5G賦能數(shù)字孿生體應(yīng)用的價(jià)值、路徑與案例
5G是支撐數(shù)字孿生體
虛實(shí)互動(dòng)的重要基礎(chǔ)
安世亞太對(duì)于數(shù)字孿生體的定義是：現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺?shí)體對(duì)象的數(shù)字模型，通過實(shí)測(cè)、仿真和數(shù)據(jù)分析來實(shí)時(shí)感知、診斷、預(yù)測(cè)物理實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實(shí)體對(duì)象的行為，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進(jìn)化自身，同時(shí)改進(jìn)利益相關(guān)方在物理實(shí)體對(duì)象生命周期內(nèi)的決策。
數(shù)字孿生體參考架構(gòu)及其生命特征（源自安世亞太）
在數(shù)字孿生體的構(gòu)建和應(yīng)用過程中，物理對(duì)象和其數(shù)字孿生體之間，存在著海量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。
安世亞太《數(shù)字孿生體技術(shù)白皮書》所提出的參考架構(gòu)及其生命特征的表述中，將這一過程比喻為人體和外界環(huán)境的互動(dòng)，傳入神經(jīng)和傳出神經(jīng)隨時(shí)傳輸著各種感知信息和控制指令。而在數(shù)字孿生體應(yīng)用中，通信網(wǎng)絡(luò)則同樣起著人體神經(jīng)系統(tǒng)的作用。
神經(jīng)末梢的廣泛度、神經(jīng)傳輸速度、信號(hào)傳輸過程中阻塞程度等一系列因素影響著人體的靈活性和敏捷度，所以有人身手矯健，有人老態(tài)龍鐘。醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)還對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的評(píng)估提出了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，例如美國國立衛(wèi)生院的神經(jīng)功能缺損評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)NIHSS、格拉斯哥昏迷評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)GCS等。
在數(shù)字孿生體應(yīng)用中，不同應(yīng)用場景對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆植脊?jié)點(diǎn)數(shù)量、可移動(dòng)性、傳輸帶寬、延時(shí)、損耗等也存在不同的要求。通信行業(yè)也陸續(xù)提出了一些標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)價(jià)，例如用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端延時(shí)、移動(dòng)性、流量密度、用戶峰值速率、能源效率等。
有意思的是，神經(jīng)系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)兩者的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間，存在很多共性的東西。
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(jìn)和提升的關(guān)系。例如對(duì)于生產(chǎn)裝備或無人駕駛汽車的實(shí)時(shí)控制，就對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)和可靠性提出很高要求，而數(shù)字孿生體同時(shí)又是5G等高標(biāo)準(zhǔn)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要場景。
5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)和對(duì)數(shù)字孿生體應(yīng)用的支撐
?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(rèn)了5G的三大應(yīng)用場景，分別是 eMMB ， uRLLC 和 mMTC 。
ITU確定的5G三大應(yīng)用場景
（源自信通院《5G經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響》）
eMBB，是Enhance Mobile Broadband，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶。這種場景就是現(xiàn)在人們使用的移動(dòng)寬帶（移動(dòng)上網(wǎng)）的升級(jí)版，主要是服務(wù)于消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)的需求。在這種場景下，強(qiáng)調(diào)的是網(wǎng)絡(luò)的帶寬（?速率?）。
uRLLC，是Ultra Reliable & Low Latency Communication，低時(shí)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(jī)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。在這類場景下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延有很高的需求。例如車聯(lián)網(wǎng)，如果時(shí)延較長，網(wǎng)絡(luò)無法在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)，就有可能發(fā)生嚴(yán)重的交通事故，甚至危害人身安全。這類場景對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求也很高。
mMTC，是Massive Machine Type Communication，海量物聯(lián)網(wǎng)通信。這個(gè)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(shí)接入，指的就是mMTC場景。
這三大應(yīng)用場景，只有一個(gè)是主要為人聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的，另外兩個(gè)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(qiáng)于人聯(lián)網(wǎng)屬性。
數(shù)字孿生體的應(yīng)用廣泛，包括數(shù)字孿生生產(chǎn)、數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)、數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生戰(zhàn)場等方方面面，同時(shí)對(duì)5G的三大應(yīng)用場景產(chǎn)生了需求。
首先，數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)必然是海量終端的雙向互聯(lián)（mMTC），數(shù)據(jù)采集和操作控制；其次，數(shù)字孿生體應(yīng)用的重要作用是將虛擬世界中模擬、仿真輸出的結(jié)果和控制指令反饋傳輸?shù)轿锢斫K端加以控制，其中時(shí)效性和可靠性保障是基礎(chǔ)（uRLLC）；另外，如何去有效洞察和控制數(shù)字孿生體這一虛擬世界的人機(jī)交互方面，VR、AR和圖像識(shí)別等技術(shù)將成為一種重要的手段，同樣需要網(wǎng)絡(luò)大帶寬傳輸?shù)闹С郑╡MBB）。
值得注意的是，這三大應(yīng)用場景并不是指三種不同的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)只有一張，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只有一種，就是5G。5G將采用網(wǎng)絡(luò)切片等方式，使一張網(wǎng)絡(luò)同時(shí)為不同的用戶提供服務(wù)。也就是說，5G 不是多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的合集（如3G，包括了WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA），而是整合了多種關(guān)鍵技術(shù)于一身的、真正意義上的融合網(wǎng)絡(luò)。在數(shù)字孿生體不同的應(yīng)用場景下，動(dòng)態(tài)切換和調(diào)整。
通信技術(shù)發(fā)展規(guī)律和5G賦能
數(shù)字孿生體應(yīng)用的路徑
在通信行業(yè)里有個(gè)規(guī)律，大約每10年就會(huì)發(fā)布一種新的無線移動(dòng)通信技術(shù)，可謂“十年一G”。而每一代技術(shù)出現(xiàn)，大約要經(jīng)過3年的“產(chǎn)業(yè)鏈完善”階段，3年的“與其他技術(shù)和產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展”階段，然后進(jìn)入到大家所能感知到的“改變社會(huì)”階段。
回顧一下歷史，新的信息技術(shù)催生了新產(chǎn)業(yè)、新模式、新業(yè)態(tài)。
2G是1991年開始商用的，中國是1994年開始使用，1992年有了***，2003年有了QQ，2004年有了支付寶。2009年是我國的3G元年，3G商用以后出現(xiàn)了智能手機(jī)、移動(dòng)電子商務(wù)、微博、美團(tuán)、微信等。2014年是中國4G商用元年，4G使用之后有了直播、外賣、共享經(jīng)濟(jì)、零工經(jīng)濟(jì)、新零售、無接觸配送、互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療、線上教育、共享員工、遠(yuǎn)程辦公、“宅經(jīng)濟(jì)”等新業(yè)態(tài)。
歷代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演變（源自數(shù)字經(jīng)濟(jì)學(xué)家論壇）
在1G-5G的發(fā)展歷程中，中國移動(dòng)通信行業(yè)從1G落后、2G追隨，到3G突破、4G同步，5G時(shí)代中國將引領(lǐng)時(shí)代潮流。
2019年10月31日，我國的三大運(yùn)營商宣布啟動(dòng)5G技術(shù)，到現(xiàn)在整整一年，還處在“產(chǎn)業(yè)鏈”完善階段。
4G改變生活，我們已經(jīng)有了切身體會(huì)。5G如何改變社會(huì)，大家都在討論，部分領(lǐng)域已開始實(shí)踐。
5G賦能數(shù)字孿生體應(yīng)用的路徑，將通過4C來“構(gòu)建萬物互聯(lián)的智能世界”（華為提出）。第一個(gè)C是Connection連接，物理世界與數(shù)字世界的海量連接；第二個(gè)C是Control控制，物理世界和數(shù)字世界的雙向感知和控制；第三個(gè)C是Convergence融合，5G與數(shù)字孿生體技術(shù)的融合，在感知和控制的基礎(chǔ)上，還可以建模、仿真、預(yù)測(cè)，乃至虛實(shí)“共智”；第四個(gè)C是Create創(chuàng)造，催生新產(chǎn)品、新模式、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)，從而創(chuàng)造巨大的價(jià)值。
可以看到，該路徑與數(shù)字孿生體應(yīng)用和進(jìn)化的成熟度模型是如此不謀而合。
數(shù)字孿生體成熟度模型（源自安世亞太）
數(shù)字孿生體進(jìn)化論（源自安世亞太）
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(shí)踐案例
如前所述，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(diǎn)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(shí)踐為例，看兩者在生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的結(jié)合點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。
2020年初，德國弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所IPT和瑞典移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商愛立信共同開發(fā)了“歐洲5G工業(yè)園區(qū)”的概念，這實(shí)際上是第一個(gè)全面的5G工業(yè)應(yīng)用研究網(wǎng)絡(luò)。
歐洲5G工業(yè)園區(qū)項(xiàng)目啟動(dòng)（源自3D科學(xué)谷）
園區(qū)于2020年5月12日啟動(dòng)了5G網(wǎng)絡(luò)，通過將近1平方公里的面積，19根5G天線和每秒10G比特的帶寬，園區(qū)運(yùn)行著歐洲最大的5G研究網(wǎng)絡(luò)。
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(gè)全球范圍內(nèi)獨(dú)特的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。這些設(shè)施配備了先進(jìn)的IT和生產(chǎn)系統(tǒng)，因此提供了獨(dú)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)。
那么5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字孿生體和增材制造三者為制造業(yè)帶來的革新價(jià)值究竟是什么，結(jié)論是Networked Adaptive Production（網(wǎng)絡(luò)化自適應(yīng)生產(chǎn)），使生產(chǎn)復(fù)雜和批量個(gè)性化產(chǎn)品的價(jià)值鏈比以前更加靈活和高效。
歐洲5G工業(yè)園成立了ICNAP（網(wǎng)絡(luò)化自適應(yīng)生產(chǎn)國際中心），以亞琛弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所IPT，亞琛弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所ILT以及分子生物學(xué)和應(yīng)用生態(tài)學(xué)IME的三個(gè)研究所為中心，通過與其他專家合作，以找出哪些新技術(shù)和解決方案可以真正過渡到工業(yè)4.0自適應(yīng)生產(chǎn)的真實(shí)應(yīng)用場景。
目前ICNAP（網(wǎng)絡(luò)化自適應(yīng)生產(chǎn)國際中心）的合作單位包括如下：
ICNAP網(wǎng)絡(luò)化自適應(yīng)生產(chǎn)國際中心的合作單位
（源自Fraunhofer IPT）
依托ICNAP自適應(yīng)生產(chǎn)國際中心，三家弗勞恩霍夫研究所（Fraunhofer IPT、ILT、IME)與知名的工業(yè)合作伙伴共同開發(fā)了工業(yè)4.0方面的生產(chǎn)系統(tǒng)和價(jià)值鏈評(píng)價(jià)體系，并根據(jù)特定的制造任務(wù)在園區(qū)進(jìn)行開發(fā)與驗(yàn)證工作。
從網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)生產(chǎn)的目標(biāo)出發(fā)，我們就不難理解歐洲5G工業(yè)園的核心技術(shù)，其中包括：用于監(jiān)視和控制高度復(fù)雜制造過程的5G無線傳感器、增減材分布式制造控制與干預(yù)、區(qū)塊鏈、邊緣云計(jì)算，數(shù)字孿生體技術(shù)等。
制造業(yè)工廠將搭載5G、數(shù)字孿生體和增材制造所帶來的神奇翅膀，完成一次嶄新的升級(jí)?？梢酝ㄟ^云端發(fā)出指令，進(jìn)行加工過程中的自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)真正意義上的自適應(yīng)制造模式的工業(yè)4.0。如下圖所示。
網(wǎng)絡(luò)化自適應(yīng)制造生產(chǎn)模式（源自3D科學(xué)谷）
園區(qū)開展中的一些典型研究領(lǐng)域如下：
▌產(chǎn)品全生命周期中的數(shù)字孿生
? ?每個(gè)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(dòng)、組裝過程的數(shù)據(jù)采集和傳輸，為每個(gè)記錄的數(shù)據(jù)記錄添加明確的位置和時(shí)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(jī)器振動(dòng)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(cuò)誤發(fā)生的具體信息。
1、渦輪零件的批量生產(chǎn)
通過使用實(shí)時(shí)制造數(shù)據(jù)，在渦輪零件的批量生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)的過程數(shù)據(jù)鏈，數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)化接口收集，并且在整個(gè)過程鏈中都可用，以進(jìn)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(cè)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(hù)。
不僅如此，研究人員還創(chuàng)建了一個(gè)多傳感器平臺(tái)，該平臺(tái)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(shí)間戳，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并通過5G傳輸。
傳感器可以安裝在部件上或托盤上，從而與工件一起在整個(gè)生產(chǎn)過程中移動(dòng)。這樣，就可以記錄整個(gè)過程鏈中的所有相關(guān)影響因素，這是創(chuàng)建單個(gè)組件的數(shù)字孿生的重要前提，對(duì)AI人工智能應(yīng)用具有決定性的作用。
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）
2、燃?xì)廨啓C(jī)葉片的制造和維修
對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)葉片的制造和維修，使用了特定應(yīng)用的虛擬計(jì)劃工具，例如用于增減材制造和維修過程（例如銑削CNC和激光金屬沉積金屬3D打印技術(shù)LMD）的過程仿真和過程鏈重新配置。通過在過程中詳細(xì)記錄實(shí)際數(shù)據(jù)，可以通過優(yōu)化的計(jì)劃工具確保數(shù)據(jù)一致性和計(jì)劃的透明性。
增減材制造和燃?xì)廨啓C(jī)使用現(xiàn)場產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。
▌自適應(yīng)過程鏈的可預(yù)測(cè)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(shí)別并考慮到制造過程中的緊急情況，即使在實(shí)際制造第一個(gè)組件之前，過程計(jì)劃者也可以實(shí)現(xiàn)高度的工藝優(yōu)化。基于5G高速傳輸，真實(shí)數(shù)據(jù)與相關(guān)模擬的不斷比較有助于不斷改進(jìn)模型，從而最終改善產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。
1、模具制造過程中的預(yù)測(cè)鏈設(shè)計(jì)
模具制造的不同過程鏈構(gòu)成了評(píng)估持續(xù)時(shí)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(jì)劃適應(yīng)不同的制造條件，可以更好地預(yù)測(cè)制造結(jié)果和調(diào)整優(yōu)化。
2、電池模塊的靈活設(shè)計(jì)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(jì)中。集成的技術(shù)和配置應(yīng)用程序?yàn)橛脩籼峁┫到y(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)，所有這些都可以基于5G的數(shù)字方式來實(shí)現(xiàn)。
▌邊緣云實(shí)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(jī)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(dú)立安全的云系統(tǒng)“ Virtual Fort Knox”。通過5G網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)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(tái)
（源自Fraunhofer IPT）
利用這樣的分散和模塊化系統(tǒng)，可以快速、經(jīng)濟(jì)高效地計(jì)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(gè)性化生產(chǎn)的適應(yīng)性系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)到回收，幾乎完整虛擬表示了整個(gè)生產(chǎn)鏈中各個(gè)流程和流程的狀態(tài)。
通過邊緣云技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，一個(gè)方向傳輸?shù)綄?shí)際加工場景中進(jìn)行加工過程干涉，另外一個(gè)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(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的過程預(yù)測(cè)。
在此過程中，允許用戶在過程中進(jìn)行交互。通過5G進(jìn)行通信的可實(shí)現(xiàn)性和高帶寬，可以實(shí)現(xiàn)更好的AR內(nèi)容質(zhì)量以及與機(jī)器的人機(jī)交互性。
總體來說，歐洲5G工業(yè)園與ICNAP所開展的工作，是將5G海量高密度數(shù)據(jù)的傳輸能力與數(shù)字孿生體、增材制造等技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)生產(chǎn)的目標(biāo)奠定了研究和示范的框架基礎(chǔ)，值得我們關(guān)注和借鑒參考。
