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深入研究数字孪生
  2022-01-18      126

I-Connect007 编辑团队

I-Connect007编辑团队采访了Michael Ford,探讨了他对数字孪生作为一种通信机制的愿景和现实。

Nolan Johnson:Michael,你对数字孪生的定义是什么?

Michael Ford:我认为任何计算机程序在某种意义上都是数字孪生。例如微软的 Word,使用的就是数字孪生。因为所见即所得——当你打印出一份文件,它和你在屏幕上看到的一模一样。但这确实简化了 "数字孪生 "一词的真正意图,以及它被创造出来的原因,那就是让人们了解数字世界如何在减少物理世界的成本和浪费方面发挥作用,通过数字化工具减少包括产品设计、制造工艺准备、规划、启动机器、生产线和工厂运行等过程产生的物理交付物,并通过数字化的方式观察端到端的项目发展,最终生产出来并投放市场的实际产品与设计概要完全一致。就像打印输出的结果与屏幕上看到的是一样的。

Johnson:从这个意义上说,在70 年代末 ECAD 行业刚兴起时,我们就开始研究数字孪生,最初的想法是以电子化的方式进行设计和仿真,因此不需要使用面包板。

Johnson:在这个领域中,你是否遇到过对数字孪生的不同解读?你之前说任何东西都可以被称为数字孪生。那么在我们的行业中,这个术语是否有变化?

Ford:是有变化的。我认为“数字孪生”已经成为一个流行词了。

人们人正在寻求将数字孪生体作为一种解决问题的方式,而这种方式在以前是不可能的。众多的数字孪生应用变得有趣,最初,数字孪生只针对产品设计,随后才应用到产品制造。例如,我们想要一个汽车的可视 3D 模型,可以利用数字孪生实现而不必使用粘土来构建,这在今天听起来有点过时吧?

为什么不在屏幕上建立三维模型,以便能够看到和理解所有元件是如何协同和交互运作的?这就是数字孪生最初出现的原因,但目前我们已经应用到其他领域,包括进入制造本身,我们希望能够在数字意义上看到每一个新产品究竟是如何制造的,以及制造得如何。

这是发展的下一步,也是未来数字孪生应用漫长道路的开始。您最终会拥有数以千计的基于数字孪生的应用程序,用于产能规划、品质与产量管理以及更具体的解决方案,例如了解如何使用影响终端产品性能的材料、特定设备或工艺的操作、电子和机械元件之间的间距变化及其对导热、刚度等的影响。未来将通过数字孪生解决方案应对这些不同的案例。

然而当前的问题是,这些数字孪生是独立的。它们之间不能相互操作。导致这个问题的原因是由于传统的“单一用途”计算机程序。数字孪生的真正原理是使解决方案中的数据和结果可以互操作。一个典型的例子是使用制造业的数据进行设计。优秀的设计师希望了解真实的制造约束条件,以便改进设计,但设计师通常不理解制造语言,并且很难理解接收到的多种类型的数据。因此我们需要创建一个模式,或称之为一个架构,允许一个领域的解决方案能够理解另一个领域的数据。最终设计、制造和市场中的解决方案都可以相互理解。这样我们就有了一个连续的信息流,跨越过去的孤岛。

Johnson:然后通过某种呈现方式,使一个领域的非专业人士可以利用这些信息帮助他们掌握自己领域的专业知识。

Ford:没错

Barry Matties:如果你想简化流程和关联,则需要更有效的沟通。如果你愿意,数字孪生将成为沟通的桥梁或通用的“翻译”。它将促进高效的沟通。特别是当我们开发数字工厂时,需要利用数字孪生进行沟通。此外从一个由方案驱动的数字孪生开始生产时,会促进这种沟通。数字孪生将如何帮助EMS和设计师进行沟通?优点和缺点分别是什么?我们需要做什么?

Ford:对于EMS,每部分的设计都非常复杂,PLM、ERP和MES系统尝试协同工作,以提供某种形式的报价数据。所有上下文的数据都是EMS公司需要的,也是研究团队必须收集的,但如何翻译并将它们之间的上下文连接起来呢?它们是单独的、专有的解决方案,处理问题的方式略有不同,虽然每个都有巨大的价值和优点,但没有使用相同的语言。为此,IPC的数字孪生定义了可以用来交流的统一架构和语言。

从设计的角度出发,首先是设计意图、规范和规则以及相关的电子设计文件、机械3DCAD文件、设计材料清单、在PCB上使用材料的3D模型,这些构成一个数字孪生数据包,这样,所有需要处理数据的解决方案可以理解格式和使用数据互操作。ERP应用程序将增加数字孪生数据,以便选择和购买本地可用的、功能强大且经济高效的材料。目前可以利用数字孪生对材料进行检查,这样任何替代元件都可以适应PCB,并且与原件一样有效。由于ERP必须选择不同厂商的元件;因此会有不同的引脚。电子功能是给定的,但物理上是否匹配?引线与焊盘是否兼容?如果不进行检查,则会出现很多问题。此外目前的问题是如何获得设计部门的批准,以确保不同的组件可以正常使用。

尽管该设计是在几个月前完成的,并已签署合同,数字孪生还是会再次投入使用。如果更改所用元件的形态,则设计师将不对发生的任何问题负责。这会给制造商带来风险,但他们有动力决定做一些事情。

现在使用数字孪生体,所有关于设计和设计意图的信息都可以得到。任何合适的应用程序(不一定是原始设计和设计人员)都可以使用数字孪生中的数据来签署 BOM 中的材料变更。设计规则、布局和有关设计的所有物理内容都可作为数字孪生的一部分使用。如果应用程序有权使用该数据,EMS公司可以自己分析变更的影响。对此设计师们很高兴,因为他们提前设定了需要遵守的规则。除非有特殊情况,否则不会被打扰。

Matties:沟通建议包括设计师需要事先知道谁制造的PCB,这样才能更好地发挥其产能。然而设计师通常对此并不了解。由于产能信息不总是公开的,那么如何让EMS和裸板制造商展示他们的产能,以便设计师基于此进行设计呢?

Ford:这是一个非常有趣的领域,因为有了数字孪生,正如 IPC 所提出的那样,您拥有用于设计和制造的数字孪生元素。在制造业的数字孪生中,有对企业的完整描述,可分解为场地、配置、特定设备能力、产量指标等。甚至机器本身的数字孪生也可以包括在内。理论上,EMS 或工厂可以说:“这是我用于制造的数字孪生。我将把它发送给我的设计客户。”但现在的问题是:这些信息是专有的,并且具有相关的知识产权。交换包含知识产权的数据时会存在风险,如果这些数据落入不法分子的手中,就会产生各种竞争和安全问题。

那么你如何保护这些数据?我们正在研究一些很有趣的数字新技术。一种称为可验证凭证。举个例子,假设一个年轻人想去酒吧。在美国,他们需要年满21岁。当他出现在酒吧门口被告知,“你必须年满 21 岁。”但这个人不想说出他的年龄,也不想透露他的出生日期。他不想分享任何私人信息。假设这个人在云中有一个安全的数字孪生。进入酒吧的要求可能以问题的形式提供给数字孪生。这个人可以进酒吧吗?是还是不是?我们期待的答案是,“是的。”在这次互动中,没有交换任何私人信息,除了已经知道的这个人想要进入酒吧并且有资格的事实。双方没有透露任何实际信息。这个人的信息已被保密。

目前我们正在研究的是一组可验证的凭证,它提供有关设计和制造所需的信息,但不会暴露需要保护的私人信息。数字孪生发展的下一步是交换信息的同时如何保护隐私,并且理论上可以最大程度地使用信息,而不造成隐私丢失的风险。

Matties:从设计师的角度出发,如果在一步步的按照流程做事,则可以通过每一个步骤来验证他们的设计决策。

Ford:这是一个很好的例子,一些基于数字孪生技术设计解决方案的设计师会说,“我想把这个特殊的芯片放在这里。这是我的元件编号,这是放置的位置和方向。”然后他按下按钮,或自动获得可制造性的结果。这将通过参考制造现场的数字孪生来实现,使用可验证的凭证来询问一些“这样可以吗?”的问题。解决方案将处理私人数据,决定是否可以使用,然后回答“可以”或者“不可以”。

Matties:如果他们在制造过程的每一步都这样做,数字孪生就会成为“实时”的DFM工具。

Ford:没错。这是数字孪生的一个有趣应用,因为人们能够在专有解决方案中以互操作共享数据的方式运行这些专有功能。从设计到制造再返回,甚至进入市场,它都是双向的。

Matties:设计师逐步验证,为数字孪生做出贡献,并且可以看到该PCB通过了 DFM的验证。甚至在到达工厂之前就已经在进行数字验证和制造了。这是否将采购(至少供应商选择)的责任交给了设计师?因为我们经常听到,是采购人员 做出采购决策,而不是设计师或工程师,这会引发一些问题。

Ford:实际上我们会采用由多个供应商制造且包含多种制造方案的数字孪生技术。如果潜在供应商的任何特定方案在做出某些设计决策时无法正常工作,则必须制定相应的对策,以确定应采取的措施。这也是当今的现实问题,会导致制造性能不佳。使用数字孪生技术,可以从源头上避免这些问题。并了解这些问题是如何发生的。

材料选择取决于产品和设计师。在某些情况下,经批准的供应商名单是用于特定具体设计的,但这些要求目前并不能很好的进行传达。当被指定使用供应商A, B,和C时,制造商说:“A, B,和C目前都没有,我可以使用供应商D吗?”是否考虑过供应商D ?我该给谁打电话?向谁咨询呢?”今天的决策者必须理解供应商D和供应商A、B或C之间的区别,以及为什么供应商D一开始没有被包括在内的原因,然而这些信息并不总能获得。

Matties:例如,即使他们都在 AVL 上,设计的细微差别也可能会导致供应商 2 与供应商 1 之间的问题。但如果他们有数字孪生技术,他们就可以同时与每个 AVL 合作伙伴一起运行分步流程。这将使决定权回到设计师手中,而不是采购代理。

Ford:基于设计数字孪生数据的互操作性,它也可以是采购时使用的数字孪生解决方案。该方案能够做出与原始设计师相同的决策。

目前的一个挑战是,相关材料的信息并不总是准确的,也无法达到通常要求的精确程度。尽管所有材料都是以电子方式设计的,组件的文档仍然是纸质的,包括PDF文档。对此IPC即将出台的另一项新标准将对我们有所帮助。我一直在谈论这些新标准。IPC有一个基于模型的设计(MBD)标准,在该标准中,组件制造商自己将能够将他们现有的组件设计数据输出为标准格式,然后可以作为数字孪生的一部分进行互操作。

IPC-2581 DPMX设计数据委员会也在研究这一新的MBD标准,以便从两个方向增强DFX方法。首先,进行完整性检查,确保所有内容都适用于您选择的合作伙伴,其次,由于IPC-2581  C版中有新的DFX 数据定义,因此需要分析从制造中反馈的数据。

此外,如果事后使用数字孪生制造中可追溯性数据来查看,您可以说,“关于在生产线上遇到的特殊现象或故障\,我想报告关于材料供应商 A 与供应商 B 的表现。”这完全是可行的,而且可以用来完善选择供应商的规则。

Matties:设计师需要验证芯片供应商和元件供应商是否发布了他们的所有模型。我们在讨论很多规范,不是吗?

Ford:我不这样认为。我更倾向于认为这是自动化程度的提高。如果我们能阻止人们接触数据、处理数据、改变数据、测量数据、操纵数据,一切都会变得更简单,更少的工作,更少的错误,这是人们真正喜欢的。如果您有一个基于模型的组件设计,并且只需将其加载到一个能够执行DFM的设计工具中,或者在制造现场运行DFM,或者为贴装设备、检测设备创建零件数据库,这都将使每个人的工作更加轻松,因为你不需要成为一个数据 "猎手 "来获取你需要的所有不同信息。对于制造商,您可以自动创建一个MBD数据记录,而不必使用各种不同的语言和格式格式化、发布和分发规范。此外还有隐私保护和潜在的投资回报率。

Matties:沟通可以让每个人的工作变得更轻松,但我们做得并不好。

Ford:我们确实做的不好。我现在可以在 Zoom 通话中对您说日语,这仍然可以被视为很好的沟通,因为我们可以清晰地看到和听到彼此。但问题是,你不能理解我说的任何一个词。因为数据内容的定义、语言,对沟通来说都是很重要的。其余都是达到目的的手段。制造人说制造,设计人说设计。您需要一种跨越设计和制造的标准语言。这将作为 IPC 数字孪生的一部分被创建,你可以在任何一方的解决方案中理解对方的数据。

Matties:是的,这又回到了我之前对数字孪生的描述,即通用的翻译。

Ford:是的,没错;我们正在定义表达和解释信息的常用方式。这就是标准的作用。这样就不需要“中介软件”翻译了。现在就看人们如何创造性地提出他们的解决方案了。

Mattie:如果数字孪生是处理沟通问题的解决方案,那么阻碍因素是什么?是什么让我们不能真正做到这一点?

Ford:这需要行业内部的驱动力。您可以看到很多智能设计形式,如IPC-2581标准,以及事实上的标准,如ODB++,但许多年后,人们仍在使用Gerber,此外还有大量不同的文件、图形和各种项目清单需要反向工程。为什么?因为这是他们过去多年的行业经验,以及对工作的理解。解决方案供应商需要意识到现在有什么可用的和正在发展的内容,并使得其解决方案满足数字孪生标准,但谁会第一个做这件事?你需要行业内部的驱动力来实现。对于IPC 数字孪生,我们一直在积极推进其发展,并且基于现有IPC标准如IPC-2581 DPMX、CFX等,率先推出了这种架构,目前人们已经开始购买、使用它,并且仍将继续发展。

但我梦想有一天,如果我是一家 EMS 公司,我会收到客户的报价请求,该请求会给我一个安全地址,用于访问客户产品的数字孪生。只需点击链接就可以激活我的数字孪生工厂,并和产品的数字孪生一起协同工作。它会收集所有必要的数据,找出解决方案,然后弹出关于这个网站、这个价格、这个产量、这个日期、那个网站、那个价格、那个日期、那个产量的信息。我会说,“我更倾向于这样做。”然后在几分钟内立即向客户反馈报价。这可能是一个永远无法实现的梦想,但我期待这是行业未来发展的方向,使用数字孪生意味着你不需要人为干扰,也不需要共享私人信息或知识产权。该工具是摆在您面前用于控制EMS业务的仪表盘。

Matties:提到规范,我认为这些地方必须使用规范,即按照规范在您的公司中构建文件和基础架构,并维护它。你说过当一个元件从装配线上换下来,而模具略有不同时,必须按照规范更新那些文件,这是非常关键的。这项工作不一定会带来收入的提升,但这样做会让整个供应链或制造工艺变得更轻松。我们要求整个行业投入大量资源,以数字格式记录他们的产能,然后将其放入可访问的文件中,并信任其安全性。

Ford:这听起来是一个相当大的任务,但我的方法是将这些标准落到实处,当客户使用这些标准的解决方案时,能让整个链条中的每一个参与者都受益。如果每个人都了解他们如何从这些新的数字“最佳实践”中受益,那么他们将实现自己的投资回报率。在IPC APEX博览会上,关于“未来工厂”的演讲中可以看到我们正在努力推动这一愿景。这将是一个很好的论坛,在这里我们可以再次和现场观众一起讨论和回顾数字孪生。随着数据变得可互操作,业务流程的某些方面需要被遵循。

Michael Ford 任Aegis Software公司 新兴产业战略高级总监,I-Connect007 专栏作家。 

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