5G賦能數字孿生體應用的價值、路徑與案例
5G是支撐數字孿生體
虛實互動的重要基礎
安世亞太對于數字孿生體的定義是：現(xiàn)有或將有的物理實體對象的數字模型，通過實測、仿真和數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調控物理實體對象的行為，通過相關數字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關方在物理實體對象生命周期內的決策。
數字孿生體參考架構及其生命特征（源自安世亞太）
在數字孿生體的構建和應用過程中，物理對象和其數字孿生體之間，存在著海量的實時數據交互。
安世亞太《數字孿生體技術白皮書》所提出的參考架構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，傳入神經和傳出神經隨時傳輸著各種感知信息和控制指令。而在數字孿生體應用中，通信網絡則同樣起著人體神經系統(tǒng)的作用。
神經末梢的廣泛度、神經傳輸速度、信號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)學機構還對神經系統(tǒng)的評估提出了一系列的標準，例如美國國立衛(wèi)生院的神經功能缺損評分標準NIHSS、格拉斯哥昏迷評分標準GCS等。
在數字孿生體應用中，不同應用場景對數據傳輸的分布節(jié)點數量、可移動性、傳輸帶寬、延時、損耗等也存在不同的要求。通信行業(yè)也陸續(xù)提出了一些標準來對通信網絡進行評價，例如用戶體驗速率、連接數密度、端到端延時、移動性、流量密度、用戶峰值速率、能源效率等。
有意思的是，神經系統(tǒng)和通信網絡兩者的評價標準之間，存在很多共性的東西。
數字孿生體應用程度和通信網絡的支撐是相互促進和提升的關系。例如對于生產裝備或無人駕駛汽車的實時控制，就對通信網絡的延時和可靠性提出很高要求，而數字孿生體同時又是5G等高標準通信網絡應用的重要場景。
5G技術優(yōu)勢和對數字孿生體應用的支撐
?所謂5G就是第五代通信技術。2015年9月，國際電信聯(lián)盟ITU正式確認了5G的三大應用場景，分別是 eMMB ， uRLLC 和 mMTC 。
ITU確定的5G三大應用場景
（源自信通院《5G經濟社會影響》）
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）的升級版，主要是服務于消費互聯(lián)網的需求。在這種場景下，強調的是網絡的帶寬（?速率?）。
uRLLC，是Ultra Reliable & Low Latency Communication，低時延、高可靠通信。這主要是服務于物聯(lián)網場景的。例如車聯(lián)網、無人機、工業(yè)互聯(lián)網等。在這類場景下，對網絡的時延有很高的需求。例如車聯(lián)網，如果時延較長，網絡無法在極短時間內對數據進行響應，就有可能發(fā)生嚴重的交通事故，甚至危害人身安全。這類場景對網絡可靠性的要求也很高。
mMTC，是Massive Machine Type Communication，海量物聯(lián)網通信。這個也是典型的物聯(lián)網場景。例如智能井蓋、智能路燈、智能水表電表等，在單位面積內有大量的終端，需要網絡能夠支持這些終端同時接入，指的就是mMTC場景。
這三大應用場景，只有一個是主要為人聯(lián)網服務的，另外兩個都是主要為物聯(lián)網服務的，所以說5G的物聯(lián)網屬性要強于人聯(lián)網屬性。
數字孿生體的應用廣泛，包括數字孿生生產、數字孿生產業(yè)、數字孿生城市、數字孿生戰(zhàn)場等方方面面，同時對5G的三大應用場景產生了需求。
首先，數字孿生體的基礎必然是海量終端的雙向互聯(lián)（mMTC），數據采集和操作控制；其次，數字孿生體應用的重要作用是將虛擬世界中模擬、仿真輸出的結果和控制指令反饋傳輸到物理終端加以控制，其中時效性和可靠性保障是基礎（uRLLC）；另外，如何去有效洞察和控制數字孿生體這一虛擬世界的人機交互方面，VR、AR和圖像識別等技術將成為一種重要的手段，同樣需要網絡大帶寬傳輸的支持（eMBB）。
值得注意的是，這三大應用場景并不是指三種不同的網絡。網絡只有一張，技術標準只有一種，就是5G。5G將采用網絡切片等方式，使一張網絡同時為不同的用戶提供服務。也就是說，5G 不是多種技術標準的合集（如3G，包括了WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA），而是整合了多種關鍵技術于一身的、真正意義上的融合網絡。在數字孿生體不同的應用場景下，動態(tài)切換和調整。
通信技術發(fā)展規(guī)律和5G賦能
數字孿生體應用的路徑
在通信行業(yè)里有個規(guī)律，大約每10年就會發(fā)布一種新的無線移動通信技術，可謂“十年一G”。而每一代技術出現(xiàn)，大約要經過3年的“產業(yè)鏈完善”階段，3年的“與其他技術和產業(yè)融合發(fā)展”階段，然后進入到大家所能感知到的“改變社會”階段。
回顧一下歷史，新的信息技術催生了新產業(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、移動電子商務、微博、美團、微信等。2014年是中國4G商用元年，4G使用之后有了直播、外賣、共享經濟、零工經濟、新零售、無接觸配送、互聯(lián)網醫(yī)療、線上教育、共享員工、遠程辦公、“宅經濟”等新業(yè)態(tài)。
歷代移動網絡技術的演變（源自數字經濟學家論壇）
在1G-5G的發(fā)展歷程中，中國移動通信行業(yè)從1G落后、2G追隨，到3G突破、4G同步，5G時代中國將引領時代潮流。
2019年10月31日，我國的三大運營商宣布啟動5G技術，到現(xiàn)在整整一年，還處在“產業(yè)鏈”完善階段。
4G改變生活，我們已經有了切身體會。5G如何改變社會，大家都在討論，部分領域已開始實踐。
5G賦能數字孿生體應用的路徑，將通過4C來“構建萬物互聯(lián)的智能世界”（華為提出）。第一個C是Connection連接，物理世界與數字世界的海量連接；第二個C是Control控制，物理世界和數字世界的雙向感知和控制；第三個C是Convergence融合，5G與數字孿生體技術的融合，在感知和控制的基礎上，還可以建模、仿真、預測，乃至虛實“共智”；第四個C是Create創(chuàng)造，催生新產品、新模式、新業(yè)態(tài)、新產業(yè)，從而創(chuàng)造巨大的價值。
可以看到，該路徑與數字孿生體應用和進化的成熟度模型是如此不謀而合。
數字孿生體成熟度模型（源自安世亞太）
數字孿生體進化論（源自安世亞太）
5G和數字孿生體結合催生
網絡化自適應智慧工廠的實踐案例
如前所述，5G與數字孿生體應用的結合，在數字孿生生產、產業(yè)、城市和戰(zhàn)場等方面，具有廣泛的結合點和發(fā)展空間，國內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，看兩者在生產和產業(yè)領域的結合點和發(fā)展趨勢。
2020年初，德國弗勞恩霍夫生產技術研究所IPT和瑞典移動網絡供應商愛立信共同開發(fā)了“歐洲5G工業(yè)園區(qū)”的概念，這實際上是第一個全面的5G工業(yè)應用研究網絡。
歐洲5G工業(yè)園區(qū)項目啟動（源自3D科學谷）
園區(qū)于2020年5月12日啟動了5G網絡，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)運行著歐洲最大的5G研究網絡。
園區(qū)同步引入了數字孿生體、增材制造等面向未來的數字化技術和制造工藝裝備，正在創(chuàng)建一個全球范圍內獨特的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。這些設施配備了先進的IT和生產系統(tǒng)，因此提供了獨特的基礎架構，以研究、開發(fā)基于5G、融入數字孿生體和增材制造的新一代工業(yè)4.0技術。
那么5G網絡、數字孿生體和增材制造三者為制造業(yè)帶來的革新價值究竟是什么，結論是Networked Adaptive Production（網絡化自適應生產），使生產復雜和批量個性化產品的價值鏈比以前更加靈活和高效。
歐洲5G工業(yè)園成立了ICNAP（網絡化自適應生產國際中心），以亞琛弗勞恩霍夫生產技術研究所IPT，亞琛弗勞恩霍夫激光技術研究所ILT以及分子生物學和應用生態(tài)學IME的三個研究所為中心，通過與其他專家合作，以找出哪些新技術和解決方案可以真正過渡到工業(yè)4.0自適應生產的真實應用場景。
目前ICNAP（網絡化自適應生產國際中心）的合作單位包括如下：
ICNAP網絡化自適應生產國際中心的合作單位
（源自Fraunhofer IPT）
依托ICNAP自適應生產國際中心，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方面的生產系統(tǒng)和價值鏈評價體系，并根據特定的制造任務在園區(qū)進行開發(fā)與驗證工作。
從網絡自適應生產的目標出發(fā)，我們就不難理解歐洲5G工業(yè)園的核心技術，其中包括：用于監(jiān)視和控制高度復雜制造過程的5G無線傳感器、增減材分布式制造控制與干預、區(qū)塊鏈、邊緣云計算，數字孿生體技術等。
制造業(yè)工廠將搭載5G、數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?？梢酝ㄟ^云端發(fā)出指令，進行加工過程中的自適應調整，實現(xiàn)真正意義上的自適應制造模式的工業(yè)4.0。如下圖所示。
網絡化自適應制造生產模式（源自3D科學谷）
園區(qū)開展中的一些典型研究領域如下：
▌產品全生命周期中的數字孿生
? ?每個產品的所有生產和傳感器數據都分別保存在數字孿生體中，因此包含了完整的生產歷史。其中的挑戰(zhàn)是伴隨零件加工和移動、組裝過程的數據采集和傳輸，為每個記錄的數據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據，例如車間溫度，機器振動或設置的過程工藝參數。在發(fā)生質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。
1、渦輪零件的批量生產
通過使用實時制造數據，在渦輪零件的批量生產中實現(xiàn)更經濟的過程數據鏈，數據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)了一種結構噪聲的無線傳感器，可檢測刀具與材料的接觸，刀具的磨損或破損，并可以預警和觸發(fā)設備保護。
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、工作扭矩等數據。為信息提供時間戳，對數據進行預處理并通過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生產過程中移動。這樣，就可以記錄整個過程鏈中的所有相關影響因素，這是創(chuàng)建單個組件的數字孿生的重要前提，對AI人工智能應用具有決定性的作用。
融入了5G智能傳感技術的增減材制造裝備（源自3D科學谷）
2、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，使用了特定應用的虛擬計劃工具，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LMD）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據，可以通過優(yōu)化的計劃工具確保數據一致性和計劃的透明性。
增減材制造和燃氣輪機使用現(xiàn)場產生的大量數據，通過5G網絡進行傳輸和記錄，通過數字孿生體所內置的模型和算法進行動態(tài)仿真，實現(xiàn)預測性維護。
▌自適應過程鏈的可預測性
? ?基于數字孿生體過程鏈模型的仿真，可以為制造的決策過程和產品優(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?；?G高速傳輸，真實數據與相關模擬的不斷比較有助于不斷改進模型，從而最終改善產品的質量和性能。
1、模具制造過程中的預測鏈設計
模具制造的不同過程鏈構成了評估持續(xù)時間、組件質量和制造成本的基礎。在此基礎上使過程鏈計劃適應不同的制造條件，可以更好地預測制造結果和調整優(yōu)化。
2、電池模塊的靈活設計和生產
在電池模塊的自適應生產中，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據在早期就被納入電池模塊的設計中。集成的技術和配置應用程序為用戶提供系統(tǒng)和生產設計，所有這些都可以基于5G的數字方式來實現(xiàn)。
▌邊緣云實現(xiàn)網絡化自適應生產
ICNAP的核心是“智能制造網絡”，在該網絡中，機器、生產系統(tǒng)、數據庫和仿真系統(tǒng)是相互通信的，并在云中提供其數據和服務。
除了常見的可商購的云體系結構之外，F(xiàn)raunhofer為生產應用開發(fā)了獨立安全的云系統(tǒng)“ Virtual Fort Knox”。通過5G網絡和移動設備連接到流程，并且可以直接與所有子系統(tǒng)交互，控制它們或查詢數據。
Fraunhofer ?Virtual Fort Knox云平臺
（源自Fraunhofer IPT）
利用這樣的分散和模塊化系統(tǒng)，可以快速、經濟高效地計劃、執(zhí)行、監(jiān)視和配置制造過程和過程鏈。
這種網絡創(chuàng)建了適用于個性化生產的適應性系統(tǒng)，從設計到回收，幾乎完整虛擬表示了整個生產鏈中各個流程和流程的狀態(tài)。
通過邊緣云技術將數據實現(xiàn)雙向傳輸，一個方向傳輸到實際加工場景中進行加工過程干涉，另外一個方面?zhèn)鬏數綌底謱\生體系統(tǒng)中，使得數字孿生體實現(xiàn)更為精準的過程預測。
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內容質量以及與機器的人機交互性。
總體來說，歐洲5G工業(yè)園與ICNAP所開展的工作，是將5G海量高密度數據的傳輸能力與數字孿生體、增材制造等技術進行了有機結合，為實現(xiàn)網絡自適應生產的目標奠定了研究和示范的框架基礎，值得我們關注和借鑒參考。
