Jul. 11, 2023

數位孿生Digital Twin，生產製造業的明鏡 !

Digital Twin是什麼?

何謂Digital Twin

Digital Twin中文又名數位孿生、數位對映、數位分身，Digital Twin由Digital數字的、Twin雙胞胎兩個英文字組成，意旨在虛擬世界中有另一個一模一樣的個體存在，而究竟為什麼這樣的技術連續三年被評估為科技的十大趨勢呢?在虛擬世界中有一個一模一樣的模擬存在又有何好處?這必須要談到工業4.0中提到的物聯網架構。

物聯網所實現的是將工業3.0之中的資料資訊化透過界面做串聯，將相機、PLC、機器人、設備......等，欲串聯的機台設備串聯起來，目的是將現實世界的所有硬體設備做到數位化。基於此邏輯，Digital Twin又將已經數位化的資訊透過模擬軟體呈現，除了同步、及時以外，更提供一個可視化的界面，讓使用者不再只是面對文字資訊，而是可以將現實資訊透過模擬世界呈現。

Digital Twin所帶來的變革

Digital Twin未來目標

即時性反應

如上文所提到的，在完成工業3.0生產資訊數據化的布局後，下一步就是要如何將數位化的生產資料進行可視化的管理，將產線的CAD資訊、生產資訊會入虛擬世界後，透過通訊界面即可進行虛擬即時反應的Real-time 3D畫面，讓遠端、監控者可以即時檢視生產的資訊。使傳統的戰情室看板可以升級成不只是數字的介面，而是實際擬真的生產動作。

遠端修正

承上述，因資料訊息是透過網路介面傳送，因此在生產的參數設定上也是可以透過遠端去修改設定的。除此之外也可以針對機器人、AGV、AMR等生產設備進行令命的調整優化，如：ANR行走路徑規劃、Robot的動作路經優化等，這些的生產參數都可以透過遠端的監控與遠端指令完成。

規劃驗證

在新產線的開案時，從硬體、軟體、整合各個角度都可以透過建置虛擬的數位孿生進行導入前的模擬，從尺寸、設計、外觀到干涉、流體力學、溫度、物理現象，都已有許多資料庫可以提供模擬設計。因此對未來的專案導入效率會大幅提升。

上述三點其實也直接對應到現今企業在完成工業3.0建置後要提升至工業4.0導入Digital Twin時的三個階段：

階段	內容	目的
一、整合IT與OT端	機聯網建置、數據化資訊管理	將產線佈局設備、機台資訊IP化，提供更好的管理資訊。擷取有效數據，並且對數據蒐集進行有效管理。
二、建置虛擬平台	建置虛擬世界、連接實際機台	同步現實與虛擬世界，完成初步Digital Twin建置。
三、應用虛擬平台	驗證虛擬世界真實性、開發新需求	驗證虛擬世界導入設定參數(物理特性、生產參數…等) 透過虛擬世界開發新的產線

Digital Twin在生產製造業影響最大的並非在實現虛擬世界同步與自資訊同步顯示，其真正的變革是「可以在產線實際被製造、組裝之前模擬會發生的問題」。此重點在未來會大幅地降低生產時的成本與導入時間的延宕，考慮到環保、效率等議題，在設計時多花一點時間針對Digital Twin模擬世界中的物件模擬是否有問題發生的可能，比起真正將物件發包出去實際組裝時發生問題來的更精準。同時也實踐了工業4.0的精神，在問題發生之前就可以被預知與克服。

製造業導入Digital Twin的解決方案

Digital Twin的導入需要建立在工業務聯網的基礎上，因此對於硬體設備的通訊支援性就非常重要。

傳統機台設備/舊有設備

在工廠升級的過程中往往有一個痛苦的過程就是這些既有的設備要如何升級?除了完全換新之外有沒有其他的方法?答案是有的。

針對這些舊有的設備我們可以從控制器判斷，若支援通訊那基本上只要跟上位用對的通訊界面即可串接，如果不能夠支援的話各大廠商都有推出通訊界面的選配模組，這些模組是可以後加的。若不支援選配的模組或是選配的介面已經額滿了那剩下唯一的辦法就是在新增一個控制單元針對通訊部分座橋梁溝通舊有設備與上位控制器。

新增設備

新增設備的部分要特別注意選配通訊模組，以Epson Robot為例，Epson Robot支援多種通訊方式：

Epson IoT解決方案

Epson Robot現場匯流排通訊界面選配

Epson Robot OPC UA通訊界面選配

透過上述的多種通訊方案基本上可以跟大部分的設備通訊，也不用擔心未來擴充性。

Digital Twin的建置

Digital Twin的建置除了需要上文中說明的通訊交握、平台建置以外，還需要許多的資源介入，如：CAD、GPU資源分配、物理現象演算法、IT端系統交喔…等，需要溝通多種軟體與不同檔案類型的情況下往往使用者不知從何開始，因此NVIDIA發布了Omniverse平台。

什麼是NVIDIA Omniverse?

NVIDIA Omniverse (以下簡稱Omniverse)是一個虛擬協作平台，旨在加強現實和虛擬環境之間的互動和合作。它由NVIDIA開發，旨在為專業人士和創作者提供一個開放且可互操作的平台，以創建、共享和協作於虛擬世界中的數字內容。

Omniverse 提供了一個虛擬的三維環境，其中可以模擬現實世界的物理特性、光線和材質等。它支持各種不同的行業，包括電影、電子遊戲、建築和製造等，使創作者可以共同創建、編輯和評審數字內容。該平台還支持深度學習和機器學習技術(NVIDIA AIE)，以實現更快的模擬和渲染。這對於需要處理大型數據集或複雜場景的專業應用程序非常有用。

Omniverse 還提供了一個開放的應用程序編程接口（API），使第三方開發人員能夠創建自己的插件和擴展，以滿足特定需求。

NVIDIA Omniverse的優勢在哪裡?

現今的生產製造業面臨到大量的變革，從Covid-19的影響，人力資源的安排與布局逐漸開始有困難，除了現場直接作業人員以外，在設計端、執行端、維護端的工程師亦然。以有限的人力要如何發會最大的工作效益成了現今一個企業的重點。Omniverse在兩個方面大大提升工作效益：

Omniverse支援多種現已存在、多使用者的軟體引用(如：Unity、Visual Components……等)、支援多種不同需求的資料庫，透過多種的軟體建立虛擬世界並且套用實際模擬演算法，替模擬達到更加逼真的效果。多種軟體的引用與資料庫的高度支援性使使用團隊不再因為不同部門所使用的軟體工具不同而無法進行有效率的專案執行，舉例來說：在生產製造業中的一個機器人專案會需要有機器人工程師、硬體製圖工程師、電汽配電工程師、整合工程師等職務，在專案進行的順序如下圖：