若說對於虛擬系統(tǒng)的需求，工業(yè)絕對是最大的一個領(lǐng)域，不僅因工業(yè)應(yīng)用的資本規(guī)模較龐大，需要更細(xì)、更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念A(yù)先模擬，才能降低故障損失的風(fēng)險；再者，工業(yè)領(lǐng)域的流程與裝置繁雜，若無透過虛擬系統(tǒng)，很難提高廠房管理的效率。

也因此，數(shù)位分身就被視為實踐工業(yè)4.0的關(guān)鍵技術(shù)之一。透過對設(shè)備與機具的深度模擬，達(dá)成更細(xì)緻、更即時的監(jiān)控，再結(jié)合智慧分析軟體，將能進一步降低管理人員的負(fù)擔(dān)，提高整體管理的效能。

要導(dǎo)入數(shù)位分身，第一步，當(dāng)然是設(shè)備管理的數(shù)位化與網(wǎng)路化，這幾乎是所有業(yè)者的起始點。然而，一個工廠的運作是可以被拆解成由點到面的部分，則數(shù)位分身也能從小部分的單一點著手，再慢慢擴大至整廠的系統(tǒng)。

奇異公司（GE）就把數(shù)位分身的實施分成四大部分，包含元件分身（Parts Twin）、產(chǎn)品分身（Products Twin）、流程分身（Process Twin）、系統(tǒng)分身（System Twin），讓業(yè)者可以依自身的狀況循序漸進導(dǎo)入。

所以在實際應(yīng)用上，最佳的起點是從元件的數(shù)位模擬開始，讓機具的關(guān)鍵零組件可以有能夠同步的數(shù)位模型，除了監(jiān)控健康狀態(tài)外，也能夠達(dá)到預(yù)測性維修的目標(biāo)。而有了元件的模擬，就可再進行一步擴大至產(chǎn)品分身的階段，而透過收集整機的數(shù)據(jù)，就可以前進至強化產(chǎn)品功能與改良產(chǎn)品設(shè)計的目標(biāo)。

圖一 : 奇異把數(shù)位分身的應(yīng)用拆解成四個部分。（source：GE；CTIMES製作）

當(dāng)數(shù)位化控制的面向越來越深，數(shù)位分身的層級也可以延伸至廠務(wù)運營的階段，也就是流程的模擬與分析。此時的應(yīng)用目標(biāo)將會提升至製造現(xiàn)場的排程管理與監(jiān)控，並進一步運用數(shù)據(jù)分析來反饋至流程的優(yōu)化。

系統(tǒng)的分身則是數(shù)位分身的最終階段，也就是一個生產(chǎn)製造的系統(tǒng)能夠完全以數(shù)位的方式進行模擬與控制，當(dāng)中的每一個設(shè)施與零件都能在數(shù)位的虛擬世界中呈現(xiàn)，並且完美的進行同步控制。在此階段中，人工智慧的數(shù)據(jù)分析以大幅取代人為的判斷，所專注的目標(biāo)就是整廠產(chǎn)能的提升。

但要注意的是，擷取數(shù)據(jù)是實現(xiàn)數(shù)位分身的基本要素，無論第一階段或者第四階段皆是。也因此，大量感測器與網(wǎng)路技術(shù)，就會被運用在實施數(shù)位分身的場域之中。所以，在啟動數(shù)位分身之前，確保有足夠的通訊與感測基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的實施，則是營運者的基本功課。

國際知名顧問公司德勤（Deloitte）旗下的教育中心德勤大學(xué)（Deloitte University），也提出報告指出，優(yōu)異的通訊基礎(chǔ)建設(shè)，是溝通數(shù)位虛擬與實體世界的重要組成，也唯有在此前提之下，實體的資訊才能傳送到虛擬世界，並建構(gòu)成虛擬的數(shù)位分身；反之，虛擬世界的洞見，也才能反饋到實體世界，轉(zhuǎn)為實際行動。

圖二 : 德勤大學(xué)（Deloitte University）指出，通訊基礎(chǔ)建設(shè)是溝通數(shù)位虛擬與實體世界的重要組成。（source：Deloitte University；CTIMES製作）

透視工業(yè)生產(chǎn)流程 助益開發(fā)與製造

在最完美的情境下，數(shù)位分身將如同一個存在於數(shù)位世界的虛擬替身，能夠完全複製真實世界裡的一切。每一個零組件、線路、機構(gòu)、外觀材料，甚至是資料傳遞的流向，都能在數(shù)位世界裡有另一個複製品。

而且，透過無所不在又鋪天蓋地的網(wǎng)路與感測器，真實世界的裝置與數(shù)位世界裡的分身，將能做到幾乎沒有延遲的同步，也就是實體的即時狀況，都能在數(shù)位分身上呈現(xiàn)；而對數(shù)位分身進行調(diào)教，也會立即反映到真實世界的裝置上。

如此，管理人員就能從任何地方連接至數(shù)位世界裡，直接對真實世界裡的裝置設(shè)備進行管理；反之，真實世界裡有任何的異常狀況，也能即時傳送到數(shù)位身分中，讓管理人員及早因應(yīng)。

而形成這樣的機制與系統(tǒng)之後，就能達(dá)到下列幾種智慧應(yīng)用功能，對於工業(yè)領(lǐng)域的營運都將有巨大的助益。

加快產(chǎn)品設(shè)計與上市

現(xiàn)代的產(chǎn)品開發(fā)與製造，勢必都會經(jīng)過電子設(shè)計軟體的階段，而結(jié)合數(shù)位分身的技術(shù)，將能讓產(chǎn)品的開發(fā)從設(shè)計階段就能導(dǎo)入更深度的客製化功能，同時也能讓客戶更具體的知悉產(chǎn)品推出之後的實際運行狀態(tài)，這將簡化產(chǎn)品的量產(chǎn)前的溝通，同時也能降低不必要設(shè)計修改。

而產(chǎn)品開發(fā)有了數(shù)位分身之後，也意味著虛擬原型（Virtual Prototyping）設(shè)計的實踐，透過接近實體的3D模型的使用，有助於在產(chǎn)品量產(chǎn)前，進行更全面的檢測，並能大量減少產(chǎn)品設(shè)計瑕疵的出現(xiàn)，也有助於降低整體的生產(chǎn)成本，並加速上市的時程。

預(yù)測性維護

保養(yǎng)維修一直是製造業(yè)的痛點，即便是季節(jié)性的歲修，只要是機具停機都是損失，也因此過往業(yè)者多利用淡季時期，安排設(shè)備進行歲修，但如此仍非是最佳的解決之道，尤其是進入工業(yè)4.0時代之後，接單與生產(chǎn)的流程與方式將會十分不同，閒置或者維修中的設(shè)備都會直接影響獲利。

但運用數(shù)位分身的模擬與分析技術(shù)，則可以隨時掌握機具的運行壽命，在關(guān)鍵零組件壽命到期之前，提前進行置換，如此就能制定出更具效益的機具維護計畫。再者，透過大量運行數(shù)據(jù)的分析，也能夠早期偵測出故障發(fā)生的可能性，進行產(chǎn)線的應(yīng)變計畫，優(yōu)化產(chǎn)線的產(chǎn)能。

優(yōu)化產(chǎn)能

大量的機具生產(chǎn)數(shù)值，除了可以用來評斷機器的健康狀態(tài)外，也可以用來掌握各個設(shè)備與機臺的生產(chǎn)狀況，甚至透過這些數(shù)據(jù)的分析，還能進一步用來改善機具本身的設(shè)計，或者調(diào)整產(chǎn)線的安排與規(guī)劃，進以提升產(chǎn)能效率。

尤其是在數(shù)位分身的運用情境之下，這些數(shù)據(jù)與數(shù)值，都能在虛擬平臺中先行進行測試與模擬，更能夠提升實際導(dǎo)入的運行成效。特別是數(shù)位分身的應(yīng)用不單單只是在單一的機具設(shè)備上，甚至能夠深度模擬到整廠的運行狀況。

數(shù)位分身的工業(yè)應(yīng)用實例

奇異公司的渦輪引擎製造：

飛機引擎是最需要模擬測試的裝置之一，如果不能在實際生產(chǎn)啟用前，把關(guān)鍵的重大缺失排除，即便是進入原型製造的測試，也需要龐大的成本，更遑論真的量產(chǎn)後才發(fā)現(xiàn)的瑕疵。也因此美國奇異（General Electric，GE）公司，就將數(shù)位分身的技術(shù)運用在旗下的飛機噴射引擎、風(fēng)力發(fā)電渦輪的設(shè)計製造，以及後續(xù)的健康診斷和預(yù)防性保養(yǎng)上。

為了貼近真實的使用情境，並呈現(xiàn)引擎和渦輪中各零組件耗損的程度，奇異拍攝了引擎和渦輪裡每一頁的風(fēng)扇葉片的表面狀態(tài)，並將溫度、旋轉(zhuǎn)頻率等數(shù)值在數(shù)位模型中進行模擬，以分析葉片的損壞程度，藉此判斷引擎的健康狀態(tài)，並能在故障前提早進行反應(yīng)。

奇異自己也宣稱，透過運用數(shù)位分身，他們在2019年間就幫助製造業(yè)客戶節(jié)省近1.9億美元的支出。

西門子的零缺陷工廠：

圖三 : 西門子已把數(shù)位分身落實在自己的工廠，相關(guān)的數(shù)位化方案也成為其重要的服務(wù)項目。（source：CTIMES資料照）

優(yōu)化產(chǎn)能效率是數(shù)位分身的重要目標(biāo)，而自動化專家西門子（Siemens）則將之完全落實在其位於德國的Amberg工廠中。這座工廠透過實施數(shù)位轉(zhuǎn)型，建立了一個全面聯(lián)網(wǎng)和自動化的生產(chǎn)流程，完全的體現(xiàn)了數(shù)位分身在工業(yè)製造中的運用情境，並持續(xù)朝向零缺陷生產(chǎn)的品質(zhì)管理體系前進。

為了實現(xiàn)這個場景，西門子已對旗下所有的產(chǎn)品進行數(shù)位化，並把數(shù)據(jù)資料傳送至中央系統(tǒng)。而透過這個中央品質(zhì)管理系統(tǒng)，該工廠就可以隨時獲取每年生產(chǎn)的1600萬個產(chǎn)品的所有產(chǎn)品項目、過程和品質(zhì)數(shù)據(jù)。這不僅讓系統(tǒng)能夠更快地對流程中的偏差做出反應(yīng)，也促進了工廠和供應(yīng)商過程的持續(xù)改進。

西門子自己表示，透過這套數(shù)位系統(tǒng)，該工廠的測試和停機時間已經(jīng)減少40%，未來還將會持續(xù)運用人工智慧（AI）系統(tǒng)，進一步改善生產(chǎn)流程，朝零缺陷生產(chǎn)發(fā)展。

結(jié)語

毫無疑問，數(shù)位化絕對是當(dāng)今工業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)，也是關(guān)鍵課題，而數(shù)位分身將會是這個進展的關(guān)鍵里程，人們對智慧製造的美好想像，絕大多數(shù)都仰賴這個虛擬與實體深度結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用。尤其是未來的科技產(chǎn)品無論是在功能或是製造上，都將會更加複雜，整合度也會越來越高，因此在設(shè)計與生產(chǎn)上就已非常仰賴數(shù)位虛擬的輔助技術(shù)，而數(shù)位分身將會是這個挑戰(zhàn)的答案，它將不只帶來生產(chǎn)的效率與效益，進一步改良產(chǎn)品的功能與設(shè)計，才是它更大的目標(biāo)。