智能設備的數字孿生關鍵技術：建模關鍵技術：仿真關鍵技術：虛擬現實技術4.14.24.3第四章數字孿生的關鍵技術關鍵技術：增強現實技術4.4關鍵技術：仿真4.2知識回顧

知識回顧：（1）模型的基本概念（2）建模的基本步驟（3）建模的實現方法（4）模型的構建知識回顧1.模型的基本概念指通過主觀意識借助實體或者虛擬表現，構成客觀闡述形態結構的一種表達目的的物件。2.建模的基本步驟首先進行模型抽象，然后模型表達、模型構建、最后模型運行。3.建模的實現方法在IT場景中、OT場景中(Modelica建模語言、OPCUA技術)4.模型的構建在數字孿生中，模型的構建是一個關鍵步驟，它涉及將實際系統轉化為數字形式并建立相應的模型。4.2關鍵技術：仿真

從20世紀50年代開始，仿真技術逐漸成為了一門新興學科，計算機仿真經過了模擬計算機、數字計算機、混合計算機、全數字并行處理仿真技術的發展與演變，相繼出現了模擬仿真、數字仿真、混合仿真、全數字并行的仿真技術。仿真的軟件也由數值計算方法，仿真的語言越來越豐富，直到現在，仿真技術已經應用到各個技術領域、各個學科內容和各種工程部門。4.2.1仿真技術概述軍事領域醫療領域工業領域4.2關鍵技術：仿真1.仿真技術概念仿真技術是指應用仿真硬件和仿真軟件通過仿真實驗，借助某些數值計算和問題求解，反映系統行為或過程的仿真模型技術。

第一階段20世紀初已經在某些行業有了應用，如在實驗室中建立水利模型，進行水利學方面的研究第二階段在20世紀40-50年代，仿真技術應用在航空、航天和原子能等領域進行了應用；第三階段在20世紀60年代隨著計算機技術的突飛猛進的發展，提供了先進的仿真工具，加速了仿真技術的發展。物理產品的所使用狀態變化，組件更新等信息，產品性能優化的信息都將反饋到數字孿生體4.2關鍵技術：仿真

2.仿真工具

仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真軟件。仿真硬件仿真軟件仿真硬件仿真工具4.2關鍵技術：仿真

(1)仿真硬件在仿真硬件其中最主要的工具就是計算機。用于仿真的計算機的類型有三種，分別模擬計算機、數字計算機和混合計算機以及一些專用的物理仿真器。仿真硬件模擬計算機模擬計算機模擬計算機專用的物理仿真器4.2關鍵技術：仿真

數字計算機還可分為通用數字計算機和專用數字計算機，隨著數字計算機的軟件、接口和終端技術的發展，人機交互性也較好，目前數字計算機已成為現代仿真的主要工具。數字計算機模擬計算機主要用于連續系統的仿真，在進行模擬仿真時，依據仿真模型將各運算放大器按要求連接起來，調整其有關的系數器。它的優點人機交互性好，適合于實時仿真。模擬計算機4.2關鍵技術：仿真

混合計算機是把模擬計算機與數字計算機聯合在一起應用于系統仿真的計算機系統。充分發揮模擬計算機的高速度和數字計算機的高精度、邏輯運算和存儲能力強的優點。混合計算機空間環境模擬器仿真工具的硬件除了計算機，仿真硬件還包括一些專用的物理仿真器，如運動仿真器、目標仿真器、負載仿真器、環境仿真器等。4.2關鍵技術：仿真仿真軟件是以仿真服務的仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數據庫為核心的仿真軟件系統。仿真軟件的種類很多，涉及到如機械、流體、結構、巖土、土木、隧道、生物、電磁、海洋、優化、化工、人體、逆向、建模、智能制造等多學科。2.仿真工具(2)仿真軟件4.2關鍵技術：仿真3.仿真方法

離散事件系統仿真方法連續系統仿真方法仿真方法仿真方法主要是指建立仿真模型和進行仿真實驗的方法。仿真方法不是一種單項技術，而是一種求解問題的方法。仿真方法是建立系統的數學模型并將它轉換為適合在計算機上編程的仿真模型，然后對模型進行仿真試驗的方法。仿真方法基本上分為兩大類，分別為連續系統仿真方法和離散事件系統仿真方法。4.2關鍵技術：仿真

(1)連續系統仿真方法連續系統的數學模型一般采用微分方程進行描述，模型中的變量隨時間連續變化。根據仿真時所采用的計算機不同，可分為模擬仿真法、數字仿真法和混合仿真法三類。(2)離散事件系統仿真方法離散事件系統仿真方法是指離散事件系統的狀態是在離散時刻發生的變化，通常用“離散事件”這一術語來表示這樣的變化。問題思考中國行業的市場規模如何？4.2關鍵技術：仿真4.計算機仿真技術行業發展

中國計算機仿真行業的市場規模呈現出穩定增長的態勢，在國家政策支持、技術創新推動、行業應用拓展等多重因素的影響下，中國計算機仿真行業將保持較高的增長速度，預計到2023年底，市場規模將超過2000億元，復合增長率達到12%左右。從尚普咨詢集團數據顯示，2022年中國計算機仿真行業上市企業TOP10的營收總額約為72億元，占整個行業營收總額的6.6%。目前，中國計算機仿真行業整體集中度較低，沒有形成明顯的龍頭企業。4.2關鍵技術：仿真

(1)計算機仿真行業細分領域分析對賽車模型壓力進行測試①計算機仿真測試計算機仿真測試是指利用計算機軟件和硬件對各種電子設備、系統或網絡進行性能測試、故障診斷、可靠性評估等的過程，通過計算機仿真測試可以提高測試效率和精度，降低測試成本和風險，提高產品質量和安全性?！景咐抠愜嚹Ｐ头抡鏈y試，對典型的F1賽車的地板產生壓力進行測試。問題思考計算機仿真測試分為哪些？4.2關鍵技術：仿真

計算機仿真測試主要包括機電仿真測試、射頻仿真測試、通用測試等。計算機仿真測試機電仿真測試射頻仿真測試通用測試4.2關鍵技術：仿真通用測試是指利用計算機軟件和硬件對各種通用設備或系統進行功能、性能、兼容性等方面的仿真測試，主要應用于電子信息、醫療器械、教育科研等領域。

射頻仿真測試是指利用計算機軟件和硬件對各種射頻設備或系統進行信號發射、接收、處理等方面的仿真測試，主要應用于通信、雷達、導航等領域。【案例】高速的PCB設計中，采用球柵陣列封裝技術。BGA球柵陣列封裝技術機電仿真測試是指利用計算機軟件和硬件對各種機電設備或系統進行動力學、熱力學、電磁學等方面的仿真測試，主要應用于汽車、航空航天、工程機械等領域?！景咐咳鐚﹄妱悠囌嚨碾娦阅苓M行測試。整體電性能測試

數字孿生的仿真技術

在數字孿生體系中的仿真技術是一種在線數字仿真技術表示為確定性規律和完整機理的模型轉化成軟件的方式來模擬物理世界

（對物理實體建立相對應的虛擬模型，并模擬物理實體在真實環境下的行為。）在數字孿生體系中模型要正確，有完整的輸入信息和環境數據，就能基本正確地反映物理世界的特性和參數，驗證和確認對物理世界或問題理解的正確性和有效性。數字孿生中的仿真技術更加強調物理系統和信息系統之間的虛實共融和實時交互貫穿了全生命周期是一種高頻次和不斷循環迭代的仿真過程。4.2關鍵技術：仿真4.2關鍵技術：仿真②仿真模擬訓練

仿真模擬訓練是指利用計算機軟件和硬件構建虛擬環境和場景，對人員進行技能培訓、知識教育、心理調節等的過程。仿真模擬訓練主要包括軍事仿真訓練、飛行仿真訓練、駕駛仿真訓練等。仿真模擬訓練軍事仿真訓練飛行仿真訓練駕駛仿真訓練4.2關鍵技術：仿真

軍事仿真訓練是指利用計算機軟件和硬件構建虛擬戰場和作戰環境，對軍事人員進行戰術技能、戰略思維、心理素質等方面的仿真訓練，主要應用于陸軍、海軍、空軍等部隊。【案例】某武警第二機動總隊某支隊引入VR仿真訓練設備。軍事仿真訓練飛行仿真訓練是指利用計算機軟件和硬件構建虛擬空域和飛行環境，對飛行人員進行飛行技能、飛行規則、飛行安全等方面的仿真訓練，主要應用于民航、航空航天等領域?！景咐棵绹哲娫趦热A達州的內利斯空軍基地開設了一個5500平方米虛擬測試訓練中心。飛行仿真訓練駕駛仿真訓練是指利用計算機軟件和硬件構建虛擬道路和駕駛環境，對駕駛人員進行駕駛技能、交通規則、安全意識等方面的仿真訓練，主要應用于汽車、公交車、地鐵等領域?！景咐科囻{駛仿真汽車駕駛仿真4.2關鍵技術：仿真

③虛擬制造虛擬制造是指利用計算機軟件和硬件對產品設計、工藝流程、生產線布局等進行數字化建模和優化分析的過程虛擬制造主要包括數字化設計、數字化加工、數字化組裝等。虛擬制數字化設計數字化加工數字化組裝4.2關鍵技術：仿真

數字化設計展廳

數字化設計是指利用計算機軟件對產品形態、結構、功能等進行三維建模和參數化設計的過程。【案例】數字化展廳。數字化加工是指利用計算機軟件對產品加工工藝進行數學建模和優化控制的過程。數字化加工可以提高加工質量和穩定性，實現智能化監測和調整，提高加工效率和節能性。【案例】SMT貼片行業全面進入自動化SMT貼片自動化數字化組裝是指利用計算機軟件對產品組裝流程進行邏輯建模和動態模擬的過程?！景咐课鏖T子醫療的制造與研發的智機器人組裝過程機器人組裝問題思考計算機仿真技術發展趨勢？4.2關鍵技術：仿真

5.計算機仿真技術發展趨勢計算機仿真技術應用趨勢從傳統的靜態仿真模型迅速發展為動態模型，已應用于航天、船舶、醫療、安全、服務、教育等各個領域。隨著應用范圍的廣泛，計算機仿真技術也隨著發展，目前計算機仿真技術的發展趨勢主要有高性能仿真技術、增強仿真技術、集成仿真技術、可視化仿真技術、智能化仿真技術等。01高性能仿真技術02增強仿真技術03集成仿真技術04可視化仿真技術05智能化仿真技術4.2關鍵技術：仿真

高性能仿真技術隨著計算機仿真技術對存儲、計算等要求越來越高，計算機仿真技術越來越依賴計算機的性能，未來需要更加繁瑣的仿真模型，要求性能越來越高、延遲越來越低，加上大數據仿真實施技術，對性能的要求也較高。增強仿真技術增強仿真技術是指以有形環境為基礎，使用虛擬元素來增強仿真技術，可以實現對更多應用領域的快速處理。其中，基于虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、真實現實（MR）技術的發展，使得模型更加重視界面和控制系統的整合和融合，也是未來發展的趨勢之一。4.2關鍵技術：仿真

集成仿真技術目前計算機仿真技術已發展為多種模型和方法，并開展了大量的新應用。計算機仿真技術將繼續在實施綜合應用仿真，以擴大其范圍，改善仿真精度，加速計算能力，增強圖形計算能力，加強決策支持和多尺度仿真等集成方面進程。可視化仿真技術計算機仿真技術的一個重要組成部分是虛擬圖形，通過虛擬圖形技術，可以實現數據的可視化和表達，并可以模擬、實時顯示場景或二維、三維地圖，以便更直觀地理解仿真結果。除此，計算機仿真技術已發展到允許混合仿真（MR），可以實現全景、觸控等新型應用。4.2關鍵技術：仿真

智能化仿真技術計算機仿真技術與人工智能相結合，可以形成仿真分析系統幫助管理者更快、更準確地做出決策。4.2關鍵技術：仿真

數字孿生的仿真技術

在數字孿生體系中的仿真技術是一種在線數字仿真技術表示為確定性規律和完整機理的模型轉化成軟件的方式來模擬物理世界

（對物理實體建立相對應的虛擬模型，并模擬物理實體在真實環境下的行為。）在數字孿生體系中模型要正確，有完整的輸入信息和環境數據，就能基本正確地反映物理世界的特性和參數，驗證和確認對物理世界或問題理解的正確性和有效性。數字孿生中的仿真技術更加強調物理系統和信息系統之間的虛實共融和實時交互貫穿了全生命周期是一種高頻次和不斷循環迭代的仿真過程?；跀底謱\生可對物理對象通過模型進行分析、預測、診斷、訓練等仿真過程，并將仿真結果反饋給物理對象，從而幫助對物理對象進行優化和決策。仿真技術是創建和運行數字孿生體、保證數字孿生體與對應物理實體實現有效閉環的核心技術。目前數字孿生的仿真技術與信息新技術（大數據、物聯網、云計算、人工智能等）相融合，向著數字化、網絡化、服務化、智能化方向發展。4.2關鍵技術：仿真數字孿生中仿真技術與物理對象之間的關系數字孿生中仿真技術分類（1）按被仿真的對象進行分類4.2關鍵技術：仿真將實際工程的狀態在模型中進行模擬，通過仿真技術確認工程系統的內在變量對被控對象的影響，如制造過程的仿真。工程系統仿真指對自然場景進行真實模擬，部分自然場景具有不規則性、動態性和隨機性，因此對自然場景的實時仿真具有重大的意義。自然系統仿真社會系統仿真生命系統仿真軍事系統仿真復雜社會系統的描述與研究方法，有助于提高決策層對系統運行狀態的快速掌握以及對各種狀況的及時處理，如人工社會的仿真。以生命系統為研究對象，以生命的某種功能為劃分系統的原則，以定量研究為特點的一種新興學科，如數字人體。指在軍事仿真方面，有戰爭模擬、作戰演練、裝備使用和維修培訓等應用場景，能節約經費、提高效率、保護環境、減少傷亡。（2）按仿真粒度進行分類4.2關鍵技術：仿真單元級仿真

指即面向單個部分或領域的仿真，如機械結構仿真、控制仿真、流體仿真、電磁仿真；系統級仿真，面向單一系統整體行為的仿真，如汽車、飛機等產品的全系統仿真。體系級仿真

指面向由多個獨立系統組成的體系系統的仿真，關注體系中各部分之間的關系和體系的涌現行為，如城市交通仿真、體系對抗仿真。（3）按仿真系統架構進行分類

4.2關鍵技術：仿真0102指運行于單臺計算機或單個平臺上的仿真系統，適合中小型的仿真系統，便于設計和管理。集中式仿真指運行于多臺計算機或多個平臺上的仿真系統，常用于大規模體系級仿真。分布式仿真3.數字孿生中仿真技術的應用與發展

目前仿真技術形成了比較完善的理論、方法和技術體系，仿真技術為數字孿生的發展與應用提供了堅實的基礎和有力的支撐。（1）數字孿生中仿真技術的應用①數字孿生仿真技術應用在交通領域交通安全仿真是基于虛擬現實技術的評價系統，交通安全仿真和評價系統是作為交通管理部門建設和改善交通設施的依據和分析交通事故的一種方法。4.2關鍵技術：仿真

②數字孿生仿真技術應用在智能制造領域數字孿生中的仿真技術目前在智能制造的應用比較廣泛，它是物聯網、虛擬現實等技術相結合的產物，越來越多的制造商們開始借助數字孿生技術探索智能生產新模式，相繼開發了虛擬車間、數字工廠、產品設計、設備管理、車聯網等新型應用場景。數字孿生能模擬現實環境中的行為，孿生數字便代表了物理世界與虛擬世界的融合。4.2關鍵技術：仿真

③數字孿生仿真技術應用在教育領域

計算機仿真實驗是計算機多媒體教學中新增加的領域，可以根據需要即時組件模擬實驗室。仿真實驗強調實驗的設計思想和實驗方法，打破了教與學、理論和時間、課內與課外的界限，強調實驗者的主動性。通過計算機仿真，可以加深學生對儀器的思想、方法、結構和設計原理的理解，聯系實驗技能，鞏固知識，提高學生的興趣和實驗水平。4.2關鍵技術：仿真（2）數字孿生中仿真技術發展方向4.2關鍵技術：仿真

①網絡化仿真目前計算機仿真系統還存在一些問題，如開發時間長、成本高、不兼容、共享困難、可移植性差等問題。系統共享是計算機仿真系統開發中非常重要的，隨著網絡共享的實現，可以避免社會資源的重復開發，通過適當的收費來補充開發成本。

②虛擬制造技術虛擬制造技術是一種領先的制造技術，它是利用計算機仿真技術和虛擬現實技術，通過計算機實現對產品的管理和控制。（3）數字孿生中仿真技術發展趨勢

4.2關鍵技術：仿真面向對象的仿真建模分布式仿真建模智能仿真建模可視化建模

采用面向對象建模可以充分提供系統的建模能力，更為重要的是面向對象建模仿真技術更容易讓人們掌握和使用，操作人員也能更好利用仿真技術為系統服務。

分布式仿真是通過計算機網絡將分散在世界各地的仿真設備鏈接起來，實現了時間和空間耦合的虛擬仿真環境。智能仿真可以及時修正和運維輔助模型，具有更好的人機交互界面，使得人與計算機的交流更加的人性化，從而實現仿真系統本身的優化能力。

可視化建?？梢愿又庇^的展示整個仿真的過程，有效地區分了仿真過程的真實性和正確性，結果簡單易懂。謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設備的數字孿生授課教師：卞化梅關鍵技術：建模關鍵技術：仿真關鍵技術：虛擬現實技術4.14.24.3第四章數字孿生的關鍵技術關鍵技術：增強現實技術4.4關鍵技術：虛擬現實技術4.3

數字孿生和虛擬現實技術（VirtualReality，VR）是當今科技領域備受矚目的兩個概念，隨著技術的發展和需求的不斷增加，在未來二者一定是不斷融合的走向，二者的融合將給未來帶來巨大的變革和機遇。4.3關鍵技術：虛擬現實技術4.3.1虛擬現實技術的概述1.虛擬現實技術概念

虛擬現實技術又稱為虛擬實境或靈境技術，它是20世紀發展起來的一項全新的實用技術。它的基本實現方式是以計算機技術為主，綜合三維圖形技術、多媒體技術、顯示技術、仿真技術、伺服技術等技術，運用計算機等設備產生逼真的三維視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗的虛擬世界，從而使人們在虛擬世界中產生一種身臨其境的感覺。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

虛擬現實就是將虛擬和現實進行結合，從理論來講，虛擬技術也是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統。虛擬技術就是利用生活中的數據，利用計算機技術生產的電子信號，結合各種輸出設備將其轉化為能夠讓人們感受的現象，這些現象可以是現實中的真切的事物，也可以是肉眼看不到的物質，采用三位模型表示出來。4.3關鍵技術：虛擬現實技術2.虛擬現實技術的發展歷程4.3關鍵技術：虛擬現實技術1963—1972年（虛擬現實技術的初現階段）1963年以前（虛擬現實思想的萌芽階段）在1935年，美國科幻小說家斯坦利·溫鮑姆在他的小說中首次構想了以眼鏡為基礎、涉及視覺、觸覺、嗅覺等全方位沉浸式體驗的虛擬現實概念在1957—1962年，莫頓·海利希研究并發明了“全傳感仿真器”

在1968年美國計算機圖形學之父IvanSutherlan開發出了第一個計算機圖形驅動的頭盔顯示器HMD及頭部位置跟蹤系統，這是虛擬現實技術的雛形，也是虛擬現實技術重要的里程碑。2.虛擬現實技術的發展歷程4.3關鍵技術：虛擬現實技術1990年至今（虛擬現實技術理論的完善和應用階段）1973—1989年（虛擬現實技術概念和理論產生的初期階段）M.W.Krueger設計了VIDEOPLACE系統，它能生產虛擬圖形環境，能使體驗者的圖像投影能實時的響應自己的活動。M.MGreevy領導完成的VIEW系統，它能實現體驗者穿戴數據手套和頭部跟蹤器，通過語言、手勢等進行交互，形成虛擬現實系統。VPL公司開發了第一套傳感手套“DataGloves”和第一套HMD“EyePhoncs”。1993年11月，宇航員通過VR系統訓練，從航天飛機運輸艙內取出望遠鏡面板。1994年，日本游戲公司Sega和任天堂分別推出SegaVR-1和VirtualBoy。2022年，加拿大造船公司Seaspan將3D沉浸式虛擬現實系統引入船舶設計。

3.虛擬現實技術的分類

（1）根據沉浸式體驗角度分類4.3關鍵技術：虛擬現實技術非交互式體驗用戶更為被動，所體驗內容均為提前規劃好的，允許用戶在一定程度上引導場景數據的調度，也仍沒有實質性交互行為，如場景漫游等，用戶幾乎全程無事可做。人---虛擬環境交互式體驗用戶可以用如數據手套，數字手術刀等的設備與虛擬環境進行交互，如駕駛戰斗機模擬器等，用戶可感知虛擬環境的變化

，進而也就能產生在相應現實世界中可能產生的各種感受。（2）根據系統功能角度分類4.3關鍵技術：虛擬現實技術規劃設計系統適用于新設施的實驗驗證，可大幅縮短研發時長，降低設計成本，提高設計效率，城市排水、社區規劃等領域均可使用，如VR模擬給排水系統。展示娛樂類系統適用于提供給用戶逼真的觀賞體驗，如數字博物館，大型3D交互式游戲，影視制作等，如VR技術早在70年代便被Disney用于拍攝特效電影。訓練演練類系統可應用于各種危險環境及一些難以獲得操作對象或實操成本極高的領域，如外科手術訓練、空間站維修訓練等。

（3）根據技術角度分類4.3關鍵技術：虛擬現實技術桌面式虛擬現實技術采用立體圖像技術在計算機的屏幕中生成三維立體控件的交互場景虛擬世界與用戶之間交互用到的主要設備有計算機、初級圖形工作站、投影儀、鍵盤、鼠標、力矩儀等。分布式虛擬現實技術虛擬現實技術與網絡技術相融合的產物通過計算機網絡將多用戶鏈接到同一個虛擬事件中，多個用戶可以在同一個虛擬世界進行觀察和操作。分布式虛擬現實技術主要用到的設備有圖像顯示器、通信和控制設計以及處理系統。4.3關鍵技術：虛擬現實技術沉浸式虛擬現實技術將用戶的視覺、聽覺、味覺、觸覺封閉起來提供一種完全沉浸式的體驗采用這種技術主要通過設備有頭盔式顯示器、洞穴式立體現實裝置、數據手套、空間位置跟蹤器等。增強式虛擬現實技術將真實世界的信息進行疊加到仿真模擬世界中用戶與虛擬世界交互過程中用到的主要設備有穿透式頭盔式顯示器、攝像儀、攝像頭、計算與存儲設備、移動設備等。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

4.虛擬現實技術的原理4.3關鍵技術：虛擬現實技術

5.虛擬現實技術的特征

（1）沉浸性

沉浸性特征是虛擬現實技術最主要的特征，是讓用戶成為并感受到自己是計算機系統所創造環境中的一部分，虛擬現實技術的沉浸性取決于用戶的感知系統，當使用者感知到虛擬世界的刺激時，包括觸覺、味覺、嗅覺、運動感知等，便會產生思維共鳴，造成心理沉浸，感覺如同進入真實世界。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

（2）交互性

交互性特征是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度，使用者進入虛擬空間，對應的技術讓使用者跟環境產生相互作用，當使用者進行某種操作時，周圍的環境也會做出某種反應。如使用者接觸到虛擬空間中的物體，那么使用者手上應該能夠感受得到，若使用者對物體有所動作，物體的位置和狀態也應改變。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

（3）多感知性

多感知性特征表示為計算機技術應該擁有很多感知方式，比如聽覺，觸覺、嗅覺等，理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。由于相關技術，特別是傳感技術的限制，目前大多數虛擬現實技術所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、觸覺、運動等幾種。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

（4）構想性構想性的特征可以稱為想象性。使用者在虛擬空間中，可以與周圍物體進行互動，可以拓寬認知范圍，創造客觀世界不存在的場景或不可能發生的環境。使用者進入虛擬空間，根據自己的感覺與認知能力吸收知識，發散拓寬思維，創立新的概念和環境。（5）自主性自主性特征是指虛擬環境中物體依據物理定律動作的程度。如當受到力的推動時，物體會向力的方向移動或翻倒，或從桌面落到地面等。4.3關鍵技術：虛擬現實技術4.3.2虛擬現實系統的關鍵技術

1.動態環境建模技術

動態環境建模技術是虛擬環境的建立，是VR系統的核心內容，目的就是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要建立相應的虛擬環境模型。

2.實時三維圖形生成技術

實時三維圖形生成技術是指目前三維圖形的生成技術已經較為成熟，關鍵點在于“實時”生成。為保證實時，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，好高于30幀/秒。3.立體顯示和傳感器技術

立體顯示和傳感器技術是虛擬現實交互能力的關鍵。虛擬現實的交互能力是依賴于立體顯示和傳感器技術的發展。4.應用系統開發工具

虛擬現實應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，選擇適當的應用對象可以大幅度提高生產效率，減輕勞動強度，提高產品質量。5.系統集成技術

由于VR系統中包括大量的感知信息和模型，因此系統集成技術起著至關重要的作用，集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別與合成技術等。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

4.3.3虛擬現實系統的輸入設備

虛擬現實系統的輸入設備是用來輸入用戶發出的動作，使得用戶可以操作一個虛擬境界。在與虛擬場景中進行交互時，大量的傳感器用來管理用戶的行為，同時也將場景中的物體狀態的信息反饋給用戶。4.3關鍵技術：虛擬現實技術三維位置跟蹤器是測量虛擬現實系統中三維對象位置和方向實時變化的一種硬件設備，是虛擬現實世界中一個比較關鍵的傳感器。它的目的就是檢測方位和位置，將這些數據報告給虛擬現實系統。在虛擬現實系統的多數輸入設備大都用到三維位置跟蹤器，目前虛擬現實系統的主要輸主要包括手柄類、可穿戴類、基于計算機視覺的動作感測設備等三種。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

1.手柄類輸入設備虛擬現實中多數頭盔主要采用手柄類設備，主要包括游戲手柄和動作感應的VR手柄兩大類。傳統的游戲手柄主要有按鈕、遙感、觸板等，這類攝入設備相對結構簡單，便于操作，到對手部關節的精細的動手無法精確的定位，容易動作失真。動作感應的VR手柄主要是通過慣性傳感系統加上光學追蹤系統或者磁場感應來實現動作的跟蹤，這類設備目前還存在感應范圍限制、感應精度不夠高等問題，還不能完美實現人機交互的自然互動。三星的GearVR控制器4.3關鍵技術：虛擬現實技術

2.可穿戴輸入設備可穿戴設備主要是指直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設備。可穿戴設備是通過軟件支持以及數據交互、云端交互來實現強大的功能。全身動作捕捉系統數據手套可穿戴VR設備4.3關鍵技術：虛擬現實技術

（1）數據手套數據手套是一種典型的VR可穿戴設備，是一種多模式的虛擬現實硬件，通過軟件編程，可進行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉等動作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場景漫游的工具。這類數據收到使用簡單，輸入數據量較小，進度較快，可以直接獲取手在空間的三維信息和手指的運用信息，可以識別多種手勢，實時進行識別，但也存在跟蹤范圍有限，缺乏反饋、操作容易疲勞等問題。

5DT數據手套4.3關鍵技術：虛擬現實技術（2）全身動作捕捉系統全身VR動作捕捉系統是一種可以對人體進行全身動作捕捉的技術。它可以通過傳感器、攝像頭、標記等設備對人體進行捕捉，然后將捕捉到的數據傳輸到計算機中進行處理，將人體的動作實時呈現在虛擬現實場景中。它的主要功能有動作捕捉、表情捕捉、動作數據精修等。它的應用范圍主要有影視、動畫、游戲、廣告、教育、VR/AR、人體工程學研究，模擬訓練，仿真和生物醫學等領域。全身VR動作捕捉4.3關鍵技術：虛擬現實技術攝像頭技術通過拍攝人體的動作來進行捕捉，主要應用于人體的大部位。標記技術將特定標記貼在人體上，再通過攝像頭來進行捕捉的技術，可以提高人體動作捕捉的精度和穩定性。傳感器技術通過測量人體的加速度、角速度、磁場等參數來捕捉人體的動作，主要應用于手部、腳部等較小的部位。全身VR動作捕捉系統的技術原理4.3關鍵技術：虛擬現實技術追蹤技術眼球追蹤技術

眼球追蹤主要是研究眼球運動信息的獲取、建模和模擬。當人的眼睛看向不同方向時，眼部會有細微的變化，這些變化會產生可以提取的特征，計算機可以通過圖像捕捉或掃描提取這些特征，從而實時追蹤眼睛的變化，預測用戶的狀態和需求，并進行響應，達到用眼睛控制設備的目的。頭部跟蹤

俗稱頭瞄，是指利用傳感器追蹤使用者頭部的運動，然后根據頭部的姿勢移動所顯示的內容，廣泛用于三維顯示中的虛擬視角控制。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

（3）基于計算機視覺的動作感測設備

基于計算機視覺的動作感測設備是運用外攝像頭、紅外線采集圖像，建立手勢模型，實現對用戶動作感測和捕捉的一種設備。手勢識別的硬件基礎是深度攝像頭，深度攝像頭主要采用結果光、雙目成像和飛行時間等三種技術方案。課后作業

查找每一個輸入設備，了解其特征、適用場景，采用何種技術。知識回顧

以下這幾種輸入設備分別應用于哪些場景？需要哪些技術來實現？VR控制器數據手套VR頭盔4.3關鍵技術：虛擬現實技術移動端VR頭盔VR一體機游戲主機VR頭盔PC端VR頭盔頭戴式顯示器以外接個人計算機為主的VR顯示體驗度好、算法復雜，主要涉及光學、仿真、傳感、人機交互等多種技術使用場景在室內，便攜型較差以游戲機為主的VR顯示頭盔具有獨立的VR屏幕只兼容特定的游戲機以智能手機為運行系統的顯示設備手機承擔了計算單元、內容輸出和顯示單元的功能未真正實現交互和沉浸感。將數據運算主體和顯示主體集成不需要外設的VR獨立平臺該設備對技術和廠商設計要求比較高4.3關鍵技術：虛擬現實技術頭戴式顯示器虛擬現實系統的輸出設備虛擬投影設備立體聲音箱4.3關鍵技術：虛擬現實技術

2.虛擬投影設備使用光場成像技術來展示沉浸效果的設備，是視覺表現的主要方式。視覺表現技術主要包括平面顯示技術和光場景成像技術。光場景成像技術還分為全息技術和視網膜投影技術。全息技術是利用干涉和衍射原理再現三維圖像技術。視網膜投影技術更加先進，不需要任何顯示屏，直接在視網膜上掃描使用戶感覺到一副逼真的外部圖像。4.3關鍵技術：虛擬現實技術3.立體聲音箱

虛擬現實平臺的聲音部分十分重要，因為聲音可以增強用戶體驗。虛擬現實平臺使用立體聲音箱（或插耳式耳機）來隔離外界噪音，提供更準確的聲音和更好的聽體驗。4.3關鍵技術：虛擬現實技術虛擬現實的軟件UI設計軟件VR操作系統中間件4.3.5虛擬現實系統的軟件與技術開發平臺

對人機交互、操作邏輯、界面美觀等方面進行整體優化的設計的一類軟件。常用的虛擬現實的UI設計軟件主要有Sketch、Unity3D、Photoshop、AE等。

VR操作系統管理VR硬件資源、軟件程序和VR應用程序的軟件，VR操作系統包括原生系統和開源系統。代表廠商主要有雷蛇、谷歌等。

中間件在軟件開發過程一種為作為內核和用戶體驗之間的軟件，另一種是添加服務、特性和功能，改進和簡化游戲開發的軟件。4.3關鍵技術：虛擬現實技術虛擬現實整合軟件開發語言類的工具和SDK虛擬現實引擎虛擬現實軟件開發工具包4.3關鍵技術：虛擬現實技術（1）虛擬現實整合軟件虛擬現實整合軟件主要包括Virtools、Quest3D、WebMax等。Virtools是一套整合軟件，可以將現有常用的檔案格式整合在一起，如3D的模型、2D圖形或是音效等。具備豐富的互動行為模塊的實時3D環境虛擬實境編輯軟件?？梢宰寷]有程序基礎的人員利用內置的行為模塊快速制作出許多3D產品，如網際網絡、計算機游戲、多媒體等。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

Quest3D是一個容易且有效的實時3D建構工具。比起其他的可視化的建構工具，如網頁、動畫、圖形編輯工具來說，Quest3D能在實時編輯環境中與對象互動。

WebMax具有獨特的壓縮技術、真實的畫面表現、豐富的互動功能，通過WebMax開發的三維網頁無需下載，只需輸入網址，即可直接在互聯網上瀏覽三維互動內容。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

（2）虛擬現實引擎

虛擬現實引擎是虛擬現實系統中的核心部分，負責控制管理整個系統中數據、外圍等資源，通常虛擬現實引擎用來封裝渲染、物理、聲效、輸入、網絡和人工智能。目前常見的虛擬現實引擎有Unity3D、Unreal、VR-Platform、Converse3D等。

Unity3D是一款跨平臺的游戲引擎，可以用來制作游戲、應用程序和虛擬實（VR）和增強現實（AR）體驗。它提供了一整套開發工具和引擎組件，包括渲染、物理

模擬、聲音、動畫、人工智能、網絡功能和用戶界面設計。

Unreal（UNREALENGINE）采用了最新的即時光跡追蹤、HDR光照技術、虛擬位等新技術，而且能夠每秒鐘實時運算兩億個多邊形運算。在亞洲，中韓眾多知名游戲開發商購買該引擎主要用于次世代網游的開發。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

VR-Platform（VirtualRealityPlatform），即虛擬現實仿真平臺，VRP具有完全自主知識產權的直接面向三維美工的一款虛擬現實軟件。VR-Platform所有的操作都是以美工可以理解的方式進行，不需要程序員參與。

Converse3D虛擬現實引擎具有完全知識產權的一款三維虛擬現實平臺軟件，可廣泛的應用于視景仿真、城市規劃、室內設計、工業仿真、古跡復原、娛樂、藝術與教育等行業。該軟件適用性強、操作簡單、功能強大。4.3關鍵技術：虛擬現實技術

（3）開發語言類01HLSL高級著色器語言02X3D03VRML是由微軟開發的一種著色器語言，可以使用HLSL編寫頂點著色器或像素著色器，可以使用HLSL編寫計算著色器，可以實現物理模擬。

虛擬現實建模語言，是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構的三維世界的場景建模語言，它具有跨平臺特性，其本質上是一種面向Web，面向對象的三維造型語言。

X3D是一種專為萬維網而設計的三維圖像標記語言，基于XML格式開發，所以可以直接使用XMLDOM文檔樹、XMLSchema校驗等技術和相關的XML編輯工具。謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設備的數字孿生授課教師：卞化梅關鍵技術：建模關鍵技術：仿真關鍵技術：虛擬現實技術4.14.24.3第四章數字孿生的關鍵技術關鍵技術：增強現實技術4.4關鍵技術：增強現實技術4.4課前思考

請同學們想一想，在哪里看過這種類似的效果？4.4關鍵技術：增強現實技術

1.增強現實技術簡介增強現實技術是一種將虛擬信息與真實世界巧妙融合的技術廣泛運用了多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種技術手段將原本在現實世界的空間范圍中比較難以進行體驗的實體信息在電腦等科學技術的基礎上，實施模擬仿真處理，疊加將虛擬信息內容在真實世界中加以有效應用4.4關鍵技術：增強現實技術2.增強現實技術的特點

虛擬結合實時交互三維注冊

虛擬物體與真實時間的結合，使用戶感知的混合世界，虛擬物體出現的時間、位置與真實時間對應的事物相一致。

虛擬系統根據用戶當前的位置或狀態，及時調整與之對應的虛擬世界，并將虛擬世界與真實世界結合。

三維注冊要求對合成到真實場景匯總的虛擬信息和物體準確進行定位并進行真實感實時繪制，使得虛擬事物在合成場景中具有真實的存在感和位置感。4.4關鍵技術：增強現實技術

3.增強現實的關鍵技術跟蹤注冊技術顯示技術虛擬物體生成技術交互技術合并技術

先檢測需要“增強”的物體特征點以及輪廓，跟蹤物體特征點自動生成二維或三維坐標信息。

顯示器和接口綜合在一起，使用更加真實有效的環境拍攝外部環境圖像，使虛擬以及真實環境融合在一起。

虛擬物體的生成在三維建模技術的基礎上實現，能夠充分體現出虛擬物體的真實感，全方位和集體化對物體對象展示出來。

AR設備的交互方式主要分為點位選?。ˋR賀卡和畢業相冊）來進行交互、命令和手勢交互以及使用特制工具進行交互（谷歌地球）三種。

將虛擬信息與輸入的現實場景無縫結合在一起，讓虛擬事物與真實事物之間的遮擋關系幾何一致、模型真實、光照一致和色調一致。4.4關鍵技術：增強現實技術4.增強現實技術的應用

AR應用在教育領域將3D模型和數字信息投影到真實環境結合教材，制作交互式教學應用在學校博物館和展覽館中應用AR應用在醫療領域幫助醫生進行手術操作幫助醫生進行診斷和治療，如疫情期間，5G+AR遠程會診、AR查房、非接觸式AR測溫等。AR應用在旅游領域幫助游客了解景點的歷史和文化背景結合導航系統，提供更好的導航服務實現展廳現場中虛擬與現實的交互展示4.4關鍵技術：增強現實技術4.增強現實技術的應用

AR應用在娛樂領域AR技術可以結合游戲，制作出更加逼真的游戲體驗。AR應用在廣告領域幫助企業制作出更加吸引人的廣告結合實體產品，制作出更加生動的廣告宣傳片，讓消費者可以更好地了解產品。AR應用在建筑領域幫助建筑師進行設計和施工幫助建筑師和業主進行溝通，讓業主可以更好地了解建筑設計和施工進度。本章小結模型的基本概念建模的基本步驟與實現方法模型的構建數字孿生中的仿真工具0102030405虛擬現實與增強的特點、關鍵技術、應用謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設備的數字孿生授課教師：卞化梅開源平臺商業平臺課堂小結5.15.25.3第五章

數字孿生的實驗平臺開源平臺5.1培養學生對知識的聯想能力培養學生自學的方法與途徑學習目標能力目標：知識目標：素養目標：掌握數字孿生實現的幾個階段了解數字孿生常見的開源平臺能正確說出數字孿生實現的幾個階段能根據具體業務需要選擇對應的數字孿生的開源平臺課前思考請同學們思考：實現數字孿生需要幾個階段？5.1開源平臺數字孿生實現的階段通過高精度的3D掃描技術，將實物模型數字化。利用相應軟件處理和優化數據，得到高精度的三維重建模型，準確地反映實物的幾何形態和屬性信息。數字化的過程在保證數據精度的同時，兼顧數據處理速度和成本效益?；谝褦底只奈锢砟Ｐ?，利用仿真軟件進行建模和分析，建立數字孿生的對應模型，并對系統進行仿真，考慮其中的各種物理因素、器件和參數等，模擬系統運行的行為規律，以預測實際系統的性能和行為。建模仿真的結果可以為實際系統的設計、調試、優化提供重要的理論指導和預測結果。建模仿真階段是數字孿生制作的第二步：數字化階段是數字孿生制作的第一步：優化階段是數字孿生制作的第三步：5.1開源平臺數字孿生實現的階段通過對建模仿真結果的分析，發現系統中存在的局限和問題，從而針對性地進行優化和改進，提升系統性能和效率。在優化階段，不僅要考慮技術上的可行性和實驗結果的統計學意義，還要考慮各個優化方案對成本、質量以及環境等因素的影響，尋找最佳的綜合方案。5.1開源平臺

感知層數據采集層計算層應用層數字孿生平臺基本組成部分5.1開源平臺

即機器人操作系統，是一個面向機器人的開源元操作系統。它能夠提供類似傳統操作系統的諸多功能，如硬件抽象、底層設備控制、進程間消息傳遞和程序包管理等。5.1.1ROS機器人軟件開發次級操作系統ROS（RobotOperatingSystem）5.1.1ROS機器人軟件開發次級操作系統

ROS是管道（消息傳遞）、開發工具、應用功能和生態系統的組合。ROS中有強大的開發工具，可以調試和可視化機器人數據。ROS具有內置的機器人應用功能，如機器人導航、定位、繪圖、操作等。它們有助于創建強大的機器人應用程序。5.1.1ROS機器人軟件開發次級操作系統ROS的組成ROS的主要功能消息傳遞接口、硬件抽象、軟件包管理、第三方軟件庫集成、底層設備控制、分布式計算、代碼復用、語言獨立性、測試簡單、開源等。5.1開源平臺

ROS框架主要分成三個層級，分別是ROS文件系統、ROS計算圖和ROS社區。ROS的文件系統：主要介紹了硬盤上ROS文件的組織形式，包括軟件包、軟件包清單、消息類型、服務類型。ROS的計算圖：ROS處理數據的一種點對點的網絡形式。它的基本功能包括節點、ROS控制器、參數服務器、消息和服務。ROS社區：ROS機器人開發者社區。5.1.1ROS機器人軟件開發次級操作系統ROS框架ROS的文件系統：主要介紹了硬盤上ROS文件的組織形式，包括軟件包、軟件包清單、消息類型、服務類型。ROS的計算圖：ROS處理數據的一種點對點的網絡形式。它的基本功能包括節點、ROS控制器、參數服務器、消息和服務。ROS社區：ROS機器人開發者社區。5.1開源平臺5.1.1ROS機器人軟件開發次級操作系統ros框架5.1開源平臺

ROS應用與開源5.1.1ROS機器人軟件開發次級操作系統ROS廣泛應用于機器人研發、教育、工業領域，已成為機器人如那件開發的實時標準之一。ROS是機器人領域開源的軟件平臺，它是基于Linux系統上開發，提供了一系列的功能庫和工具，能夠大大簡化機器人軟件開發流程，ROS可以運行在各種的硬件平臺上，支持多種編程語言，提供一系列機器人領域的基本功能和服務，如導航、運動控制、感知、視覺處理等。5.1開源平臺

Gazebo仿真平臺是一個廣泛應用于機器人研發、測試和教育等領域的開源軟件。它可以模擬機器人的運動、感知和控制等行為，并提供了豐富的物理引擎、傳感器模擬和ROS集成等功能，使得使用者可以高效地進行機器人仿真和開發.5.1.2Gazebo三維多機器人動力學仿真平臺Gazebo仿真平臺的特點：高度可定制化高度靈活性高度可視化Gazebo仿真平臺簡介5.1開源平臺

5.1.2Gazebo三維多機器人動力學仿真平臺分布式仿真、動態資源加載、可調性能等內容（見教材）Gazebo仿真平臺使用仿真模型來描述機器人的物理特性和結構。仿真模型包括機器人的幾何形狀、質量、慣性、運動學、動力學等屬性，可以通過簡單的文本格式（如URDF、SDF等）進行描述和創建。Gazebo仿真平臺提供了多種傳感器模擬，包括激光雷達、攝像頭、IMU等，可以模擬機器人的感知能力。Gazebo仿真平臺提供了多種控制器，包括關節控制器、力控制器、軌跡控制器等，可以控制機器人的運動。用戶可以通過編寫控制器插件來實現自定義的控制算法。物理引擎（PhysicsEngineGazebo）仿真平臺使用物理引擎來模擬機器人的運動和相互作用。它可以計算機器人在仿真環境中的運動、碰撞、摩擦、彈性等物理特性，從而實現真實的仿真效果、增強現實的特點。Gazebo仿真平臺優點關鍵技術以及應用Gazebo仿真平臺的基本概念：謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設備的數字孿生授課教師：卞化梅開源平臺商業平臺課堂小結5.15.25.3第五章

數字孿生的實驗平臺開源平臺5.15.1開源平臺Azure數字孿生平臺簡介

Azure數字孿生是一項平臺即服務（PaaS）產品/服務，它能夠創建基于整個環境的數字模型的孿生圖，這些數字模型可以在建筑物、工廠、農場、能源網絡、鐵路、體育場館，甚至整個城市中應用，并有洞察力，推動產品改進、運營優化、成本降低和客戶體驗突破等能力。

Azure數字孿生是一個物聯網(IoT)平臺5.1.3Azure數字孿生平臺簡介5.1開源平臺5.1.3Azure數字孿生平臺簡介空間智能圖譜技術廣泛的API高級計算能力開放建模語言數字孿生對象建模

關鍵技術5.1開源平臺Azure數字孿生構建解決方案為任何環境建模，并以可縮放且安全的方式將數字孿生引入生活。連接IoT設備和現有業務系統等資產，使用可靠的事件系統生成動態業務邏輯和數據處理。查詢實時執行環境以從孿生圖中提取實時見解。生成連接的環境3D可視化效果，以在上下文中顯示業務邏輯和孿生數據查詢歷史記錄化環境數據并與其他Azure數據、分析和AI服務集成，以更好地跟蹤過去并預測未來5.1開源平臺5.1.3Azure數字孿生平臺簡介主要功能定義業務流程將IoT和業務系統數據置于上下文中可視化3D場景工作室中的環境查詢環境見解將孿生數據共享到其他Azure服務5.1開源平臺Azure數字孿生平臺的優點

其一，Azure數字孿生平臺是世界首個端到端就緒的數字孿生服務，更是業界首先實現落地的數字孿生服務；

其二，Azure數字孿生平臺是一個PaaS平臺；

其三，Azure數字孿生平臺能賦能開發者，為開發者提供建模語言和數字孿生圖譜等服務5.1.3Azure數字孿生平臺簡介5.1開源平臺OCC簡介OpenCASCADE（簡稱為OCC）是由法國MatraDatavision公司開發的CAD/CAE/CAM軟件平臺，是世界上最重要的幾何造型基礎軟件平臺之一，主要用于開發二維和三維幾何建模應用程序，包括計算機輔助設計系統、制造或分析領域的應用程序、仿真程序或圖形演示工具。5.1.4OpenCASCADE數字孿生平臺OpenCASCADE是一個功能強大的三維建模工具，提供了點、線、面、體和復雜形體的顯示和交互操作，經過深度開發后可實現紋理、光照、圖元填充、渲染等圖形操作和放大、縮小、旋轉、漫游、模擬飛行、模擬穿越等動態操作5.1開源平臺OpenCASCADE的功能創建錐、柱、環等基本幾何體對幾何體進行布爾操作（相加，相減，相交運算）倒角，斜切，鏤空，偏移，掃視幾何空間關系計算（法線，點積，叉積，投影，擬合等）幾何體分析（質心，體積，曲率等）空間變換（平移，縮放，旋轉）應用框架服務數據交換服務5.1.4OpenCASCADE數字孿生平臺謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設備的數字孿生授課教師：卞化梅開源平臺商業平臺課堂小結5.15.25.3第五章

數字孿生的實驗平臺商業平臺5.2培養學生自學的方法與途徑課程思政：通過商業平臺的學習，了解我國在數字孿生平臺上的發展。學習目標知識目標：能力目標：素養目標：掌握

SenseMARS火星混合現實平臺的特點及其適用場景掌握BIMWindows平臺的特點及其適用場景能根據具體業務需要選擇對應的數字孿生的商業平臺培養學生對知識的聯想能力課前復習ROS機器人軟件開發次級操作系統Gazebo仿真平臺優點的使用場景和各自優點OpenCASCADE平臺和Azure平臺的使用場景和各自優點010203課前思考請同學們思考：商業平臺有哪些呢？國內的商業平臺又有哪些呢？5.2商業平臺SenseMARS火星混合現實平臺是商湯科技打造元宇宙的技術賦能平臺，搭載了多種關鍵能力，包括感知智能、決策智能、智能內容生成（如增強現實、混合現實）、軟件智能體及其他基礎設施（如云引擎等），為各類元宇宙應用提供支持。通過對三維空間的數字化重建，同時結合圖像、物體識別等AI技術，SenseMARS可以做到理解場景中的人、事、物，進而將虛實融合的超現實互動變為可能。5.2.1SenseMARS火星混合現實平臺SenseMARS火星混合現實平臺5.2商業平臺SenseMARS平臺主要內容SenseMARS特效引擎SenseMARSDigitalHuman商湯AI數字人SenseMARSReconstruction三維空間重建5.2.1SenseMARS火星混合現實平臺5.2商業平臺5.2.2BIMWindows管理平臺1.BIM簡介建筑信息模型BIM（BuildingInformationModeling）是建筑學、工程學及土木工程的新工具。建筑信息模型或建筑資訊模型一詞由Autodesk所創的。它是來形容那些以三維圖形為主、物件導向、建筑學有關的電腦輔助設計。2.BIMWindows管理平臺簡介BIMWindows（簡稱BW）是北京跨世紀軟件技術有限公司自主研發，基于BIM模型的輕量化展示、管理平臺。5.2商業平臺3.BIMWindows模塊構成BIMWindows主要分為兩大模塊：協同管理和三維模型。其中協同管理是基于云端協同平臺的，可以實現對設計及施工過程中的模型、圖紙和數據進行全面的管控和維護，進行模型可視化的展示、審核分析等等。三維模型主要包括數字孿生底座、BIM+GIS圖形引擎、專業應用工具。5.2.2BIMWindows管理平臺課堂小結數字孿生實現的幾個階段數字孿生常見的開源平臺Azure數字孿生平臺的優點01020304OpenCASCADE數字孿生平的特點課堂小結SenseMARS火星混合現實平臺的主要內容及特點BIMWindows模塊構成SenseMARS平臺和BIMWindows平臺的使用場景和各自優點050607謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設備的數字孿生授課教師：卞化梅智能制造的數字孿生生態智能制造與智能工廠數字孿生賦能智能制造的核心價值智能制造數字孿生的關鍵技術6.16.26.36.4應用場景6.5典型案例6.6智能制造的數字孿生生態6.1學習目標●掌握智能制造的數字孿生生態構成●了解智能工廠的工廠數字模型●了解數字孿生賦能智能制造的核心價值●了解智能制造數字孿生的關鍵技術●能正確的描述智能制造的數字孿生生態的構成●能描述國內智能制造的發展趨勢●能描述智能工廠建設標準●培養學生對知識的聯想能力●培養學生自學的方法與途徑●了解國內智能制造的發展趨勢和智能工廠建設標準●能列舉2-3個國內的智能制造數字孿生應用場景和典型案例知識目標能力目標素養目標6.1智能制造的數字孿生生態智能制造中對象與系統主要包括智能產品、智能生產系統、智能生產運行過程，與其相關的數字孿生系統可以包括產品數字孿生系統、生產系統數字孿生系統和供應鏈數字孿生系統。三維可視化實時監控生產調度生產和裝備指導設備管理能耗管控安全防護6.1智能制造的數字孿生生態生產系統運行過程的數字孿生主要功能三維可視化實時監控生產調度生產和裝備指導設備管理能耗管控安全防護生產系統數字孿生系統具有高保真度、高擬實性的特點，結合3R(VR/AR/MR）技術能將可視化模型從傳統的二維平面過渡到三維實體，車間的生產管理、設備管理、人員管理、質量數據、能源管理、安防信息等均能以更為直觀、完整的方式呈現給用戶。6.1智能制造的數字孿生生態主要功能三維可視化實時監控生產調度生產和裝備指導設備管理能耗管控安全防護6.1智能制造的數字孿生生態生產系統數字孿生系統，從生產計劃的制定、仿真、實時優化調整等均基于實際工廠（車間）數據，使得生產調整具有更高的準確性與可執行性。生產系統數字孿生系統的生產調度有：初始生產計劃的制定；生產計劃的調整優化；生產過程的實時優化。主要功能三維可視化實時監控生產調度生產和裝備指導設備管理能耗管控安全防護6.1智能制造的數字孿生生態利用數字孿生技術可以有效支持生產和裝配過程的指導；生產系統數字孿生系統，可以對生產過程參數進行模擬優化，同時可以借鑒類似產品的加工數據進行遷移學習，推廣到新產品加工過程的參數優化中；對質量數據的在線分析也能為生產、裝配的結果進行評估，及時反饋到生產現場，減少不合格品的數量；生產系統數字孿生系統所擁有的運維過程數據，可以為類似產品的生產過程參數設定提供參考，為提高產品加工質量提供量化依據。主要功能三維可視化實時監控生產調度生產和裝備指導設備管理能耗管控安全防護6.1智能制造的數字孿生生態生產系統數字孿生系統建立在虛實設備精準映射的基礎上，由于虛實設備的實時交互及全要素、全數據的映射關系，可以方便地對相關的設備進行全方位的分析，及故障的預測性診斷；同時基于虛擬設備模型及歷史運行數據可以進行故障現象的重放，有利于更加準確地定位故障原因，從而制定更合理的維修策略；當設備發生故障時，專家無需到達現場即可實現對于設備的準確維修指導。主要功能三維可視化實時監控生產調度生產和裝備指導設備管理能耗管控安全防護6.1智能制造的數字孿生生態生產系統數字孿生系統的能耗智能管控指通過傳感器技術對能耗相關信息、生產要素信息和生產行為狀態等的感知，通過感知得到的實時能耗信息對生產過程的參數進行調整和優化。一方面利用能耗模型來指導產品設計過程，采用低碳環保的方案；另一方面通過調整生產計劃、降低不必要的能耗等方法來減少加工過程的能源消耗。主要功能三維可視化實時監控生產調度生產和裝備指導設備管理能耗管控安全防護6.1智能制造的數字孿生生態主要功能車間人員行為的觀測正逐步從“機械式”的人工觀測方式向基于深度視覺的智能人員行為理解的模式轉變。車間人員行為智能識別的本質在于人員行為特征的提取并進行分類與深層次分析深度學習算法有助于人員行為特征的自動、多層次的提取，數字孿生技術則為智能人員行為理解模式的實現提供了實現框架。什么是供應鏈數字孿生系統？6.1智能制造的數字孿生生態供應鏈中的節點就是最小的智能體單元，對智能體單元進行建模和仿真，將這些智能體單元通過接口將模型串聯起來，就可以在虛擬空間將整個供應鏈的網絡運轉起來，這樣既為現實世界的供應鏈提供信息，又能從現實世界的供應鏈中獲取信息。供應鏈數字孿生不僅能體現供應鏈的歷史和當前狀態的實時信息，還能體現著未來的規劃和決策。6.1智能制造的數字孿生生態5.供應鏈數字孿生系統供應鏈主要包括倉儲、樞紐、運輸、配送等節點和各個節點的業務環節供應鏈供應鏈數字孿生系統的構建供應鏈

供應鏈涉及供應商、制造商、經銷商和零售商之間的物流活動，目的是確保產品和服務能夠按時提供給消費者。

通過供應鏈數字孿生系統，用于監控和管理整個供應鏈的運作。通過實時數據的監測和分析，可以及時發現和解決供應鏈中的問題，提高整體運營效率和靈活性。例如，當某個環節出現問題時，供應鏈數字孿生系統可以快速定位問題所在，并提供相應的解決方案，從而減少供應鏈中斷的時間和風險。6.1智能制造的數字孿生生態運輸管理供應鏈數字孿生系統在運輸和倉儲管理中也發揮著重要作用。智能制造行業需要管理大量的運輸和倉儲活動，包括貨物的裝卸、運輸路線的規劃和優化、倉庫空間的利用等。

通過供應鏈數字孿生系統，虛擬模擬來模擬不同運輸和倉儲方案的效果，從而優化物流運作。例如，可以模擬不同運輸路線的成本和效益，選擇最優的路線來降低運輸成本，倉儲空間的利用也可以通過供應鏈數字孿生系統進行優化，以確保貨物的高效存儲和管理。6.1智能制造的數字孿生生態謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設備的數字孿生授課教師：卞化梅智能制造與智能工廠6.2課前思考請同學們思考：智能制造的數字孿生生態包括哪些內容？6.2智能制造與智能工廠數字孿生作為連接物理世界和信息世界虛實交互的閉環優化技術，已成為推動制造業數字化轉型，促進數字經濟發展的重要抓手，以數據和模型為驅動，打通業務和管理層面的數據流，實時、連接、映射、分析、反饋物理世界行為。使工業全要素、全產業鏈、全價值鏈達到最大限度閉環優化，助力企業提升資源優化配置，有助于加快制造工藝數字化、生產系統模型化、服務能力生態化。6.2.1智能制造系統6.2智能制造與智能工廠智能制造的實施其實是一個系統，涉及智能產品、智能生產、智能服務三個方面。智能生產的主要載體就是智能制造系統，如智能生產線、智能車間、智能工廠。由于用戶的需求越來越個性化，對質量越來越高，產品的復雜度也變得越來越高，智能制造不是一個單獨運行的孤立系統，與它的上下游企業、用戶形成了一個智能生態。德國“工業4.0”工業價值鏈參考架構（IVRA)NIST的制造系統中國的智能制造系統結構國內智能制造的發展趨勢6.2智能制造與智能工廠在德國“工業4.0”戰略中，智能制造涉及三個集成，橫向集成、縱向集成和端到端的集成，這是智能制造系統結構與其他系統之間的關系。德國提出的工業4.0的參考架構模型是從產品生命周期/價值鏈、層級和架構等級三個維度，分別對工業4.0進行多角度描述的一個框架模型。RAMI4.0參考模型德國“工業4.0”6.2智能制造與智能工廠面向工業需求多樣性和個性化的復雜系統，IVRA首先定義智能制造單元（SMU），來表示智能制造的一個自主單元，SMU也由三個維度組成，但分別對應資產、活動和管理三個視角。不同SMU之間可進行互聯互通，并實現物、信息、數據、價值等傳遞，最終實現生產力和效率的極大提高。日本工業價值鏈參考架構（IVRA)德國“工業4.0”工業價值鏈參考架構（IVRA)6.2智能制造與智能工廠智慧制造生態系架構，分為三個主軸：Business（商業），Product（產品），Production（生產），由這三個主軸之間進行更緊密的串聯互動，形成更快的產品創新周期，更高效的商業鏈，并讓生產系統產生更大的靈活性。其中產品生命周期、生產周期和商業周期聚集和交互的核心為制造金字塔。金字塔包括四層構成，描繪出現實制造現場系統與設備間互動關系。NIST的制造系統NIST的制造系統6.2智能制造與智能工廠智能制造是基于先進制造技術與新一代信息技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等產品全生命周期，具有自感知、自決策、自執行、自適應、自學習等特征，旨在提高制造業質量、效率效益和柔性的先進生產方式。我國的《國家智能制造標準體系建設指南（2018年）》對智能制造系統架構通過生命周期、系統層級和智能功能三個維度構建完成，主要解決智能制造標準體系結構和框架的建模研究。智能制造系統架構中國的智能制造系統結構課堂活動請同學們思考：德國“工業4.0”、工業價值鏈參考架構（IVRA)、NIST的制造系統、中國的智能制造系統結構各自的特征6.2智能制造與智能工廠制造業數字孿生基礎和關鍵技術待提升探索基于數字孿生的數據和模型驅動型工藝系統變革新路徑，促進集成共享，實現數字孿跨企業、跨領域、跨產業的廣泛互聯互通，實現生產資源和服務資源更大范圍、更高效率、更加精準的優化拓展更深層的應用場景通過跨設備、跨系統、跨廠區、跨地區的全面互聯互通，實現全要素、全產業鏈、全價值鏈的全面連接，為制造領域帶來巨大轉型變革國內智能制造的發展趨勢6.2智能制造與智能工廠6.2.2智能工廠智能工廠是利用各種現代化的技術，實現工廠的辦公、管理及生產自動化，達到加強及規范企業管理、減少工作失誤、堵塞各種漏洞、提高工作效率、進行安全生產、提供決策參考、加強外界聯系、拓寬國際市場的目的。智能工廠實現了人與機器的相互協調合作，其本質是人機交互。智能工廠是智能制造的載體。為了提高智能制造業的競爭力，建設智能工廠是重要的著力點。6.2智能制造與智能工廠智能化工廠制造標準國家智能制造標準體系建設包括三方面內容分別為基礎共性標準、關鍵技術標準和行業應用標準。其中基礎共性標準主要包括通用、安全、可靠性、檢測、評價、人員能力等6個部分。關鍵技術標準，關鍵技術主要指智能裝備、智能工廠、智慧供應鏈、智能服務、智能賦能技術和工業網絡等6個部分。智能制造標準體系標準6.2智能制造與智能工廠智能工廠建設標準主要包括智能工廠設計、智能工廠交付、智能設計、智能生產、智能管理、工廠智能物流、集成優化等7個部分。主要規定智能工廠設計和交付等過程，以及工廠內設計、生產、管理、物流及系統集成等內容。智能工廠標準建設重點有智能工廠設計標準、智能工廠交付標準、智能設計標準、智能生產標準、集成優化標準智能化工廠建設標準6.2智能制造與智能工廠隨著產品越來越復雜、知識含量越來越豐富，制造系統的復雜程度也越來越高，智能工廠需要滿足集成化和智能化的要求。主要包括：智能工廠規劃①開發動態結構②敏捷性③柔性④跨組織的集成⑤異構環境⑥協同工作能力⑦人機交互能力⑧系統容錯性6.2智能制造與智能工廠智能工廠的全生命周期都可以應用數字孿生技術，包括工廠設計、工廠建設、輔助設計仿真、柔性生產規劃、生產過程監控、產品運維服務、培訓等。工廠數字模型是整改工廠從規劃、設計、到施工、運營和維護的全生命周期相關數字化文檔的綜合。它包括了工廠的三維幾何模型、各種設計文檔、施工文檔和維護信息。它的核心技術就是BIM技術。智能工廠的數字模型汽車制造工廠謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設備的數字孿生授課教師：卞化梅數字孿生賦能智能制造的核心價值6.3課前思考請同學們思考：智能工廠的標準有哪些？6.3數字孿生賦能智能制造的核心價值圍繞制造業數字化轉型，數字孿生技術應用幫助生產制造企業優化產品生產制造流程，通過滿足制造業企業的生產需求，制定全方位數字孿生服務，形成生產流