《智能建造技術與裝備》 課件 第五章 數(shù)字孿生技術與應用

智能建造技術與裝備第五章：數(shù)字孿生技術與應用目錄一、數(shù)字孿生概述二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀三、數(shù)字孿生技術概況四、數(shù)字孿生在智能建造中的應用目錄一、數(shù)字孿生概述二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀三、數(shù)字孿生技術概況四、數(shù)字孿生在智能建造中的應用一、數(shù)字孿生概述——數(shù)字孿生的一般定義數(shù)字孿生是指針對物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段構建一個在數(shù)字世界中一模一樣的實體，借此來實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化。數(shù)字孿生是形成物理世界中某一生產(chǎn)流程的模型及其在數(shù)字世界中的數(shù)字化鏡像的過程和方法數(shù)字孿生定義一、數(shù)字孿生概述——數(shù)字孿生的一般定義利用分析技術開展算法模擬和可視化程序，建立物理實體和流程的準實時數(shù)字化模型，識別不同層面偏離理想狀態(tài)的異常情況。分析利用配置的傳感器，獲取與實際流程相關的運營和環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器傳感器提供的實際運營和環(huán)境數(shù)據(jù)將在聚合后與企業(yè)數(shù)據(jù)合并數(shù)據(jù)在人工干預的情況下通過促動器展開實際行動，推進實際流程的開展促動器數(shù)字孿生五大驅動要素收集傳感器通過集成技術（包括邊緣、通信接口和安全）達成物理世界與數(shù)字世界之間的數(shù)據(jù)傳輸集成輔助傳輸一、數(shù)字孿生概述——“工業(yè)4.0”背景下的數(shù)字孿生“工業(yè)4.0”術語編寫組對數(shù)字孿生的定義是：利用先進建模和仿真工具構建的，覆蓋產(chǎn)品全生命周期與價值鏈，從基礎材料、設計、工藝、制造及使用維護全部環(huán)節(jié)，集成并驅動以統(tǒng)一的模型為核心的產(chǎn)品設計、制造和保障的數(shù)字化數(shù)據(jù)流。“工業(yè)4.0”對數(shù)字孿生的定義著名的智能制造專家張曙教授理解并形成的數(shù)字孿生概念框架一、數(shù)字孿生概述——數(shù)字孿生技術的演化過程阿波羅項目制造領域“孿生體/雙胞胎”概念，可追溯到1969年美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目休斯頓指揮中心的阿波羅模擬器前景中綠色的是登月艙模擬器，后面棕色的是指揮艙模擬器

在飛行準備期間，被稱為“孿生體”的空間飛行器被廣泛應用于訓練，在任務執(zhí)行期間，利用該“孿生體”在地球上的精確仿太空模型，進行仿真試驗。阿波羅登月艙阿波羅項目中數(shù)字孿生技術一、數(shù)字孿生概述——數(shù)字孿生技術的演化過程數(shù)字孿生名詞由來2003年，邁克爾教授提出了“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達”的概念：一個或一組特定裝置的數(shù)字復制品，能夠抽象表達真實裝置并可以此為基礎進行真實條件或模擬條件下的測試2003—2005年被稱為“鏡像的空間模型（MirroredSpacedModel）”2011年，邁克爾·格里夫斯教授在其書《智能制造之虛擬完美模型：驅動創(chuàng)新與精益產(chǎn)品》中，引用了其合作者約翰·維克斯描述該概念模型的名詞，也就是數(shù)字孿生體，并一直沿用至今。2010年，美國國家航空航天局（NASA）的技術報告中正式使用了“數(shù)字孿生”一詞。2006—2010年被稱為“信息鏡像模型（InformationMirroringModel）”一、數(shù)字孿生概述——數(shù)字孿生技術的演化過程美國空軍研究實驗室（AFRL）提出利用數(shù)字孿生體解決戰(zhàn)斗機機體的維護問題2011年美國空軍研究實驗室（AFRL）吸納了數(shù)字孿生的概念，制定未來30年的長期愿景——希望做到在未來的每一架戰(zhàn)機交付時可以一并交付對應的數(shù)字孿生體提出了“機體數(shù)字孿生體”的概念。機體數(shù)字孿生體作為正在制造和維護的機體的超寫實模型，是可以用來對機體是否滿足任務條件進行模擬和判斷飛行器數(shù)字孿生體是一個包含電子系統(tǒng)模型、飛行控制系統(tǒng)模型、推進系統(tǒng)模型和其他子系統(tǒng)模型的集成模型。一、數(shù)字孿生概述——數(shù)字孿生技術的演化過程NASA與AFRL的合作2010年，NASA開始探索實時監(jiān)控技術（Condition—BasedMonitoring）2012年，合作雙方對外公布的“建模、仿真、信息技術和處理”技術路線圖中，將數(shù)字孿生列為2023—2028年實現(xiàn)基于仿真的系統(tǒng)工程的技術挑戰(zhàn)2012年，面對未來飛行器輕質量、高負載及更加極端環(huán)境下的更長服役時間的需求，NASA和AFRL合作并共同提出了未來飛行器的數(shù)字孿生體概念。數(shù)字孿生體概念未來飛行器的數(shù)字孿生體概念一、數(shù)字孿生概述——數(shù)字孿生技術的演化過程NASA與AFRL的合作其中的典型成果是NASA與AFRL合作構建的F-15戰(zhàn)斗機機體數(shù)字孿生體，目的是對在役飛機機體結構開展健康評估與損傷預測，提供預警并給出維修及更換指導。F-15戰(zhàn)斗機機體數(shù)字孿生體發(fā)動機的實時監(jiān)控和預測性維護此外，通用電氣計劃基于數(shù)字孿生實現(xiàn)對發(fā)動機的實時監(jiān)控和預測性維護。一、數(shù)字孿生概述——數(shù)字孿生技術的演化過程數(shù)字孿生車間數(shù)字孿生車間（DigitalTwinWorkshop，DTW）是在新一代信息技術和制造技術驅動下，通過物理車間與虛擬車間的雙向真實映射與實時交互，實現(xiàn)物理車間、虛擬車間、車間服務系統(tǒng)的全要素、全流程、全業(yè)務數(shù)據(jù)的集成和融合。目錄一、數(shù)字孿生概述二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀三、數(shù)字孿生技術概況四、數(shù)字孿生在智能建造中的應用二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀——國外發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)字孿生國際的政策及應用2020年4月，英國重磅發(fā)布《英國國家數(shù)字孿生體原則》，講述構建國家級數(shù)字孿生體的價值、標準、原則及路線圖。法國高規(guī)格推進數(shù)字孿生巴黎建設，打造數(shù)字孿生城市樣板虛擬教堂模型助力巴黎圣母院“重生”美法2020年5月，美國組建數(shù)字孿生聯(lián)盟，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟將數(shù)字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心和關鍵，正式發(fā)布《工業(yè)應用中的數(shù)字孿生：定義，行業(yè)價值、設計、標準及應用案例》白皮書。英巴黎圣母院數(shù)字孿生模型二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀——國外發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)字孿生國際的政策及應用數(shù)字孿生技術應用于韓國漢南大橋修繕——橋梁修繕團隊借助數(shù)字孿生模型和圖像處理與跟蹤方法，對裂縫、材料降解、鋼構件腐蝕等問題引入自動損壞檢查機制，用于分析橋梁的未來表現(xiàn)。德國工業(yè)4.0參考框架，將數(shù)字孿生作為重要內(nèi)容。新加坡率先搭建了“虛擬新加坡”平臺，用于城市規(guī)劃、維護和災害預警項目。德新韓2020年，日本東京公開了“東京都3D視覺化實證項目”，該項目以現(xiàn)實空間數(shù)據(jù)化的技術“數(shù)字孿生”為目標，制作了西新宿、澀谷、六本木區(qū)域的3D都市模型，并驗證了其在人口流動和防災減災等方面的效果。日“虛擬新加坡”平臺二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀——國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)字孿生國內(nèi)的政策整合周圍環(huán)境、類似建筑等海量數(shù)據(jù)，形成高保真的建筑模型，基于此設計師能夠確定大概的設計思路和方案。在施工階段主要是利用傳感器、RFID標簽等感知設備對人、機、料等全要素進行實時感知，實現(xiàn)工程項目的管理。對于資產(chǎn)的管理，主要是利用傳感器等設備，掌握資產(chǎn)運行狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)，從而建立一套數(shù)字孿生資產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)。關于建筑的改造與拆除，幾乎很少有數(shù)字孿生技術相關研究關注該階段。設計階段施工階段改造與拆除階段運維階段2019年以來，政府陸續(xù)出臺相關文件，推動數(shù)字孿生技術發(fā)展；2020年，我國將數(shù)字孿生寫入“十四五”規(guī)劃，作為建設數(shù)字中國的重要發(fā)展方向；2020年，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(AII)也增設數(shù)字孿生特設組，開展數(shù)字孿生技術產(chǎn)業(yè)研究；2021年，工信部發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎設施建設三年行動計劃》，加快了數(shù)字孿生技術研發(fā)與應用。數(shù)字孿生國內(nèi)建造施工領域的應用現(xiàn)狀目錄一、數(shù)字孿生概述二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀三、數(shù)字孿生技術概況四、數(shù)字孿生在智能建造中的應用三、數(shù)字孿生技術概況——四個典型的技術特征虛實映射現(xiàn)實世界中的物理對象和數(shù)字空間中的孿生體能夠實現(xiàn)雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互實時同步基于實時傳感等多元數(shù)據(jù)的獲取，使孿生體全面、精準、動態(tài)反映物理對象的狀態(tài)變化共生演進數(shù)字孿生所實現(xiàn)的映射和同步狀態(tài)覆蓋孿生對象全生命周期，孿生體隨孿生對象生命周期進程而不斷演進更新閉環(huán)優(yōu)化建立孿生體的最終目的——通過描述物理實體內(nèi)在機理，分析規(guī)律、洞察趨勢，基于分析與仿真對物理世界形成優(yōu)化指令或策略，實現(xiàn)對物理實體決策優(yōu)化功能的閉環(huán)數(shù)字孿生四大技術特征三、數(shù)字孿生技術概況——數(shù)字孿生的關鍵技術建模仿真虛擬現(xiàn)實數(shù)字孿生三大關鍵技術基于數(shù)字化技術為用戶呈現(xiàn)逼近的場景，實時映射多維空間仿真手段驗證這種虛擬模型的準確性和完整性數(shù)字化建模的過程，是對真實的目標進行描述和表征三、數(shù)字孿生技術概況——實現(xiàn)數(shù)字孿生的技術流程數(shù)字孿生的技術架構分為物理層、數(shù)據(jù)層、模型層、功能層四層。數(shù)字孿生技術架構的四個層面相互關聯(lián)。采集數(shù)據(jù)對采集的原始數(shù)據(jù)進行適當預處理通過平臺進行仿真通過平臺分析和預測虛擬實體的工作狀態(tài)，實現(xiàn)整個生命周期映射數(shù)字孿生技術框架數(shù)字孿生技術實現(xiàn)流程目錄一、數(shù)字孿生概述二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀三、數(shù)字孿生技術概況四、數(shù)字孿生在智能建造中的應用四、數(shù)字孿生技術在智能建造中的應用——智能建造與數(shù)字孿生智慧工地智能安全帽AI安全帽識別人員定位操作記錄工作實況智慧工地云控基礎設施塔吊動態(tài)監(jiān)測指揮中心四、數(shù)字孿生技術在智能建造中的應用——數(shù)字孿生在智能建造中的應用內(nèi)容在建筑物的全生命周期管理中，數(shù)據(jù)是傳遞建造信息的重要載體。在智能建造中應用數(shù)字孿生技術，需要解決四個關于數(shù)據(jù)的問題，即數(shù)據(jù)采集與通信數(shù)據(jù)建模數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)應用四個關于數(shù)據(jù)的關鍵問題四、數(shù)字孿生技術在智能建造中的應用——數(shù)字孿生在智能建造中的應用內(nèi)容數(shù)字孿生的技術架構包括：物理空間虛擬空間信息處理層系統(tǒng)層數(shù)字孿生的技術框架物理空間提供建造過程多源異構數(shù)據(jù)并實時傳送至虛擬空間；虛擬空間通過建立虛擬模型，實現(xiàn)對物理空間建造全過程的實時反饋控制；信息處理層接收所有數(shù)據(jù)并進行處理操作，作為調控建造活動的決策性依據(jù)；系統(tǒng)層通過分析物理空間的實際需求，依靠虛擬空間算法支撐和信息層數(shù)據(jù)處理，進行建筑工程數(shù)字孿生的決策與功能性調控。四、數(shù)字孿生技術在智能建造中的應用——數(shù)字孿生在智能建造中的應用價值數(shù)字孿生能夠提供數(shù)字化模型、實時的管理信息、覆蓋全面的智能感知網(wǎng)絡，能夠實現(xiàn)虛擬空間與物理空間的實時信息融合與交互反饋，從而實現(xiàn)了建造過程中的可視化呈現(xiàn)、智能診斷、科學預測、輔助決策四大應用價值四、數(shù)字孿生技術在智能建造中的應用——數(shù)字孿生城市由于技術路線復雜，制度障礙較多，應用場景有限，數(shù)字孿生城市建設仍處于發(fā)展初期和戰(zhàn)略培育期。“探索建設數(shù)字孿生城市”已經(jīng)納入國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要，數(shù)字孿生城市將成為新型智慧城市建設的必由之路和未來選擇。數(shù)字孿生城市發(fā)展浪潮數(shù)字孿生城市四大特點四、數(shù)字孿生技術在智能建造中的應用——數(shù)字孿生城市精準映射通過空中、地面、地下、河道等各層面的傳感器布設，實現(xiàn)對城市基礎設施的全面數(shù)字化建模，形成虛擬城市在信息維度上對實體城市的精準信息表達和映射。軟件定義以軟件的方式模擬城市人、事、物在真實環(huán)境下的行為，通過云端和邊緣計算，軟性指引和操控城市的管理與