yù)測鏈設(shè)計
模具制造的不同過程鏈構(gòu)成了評估持續(xù)時間、組件質(zhì)量和制造成本的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上使過程鏈計劃適應(yīng)不同的制造條件，可以更好地預(yù)測制造結(jié)果和調(diào)整優(yōu)化。
電池模塊的靈活設(shè)計和生產(chǎn)
在電池模塊的自適應(yīng)生產(chǎn)中，考慮了給定的限制，例如安裝空間、重量和電氣特性（能量和功率等）。
激光束焊接被用作連接器元件的制造過程中，在過程中獲得的信息和數(shù)據(jù)在早期就被納入電池模塊的設(shè)計中。
集成的技術(shù)和配置應(yīng)用程序為用戶提供系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)計，所有這些都可以基于5G的數(shù)字方式來實現(xiàn)。
邊緣云實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化自適應(yīng)生產(chǎn)
ICNAP的核心是“智能制造網(wǎng)絡(luò)”，在該網(wǎng)絡(luò)中，機器、生產(chǎn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和仿真系統(tǒng)是相互通信的，并在云中提供其數(shù)據(jù)和服務(wù)。
除了常見的可商購的云體系結(jié)構(gòu)之外，F(xiàn)raunhofer為生產(chǎn)應(yīng)用開發(fā)了獨立安全的云系統(tǒng)“Virtual Fort Knox”。通過5G網(wǎng)絡(luò)和移動設(shè)備連接到流程，并且可以直接與所有子系統(tǒng)交互，控制它們或查詢數(shù)據(jù)。
Fraunhofer Virtual Fort Knox云平臺
利用這樣的分散和模塊化系統(tǒng)，可以快速、經(jīng)濟高效地計劃、執(zhí)行、監(jiān)視和配置制造過程和過程鏈。這種網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建了適用于個性化生產(chǎn)的適應(yīng)性系統(tǒng)，從設(shè)計到回收，幾乎完整虛擬表示了整個生產(chǎn)鏈中各個流程和流程的狀態(tài)。
通過邊緣云技術(shù)將數(shù)據(jù)實現(xiàn)雙向傳輸，一個方向傳輸?shù)綄嶋H加工場景中進行加工過程干涉，另外一個方面?zhèn)鬏數(shù)綌?shù)字孿生體系統(tǒng)中，使得數(shù)字孿生體實現(xiàn)更為精準的過程預(yù)測。在此過程中，允許用戶在過程中進行交互。通過5G進行通信的可實現(xiàn)性和高帶寬，可以實現(xiàn)更好的AR內(nèi)容質(zhì)量以及與機器的人機交互性。
