任務1.1數字孿生與虛擬調試技術相關術語目標了解系統相關術語；了解模型、性能、應用相關術語；掌握數字孿生相關術語；掌握虛擬調試相關及術語。（1）互操作性具備使用多樣的數字模型來映射物理實體的能力，并能在不同的數字模型之間進行轉換、合并，以及建立‘表達’的等同性，如圖1-14所示：圖1互操作性1.數字孿生的典型特征（2）可拓展性數字孿生具備集成、添加和替換數字模型的能力，能夠針對多尺度、多物理、多層級的模型內容進行擴展，如圖2所示。（3）實時性數字孿生具備集成、添加和替換數字模型的能力，能夠針對多尺度、多物理、多層級的模型內容進行擴展，如圖3所示。圖3實時性圖

2可拓展性1.數字孿生的典型特征（4）保真性數字孿生是對具有數據連接的特定物理實體或過程的數字化表達。這種數據連接確保物理狀態和虛擬狀態之間同步收斂，并提供對物理實體或過程整個生命周期的集成視圖，有助于優化整體性能。（5）閉環性數字孿生中的數字虛體，用于描述物理實體的可視化模型和內在機理，以便于對物理實體的狀態數據進行監視、分析推理、優化工藝參數和運行參數，實現決策功能，即賦予數字虛體和物理實體一個大腦。因此數字孿生具有閉環性。圖4保真性圖

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閉環性1.數字孿生的典型特征（1）數字孿生（DigitalTwin）數字孿生是具有數據連接的特定物理實體或過程的數字化表達。（2）數字孿生體（DigitalTwins）“體”在中文中的涵義包括事物本身（物體、實體）或事物的格局或規矩(體制、體系)。加上“體”字后，數字孿生體就是一個名詞。（3）實體對象（Entity）存在、曾經存在或可能存在的一切具體或抽象的東西，包括這些事物之間的關聯。示例：人員，對象，事件，想法，過程等。（4）物理實體（PhysicalEntity）物理環境現實物理世界中離散的、可識別和可觀察的事物。示例：城市、工廠、農場、建筑物、電網中的電流、制造工藝等。（5）虛擬實體（VirtualEntity）與物理實體對應的表示信息或數據的事務。2.數字孿生的相關術語（6）物理域（物理空間）（PhysicalDomain/Space）由物理實體組成的實體集合，包含人員、設備、材料等。（7）虛擬域（虛擬/數字空間）（Analog/DigitalSpace）由虛擬實體組成的實體集合，包含模型、算法、數據等。（8）數字化表達（AnalyticExpression）物理實體的信息集合，用以支持與它相關的某些決策。（9）數字化建模（AnalyticModel）將信息數據分配給物理世界中待完成計算機識別的對象的過程。2.數字孿生的相關術語（1）物聯網（IoT）互連的實體、人員、系統和信息資源的基礎架構，以及對物理和虛擬世界中的信息進行處理和響應的服務。（2）基于模型的設計（MBD）基于算法建模進行軟件設計的過程。（3）基于模型的企業（MBE）在基于三維產品定義的完全集成和協作環境中，實現工程數據在整個企業的詳細共享，確保數據傳遞快速、無縫且經濟實惠。采用建模與仿真技術對全部業務流程進行優化、無縫集成及戰略管理，這包括但不限于設計、制造、產品支持等方面。使用產品和過程模型來定義、執行、控制和管理企業的全過程。此外，通過采用科學的模擬與分析工具，在產品生命周期的每個階段做出最佳決策，從而根本上減少產品創新、開發、制造和支持的時間和成本。3.系統相關術語（1）資產數據（AssetData）事實、概念或指示的規范化表達，以支持人員或設備進行交流、解釋或處理。（2）運營數據（OperationData）在生產或運營中產生的數據。（3）背景數據（BackgroundData）運營或其他目的所需的數據，包括歷史數據、相關數據等。（4）元數據（Metadata）有關邏輯包，邏輯組織，內容和文件的描述性信息。（5）運營歷史（OperationHistory）有關實體的過去表現或學習經歷的記錄信息。（6）維修歷史（MaintenanceHistory）將項目保留或恢復到能夠滿足相關規范要求并執行其所需功能條件的所有操作的記錄信息。4.系統數據相關術語（1）工程模型（EngineeringModel）幾何、材料、部件和行為、構建和操作數據。（2）元模型（MetaModel）是關于模型的模型。這是特定領域的模型，定義概念并提供用于創建該領域中的模型的構建元素。5.模型相關術語（1）一致性（Consistency）物理實體與其對應的虛擬實體相匹配。（2）統計模型（StatisticalModel）基于概率理論的模型，通過數學統計方法建立。（3）一致性評價（ConsistencyEvaluation）用于評估物理實體與其對應的虛擬實體相匹配程度的過程。（4）可靠性（Reliability）在給定的條件下，給定的時間間隔內，完成規定功能的能力。（5）運營歷史驗證（Verification）物理實體與其對應的虛擬實體相匹配。（6）確認（Confirmation）評估系統或組件以確保符合功能、性能和接口要求的過程。（7）保真度（Fidelity）虛擬實體準確地描述其對應物理實體細節的程度。6.性能相關術語（8）可重構性（Reconfigurability）物理實體及其虛擬實體可分解和重新組合的能力。（9）魯棒性（Robustness）在存在無效輸入或壓力的環境條件下，系統或組件能夠正常工作的程度。（10）可追溯性（Traceability）一種測量結果或標準值的性質，它可以通過一系列不間斷的比較與規定的參考文獻相聯系，所有這些比較都有規定的不確定度。（11）同步性（Synchronism）用數字孿生表示的虛擬實體的狀態與可觀察到的物理實體狀態的同步程度。6.性能相關術語（1）分析（Analysis）通過模型、數據、算法對物理實體進行描述、評估及預測的行為。（2）互操作性（Interoperability）兩個或多個數字孿生體在實現互聯互通的基礎上能夠進行信息交換、信息同步、業務協同等的能力。7.功能相關術語（1）可視化（Visualization）使用計算機圖形和圖像處理來呈現過程或對象的模型或特征，以支持人類的理解。（2）優化（Optimization）設計和操作一個系統或過程，使其在某種意義上盡可能地實現更好的還原業務流程。（3）預測（Prediction）用于獲得某個物理量的預測值的計算過程。（4）仿真（Simulation）基于實驗或訓練為目的，將原本的系統、事務或流程，建立一個模型以表征其關鍵特性或者行為/功能的方法。8.應用相關術語（5）監控(Monitor)一種自動監督性能和過程狀態的方法。（6）增強現實（AugmentedReality）真實環境的交互體驗，其中駐留在真實環境中的對象通過計算機生成的感知信息進行增強。（7）虛擬現實（VirtualReality）一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它使用計算機生成一種模擬環境，使用戶沉浸到該環境中。8.應用相關術語數字孿生生態系統由基礎支撐層、數據互動層、模型構建與仿真分析層、共性應用層和行業應用層組成。基礎支撐層由具體的設備組成，包括工業設備、城市建筑設備、交通工具、醫療設備組成；數據互動層包括數據采集、數據傳輸和數據處理等內容；模型構建與仿真分析層包括數據建模、數據仿真和控制；共性應用層包括描述、診斷、預測、決策四個方面；行業應用層則包括智能制造、智慧城市在內的多方面應用。圖

6數字孿生生態系統9.數字孿生生態系統相關概念（1）數字孿生生命周期過程

數字孿生中虛擬實體的生命周期包括起始、設計和開發、驗證與確認、部署、操作與監控、重新評估和退役；物理實體的生命周期包括驗證與確認、部署、操作與監控、重新評估和回收使用。虛擬實體在全生命周期過程中與物理實體的相互作用是持續的，在虛擬實體與物理實體共存的階段，兩者應保持相互關聯并相互作用。虛擬實體區別于物理實體的生命周期過程中，存在迭代的過程。虛擬實體在驗證與確認、部署、操作與監控、重新評估等環節發生的變化，可以迭代反饋至設計和開發環節。圖

7數字孿生生命周期過程9.數字孿生生態系統相關概念（2）數字孿生功能視角從數字孿生功能視角，可以看到數字孿生應用需要在基礎設施的支撐下實現。物理世界中產品、服務或過程數據會同步至虛擬世界中，虛擬世界中的模型和數據會和過程應用進行交互。向過程應用輸入激勵和物理世界信息，可以得到包括優化、預測、仿真、監控、分析等功能的輸出。圖8數字孿生生命周期過程9.數字孿生生態系統相關概念（1）虛擬環境（VirtualEnvironment）在制造產品之前，使用計算機模型來創建產品的虛擬原型，以進行測試和驗證。（2）仿真（Simulation）在虛擬調試中，仿真是指用計算機模型來模擬系統的實際行為。這可以包括硬件仿真、軟件仿真或兩者的結合。（3）仿真軟件（SimulationSoftware）專門用于模擬制造過程或設備操作的軟件。它可以包括物理仿真、流程仿真等。（4）工藝規劃（ProcessPlanning）使用虛擬調試技術進行工藝規劃，以優化制造過程并減少物理試錯。（5）動化測試（AutomatedTesting）在虛擬環境中自動運行測試程序，以驗證制造過程或產品設計的正確性。（6）集成仿真（IntegratedSimulation）將不同類型的仿真（如結構仿真、流體仿真）整合在一起，以全面評估產品設計和制造過程。10.虛擬調試技術相關術語（7）運動仿真（MotionSimulation）針對機械設備和機器人的運動進行仿真，以測試和優化它們的運動路徑和操作。（8）耐久性和可靠性分析（DurabilityandReliabilityAnalysis）使用仿真技術評估產品在長期使用中的耐久性和可靠性。（9）生命周期評估（LifecycleAssessment）評估產品從設計到廢棄全過程中的環境影響和成本效益。（10）實時監控和調整（Real-TimeMonitoringandAdjustment）使用數字孿生實時監控制造過程，并根據需要進行調整。使用戶沉浸到該環境中。10.虛擬調試技術相關術語THANKS感謝大家觀看任務1.2認識數字孿生與虛擬調試技術目標了解數字孿生與虛擬調試技術發展與應用；了解虛擬調試技術與現場調試技術之間的區別；了解虛擬調試的意義及價值；1.認識數字孿生與虛擬調試技術的發展與應用（1）數字孿生的發展與應用①數字孿生的概念數字孿生通過充分使用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應實體裝備的全生命周期過程。圖1數字孿生概念圖1.認識數字孿生與虛擬調試技術的發展與應用②數字孿生的發展背景“孿生”的概念最初起源于美國國家航空航天局的“阿波羅計劃”，通過構建兩個相同的航天飛行器，一個用于執行任務，另一個用于反應航天器在執行任務期間的工作狀態，從而輔助工程師分析處理太空中出現的緊急事件。圖2阿波羅計劃1.認識數字孿生與虛擬調試技術的發展與應用③數字孿生的發展2003年前后，數字孿生（DigitalTwin）的設想首次出現于Grieves教授在美國密歇根大學的產品全生命周期管理課程上已有所體現：在虛擬空間構建的數字模型與物理實體交互映射，忠實地描述物理實體全生命周期。2010年，“DigitalTwin”一詞在NASA的技術報告中被正式提出,并被定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統或飛行器仿真過程”；2011年，美國空軍探索數字孿生在飛行器健康管理中的應用，并詳細探討有關實施數字孿生的技術挑戰；2012年，美國國家航空航天局與美國空軍聯合發表關于數字孿生相關論文，指出數字孿生是驅動未來飛行器發展的關鍵技術之一；在接下來的幾年中，越來越多的研究將數字孿生應用于航空航天領域，包括機身設計與維修，飛行器能力評估，飛行器故障預測等。圖3數字孿生信息交互1.認識數字孿生與虛擬調試技術的發展與應用許多著名企業(如空客、洛克希德馬丁、西門子、華航唯實等）與組織（如Gartner、德勤、中國科協智能制造協會）對數字孿生給予高度重視，并且開始探索基于數字孿生的智能生產新模式。圖4相關著名企業1.認識數字孿生與虛擬調試技術的發展與應用④數字孿生的行業應用近年來，數字孿生得到越來越廣泛的傳播。同時，得益于物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術的發展，數字孿生的實施已逐漸成為可能。現階段，除了航空航天領域，數字孿生還被應用于電力、船舶、城市管理、農業、建筑、制造、石油天然氣、健康醫療、環境保護等行業。圖5數字孿生應用領域-1圖6數字孿生應用領域-2圖7數字孿生應用領域-31.認識數字孿生與虛擬調試技術的發展與應用（2）虛擬調試技術的發展及應用①虛擬調試的概念虛擬調試，是虛擬現實技術在工業領域應用的具象，其可以通過虛擬技術創建出物理制造環境的數字復制品，即數字孿生設備，用于測試和驗證產品設計的合理性，虛擬調試的物料流與數據流與實際設備均保持一致。虛擬HMIHMI機械單元生產線執行器、工業機器人、傳感器虛擬機械單元生產線虛擬執行器、虛擬工業機器人、虛擬傳感器1.認識數字孿生與虛擬調試技術的發展與應用②虛擬調試的發展背景隨著自動化和數字化在制造業的廣泛應用，傳統的物理調試方法逐漸不能滿足快速、高效、低成本的制造需求。虛擬調試技術在安全、經濟的前提下，為企業提供一種更為高效和經濟的解決方案。除此之外，現代制造業涉及到復雜的機器人系統、自動化裝配線和復雜的控制系統。這些系統的集成和調試需要大量時間和資源，而虛擬調試可以在不影響生產線的情況下進行，減少停機時間和相關成本。圖8虛擬調試場景1.認識數字孿生與虛擬調試技術的發展與應用③虛擬調試的提出虛擬調試技術是隨著計算機技術和軟件工程的發展逐漸形成的一個概念，最早可以追溯到20世紀70年代末到80年代。該技術作為一個明確定義的概念可以追溯到90年代末，到21世紀初期。圖9計算機技術發展史1.認識數字孿生與虛擬調試技術的發展與應用③虛擬調試的提出許多企業和組織在發展和使用虛擬調試技術，涵蓋從軟件開發到制造業、從汽車行業到航空航天等多個領域。在這方面表現突出的企業，圖10西門子虛擬調試圖11博世汽車虛擬調試圖12GE航天虛擬調試圖13華航唯實汽車零件虛擬調試1.認識數字孿生與虛擬調試技術的發展與應用④虛擬調試技術應用方向圖14虛擬調試功能需求a.機械部件：當調試對象為機械部件（如傳感器、氣缸、電機等）時，著重于該機械部件的兩類參數：針對機械部件的幾何尺寸及其他物理性能等機械參數進行驗證；面針對該機械部件的性能參數以及能耗等電氣參數進行虛擬測試。從而在該機械部件建造之前，各個參數均已經過系統優化和驗證。1.認識數字孿生與虛擬調試技術的發展與應用④虛擬調試技術應用方向b.機械設備機電設備主要指單體的設備，其主要包括機械設計、電氣設計、機械自動化設計的虛擬調試以及最終樣機的功能驗證。機械設計：機械部件尺寸、運動干涉驗證；機械部件的運動參數，如材料、摩擦系數、傳動比等等；電氣設計：電機控制扭矩驗證、電機運動控制驗證；傳感器、氣缸等選型的驗證以及安裝位置的驗證；機械自動化設計：設備PLC程序的邏輯驗證、驅動報文驗證、IO交互驗證等；虛擬控制功能驗證、人機交互驗證等；樣機功能驗證：此處主要是機電設備的工藝驗證，其加工對象可以是剛性的，諸如碼垛、裝配、抓取、傳送等，加工對象也可以是柔性的，如折彎，切割、沖壓等。1.認識數字孿生與虛擬調試技術的發展與應用④虛擬調試技術應用方向c.生產單元/工作站工作站的虛擬調試不再單單著眼于單臺設備的細節運動，而是針對整個工作站的功能驗證，如物料在設備之間的流轉情況，設備與設備之間的運動干涉情況、工作站內的運動節拍以及工作站的生產工藝驗證及優化。現在大多生產單元和工作站均配置有工業機器人，因此工業機器人的離線編程、軌跡調試及優化、IO信號交互調試也是工作站虛擬調試的重要內容。d.生產工廠/生產線生產線調試是在工作站的基礎上，主要著眼于車間布局、生產物流設計、產能、節拍等生產系統進行定量的驗證，并根據虛擬調試的結果找出影響生產線平衡的瓶頸節點，從而找到生產線優化的方向。2.了解虛擬調試技術與現場調試技術之間的差別（1）虛擬調試優勢①現場調試特點設備開發過程循序漸進，機械設計、電氣設計、自動化設計依次進行；若后續開發出現問題，需對設備重新設計、開發；后期設備需升級、優化，改動較大。圖15某設備現場調試2.了解虛擬調試技術與現場調試技術之間的差別②虛擬調試特點基于現實設備，構建數字孿生設備，可忠實反映物理設備；機械設計、電氣設計和自動化設計可同時進行；調試速度更快，風險更低，可提高產品的靈活性和生產力。圖16虛擬調試流程圖17虛擬調試2.了解虛擬調試技術與現場調試技術之間的差別③虛擬調試優勢體現點虛擬調試主要優勢：表1虛擬調試優勢優勢描述快速調試相比于工業現場使用實際設備進行調試，虛擬調試允許在辦公室的數字環境中進行。它使得機器設備在調試過程中得到廣泛測試，及早識別和消除設計及功能錯誤，同時加快實際調試過程。提升工程質量通過虛擬調試可以并行進行工程設計。并行仿真和測試結果有效提升設計人員的工程設計