Digital thread: what it is, and where it breaks

Bài viết này định nghĩa về chuỗi kỹ thuật số và đề cập đến thời điểm chuỗi này thường bị đứt: khoảnh khắc mô hình CAD trở thành tài nguyên 3D nhẹ.

Luồng dữ liệu kỹ thuật số là gì?

Luồng dữ liệu kỹ thuật số là bản ghi liên kết các dữ liệu của sản phẩm xuyên suốt vòng đời của nó. Nó liên kết các yêu cầu, thiết kế, sản xuất và thông tin dịch vụ để bất kỳ sản phẩm nào cũng có thể được truy ngược lại nguồn gốc đã sản xuất ra nó. Luồng thông tin này hoạt động theo cả hai chiều, truyền dữ liệu sản xuất và dữ liệu thực địa trở lại bộ phận kỹ thuật.

Hiệp hội Bản sao Kỹ thuật số định nghĩa nó là "một hệ thống thông tin liên kết hai chiều, đáng tin cậy và minh bạch, liên kết nhiều chiều, bao gồm cấu trúc, hành vi, không gian, thời gian và các giai đoạn vòng đời." Điều đó chính xác, nhưng khó có thể thực hiện được. Về mặt thực tiễn, sợi chỉ là tập hợp các mối liên kết trả lời một câu hỏi: đối với bộ phận này, ở trạng thái này, điều gì đã tạo ra nó, điều gì đã thay đổi và điều gì phụ thuộc vào nó?

Tính hai chiều là phần thường bị bỏ qua nhất. Từ khâu thiết kế đến sản xuất, chuỗi cung ứng xuất khẩu chỉ có thể duy trì theo chiều thuận. Một sợi chỉ thật cũng có thể chạy ngược chiều. Kết quả kiểm tra, cấu hình thực tế, sự cố xảy ra trong quá trình vận hành và lịch sử bảo trì đều được chuyển về cho những người sở hữu thiết kế.

Hướng dẫn này xác định dữ liệu truyền tải qua luồng, giải thích những gì xảy ra với dữ liệu đó trong quá trình chuyển đổi định dạng và nêu rõ những điều cần thiết để duy trì kết nối cho đến khi chuyển sang chế độ 3D thời gian thực.

Luồng dữ liệu kỹ thuật số so với bản sao kỹ thuật số: sự khác biệt là gì?

Bản sao kỹ thuật số là một mô hình ảo đại diện cho một vật thể có thật. Luồng dữ liệu kỹ thuật số là bản ghi liên kết về cách thức một thứ gì đó hình thành và những gì đã xảy ra với nó kể từ đó. "Cặp song sinh" là một trạng thái, còn "sợi chỉ" là một lịch sử. Bạn cần sợi chỉ đó để người em song sinh giữ lời hứa.

Hai yếu tố này phụ thuộc lẫn nhau, không thể thay thế cho nhau. Bản sao kỹ thuật số được xây dựng từ dữ liệu xuất khẩu cũ là bản sao của một sản phẩm không còn tồn tại. Khi bộ phận kỹ thuật phát hành bản sửa đổi và bộ phận song sinh không biết, bộ phận song sinh sẽ tiếp tục mô phỏng bộ phận cũ. Luồng thông tin đó khép kín vòng lặp.

Dữ liệu nào thực sự được truyền tải trong luồng đó?

Các phần khác nhau trong dữ liệu của một sản phẩm có tỷ lệ sống sót rất khác nhau. Hình học là tải trọng hiển nhiên, và thường là tải trọng ít giá trị nhất. Tệp CAD 3D mô tả hình dạng. Mọi thứ giúp hình dạng đó có thể sử dụng được đều nằm xung quanh nó:

• Số hiệu và mã nhận dạng linh kiện. Khóa chính. Nếu không có ID ổn định, không thể liên kết bất kỳ dữ liệu nào ở phía sau với bản ghi nguồn.
• Danh sách vật liệu (BOM) và cấu trúc sản phẩm. Cấu tạo của cụm lắp ráp là gì, với số lượng bao nhiêu và theo mối quan hệ nào. Bảng kê vật liệu CAD là một cấu trúc dữ liệu, không phải là một hình ảnh.
• Thứ tự lắp ráp và các ràng buộc. Mối quan hệ cha con, ranh giới cụm chi tiết, các chi tiết ghép nối và các khớp nối. Đây là cách bố trí của một cỗ máy, và đây cũng là cách mà kỹ thuật viên thao tác.
• Vật liệu và lớp hoàn thiện. Các thuộc tính vật lý để mô phỏng, cộng với hình thức bên ngoài để trực quan hóa. Đây là hai nhu cầu khác nhau được đáp ứng bởi cùng một tập hợp thuộc tính.
• PMI và GD&T. Thông tin về quy trình sản xuất sản phẩm, kích thước hình học và dung sai. Dung sai và ý định sản xuất là những dữ liệu quan trọng nhất ở các khâu tiếp theo, nhưng lại là những dữ liệu dễ bị xem nhẹ nhất.
• Sửa đổi và hiệu quả. Đây là phiên bản nào và khi nào nó được áp dụng? Tính hiệu quả là yếu tố biến một chuỗi bài đăng thành một dòng thời gian chứ không chỉ là một bức ảnh chụp nhanh.
• Các thuộc tính của nhà cung cấp và nguồn cung ứng. Ai sản xuất, theo thông số kỹ thuật nào và theo thỏa thuận nào?

Vị trí phù hợp của PLM

PLM là hệ thống ghi nhận chính thức cho hầu hết các thông tin nêu trên, và việc tích hợp PLM là điều kiện tiên quyết giúp cho việc xây dựng một chuỗi liên kết trở nên khả thi chứ không chỉ là mục tiêu mong muốn. PLM lưu giữ thông tin về danh tính, phiên bản, cấu trúc và trạng thái phát hành. Nó hiếm khi kiểm soát những gì xảy ra sau khi dữ liệu rời khỏi nó để đến tay người tiêu dùng tiếp theo, chẳng hạn như quy trình trực quan hóa, ứng dụng đào tạo hoặc trình cấu hình. Chính điểm giao nhận đó là nơi mà khoảng cách xuất hiện.

Nghiên cứu đã chứng minh điều này. Trong một cuộc khảo sát của Tech-Clarity với 245 công ty, khoảng một phần ba báo cáo các vấn đề liên quan đến việc sử dụng nhiều phần mềm CAD khác nhau, và gần một nửa cho biết họ mất thời gian do sự hợp tác kém hiệu quả. Các kỹ sư dành 19% thời gian của họ, khoảng một ngày mỗi tuần, cho công việc quản lý dữ liệu không tạo ra giá trị, và các nhiệm vụ được nêu tên bao gồm làm việc với dữ liệu sai, tạo lại dữ liệu và chuyển đổi định dạng ( Tech-Clarity, tháng 12 năm 2024 ). Việc chuyển đổi định dạng không phải là vấn đề thứ yếu trong quản lý dữ liệu. Đó là một trong những nguyên nhân được nêu tên của nó.

Điểm mấu chốt nằm ở: chuyển đổi định dạng

Tessellation là quá trình xấp xỉ một bề mặt CAD chính xác bằng một lưới các tam giác phẳng. Các công cụ đồ họa thời gian thực, trình duyệt và tai nghe hiển thị các tam giác chứ không phải các bề mặt tham số, vì vậy mọi mô hình CAD đều phải được chia thành các tam giác trước khi có thể hiển thị tương tác. Kết quả là một phép xấp xỉ trực quan với dung sai đã chọn.

Hình học CAD là toán học chính xác. Một hình trụ là một hình trụ: một biểu diễn ranh giới, hay BREP, được xây dựng từ các bề mặt phân tích và NURBS có thể được đánh giá với bất kỳ độ chính xác nào. Một công cụ đồ họa thời gian thực không thể hiển thị trực tiếp điều đó. Nó hiển thị các hình tam giác. Như vậy, bề mặt được lấy mẫu, và dung sai lấy mẫu trở thành một thuộc tính cố định của kết quả đầu ra. Siết chặt dung sai, bạn sẽ có được độ chính xác cao hơn cùng với số lượng tam giác chính xác hơn. Hãy nới lỏng nó ra và bạn sẽ có được hiệu suất tốt hơn cùng với khả năng tạo hình khối rõ nét.

Sự tàn phá còn đi xa hơn nữa. Sau khi được chia thành các lưới nhỏ, mô hình thường vẫn quá nặng đối với tai nghe thực tế ảo hoặc trình duyệt, vì vậy các tam giác được loại bỏ, các lưới được hợp nhất, hình học bị che khuất được xóa bỏ và cấu trúc phân cấp được làm phẳng. Mỗi thao tác đó đều đánh đổi thông tin để có được tốc độ khung hình.

Vấn đề nằm ở sự việc thứ hai xảy ra cùng lúc. Trừ khi đường dẫn dữ liệu được thiết kế để chứa chúng một cách rõ ràng, các thuộc tính phi hình học trong phần trước sẽ không được truyền tải theo. Lưới đã được giao đến. Mã số linh kiện thì không. Sổ tay sản xuất (BOM) thì không. Bản sửa đổi thì không. Sợi chỉ vừa bị cắt, và không có tiếng động nào đủ lớn để ai đó nhận ra. Về phía hạ lưu, tài nguyên có vẻ chính xác và không có thông tin về nguồn gốc.

Các định dạng làm cho điều này trở nên cụ thể hơn. Thông thường, khi nhập dữ liệu, bạn sẽ làm việc với các định dạng CAD gốc như CATIA V5 và V6 hoặc các tệp Siemens NX .prt, các định dạng trung lập như STEP, IGES và JT, và các định dạng BIM như IFC và NWD. Trên thị trường, các quy trình xử lý dữ liệu thời gian thực thường sử dụng glTF, FBX và OBJ, trong khi USD ngày càng được sử dụng rộng rãi như một định dạng trao đổi trong toàn bộ hệ sinh thái 3D . Các công cụ chuyển đổi như Unity Asset Transformer đọc trực tiếp các định dạng CAD gốc và định dạng trung lập, đồng thời xử lý việc chuyển đổi từ BREP sang dạng lưới, thay vì yêu cầu xuất sang định dạng lưới trước. Nó hỗ trợ hơn 70 định dạng và bảo toàn cấu trúc phân cấp, vật liệu và siêu dữ liệu khi nhập.

Điều quan trọng không phải là việc quá trình chuyển đổi có xảy ra hay không. Chuyện đó thường xuyên xảy ra. Câu hỏi đặt ra là liệu đó là một hộp đen tạo ra một mạng lưới không có người nhận, hay là một bước xác định giúp truyền tải bản sắc.

Những gì còn lại sau quá trình chuyển đổi từ CAD sang 3D thời gian thực, và những gì thì không.

Câu trả lời sẽ khác nhau tùy thuộc vào thuộc tính, quy trình xử lý dữ liệu và cách dữ liệu nguồn được tạo ra. Ở đây không có gì là tự động cả.

Có hai điểm cần lưu ý:

Một số điểm mất mát này là đúng: bạn không muốn sử dụng NURBS trên tai nghe. Những tổn thất gây đau đớn nhất là những tổn thất về thông tin, và những tổn thất đó hoàn toàn có thể tránh được. Một sợi chỉ có khả năng nhận biết số hiệu và phiên bản của từng bộ phận. Một lưới không phải là một bức tranh.

Định nghĩa dựa trên mô hình và MBSE làm tăng thêm thách thức. Nếu mô hình là định nghĩa có tính chất tham khảo chứ không phải bản vẽ, thì các thuộc tính bị mất trong quá trình chuyển đổi không chỉ mang tính chất hình thức. Đó chính là thông số kỹ thuật.

Điều gì sẽ xảy ra khi bộ phận kỹ thuật thay đổi chi tiết?

Luồng dữ liệu kỹ thuật số không phải là một lần xuất duy nhất, và đây là điểm mà hầu hết các nhóm cảm nhận được sự gián đoạn đầu tiên.

Tình huống này khá thường gặp; bộ phận Kỹ thuật phát hành bản sửa đổi và một chi tiết nhỏ bị dịch chuyển bốn milimét. Ở khâu đầu vào, mọi thứ đều hoạt động trơn tru: yêu cầu thay đổi được lập, xem xét và phê duyệt, và PLM ghi nhận chính xác. Ở phía hạ lưu, mọi hiện vật được xây dựng từ hình học cũ giờ đây đều âm thầm trở nên sai lệch. Mô-đun đào tạo vẫn dạy trình tự lắp ráp cũ. Công cụ cấu hình vẫn hiển thị giá đỡ cũ. Quy trình kiểm tra bảo trì vẫn chỉ cho kỹ thuật viên vị trí một cái lỗ mà hiện tại không còn nữa.

Không có lỗi nào xảy ra, và đó chính là vấn đề. Các quy trình thủ công phụ thuộc vào việc ai đó nhớ xuất lại dữ liệu, xác định mọi tài nguyên hạ nguồn được tạo ra từ phần đó và chạy lại quá trình chuyển đổi. Trên thực tế, hoặc chỉ có một người nắm giữ kiến ​​thức đó, hoặc không ai nắm giữ cả.

Giá trị của luồng thảo luận nằm ở việc giúp sớm nắm bắt được những thay đổi trong thiết kế, từ đó loại bỏ chi phí sửa đổi ở giai đoạn cuối. Việc có cái nhìn tổng quan ở khâu đầu vào là chưa đủ nếu các thành phần ở khâu cuối không được cập nhật. Luồng xử lý phải có khả năng thực thi, nghĩa là sự thay đổi trong hệ thống nguồn sẽ kích hoạt quá trình chuyển đổi lại và đánh dấu các tài sản phụ thuộc vào nó.

Những lợi ích thu được từ việc thắt chặt vòng lặp này là có thể đo lường được. Siemens báo cáo rằng Teradyne đã rút ngắn thời gian chu kỳ xử lý yêu cầu thay đổi kỹ thuật từ 90 ngày xuống còn 14 ngày, giảm 84%, giảm chi phí thực hiện các yêu cầu thay đổi xuống 60% và tiết kiệm được 2 triệu đô la mỗi năm. Chiến thắng đến từ việc loại bỏ các thao tác chuyển giao thủ công, chứ không phải từ việc làm việc nhanh hơn bên trong các thao tác đó.

Việc coi quá trình chuyển đổi như một hoạt động lặp đi lặp lại, được kích hoạt tự động, chứ không phải là một nhiệm vụ đơn thuần, chính là toàn bộ sự thay đổi. Đó chính là mục đích của việc tự động hóa quy trình chuyển đổi từ CAD sang 3D .

Làm thế nào để giữ cho sợi chỉ không bị đứt khi chuyển sang 3D?

"Làm thế nào để tạo một chuỗi dữ liệu kỹ thuật số?" - câu trả lời là một chương trình kiến ​​trúc. Phần liên quan đến việc chuyển đổi được chia thành sáu phương pháp. Hãy yêu cầu họ tuân thủ mọi quy định đối với bất kỳ đường ống nào, bất kể ai xây dựng nó.

1. Đảm bảo tính nhất quán của mã nhận dạng linh kiện trong suốt quá trình chuyển đổi. Hãy quyết định mã định danh sẽ được sử dụng: thường là mã định danh đối tượng PLM cộng với phiên bản, chứ không phải tên tệp. Ghi nó lên đối tượng đã được chuyển đổi. Nếu một tài nguyên ở phía hạ lưu không thể nêu tên nguồn gốc của nó, luồng xử lý sẽ kết thúc tại đó. Đây là phương pháp có giá trị cao nhất trong danh sách.

2. Ánh xạ các thuộc tính nguồn sang siêu dữ liệu đích một cách rõ ràng. Liệt kê các thuộc tính cần phải được giữ lại, xác định vị trí của từng thuộc tính và kiểm tra việc ánh xạ như một phần của quy trình. Hành vi mặc định không phải là một đặc tả kỹ thuật. Bất cứ thứ gì bạn chưa đặt tên cuối cùng cũng sẽ biến mất.

3. Tự động hóa quá trình chuyển đổi và quản lý phiên bản công thức. Dung sai lát gạch, mục tiêu giảm độ phân giải, quy tắc hợp nhất và ánh xạ vật liệu đều là các thông số đầu vào. Lưu trữ chúng trong hệ thống quản lý mã nguồn và áp dụng chúng bằng lập trình, để cùng một dữ liệu đầu vào sẽ tạo ra cùng một kết quả đầu ra vào quý tiếp theo. Theo định nghĩa, một quy trình tối ưu hóa thủ công là không thể tái tạo.

4. Hãy thiết lập chuyển đổi dựa trên sự kiện. Kích hoạt quá trình chuyển đổi lại từ một sự kiện phát hành trong hệ thống nguồn thay vì từ trí nhớ của một người. Đây chính là điều biến một tập hợp các xuất khẩu thành một luồng thông tin luôn được cập nhật.

5. Lưu trữ các tài sản đã được chuyển đổi ở nơi có thể tìm thấy và tái tạo chúng. Các tài sản được chuyển đổi là dữ liệu phái sinh, vì vậy hãy xử lý chúng một cách phù hợp: được lập danh mục, có thể tìm kiếm, có phiên bản và có thể xóa bỏ. Quản lý tài nguyên 3D hiệu quả cho phép bạn tái tạo tài nguyên từ nguồn gốc thay vì bảo vệ một hiện vật mà không ai có thể sao chép được.

6. Liên kết tài nguyên đã chuyển đổi trở lại bản ghi gốc. Đây không phải là bản sao của siêu dữ liệu, mà là một liên kết. tài nguyên được chuyển đổi là sản phẩm phái sinh từ một đối tượng kỹ thuật đã được phát hành, và điều đó cần được ghi rõ. Đây chính là điều giúp cho việc phân tích tác động trở nên khả thi: khi một bộ phận thay đổi, bạn có thể liệt kê tất cả mọi thứ nằm sau nó.

Đây là nguyên tắc được áp dụng cho các quy trình xây dựng phần mềm, cụ thể là dữ liệu 3D . Đối với vấn đề kiến ​​trúc tổng quát hơn, bao gồm cả việc phân chia trách nhiệm giữa bộ phận kỹ thuật và bộ phận CNTT, hãy xem hướng dẫn này về quản lý cơ sở hạ tầng dữ liệu 3D .

Ví dụ về chuỗi dữ liệu kỹ thuật số theo ngành.

Hàng không vũ trụ và quốc phòng

Ngành hàng không vũ trụ là trường hợp sử dụng hoàn thiện nhất và là nguồn gốc của thuật ngữ này. Động lực chính đến từ quy định: một bộ phận khung máy bay phải được truy xuất nguồn gốc từ yêu cầu ban đầu, qua khâu thiết kế, chứng nhận vật liệu, sản xuất và kiểm tra, và hồ sơ đó phải được lưu giữ trong nhiều thập kỷ. Luồng thông tin này kết nối quản lý yêu cầu, CAD, MBD, thực thi sản xuất và kết quả kiểm tra, chứng minh rằng chi tiết được chế tạo chính xác theo thông số kỹ thuật thiết kế. Nếu vi phạm, bạn sẽ gặp vấn đề về tuân thủ quy định, chứ không phải vấn đề về hiệu quả. Ở khía cạnh 3D , cùng một dữ liệu đó được sử dụng để hướng dẫn lắp ráp và đào tạo bảo trì trên máy bay.

Ô tô

Ngành công nghiệp ô tô vận hành dựa trên sự phức tạp của nhiều biến thể. Một dòng xe bao gồm hàng nghìn cấu hình, mỗi cấu hình có danh sách linh kiện (BOM) hợp lệ và khoảng thời gian hiệu lực riêng. Luồng thông tin này liên kết các quy tắc cấu hình với hình học, đảm bảo các bộ phận của một cấu hình nhất định đều là các bộ phận chính xác. Nếu không có nó, các nhóm sẽ phải đối chiếu các bảng tính. Ở khía cạnh 3D , điều này hỗ trợ việc xem xét thiết kế giữa các nhóm phân tán, tạo mô hình ảo trước khi chế tạo khuôn mẫu và các công cụ cấu hình cho phép hiển thị một chiếc xe có thể đặt hàng thực tế. Nếu chọn sai loại ren, công cụ cấu hình sẽ bán một biến thể mà nhà máy không thể sản xuất.

Thiết bị công nghiệp

Máy móc công nghiệp được bán một lần và bảo trì trong vòng hai mươi năm. Sợi chỉ này kết nối máy móc theo thiết kế ban đầu với máy móc thực tế đã được chế tạo và bảo trì, theo từng số sê-ri, trên toàn bộ hệ thống đã lắp đặt. Điều gây ra sự cố nếu thiếu nó chính là dịch vụ: một kỹ thuật viên đến kiểm tra máy móc mà tài liệu hướng dẫn lại ghi phiên bản khác. Ở khía cạnh 3D , phần mềm trực quan hóa 3D biến bản ghi theo từng số sê-ri đó thành hướng dẫn dịch vụ tương tác, hỗ trợ từ xa và đào tạo người vận hành về cấu hình chính xác trước mặt người dùng.

Những thách thức chung của chuỗi kỹ thuật số

Những trở ngại chủ yếu là về mặt tổ chức, và phần lớn đã tồn tại trước khi bất kỳ công việc hội nhập nào được thực hiện.

Các hệ thống nguồn vốn không được thiết kế để giao tiếp. Các hệ thống PLM, ERP, MES, ALM và CAD được mua vào những thời điểm khác nhau, cho những chủ sở hữu khác nhau, với các mô hình dữ liệu khác nhau. Không có phiên bản nào của dự án này chỉ đơn thuần là dự án dữ liệu.

Sở hữu chung. Bộ phận kỹ thuật chịu trách nhiệm về định nghĩa, bộ phận CNTT chịu trách nhiệm về nền tảng, còn bộ phận sản xuất và dịch vụ chịu trách nhiệm về hậu quả. Không ai sở hữu sợi dây cáp này, vì vậy những khoảng trống giữa các hệ thống không thuộc về ai cả.

Chất lượng dữ liệu đi kèm với dữ liệu. Sợi chỉ không tạo chất lượng. Nó lan truyền bất cứ thứ gì tồn tại. Trong một cuộc khảo sát 250 nhà lãnh đạo kỹ thuật trên khắp Hoa Kỳ và Châu Âu, 95,6% cho rằng việc tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế của công ty là cực kỳ quan trọng hoặc quan trọng, nhưng chỉ có 55% tiêu chuẩn thiết kế được ghi chép, cập nhật và sử dụng thường xuyên. Dữ liệu được gắn với mô hình thường rất dễ bị lỗi trước khi bất kỳ quá trình chuyển đổi nào tác động đến nó.

Thời gian chuyển đổi. Đây là một thách thức riêng biệt, bởi vì nó là thách thức mà những người tài trợ cho chương trình khó nhận thấy nhất.

Một số trong số này đơn giản là khó. Việc phân chia quyền sở hữu không phải là vấn đề về công cụ, và không có sản phẩm nào giải quyết được vấn đề đó. Mục tiêu thực tế là một sợi chỉ nguyên vẹn trên những con đường mang theo hậu quả.