智慧製造的關鍵拼圖!加速「數位分身」實現的創新感測技術

2019.09.26 by
數位書選
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隨著物聯網普及化,感測器無所不在的世界累積的足夠數據,促成智慧分身技術能夠在許多領域發揚光大,實際應用在安全監測、產品設計、數據模擬......等。

「數位分身(digital twin)」是製造業經常聽到的關鍵字,它是將現實世界中的「物品」,忠實重現於數位世界中。

數位分身的物件,經常可以反映實體物品運作時的變化和狀況,呈現個別物品的狀況。從設計到製造、實際運作時的服務,甚至產品廢棄管控等各階段,整個產品的生命週期都可以運用此技術。

編按:繼2018年的《推動世界的100種新技術》,日本權威媒體日經BP社指出,「連結」是未來最重要的趨勢,不同科技間互相融合,國際間的政治經濟文化也逐漸相互串聯,在《連結世界的100種新技術》一書中指出「跨界合作」就能掌握勝利的先機,跨領域科技將改變人類的未來。

當我們聽到「將現實世界裡的物品重現於數位世界」時,通常都會想到以3D-CAD(電腦輔助設計)軟體製作的數位模型(Digital MockUp),不過DMU的用途只是實體模型(MockUp)的替代品,用來協助人員在設計階段討論細節的工具罷了。

2011年在美國太空總署(NASA)發表的論文中,首次出現「數位分身(digital twin)」這個詞彙。

數位分身的未來發展年表。
日經 xTECH(旗標出版)

關於數位分身的提案,是由NASA製作太空探測機和美國空軍飛機的數位虛擬分身,並將飛行記錄的數據隨時反映至虛擬物件上,以掌握機體的毀損狀況,並且還可以模擬、尋找適當的維修方法,以延長機體壽命,讓操作時間達到最久。

若能即時正確掌握各機體的狀況,即可將為確保結構體強度等安全性而設計的「冗餘」降至最低的必要狀態,有助於減輕機體的重量和強化載重能力。(編註:工程學中的「冗餘 redundancy」是指為了提昇系統可靠度、確保結構強度等安全性考量,刻意在機上配置多餘的、重複的零件或功能。)

2011年,當「數位分身」一詞第一次出現在NASA論文中時,IoT和AI技術的應用不如現在發達,但時至去年,情況已經大不相同。

由於IoT的普及,將能蒐集更多現實世界的資料以反映在數位分身上,而AI則在深度學習的加持下,逐漸提升預測的準確度。現在的數位分身可透過雲端服務,更方便地使用高性能的電腦功能。

NASA構想的數位分身之原型。(旗標出版提供)
由《日經製造》雜誌基於NASA的資料製作

數位分身的實際應用三階段

在數位分身的應用實例中,備受矚目的是美國奇異(General Electric,GE)公司,他們有飛機噴射引擎、風力發電用渦輪等客製化接單生產之產業用設備,並將數位分身技術應用於這些設備的故障預兆診斷。

就風力發電渦輪來說,由於會被設置場所的地形影響,因此各渦輪的零件耗損度皆不同。GE就拍下每一片渦輪風扇葉片的表面狀態,將溫度、旋轉頻率套用在影像上,分析葉片的損壞程度,便能在故障前採取適當的措施,以提升產能利用率。前面提到數位分身就是導入實際作業數據,在數位的虛擬世界中重現現實世界的物品,這就是個很好的範例。

風力發電渦輪(左)與其數位分身(右)。
奇異公司(旗標出版提供)

在工廠的生產線上,也開始運用數位分身技術了。GE Healthcare Japan的日野工廠,在醫療用超音波診斷儀器的探頭生產線上運用數位分身,蒐集各種資料,並進行統一管理和監視。藉此掌握生產設備的毀損狀況,在故障前就能判斷更換零件的時機。他們是使用GE的IoT平台「Predix」和其App,來蒐集、分析產業用機器和生產線上的數據。

以下讓我們來整理要導入數位分身所需要的技術。成功運用數位分身的過程,大致上可分為三個階段,每個階段都有其必要的技術。

第一個階段是蒐集現實世界中的資訊,將之反映於數位分身上。在此過程中,會運用到感測器和蒐集感測器數據的IoT技術。

第二個階段就是在數位虛擬世界中,分析數位分身。在此階段中,較重要的是數值模擬(Numerical Simulation)、大數據分析及AI等技術。

第三個階段是將數位分身應用於現實世界,作為機器、生產設備的各種參數,以及安排維修計畫的根據。為了以令人易懂的方式呈現分析結果,則會運用到AR(擴增實境)和MR(混合實境)技術。

零件本身就是感測器

在前文所敘述的第一個階段,有種技術可以支援,那就是透過特殊技術,直接把零件本身變成感測器。其中一個案例,就是德國「舍弗勒(Schaeffler)」公司所研發的「Sensotect 塗料系統」(Sensotect Coating Systems)。

舍弗勒公司是在軸承和軸承架等零件的表面刻蝕線路圖面,然後導入電流。由於通過線路的迴路電阻值,會依零件的變形量改變,因此可測量施加於零件上的力量或扭矩(torque)等。他們在零件表面添加特殊合金塗層,等磨掉塗層後,就會留下所需的線路圖面。

利用Sensotect 塗料系統,增加感測器功能的軸承(左)和軸承架(右)。
舍弗勒(旗標出版提供)

直接把零件變成感測器的技術會受到矚目,是因為可以省去另外安裝感測器來蒐集資料的工程。一般來說,如果在第一階段無法從既有的感測器取得所需的物理量,就必須加裝感測器,或從既有的感測器蒐集到的物理量,去推算出所需的物理量。

安裝感測器會受到空間限制,因此必須追求小型化、輕量化,也必須具備電源和通訊功能,此例將零件直接變成感測器,可說是更方便的選擇。

不用感測器也能掌握輪胎狀態:輪胎感應技術

「住友橡膠工業」研發的感測技術「SENSING CORE」,就是前述「從既有感測器蒐集到的物理量去推算其他物理量」的實例。藉由取得、分析輪胎的轉動訊號,可以偵測輪胎的空氣壓、負荷量、耗損度及路面狀況。不必另外安裝感測器。

在偵測路面狀況時,是利用滑移率(slip ratio)。輪胎即使在煞車狀態(非動摩擦狀態),也會因為彈性變形而產生微小的滑動,加速時,驅動輪和非驅動輪的輪胎,其轉動速度(轉動圈數乘以輪胎的圓周所得到的值)會出現差異。

「SENSING CORE」會將非驅動輪的轉動速度當作車輛速度,將驅動輪轉動速度與車輛速度的差,除以車輛速度後,算出滑移率。

雖然廠商研發SENSING CORE技術,是看準未來的自駕時代,希望提升輪胎附加價值,而非促進數位分身技術的發展;但在過程中他們活用了汽車的數位分身技術,即可不透過感測器而取得輪胎的數據。

數位分身技術適用的PLM軟體

美國軟體服務公司「PTC」(納斯達克股票代碼:PTC)、法國3D軟體服務公司「達梭系統(Dassault Systèmes)」,皆是目前世界上主要的幾家PLM(Product Lifecycle Management,產品生命週期管理)軟體大廠,現在都在擴充其軟體功能,目標是全面適用於數位分身的三個階段。

所謂的PLM產品生命週期管理軟體,是指一套系統,可以管理產品製造過程中所需的CAD數據等產品設計資訊以及BOM(Bill of Material:物料清單),供設計師等相關人員使用,可透過軟體對這類資訊進行編輯或加工。

PTC公司已經在2013年的12月收購了研發IoT平台的「ThingWorx」公司。使用 ThingWorx 這套 IOT平台,可即時取得營造機械和作業機械的運作資訊,並開發出可分析這些資訊的應用程式。PTC公司會將從 ThingWorx 取得的零件資訊,結合PLM軟體的3D數據來運用。

至於達梭系統公司,則使用MES(Manufacturing Execution System,製造執行系統),可同時監視、管理PLM軟體和生產線,並可以依據PLM數據的模擬結果,視狀況彈性變更作業內容,以支援生產線的數位分身技術運用。

當通訊技術進步到克服所有資訊傳輸的速率延遲問題(例如5G),那數位分身與實際物體同步的「虛擬即現實」就不遠了。
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目前數位分身技術仍處於發展階段。從現實世界取得資料、將數據反應在數位分身上,仍然會發生一定的時滯(time lag),因此應該視需求決定應該建立何者的數位分身。

以汽車為例,其零件總數多達數萬個,因此最重要的工作,並非建立「車輛」的數位分身來反映所有零件狀況,而是應該先製作「輪胎」等高消耗度且與安全性有直接關聯的零件之數位分身,以便應用於維修上。

儘管如此,IoT、AI及模擬技術等領域,未來還會持續出現更新的技術,因此數位分身的技術也會越來越精進,達到「充分掌握現實世界分身的相關資訊,忠實重現其狀況」的理想狀態。

本文摘錄、整理自《連結世界的100種新技術》,原作者日經 xTECH 神近博三,〈現實與「數位分身」將翻轉製造業〉P.122-P.131,旗標出版

責任編輯:張庭銉

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