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東華大學(xué)の聞力生教授:デジタル雙子は服裝の知能製造のベースである。

2022/5/10 15:01:00 0

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デジタル、インテリジェント製造、聞力生

中國(guó)服裝インテリジェント製造連盟

専門(mén)家グループ副組長(zhǎng)

東華大學(xué)聞力生教授

一、私たちが認(rèn)めている數(shù)字の雙子

1960年代、米航空宇宙局(NASA)は有人月面著陸飛行と月の実地調(diào)査を目的としたアポロ計(jì)畫(huà)(Apollo program)を?qū)g施した。NASAがアポロ計(jì)畫(huà)を成功裏に実行した後、2010年に発表されたArea 11技術(shù)路線図ではデジタル雙晶(Digital Twins)概念を初めて提案した。。次のように定義されます。デジタル雙晶は、現(xiàn)在最も有効な物理モデル、センサデータの更新、飛行の歴史などを用いて、対応する飛行中の雙晶オブジェクトの生存狀態(tài)をミラー化する集積化された多種類の物理量、多種類の空間スケールの運(yùn)搬ツールまたはシステムのシミュレーションである。。

2002年に米ミシガン大學(xué)のマイケル?グリエves教授がPLM(製品ライフサイクル管理)センターの設(shè)立のために工業(yè)界に講演したスライドで、PLMの概念モデルを初めて提案した。モデルには、現(xiàn)実空間、仮想空間、現(xiàn)実空間から仮想空間へのデータストリーム、仮想空間から現(xiàn)実空間への情報(bào)ストリーム、および仮想サブ空間の記述が現(xiàn)れ、図1を參照する。

図1デジタル雙晶の最初の概念モデルとその用語(yǔ)

世界で最も権威のあるIT研究とコンサルタントコンサルティング會(huì)社Gartnerは、2019年の十大戦略科學(xué)技術(shù)の発展傾向において、デジタル雙子を重要な技術(shù)の一つとし、デジタル雙子は現(xiàn)実世界の実體やシステムのデジタル化の體現(xiàn)であると説明した。

中國(guó)の探図コンサルティングCIMdataが推奨する定義は、デジタル雙晶(すなわちデジタルクローン)は物理エンティティに基づくシステム記述であり、システム全體の全ライフサイクルにわたって信頼できるソースのデータ、モデル、情報(bào)の作成、管理、応用を?qū)g現(xiàn)することができる。

中國(guó)の北航陶飛教授の定義は:デジタル雙晶は虛実間の雙方向マッピング、動(dòng)的相互作用、リアルタイム接続を?qū)g現(xiàn)する肝心な道として、物理実體とシステムの屬性、構(gòu)造、狀態(tài)、性能、機(jī)能と行為を仮想世界にマッピングすることができ、高忠実な動(dòng)的多次元/多尺度/多物理量モデルを形成し、物理世界を観察するために、物理世界を認(rèn)識(shí)し、物理世界を理解し、物理世界を制御し、物理世界を改造する有効な手段を提供した。

中國(guó)の2019年の「デジタル雙晶技術(shù)白書(shū)(2019)」で與えられたデジタル雙晶は、デジタル雙晶は既存またはある物理実體オブジェクトのデジタルモデルであり、実測(cè)、シミュレーション、データ分析を通じて物理実體オブジェクトの狀態(tài)をリアルタイムで感知、診斷、予測(cè)する。性能と狀態(tài)の最適化と命令の送信によって物理エンティティオブジェクトの挙動(dòng)を制御し、関連デジタルモデル間の相互學(xué)習(xí)によって自身を進(jìn)化させ、同時(shí)に利益関係者の物理エンティティオブジェクトのライフサイクル內(nèi)の決定を改善する。

2020年に中國(guó)工信部標(biāo)準(zhǔn)化院が発表した「デジタル雙子応用白書(shū)」の定義は、デジタル雙子はデジタル化方式で物理実體の仮想実體を作成し、歴史データ、リアルタイムデータ及びアルゴリズムモデルなどを借りて、物理実體の全ライフサイクル過(guò)程をシミュレーション、検証、予測(cè)、制御する技術(shù)手段である。

以上のように、デジタル雙子には多くの異なる認(rèn)識(shí)と理解が存在し、現(xiàn)在は統(tǒng)一的な共通認(rèn)識(shí)を持つ定義は形成されていないが、これらの定義の中から、中國(guó)工信部標(biāo)準(zhǔn)化院が與えた定義をより認(rèn)め、それは比較的正確で、全面的で、理解しやすい。

二、デジタル雙晶システムのアーキテクチャと構(gòu)成

デジタル雙晶システムの全體的なアーキテクチャは図2を參照して、このアーキテクチャは2020年に中國(guó)工信部標(biāo)準(zhǔn)化院が與えたもので、デジタル雙晶體の建設(shè)と実施を指導(dǎo)することができる。

図2???ディジタル雙晶系全體アーキテクチャ

図2から分かるように、全體的なアーキテクチャはデジタル雙晶系フレームワークと物理オブジェクトの2つの部分に分けられ、上部はデジタル雙晶系フレームワークであり、下部は物理オブジェクトである。物理オブジェクトこの図では、デジタル雙晶世界と物理世界の関係を表すために使用されます。これはデジタル雙晶體フレームワークの要素ではありません。。デジタル雙晶アーキテクチャには、デジタルモデリング、測(cè)定と制御、シミュレーションシミュレーション、データ分析、デジタル資産とヒューマン?マシン?インタラクションなどの要素が含まれています。

製造業(yè)として、デジタル雙晶系アーキテクチャをより理解したい點(diǎn)は図3を參照してください。図2の物理的対象は、我々が一般的に言う現(xiàn)実世界または物理世界(または物理空間)であり、製造業(yè)では製品、設(shè)備、生産ライン、資材、人間などの要素からなる企業(yè)物理世界と理解することができ、デジタル雙晶系フレームワーク部分はモデリング、シミュレーション、データ分析などの技術(shù)はデジタル雙晶の仮想世界(あるいはサイバー物理空間と呼ばれる)を構(gòu)築した。2つの世界はネットワークで接続され、リアルタイムデータのマッピングとフィードバック制御を行い、さらに現(xiàn)実世界企業(yè)の最適化生産を達(dá)成する。

出所：先進(jìn)製造業(yè)???図3ディジタル雙晶系構(gòu)成

三、デジタル雙晶の肝心な技術(shù)と特徴

(一)デジタル雙晶のキーテクノロジー

製造業(yè)向けのデジタル雙晶の肝心な技術(shù)はモデリング、シミュレーション、モノのインターネット、ビッグデータ、人工知能、クラウドコンピューティング、デジタル手がかり、エッジコンピューティング、仮想現(xiàn)実(VR/AR/MR)、MES、GIS、CAD、CAE、CAM、工業(yè)制御、ブロックチェーンなどを含み、図4を參照する。

図4デジタル雙子のキーテクノロジー

これらの技術(shù)から見(jiàn)ると、デジタル雙晶キー技術(shù)の大部分は、図5を參照して、新しい情報(bào)技術(shù)(NewIT)に関連している。NewITはデジタル雙晶の実現(xiàn)と著地応用に重要な支持作用を果たした。。例えば、モノのインターネットは有線または無(wú)線ネットワークを通じて雙晶データのリアルタイム、信頼性、効率的な伝送に助けを提供することができる。VR技術(shù)はコンピュータグラフィックス、細(xì)部レンダリング、動(dòng)的環(huán)境モデリングなどを利用して、仮想モデルが物理実體の屬性、行為、規(guī)則などの方面の階層の細(xì)部に対する可視化の動(dòng)的リアリティ表示を?qū)g現(xiàn)する。ARとMR技術(shù)はリアルタイムデータ収集、シーン捕捉、リアルタイム追跡と登録などを利用して仮想モデルと物理実體の時(shí)空上の同期と融合を?qū)g現(xiàn)し、仮想モデルの補(bǔ)充を通じて物理実體の検出、検証と誘導(dǎo)などの面での機(jī)能を強(qiáng)化する。エッジコンピューティング技術(shù)は物理世界から収集したデータの一部をエッジ?jìng)?cè)でリアルタイムにフィルタリングし、規(guī)則と処理することができ、それによってユーザーのローカルの即時(shí)決定、迅速な応答とタイムリーな実行を?qū)g現(xiàn)した。システムレベルと複雑なシステムレベルのデジタル雙子はもっと大きな計(jì)算と記憶能力を必要とし、クラウド計(jì)算は必要に応じて分布式共有のモードを使用することができ、デジタル雙子を巨大なクラウド計(jì)算資源とデータセンターを使用する時(shí)、動(dòng)的にデジタル雙子の異なる計(jì)算、貯蔵と運(yùn)行の需要を満たすことができる。ビッグデータは、現(xiàn)実的なイベントの結(jié)果とプロセスを説明し予測(cè)するために、デジタル雙晶が高速に生成した大量のデータからより価値のある情報(bào)を抽出することができる。ブロックチェーンはデジタル雙晶の安全性に信頼できる保証を提供し、雙晶データの改ざん不可、全過(guò)程の痕跡殘し、追跡可能、遡及可能などを確保することができる。人工知能は知能マッチング最適アルゴリズムを通じて、データ専門(mén)家の參加を必要とせずに、自動(dòng)的にデータの準(zhǔn)備、分析、融合を?qū)g行し、雙子のデータに対して深い知識(shí)マイニングを行い、それによって各タイプのサービスなどを生成することができる。

出典：両化融合サービス連盟図五數(shù)字雙生とNewITの関係

デジタル雙晶の応用の前提は各段階の模型と大量のデータで、それでは製品の設(shè)計(jì)、製造、運(yùn)行とメンテナンスなどの各方面のデータに似て、どのように発生して、交換して流れますか?相対的に獨(dú)立したシステム間でデータのシームレスな流れを?qū)g現(xiàn)するにはどうすればいいですか?これらはまさにデジタル手がかりが解決しなければならない問(wèn)題だ。したがって、デジタル手がかり技術(shù)もデジタル雙子の重要な技術(shù)の一つであり、デジタル手がかりを理解してこそ、デジタル雙子をより深く理解することができる。デジタル手がかりとは、デジタルスレッド、デジタル絆、デジタル主線などとも呼ばれ、CIMdataはかつてこのようにデジタル手がかりを定義したことがある:デジタル手がかりは1種の情報(bào)のインタラクティブなフレームワークを指して、もとの複數(shù)の縦井戸式の業(yè)務(wù)の視點(diǎn)を貫通することができて、設(shè)備の全ライフサイクルのデータの相互接続のデータのストリームと集積のビューを連通します。デジタル手がかりは異なるライフサイクルのデジタル雙晶をつなぎ、データの自動(dòng)流れを形成することができることがわかるので、デジタル手がかりは現(xiàn)実の物理世界とデジタル仮想世界の間を行き來(lái)する橋渡しであり、図6を參照してください。

出典:先進(jìn)製造業(yè)図六デジタル手がかり

(二)デジタル雙晶の典型的な特徴と理想的な特徴

デジタル雙晶には、次のような特徴があります。

①相互運(yùn)用性——デジタル雙晶の中の物理オブジェクトとデジタル空間は雙方向にマッピングし、動(dòng)的にインタラクティブにリアルタイムに接続することができるため、デジタル雙晶は多様なデジタルモデルで物理実體をマッピングする能力を備え、異なるデジタルモデルの間で表現(xiàn)を変換し、合併し、確立することができる等同性を持っている。

②拡張性——デジタル雙晶技術(shù)はデジタルモデルを集積、追加、置換する能力を備え、マルチスケール、マルチ物理、マルチレベルのモデル內(nèi)容に対して拡張することができる。

③リアルタイム性-デジタル雙晶技術(shù)はデジタル化を要求し、すなわち、時(shí)間軸に従って変化する物理的エンティティを特性化するために、コンピュータによって識(shí)別および処理可能な方法でデータを管理する。キャラクタリゼーションされたオブジェクトには、外観、狀態(tài)、屬性、內(nèi)在メカニズムが含まれ、物理エンティティのリアルタイム狀態(tài)を形成するデジタル虛體マッピングが含まれます。

④保全性?デジタル雙晶の忠実性とは、デジタル虛數(shù)體モデルと物理的実體との間の近接性を記述することを意味する。虛體とエンティティは、ジオメトリの高度なシミュレーションだけでなく、狀態(tài)、相狀態(tài)、および時(shí)狀態(tài)もシミュレーションする必要があります。

⑤閉ループ性——デジタル雙晶の中のデジタル虛體は、物理実體の可視化モデルと內(nèi)在メカニズムを記述するために使用され、物理実體の狀態(tài)データを監(jiān)視、分析推理、プロセスパラメータと運(yùn)行パラメータを最適化し、決定機(jī)能を?qū)g行し、すなわちデジタル虛體と物理実體に脳を與える。

デジタル雙子に対する認(rèn)識(shí)と実踐は具體的な対象、具體的な応用と具體的な需要から離れられない。例えば、1つの製品、1臺(tái)の設(shè)備、1本の生産ライン、1つの職場(chǎng)などである。これらは異なる段階のデジタル雙子で異なる特徴を呈し、これは私たちが応用と実際の問(wèn)題を解決することから出発することを要求し、応用過(guò)程で確立された「デジタル雙子」がすべての「理想的な特徴」を備えることを必ずしも要求するものではなく、ユーザーのニーズを満たすことができる限りである。表1は,デジタル雙晶が示す理想的な特徴を様々な視點(diǎn)で見(jiàn)ることに基づいており,応用時(shí)に參考に値する。

表1異なる認(rèn)識(shí)に基づくデジタル雙子の理想的な特徴

四、デジタル雙晶は知能製造のベースである

図7に示すように、インテリジェント製造分野で応用されるデジタル雙晶技術(shù)の核心技術(shù)は、情報(bào)物理融合生産システム(CyberPhysical Production System-CPPS)である。情報(bào)物理融合生産システムは情報(bào)物理システム(CPS)の生産分野での応用であり、多次元の知能技術(shù)體系である。情報(bào)物理融合生産システムはビッグデータ、人工知能、ネットワークとクラウドコンピューティングを頼りに、知能感知、分析、予測(cè)、最適化、協(xié)同などの技術(shù)手段を通じて、コンピューティング、通信と制御の3つの有機(jī)的な融合と協(xié)力を行う。取得した情報(bào)とオブジェクトの物理性能のキャラクタリゼーションを結(jié)合し、仮想空間と実體空間の深さの融合、リアルタイムの相互作用、相互結(jié)合、タイムリーな更新を形成し、ネットワーク空間の中で実體の仮想ミラーを構(gòu)築する。自己感知、自己記憶、自己認(rèn)知、自己決定、自己再構(gòu)成の演算と分析を通じて、生産システムのデジタル化、インテリジェント化とネットワーク化を?qū)g現(xiàn)する。

ソース:インテリジェント製造IM図7デジタル雙子とインテリジェント製造

デジタル雙晶に基づく知能製造システムは予測(cè)型知能製造システムである。インテリジェント製造の悩みは設(shè)備と裝置の失効であり、時(shí)間が経つにつれて設(shè)備が摩耗し、性能が衰退し、最終的に故障と停止を招くことを知っています。予測(cè)型インテリジェント製造は、設(shè)備の実際の狀態(tài)を把握することによって、故障が発生した後に修理を急ぐか、継続可能な部品を早期に交換する必要がなく、計(jì)畫(huà)的な修理を採(cǎi)用し、修理費(fèi)用と生産コストを削減する。設(shè)備がいつ失効するかを知っていれば、合理的に修理計(jì)畫(huà)を手配し、「時(shí)間通りに」修理を?qū)g現(xiàn)し、設(shè)備の可用性を最大限に高め、正常な運(yùn)行時(shí)間を延長(zhǎng)し、工場(chǎng)の運(yùn)営効率を高めることができる。設(shè)備衰退モデルとリアルタイム狀態(tài)評(píng)価と加工過(guò)程制御を結(jié)合し、設(shè)備またはシステム性能が時(shí)間とともに変化する狀況下で、製品品質(zhì)の安定を保証し、心配のない安心知能製造に向かうことを?qū)g現(xiàn)する。

中國(guó)は「情報(bào)化が工業(yè)化を牽引し、工業(yè)化が情報(bào)化を促進(jìn)する」から、二化融合と二化の深い融合、さらに「中國(guó)製造2025」の「融合進(jìn)化」の製造強(qiáng)國(guó)発展戦略まで、情報(bào)物理融合を通じて知能製造を?qū)g現(xiàn)することを期待している。デジタル雙晶はCPSシステムを構(gòu)築する基礎(chǔ)であり、知能製造のエネルギー使用技術(shù)でもある。デジタル雙晶がなければCPSもなければ知能製造もないと言える。デジタル雙子は將來(lái)のインテリジェント製造生産の「ベース」であり、インテリジェント製造の実踐において大きな可能性がある。

五、服裝知能製造のデジタル雙子ルート

Gartnerはかつて木の根と手を攜えて工業(yè)インターネット業(yè)界の白書(shū)「デジタル雙子をどのように利用して企業(yè)の創(chuàng)造価値を助けるか」(以下「白書(shū)」と略稱する)を発表し、「白書(shū)」では、デジタル雙子が將來(lái)の企業(yè)のモデルチェンジと創(chuàng)造価値を?qū)g現(xiàn)する重要な駆動(dòng)力になると予測(cè)している。2021年までに、大手製造業(yè)の半數(shù)がデジタル雙子を使用し、これらの企業(yè)の効率を10%向上させる。2024年までに、25%を超える新しいデジタル雙子が新しいloTビジネスアプリケーションの機(jī)能として採(cǎi)用される。

デジタル雙晶技術(shù)がこのように重視されているのは、服裝知能製造工場(chǎng)で直接応用できるからだ。デジタル雙子技術(shù)も服裝知能工場(chǎng)の実踐の重要な構(gòu)成部分である。デジタル雙晶技術(shù)を利用して服裝知能の製造ルートを?qū)g現(xiàn)するのは、実體服裝加工設(shè)備(すなわち設(shè)備実體)のデジタル仮想化(すなわちシミュレーションモデルを構(gòu)築する)から始まり、人工知能、ビッグデータ、クラウドコンピューティングなどのNewIT技術(shù)の発展と応用に伴い、デジタル雙晶は設(shè)備デジタル仮想化から生産ラインデジタル仮想化、職場(chǎng)のデジタル仮想化、工場(chǎng)のデジタル仮想化の発展。これらの物理実體デジタル仮想化の過(guò)程で、繰り返しのシミュレーション計(jì)算を通じて、自主的にデータリポジトリを生成し、深さ學(xué)習(xí)などの人工知能技術(shù)を利用して、デジタル雙晶が実體設(shè)備、生産ラインプロセスに対する適応、自己決定を徐々に実現(xiàn)しなければならない。生産需要、業(yè)務(wù)シーンに新たな変化が発生した場(chǎng)合、デジタル雙子による物理実體の虛実マッピング、相互接続(リアルタイムデータ情報(bào)のアップロードと下達(dá)を指す)を通じて、図8を參照すると、生産プロセスは適応的なインテリジェント化調(diào)整を完了することができ、さらに本當(dāng)の意味での服裝インテリジェント工場(chǎng)を?qū)g現(xiàn)することができる。

図8デジタル雙晶技術(shù)の知能製造概念計(jì)畫(huà)

図8の設(shè)備実物(物理実體世界)は私たちの服裝加工用の各種設(shè)備、生産ライン、職場(chǎng)、工場(chǎng)であり、シミュレーションモデル(デジタル仮想世界)は設(shè)備、生産ライン、職場(chǎng)、工場(chǎng)の3 Dデジタル化仮想體である。図9は私たちの服裝の知能製造によく使われるロボット設(shè)備のデジタル雙子システムであり、このシステムはロボット設(shè)備に対して予測(cè)的な健康維持を行い、その原理は図10を參照する。設(shè)備、生産ライン、工場(chǎng)にかかわらず、デジタル雙晶技術(shù)の応用原理は同じであり、階層と価値に違いがあるだけなので、ここでは余計(jì)なことは言わない。デジタル雙生服裝職場(chǎng)の運(yùn)行メカニズムは図11を參照する。服裝工場(chǎng)のデジタル雙生概念モデルは図12を參照する。デジタル雙生服裝立體倉(cāng)庫(kù)は図13を參照。

出典：Engineering 2021図九ロボットデジタル雙晶システム

出所:先進(jìn)製造業(yè)図十設(shè)備健康デジタル雙生システム

出所:智造苑図十一デジタル雙生服裝職場(chǎng)の運(yùn)行メカニズム

図12服裝工場(chǎng)デジタル雙子概念

出典:智造苑図十三デジタル雙生服裝立體倉(cāng)庫(kù)

中國(guó)機(jī)械工學(xué)學(xué)會(huì)が2020年に行った市場(chǎng)研究によると、

企業(yè)がデジタル雙子をどのように使用して生産性を高め、コストを削減するかを?qū)Wぶにつれて、デジタル雙子は將來(lái)ますます人気を集めます。2025年までに、89%に達(dá)するモノのインターネットプラットフォームはデジタル雙晶を含む。2027年までに、デジタル雙晶はIoTプラットフォームの標(biāo)準(zhǔn)機(jī)能になる。各業(yè)界の役員の36%近くがデジタル雙子技術(shù)を理解した後、そのうち50%が2028年までに企業(yè)業(yè)務(wù)でデジタル雙子を使用する。私たちの服裝製造業(yè)ももちろんいいえ後れをとる。