數字孿生技術及應用數字孿生技術及應用DigitaltwinTechnologyandApplications主講：某某某目錄CONTENTSNew制造與NewIT1數字孿生技術及應用2十大領域應用探索3數字孿生融合產業發展4數字孿生意義、展望5隨著復雜系統診斷、預測和系統健康管理技術的不斷發展，在新興的工業信息系統和工業智能的推動下，數字孿生技術成為智能制造領域和復雜系統智能運行和維護領域的新興研究熱點。數字李生(DigitalTwin)，并非今天才產生，已經走過了幾十年的發展歷程，只不過以前沒有這樣命名，而是走到了一定的發展階段，人們意識到可以給這種技術起一個更確切的名字。實際上，自從有了諸如CAD等數字化的“創作(authoring)”手段，就已經有了數字孿生的源頭，有了CAE仿真手段，就讓數字虛體和物理實體走得更近，有了系統仿真，可以讓數字虛體更像物理實體，直至有了比較系統的數字樣機技術。發展到現在，人們發現在數字世界里做了這么多年的數字設計、仿真結果，越來越虛實對應，越來越虛實融合，越來越廣泛應用，數字虛體越來越賦能物理實體系統、PART01New制造與NewITDigitaltwinTechnologyandApplicationsNew制造與NewIT1傳統制造:1、主要關注“加工”環節2、輸入:成產要素、經驗3、輸出:產品4、進行的環節主要在物理世界中智能制造:1、貫穿產品全生命周期各環節2、輸入:生產要素、數據/信息/知識3、輸出:產品+服務4、虛實相結合的制造過程NewIT:對新一代信息技術的理解1傳統IT=計算機、信息、網絡技術主要關注對象是信息世界NewIT=工業技術、信息技術、智能技術PART02數字孿生技術及應用DigitaltwinTechnologyandApplications制造物理信息融合2如何互聯互通?智能化操作?物理世界制造資源信息世界制造協作感知與接入服務化封裝搜索與匹配智能化操作可視化展現服務協作共同的瓶頸之一:如何實現制造的物理世界和信息世界之間的交互與融合數字孿生(DT:DigitalTwin)的提出2在其2014年撰寫的DigitalTwin白皮書中明確指出，他在2003年提出了數字孿生，但是Prof.Grieves在此10年間沒有相關成果發表Prof.MichaelW.Grieves2010年NASA定義了未來飛行器數字孿生體范例，但NASA后續對數字孿生體體系的構建貢獻并不多美國國家航空航天局在2011年3月美國空軍研究實驗室的一次演講也明確提到了數字孿生，AFRL利用數字孿生來解決戰斗機機體維護問題美國空軍研究實驗室2003年概念首次出現，2011年左右逐次進入人們視野1Prof.Grieves的數字孿生參考模型數字孿生由三部分構成:1)物理空間的實體產品;2)虛擬空間的虛擬產品;3)虛實之間的連接數據和信息2NASA和AFRL的數字孿生模式圖示化表示數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度多概率的仿真，從而反映相對應的實體的全生命周期過程。數字孿生的概念2數字孿生學術研究2在服務領域、生產領域研究多，產前相對較少美國、中國、德國在數字孿生技術的研究中占主流數字孿生學術研究數字孿生工業應用11個領域，45個細分類2航空航天航天箜預測維護航天器故障分析裝配線監控優化安全和安全管理電力領域渦輪機預測維護電廠的健康管理電網規劃運營維護環境保護水資源管理森林利用和管理汽車制造設計驗證故障頂測維護燃油效率優化汽車性能測試油氣行業遠程監控資產管理生產優化故障檢測維護計劃城市管理實時監控城市規劃政策制定HVAC控制船舶航運生命周期管理故障頂測維護工藝優選降低油耗健康醫療健康監測心臟病研究個性化醫療資源分配員工安排減輕現有風險或危害災難性的災難頂防安全網絡保護安全急救建筑建設進度監測預算調整工人安全監測建筑質量評估提高設備使用率資源分配和廢物跟蹤智慧農業橄視種植監測家畜的健康監測動物運動的跟蹤農場機器的跟蹤病蟲害和農藥監測PART03十大領域應用探索DigitaltwinTechnologyandApplications數字孿生技術在產品全生命周期的應用3A數字孿生技術在產品全生命周期的應用C數字孿生技術在產品全生命周期的應用B數字孿生技術在產品全生命周期的應用D數字孿生技術在產品全生命周期的應用實現產品的設計、生產過程監控、動態控制與優化、產品維護、產品升級等，達到虛實融合和行為的模擬、監控、診斷、預測和控制。數字孿生技術貫穿于產品生命周期的各個階段，通過數字孿生體與產品實體持續的信息交互在網絡中實現對物理產品在現實環境中的形成過程數字孿生十大領域應用探索3數字孿生醫療數字孿生發電廠智能運維管控基于數字孿生的飛機起落架優化設計數字孿生驅動的復雜裝備PHM數字孿生特種車輛抗毀傷評估分析數字孿生十大領域應用探索3數字孿生城市蒸汽時代:城市的標志是修公路;電力時代:城市的發展是鋪電網;數字時代:數據成為重要資源，城市需構建一個數據基礎設施來推動城市治理方式的變革。數字孿生立體倉庫Cityzenith在全球10個領先智慧城市推出新一代5D城市平臺借助物聯網、大數據等技術，為城市創建了一個虛擬鏡像。數字孿生立體倉庫PART04數字孿生融合產業發展DigitaltwinTechnologyandApplications數字孿生推動仿真行業發展4數字孿生推動仿真行業發展數字孿生推動仿真行業發展數字孿生推動仿真行業發展數字孿生推動仿真行業發展基于數字孿生技術的智慧城市具有精準映射、虛實交互、軟件定義、智能干預四個特征。數字孿生城市作為數字城市的目標也是智慧城市的新起點。隨著信息通信技術的高速發展，當前社會已經基本具備了構建數字孿生城市的能力。全域立體感知、數字化標識、萬物可信互聯、泛在普惠計算、數據驅動決策等，構成了數字孿生城市的強大技術模型;大數據、人工智能、虛擬現實等技術推進技術模型不斷完善，使模擬、仿真、分析城市的實時動態成為可能。數字孿生技術成為智能制造的基本要素4物理實體和虛擬模型是數字孿生的兩個核心要素，以仿真技術為重要支撐的虛擬模型構建是數字孿生的基本保障。可以說仿真是數字孿生的基礎石，利用仿真技術可以在虛擬世界中建立物理系統的映射，進而展示產品的性能或制造過程，模擬物理實體的全生命周期;數字孿生代表了最新的仿真技術，數字孿生的實現對仿真行業提出了更高的要求，這極大地推進了仿真行業的發展。目前已有超過55家公司的100多個應用軟件加入Altair合作聯盟。ANSYS于2018-05發布的ANSYS19.1軟件，推出首款針對數字孿生體的產品軟件包一-ANSYSTwinBuilder，進一步推動數字孿生與仿真技術的融合應用。數字孿生引領智慧城市建設4在應用層面，NASA、美國空軍等依托數字孿生技術實現對復雜系統的故障檢測、處置和航天器的壽命預測;洛馬公司將數字孿生技術應用于F-35飛機的生產過程，提升其生產效率;達索公司在產品設計階段引入數字孿生3D體驗平臺，不斷改進產品設計模型;此外，我國學者在產品數字孿生體的具體的體系結構和實施方法、全三維研制模型下的產品構型管理等方面也提出了一定的思路和技術解決方案。數字孿生技術面向其生產的全面生命周期，其主要應用是業務過程建模和生產過程仿真等，如洛馬公司部署了UBI的“智能空間”解決方案，構建工業互聯網應用平臺，并利用該平臺建立一個實時鏡像現實生產環境的數字孿生，實時監測三維空間交互活動，控制生產流程;西門子構建了虛擬企業模型和企業鏡像，整合制造流程的生產系統模型;深圳華龍訊達公司構建了3D虛擬仿真管理系統，連接監控生產中的各個流程。此外，陶劍等人結合航空工業智能制造架構，還給出了數字孿生技術在生產生命周期中的其他一些應用思路。PART05數字孿生意義展望DigitaltwinTechnologyandApplications數字孿生技術意義5數字孿生通過設計工具、仿真工具、物聯網、虛擬現實等各種數字化的手段，將物理設備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復制、可轉移、可修改、可刪除、可重復操作的數字鏡像，這極大加速了操作人員對物理實體的了解，可以讓很多原來由于物理條件限制、必須依賴于真實的物理實體而無法完成的操作，如模擬仿真、批量復制、虛擬裝配等，成為觸手可及的工具，更能激發人們去探索新的途徑來優化設計、制造和服務。更便捷，更適合創新傳統的測量方法，必須依賴于價格不菲的物理測量工具，如傳感器、采集系統、檢測系統等，才能夠得到有效的測量結果，而這無疑會限制測量覆蓋的范圍，對于很多無法直接采集到測量值的指標，往往無能為力。而數字孿生技術，可以借助于物聯網和大數據技術，通過采集有限的物理傳感器指標的直接數據，并借助大樣本庫，通過機器學習推測出一些原本無法直接測量的指標。例如，我們可以利用潤滑油溫度、繞組溫度、轉子扭矩等一系列指標的歷史數據，通過機器學習來構建不同的故障特征模型，間接推測出發電機系統的健康指標。更全面的測量數字孿生技術意義5現有的產品生命周期管理，很少能夠實現精準的預測，因此往往無法對隱藏在表象下的問題提前進行預判。而數字孿生可以結合物聯網的數據采集、大數據的處理和人工智能的建模分析，實現對當前狀態的評估、對過去發生問題的診斷，以及對未來趨勢的預測，并給予分析的結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。更全面的分析和預測能力在傳統的工業設計、制造和服務領域，經驗往往是一種模糊而很難把握的形態，很難將其作為精準判決的依據。數字孿生的一大關鍵進步，是可以通過數字化的手段，將原先無法保存的專家經驗進行數字化，并提供了保存、復制、修改和轉移的能力。例如，針對大型設備運行過程中出現的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數據通過機器學習訓練出針對不同故障現象的數字化特征模型，并結合專家處理的記錄，將其形成未來對設備故障狀態進行精準判決的依據，并可針對不同的新形態的故障進行特征庫的豐富和更新，最終形成自治化的智能診斷和判決。經驗的數字化數字孿生技術意義5為了在理論和實踐中解決數字孿生模型研究存在的問題，需要繼續深入開展以下相關研究。1)數字孿生模型與參考架構模型的融合目前出現的各種參考架構模型普遍是宏觀結構和建設愿景，為了使數字孿生模型與其匹配，還需要從2個方向進行研究，即參考架構模型可操作性詳細模型的設計以及數字孿生模型的重構。2)數字孿生模型的統一描述方法的構建模型統一描述方法在一些領域，如計算機軟件開發等已經基本實現，通過使用UML，SYSML等統一建模語言以及從實踐中總結而來的面向對象開發、模型驅動開發等方法體系，可以高效地將反映現實世界具體需求的系統轉化為可集成、可交互、可擴展的抽象模型系統，其效率大大超過通過簡單代碼的堆疊而進行的具體系統的構建。數字孿生模型的進一步發展同樣需要對統一建模語言、統一建模方法進行探索。3)建模工具軟件和工業軟件的開發中國工業應用軟件的整體水平相對落后，尤其體現在涉及工業設計、生產制造系統、關鍵控制系統等的