數(shù)字孿生技術(shù)及其應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)及應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)及應(yīng)用DigitaltwinTechnologyandApplications主講：某某某目錄CONTENTSNew制造與NewIT1數(shù)字孿生技術(shù)及應(yīng)用2十大領(lǐng)域應(yīng)用探索3數(shù)字孿生融合產(chǎn)業(yè)發(fā)展4數(shù)字孿生意義、展望5隨著復(fù)雜系統(tǒng)診斷、預(yù)測(cè)和系統(tǒng)健康管理技術(shù)的不斷發(fā)展，在新興的工業(yè)信息系統(tǒng)和工業(yè)智能的推動(dòng)下，數(shù)字孿生技術(shù)成為智能制造領(lǐng)域和復(fù)雜系統(tǒng)智能運(yùn)行和維護(hù)領(lǐng)域的新興研究熱點(diǎn)。數(shù)字李生(DigitalTwin)，并非今天才產(chǎn)生，已經(jīng)走過(guò)了幾十年的發(fā)展歷程，只不過(guò)以前沒(méi)有這樣命名，而是走到了一定的發(fā)展階段，人們意識(shí)到可以給這種技術(shù)起一個(gè)更確切的名字。實(shí)際上，自從有了諸如CAD等數(shù)字化的“創(chuàng)作(authoring)”手段，就已經(jīng)有了數(shù)字孿生的源頭，有了CAE仿真手段，就讓數(shù)字虛體和物理實(shí)體走得更近，有了系統(tǒng)仿真，可以讓數(shù)字虛體更像物理實(shí)體，直至有了比較系統(tǒng)的數(shù)字樣機(jī)技術(shù)。發(fā)展到現(xiàn)在，人們發(fā)現(xiàn)在數(shù)字世界里做了這么多年的數(shù)字設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果，越來(lái)越虛實(shí)對(duì)應(yīng)，越來(lái)越虛實(shí)融合，越來(lái)越廣泛應(yīng)用，數(shù)字虛體越來(lái)越賦能物理實(shí)體系統(tǒng)、PART01New制造與NewITDigitaltwinTechnologyandApplicationsNew制造與NewIT1傳統(tǒng)制造:1、主要關(guān)注“加工”環(huán)節(jié)2、輸入:成產(chǎn)要素、經(jīng)驗(yàn)3、輸出:產(chǎn)品4、進(jìn)行的環(huán)節(jié)主要在物理世界中智能制造:1、貫穿產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)2、輸入:生產(chǎn)要素、數(shù)據(jù)/信息/知識(shí)3、輸出:產(chǎn)品+服務(wù)4、虛實(shí)相結(jié)合的制造過(guò)程N(yùn)ewIT:對(duì)新一代信息技術(shù)的理解1傳統(tǒng)IT=計(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要關(guān)注對(duì)象是信息世界NewIT=工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)、智能技術(shù)PART02數(shù)字孿生技術(shù)及應(yīng)用DigitaltwinTechnologyandApplications制造物理信息融合2如何互聯(lián)互通?智能化操作?物理世界制造資源信息世界制造協(xié)作感知與接入服務(wù)化封裝搜索與匹配智能化操作可視化展現(xiàn)服務(wù)協(xié)作共同的瓶頸之一:如何實(shí)現(xiàn)制造的物理世界和信息世界之間的交互與融合數(shù)字孿生(DT:DigitalTwin)的提出2在其2014年撰寫(xiě)的DigitalTwin白皮書(shū)中明確指出，他在2003年提出了數(shù)字孿生，但是Prof.Grieves在此10年間沒(méi)有相關(guān)成果發(fā)表Prof.MichaelW.Grieves2010年NASA定義了未來(lái)飛行器數(shù)字孿生體范例，但NASA后續(xù)對(duì)數(shù)字孿生體體系的構(gòu)建貢獻(xiàn)并不多美國(guó)國(guó)家航空航天局在2011年3月美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的一次演講也明確提到了數(shù)字孿生，AFRL利用數(shù)字孿生來(lái)解決戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體維護(hù)問(wèn)題美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室2003年概念首次出現(xiàn)，2011年左右逐次進(jìn)入人們視野1Prof.Grieves的數(shù)字孿生參考模型數(shù)字孿生由三部分構(gòu)成:1)物理空間的實(shí)體產(chǎn)品;2)虛擬空間的虛擬產(chǎn)品;3)虛實(shí)之間的連接數(shù)據(jù)和信息2NASA和AFRL的數(shù)字孿生模式圖示化表示數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度多概率的仿真，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體的全生命周期過(guò)程。數(shù)字孿生的概念2數(shù)字孿生學(xué)術(shù)研究2在服務(wù)領(lǐng)域、生產(chǎn)領(lǐng)域研究多，產(chǎn)前相對(duì)較少美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)在數(shù)字孿生技術(shù)的研究中占主流數(shù)字孿生學(xué)術(shù)研究數(shù)字孿生工業(yè)應(yīng)用11個(gè)領(lǐng)域，45個(gè)細(xì)分類2航空航天航天箜預(yù)測(cè)維護(hù)航天器故障分析裝配線監(jiān)控優(yōu)化安全和安全管理電力領(lǐng)域渦輪機(jī)預(yù)測(cè)維護(hù)電廠的健康管理電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)營(yíng)維護(hù)環(huán)境保護(hù)水資源管理森林利用和管理汽車制造設(shè)計(jì)驗(yàn)證故障頂測(cè)維護(hù)燃油效率優(yōu)化汽車性能測(cè)試油氣行業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控資產(chǎn)管理生產(chǎn)優(yōu)化故障檢測(cè)維護(hù)計(jì)劃城市管理實(shí)時(shí)監(jiān)控城市規(guī)劃政策制定HVAC控制船舶航運(yùn)生命周期管理故障頂測(cè)維護(hù)工藝優(yōu)選降低油耗健康醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)心臟病研究個(gè)性化醫(yī)療資源分配員工安排減輕現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)或危害災(zāi)難性的災(zāi)難頂防安全網(wǎng)絡(luò)保護(hù)安全急救建筑建設(shè)進(jìn)度監(jiān)測(cè)預(yù)算調(diào)整工人安全監(jiān)測(cè)建筑質(zhì)量評(píng)估提高設(shè)備使用率資源分配和廢物跟蹤智慧農(nóng)業(yè)橄視種植監(jiān)測(cè)家畜的健康監(jiān)測(cè)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的跟蹤農(nóng)場(chǎng)機(jī)器的跟蹤病蟲(chóng)害和農(nóng)藥監(jiān)測(cè)PART03十大領(lǐng)域應(yīng)用探索DigitaltwinTechnologyandApplications數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用3A數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用C數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用B數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用D數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、動(dòng)態(tài)控制與優(yōu)化、產(chǎn)品維護(hù)、產(chǎn)品升級(jí)等，達(dá)到虛實(shí)融合和行為的模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)和控制。數(shù)字孿生技術(shù)貫穿于產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段，通過(guò)數(shù)字孿生體與產(chǎn)品實(shí)體持續(xù)的信息交互在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)對(duì)物理產(chǎn)品在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的形成過(guò)程數(shù)字孿生十大領(lǐng)域應(yīng)用探索3數(shù)字孿生醫(yī)療數(shù)字孿生發(fā)電廠智能運(yùn)維管控基于數(shù)字孿生的飛機(jī)起落架優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜裝備PHM數(shù)字孿生特種車輛抗毀傷評(píng)估分析數(shù)字孿生十大領(lǐng)域應(yīng)用探索3數(shù)字孿生城市蒸汽時(shí)代:城市的標(biāo)志是修公路;電力時(shí)代:城市的發(fā)展是鋪電網(wǎng);數(shù)字時(shí)代:數(shù)據(jù)成為重要資源，城市需構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)推動(dòng)城市治理方式的變革。數(shù)字孿生立體倉(cāng)庫(kù)Cityzenith在全球10個(gè)領(lǐng)先智慧城市推出新一代5D城市平臺(tái)借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，為城市創(chuàng)建了一個(gè)虛擬鏡像。數(shù)字孿生立體倉(cāng)庫(kù)PART04數(shù)字孿生融合產(chǎn)業(yè)發(fā)展DigitaltwinTechnologyandApplications數(shù)字孿生推動(dòng)仿真行業(yè)發(fā)展4數(shù)字孿生推動(dòng)仿真行業(yè)發(fā)展數(shù)字孿生推動(dòng)仿真行業(yè)發(fā)展數(shù)字孿生推動(dòng)仿真行業(yè)發(fā)展數(shù)字孿生推動(dòng)仿真行業(yè)發(fā)展基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧城市具有精準(zhǔn)映射、虛實(shí)交互、軟件定義、智能干預(yù)四個(gè)特征。數(shù)字孿生城市作為數(shù)字城市的目標(biāo)也是智慧城市的新起點(diǎn)。隨著信息通信技術(shù)的高速發(fā)展，當(dāng)前社會(huì)已經(jīng)基本具備了構(gòu)建數(shù)字孿生城市的能力。全域立體感知、數(shù)字化標(biāo)識(shí)、萬(wàn)物可信互聯(lián)、泛在普惠計(jì)算、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策等，構(gòu)成了數(shù)字孿生城市的強(qiáng)大技術(shù)模型;大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)推進(jìn)技術(shù)模型不斷完善，使模擬、仿真、分析城市的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成為可能。數(shù)字孿生技術(shù)成為智能制造的基本要素4物理實(shí)體和虛擬模型是數(shù)字孿生的兩個(gè)核心要素，以仿真技術(shù)為重要支撐的虛擬模型構(gòu)建是數(shù)字孿生的基本保障?？梢哉f(shuō)仿真是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)石，利用仿真技術(shù)可以在虛擬世界中建立物理系統(tǒng)的映射，進(jìn)而展示產(chǎn)品的性能或制造過(guò)程，模擬物理實(shí)體的全生命周期;數(shù)字孿生代表了最新的仿真技術(shù)，數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真行業(yè)提出了更高的要求，這極大地推進(jìn)了仿真行業(yè)的發(fā)展。目前已有超過(guò)55家公司的100多個(gè)應(yīng)用軟件加入Altair合作聯(lián)盟。ANSYS于2018-05發(fā)布的ANSYS19.1軟件，推出首款針對(duì)數(shù)字孿生體的產(chǎn)品軟件包一-ANSYSTwinBuilder，進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)字孿生與仿真技術(shù)的融合應(yīng)用。數(shù)字孿生引領(lǐng)智慧城市建設(shè)4在應(yīng)用層面，NASA、美國(guó)空軍等依托數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的故障檢測(cè)、處置和航天器的壽命預(yù)測(cè);洛馬公司將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于F-35飛機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程，提升其生產(chǎn)效率;達(dá)索公司在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段引入數(shù)字孿生3D體驗(yàn)平臺(tái)，不斷改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型;此外，我國(guó)學(xué)者在產(chǎn)品數(shù)字孿生體的具體的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)施方法、全三維研制模型下的產(chǎn)品構(gòu)型管理等方面也提出了一定的思路和技術(shù)解決方案。數(shù)字孿生技術(shù)面向其生產(chǎn)的全面生命周期，其主要應(yīng)用是業(yè)務(wù)過(guò)程建模和生產(chǎn)過(guò)程仿真等，如洛馬公司部署了UBI的“智能空間”解決方案，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，并利用該平臺(tái)建立一個(gè)實(shí)時(shí)鏡像現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)字孿生，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三維空間交互活動(dòng)，控制生產(chǎn)流程;西門(mén)子構(gòu)建了虛擬企業(yè)模型和企業(yè)鏡像，整合制造流程的生產(chǎn)系統(tǒng)模型;深圳華龍訊達(dá)公司構(gòu)建了3D虛擬仿真管理系統(tǒng)，連接監(jiān)控生產(chǎn)中的各個(gè)流程。此外，陶劍等人結(jié)合航空工業(yè)智能制造架構(gòu)，還給出了數(shù)字孿生技術(shù)在生產(chǎn)生命周期中的其他一些應(yīng)用思路。PART05數(shù)字孿生意義展望DigitaltwinTechnologyandApplications數(shù)字孿生技術(shù)意義5數(shù)字孿生通過(guò)設(shè)計(jì)工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等各種數(shù)字化的手段，將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復(fù)制、可轉(zhuǎn)移、可修改、可刪除、可重復(fù)操作的數(shù)字鏡像，這極大加速了操作人員對(duì)物理實(shí)體的了解，可以讓很多原來(lái)由于物理?xiàng)l件限制、必須依賴于真實(shí)的物理實(shí)體而無(wú)法完成的操作，如模擬仿真、批量復(fù)制、虛擬裝配等，成為觸手可及的工具，更能激發(fā)人們?nèi)ヌ剿餍碌耐緩絹?lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)。更便捷，更適合創(chuàng)新傳統(tǒng)的測(cè)量方法，必須依賴于價(jià)格不菲的物理測(cè)量工具，如傳感器、采集系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)等，才能夠得到有效的測(cè)量結(jié)果，而這無(wú)疑會(huì)限制測(cè)量覆蓋的范圍，對(duì)于很多無(wú)法直接采集到測(cè)量值的指標(biāo)，往往無(wú)能為力。而數(shù)字孿生技術(shù)，可以借助于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過(guò)采集有限的物理傳感器指標(biāo)的直接數(shù)據(jù)，并借助大樣本庫(kù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)推測(cè)出一些原本無(wú)法直接測(cè)量的指標(biāo)。例如，我們可以利用潤(rùn)滑油溫度、繞組溫度、轉(zhuǎn)子扭矩等一系列指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)構(gòu)建不同的故障特征模型，間接推測(cè)出發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的健康指標(biāo)。更全面的測(cè)量數(shù)字孿生技術(shù)意義5現(xiàn)有的產(chǎn)品生命周期管理，很少能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，因此往往無(wú)法對(duì)隱藏在表象下的問(wèn)題提前進(jìn)行預(yù)判。而數(shù)字孿生可以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)的處理和人工智能的建模分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估、對(duì)過(guò)去發(fā)生問(wèn)題的診斷，以及對(duì)未來(lái)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，并給予分析的結(jié)果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。更全面的分析和預(yù)測(cè)能力在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)領(lǐng)域，經(jīng)驗(yàn)往往是一種模糊而很難把握的形態(tài)，很難將其作為精準(zhǔn)判決的依據(jù)。數(shù)字孿生的一大關(guān)鍵進(jìn)步，是可以通過(guò)數(shù)字化的手段，將原先無(wú)法保存的專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)字化，并提供了保存、復(fù)制、修改和轉(zhuǎn)移的能力。例如，針對(duì)大型設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數(shù)據(jù)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練出針對(duì)不同故障現(xiàn)象的數(shù)字化特征模型，并結(jié)合專家處理的記錄，將其形成未來(lái)對(duì)設(shè)備故障狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)判決的依據(jù)，并可針對(duì)不同的新形態(tài)的故障進(jìn)行特征庫(kù)的豐富和更新，最終形成自治化的智能診斷和判決。經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字化數(shù)字孿生技術(shù)意義5為了在理論和實(shí)踐中解決數(shù)字孿生模型研究存在的問(wèn)題，需要繼續(xù)深入開(kāi)展以下相關(guān)研究。1)數(shù)字孿生模型與參考架構(gòu)模型的融合目前出現(xiàn)的各種參考架構(gòu)模型普遍是宏觀結(jié)構(gòu)和建設(shè)愿景，為了使數(shù)字孿生模型與其匹配，還需要從2個(gè)方向進(jìn)行研究，即參考架構(gòu)模型可操作性詳細(xì)模型的設(shè)計(jì)以及數(shù)字孿生模型的重構(gòu)。2)數(shù)字孿生模型的統(tǒng)一描述方法的構(gòu)建模型統(tǒng)一描述方法在一些領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)等已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，通過(guò)使用UML，SYSML等統(tǒng)一建模語(yǔ)言以及從實(shí)踐中總結(jié)而來(lái)的面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)、模型驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)等方法體系，可以高效地將反映現(xiàn)實(shí)世界具體需求的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可集成、可交互、可擴(kuò)展的抽象模型系統(tǒng)，其效率大大超過(guò)通過(guò)簡(jiǎn)單代碼的堆疊而進(jìn)行的具體系統(tǒng)的構(gòu)建。數(shù)字孿生模型的進(jìn)一步發(fā)展同樣需要對(duì)統(tǒng)一建模語(yǔ)言、統(tǒng)一建模方法進(jìn)行探索。3)建模工具軟件和工業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)中國(guó)工業(yè)應(yīng)用軟件的整體水平相對(duì)落后，尤其體現(xiàn)在涉及工業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造系統(tǒng)、關(guān)鍵控制系統(tǒng)等的