數(shù)字孿生技術簡介

數(shù)字孿生技術目錄TOC\o"1-2"\h\u821一、什么是數(shù)字孿生（概念） 228372二、數(shù)字孿生特征 22279三、數(shù)字孿生生命周期 421848四、數(shù)字孿生作用 56312五、數(shù)字孿生開發(fā)流程 622461六、數(shù)字孿生涉及的技術領域 813984七、數(shù)字孿生涉及的軟件 8一、什么是數(shù)字孿生（概念）數(shù)字孿生(DigitalTwin)是一種基于數(shù)字技術的概念，它是指對于現(xiàn)實世界中的物理實體或系統(tǒng)，通過數(shù)字化的方式建立一個虛擬的、與之相對應的數(shù)字化模型，從而實現(xiàn)對物理實體或系統(tǒng)的監(jiān)測、仿真、預測和優(yōu)化等操作。信息鏡像模型(InformationMirroringModel):包括三個部分:真實世界的物理產(chǎn)品、虛擬世界的虛擬產(chǎn)品、連接虛擬和真實空間的數(shù)據(jù)和信息。物理產(chǎn)品可以是任何實際存在的事物，例如機器、設備、建筑、城市、生態(tài)系統(tǒng)等。虛擬產(chǎn)品則是基于物理實體的數(shù)據(jù)和信息進行建模，包括幾何形狀、結構、材料、運行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等，可以對物理實體進行仿真、預測、優(yōu)化等操作。以模型和數(shù)據(jù)為基礎，通過多學科耦合仿真等方法，完成現(xiàn)實世界中的物理實體到虛擬世界中的鏡像數(shù)字化模型的精準映射，并充分利用二者的雙向交互反饋、迭代運行，以達到物理實體狀態(tài)在數(shù)字空間的同步呈現(xiàn)，通過鏡像化數(shù)字化模型的診斷、分析和預測，進而優(yōu)化實體對象在其全生命周期中的決策、控制行為，最終實現(xiàn)實體與數(shù)字模型的共享智慧與協(xié)同發(fā)展。二、數(shù)字孿生特征1、多領域綜合的數(shù)字化模型數(shù)字孿生是仿真應用的發(fā)展和升級。例如，產(chǎn)品數(shù)字孿生不僅具備傳統(tǒng)產(chǎn)品仿真的特點，從概念模型和設計階段著手，先于現(xiàn)實世界的物理實體構建數(shù)字模型，而且數(shù)字模型與物理實體共生，貫穿實體對象的整個生命周期，建立數(shù)字化、單一來源的全生命周期檔案，實現(xiàn)產(chǎn)品全過程追溯，完成物理實體的細致、精準、忠實的表達。多領域的知識集成。多個物理系統(tǒng)融合、多學科、多領域融合。數(shù)字孿生體和物理實體應該是“形神兼似”。數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模方法有助于處理僅僅利用機理/傳統(tǒng)數(shù)學模型無法處理的復雜系統(tǒng)，通過保證幾何、物理、行為、規(guī)則模型與刻畫的實體對象保持高度的一致性來讓所建立模型盡可能逼近實體。2、以模型為核心的數(shù)據(jù)采集與組織數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的基礎要素，其來源包括兩部分，一部分是物理實體對象及其環(huán)境采集而得，另外一部分是各類模型仿真后產(chǎn)生。多種類、全方位、海量動態(tài)數(shù)據(jù)推動實體/虛擬模型的更新、優(yōu)化與發(fā)展。物理系統(tǒng)的智能感知與全面互聯(lián)互通是物理實體數(shù)據(jù)的重要來源，是實現(xiàn)模型、數(shù)據(jù)、服務等融合的前提。數(shù)據(jù)的組織以模型為核心。3、雙向映射、動態(tài)交互、實時連接和迭代優(yōu)化物理系統(tǒng)、數(shù)字模型通過實時連接，進行動態(tài)交互、實現(xiàn)雙向映射。適合應用場景的實時連接。數(shù)字孿生系統(tǒng)必須能不斷地迭代優(yōu)化，即適應內(nèi)外部的快速變化并做出針對性的調(diào)整，能根據(jù)行業(yè)、服務需求、場景、性能指標等不同要求完成系統(tǒng)的拓展、裁剪、重構與多層次調(diào)整。這個優(yōu)化首先在數(shù)字空間發(fā)生，同時也同步在物理系統(tǒng)中發(fā)生。4、推演預測與分析等智能化功能數(shù)字孿生將真實運行物體的實際情況結合數(shù)字模型在軟件界面中進行直觀呈現(xiàn)，這個是數(shù)字孿生的監(jiān)控功能。數(shù)字孿生系統(tǒng)具備模擬、監(jiān)控、診斷、推演預測與分析、自主決策、自主管控與執(zhí)行等智能化功能。預測是數(shù)字孿生的核心價值所在。動態(tài)預測的基礎正是系統(tǒng)中全面互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)流、信息流以及所建立的高擬實性數(shù)字化模型。數(shù)字孿生可看作是一種技術、方法、過程、思路、框架和途徑。三、數(shù)字孿生生命周期數(shù)字孿生系統(tǒng)是某個產(chǎn)品、某個系統(tǒng)在其生命周期中的一個具象表達，是一個包括物理實體、虛擬實體以及虛實之間的交互迭代關系，并最終形成以實體對象或行為“以實到虛”全要素層級映射、“以虛控實”為目標的體系，所以稱之為Digitaltwins。根據(jù)數(shù)字孿生體的特征和功能將其生命周期分為三個階段：前期階段——數(shù)字胚胎：是“以虛擬實”階段。數(shù)字胚胎是在物理實體對象設計階段產(chǎn)生的，數(shù)字胚胎先于物理實體對象出現(xiàn)，所以用數(shù)字胚胎去表達尚未實現(xiàn)的物理對象的設計意圖是對物理實體進行理想化和經(jīng)驗化的定義。中期階段——數(shù)字化映射體階段：其功能為”以虛映實”。通過對物理對象的多層級數(shù)字化映射，建立面向物理實體與行為邏輯的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，孿生數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)驅(qū)動的基礎，可以實現(xiàn)物理實體對象和數(shù)字化映射對象之間的映射，包括模型行為邏輯和運行流程，并且這個映射模擬會根據(jù)實際反饋，隨著物理實體的變化而自動做出相應的變化。第三階段——孿生體智能階段：是數(shù)字孿生體具備智能化的階段，該階段數(shù)字孿生體繼承了前面兩個階段的數(shù)據(jù)和模型，同時借助大數(shù)據(jù)挖掘和智能算法，按照“知識模型-智慧決策-精準執(zhí)行”的方式精準控制物理實體對象，以達到“以虛控實”的功能目標。四、數(shù)字孿生作用映射：映射是數(shù)字孿生的最低層次，其表現(xiàn)為建立實體模型的三維模型，并運用裝配、動畫等方式模擬零部件的運動方式。在實際運用中有許多案例，比如工廠的裝配仿真。通過裝配仿真，工程師能夠更好地了解產(chǎn)品的結構、運行狀態(tài)等。監(jiān)控與操縱：利用數(shù)字孿生實現(xiàn)監(jiān)控和操作，即把實體模型和虛擬模型連接在一起，通過虛擬模型反映物理對象的變化。比如PTC的數(shù)字孿生方案，能夠在自行車上裝載感應器，記錄自行車的實際情況，例如所受外來壓力、速度以及地理位置改變等。診斷：診斷即當設備發(fā)生異常時，用數(shù)字孿生手段尋找根本原因。監(jiān)控與診斷/預測的區(qū)別在于監(jiān)控允許調(diào)整控制輸入，并獲得系統(tǒng)響應，但過程中不允許改變系統(tǒng)自身的設計，而診斷/預測允許調(diào)整設計輸入，判斷系統(tǒng)的影響。預測：預測是幫助企業(yè)預測潛在風險，合理規(guī)劃產(chǎn)品或設備的維護。目前在產(chǎn)品的預測性維修維護方面有大量應用。比如GE為每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振儀，創(chuàng)造一個數(shù)字孿生體，通過這些擬真的數(shù)字化模型，在虛擬空間進行調(diào)試、試驗，即可知道如何讓機器效率達到最高。只需將最優(yōu)方案應用于實體模型上即可。決策：通過大量數(shù)據(jù)的累計、分析，合理的優(yōu)化預測。在算法驅(qū)動和技術驅(qū)動的體系下，幫助決策者，使決策能越來越科學，而且可以被復用和持續(xù)迭代。決策決策五、數(shù)字孿生開發(fā)流程1、確定目標：明確數(shù)字孿生的目標和應用場景，確定要開發(fā)的數(shù)字孿生系統(tǒng)的范圍和功能。數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個龐大而復雜的過程，需要明確目標和范圍才能更好地進行項目規(guī)劃和實施。2、數(shù)據(jù)采集：數(shù)字孿生項目需要依靠大量的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)模擬和分析，因此數(shù)據(jù)的收集工作至關重要。收集與實際系統(tǒng)相關的數(shù)據(jù)，包括傳感器數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、CAD圖紙等。確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和完整性。構建一個實際模型的數(shù)學模型。3、數(shù)據(jù)預處理：對采集到的原始數(shù)據(jù)進行預處理，包括數(shù)據(jù)清洗、缺失值處理、異常值檢測和修正等。確保數(shù)據(jù)的準確性和可用性。此外，還要關注數(shù)據(jù)的安全和隱私保護，采取相應的措施防止泄露和濫用。4、建立模型：基于采集到的數(shù)據(jù)，建立物理模型或數(shù)學模型，模擬實際系統(tǒng)的行為和特性。可以使用機器學習算法、物理仿真模型等進行建模。數(shù)字孿生模型可以是精確的物理模型，也可以是基于統(tǒng)計和機器學習的數(shù)據(jù)模型。模型的建立需要考慮系統(tǒng)的復雜性和實際運行情況，同時要與實際數(shù)據(jù)進行校準和驗證，確保模型的準確性和可靠性。5、模型校準與驗證：對建立的模型進行校準和驗證，與實際系統(tǒng)進行比對和驗證，確保模型能夠準確地反映實際系統(tǒng)的行為。6、數(shù)字孿生系統(tǒng)開發(fā)：基于建立的模型，開發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)的軟件平臺或應用。數(shù)字孿生項目的關鍵在于建立一個完善的數(shù)字孿生平臺，用于模擬、分析和優(yōu)化企業(yè)的各個環(huán)節(jié)和過程。該平臺應包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)可視化、實時數(shù)據(jù)集成模型運行和仿真、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和決策支持等功能。同時確保平臺具有高效、穩(wěn)定和安全的特性。7、系統(tǒng)集成與部署：將開發(fā)好的數(shù)字孿生系統(tǒng)集成到實際系統(tǒng)中，確保數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸，同時感知和跟蹤真實物理世界的狀態(tài)，并將數(shù)字孿生系統(tǒng)部署到合適的環(huán)境中。8、模擬和測試：使用數(shù)字孿生來模擬和測試各種實際情況，包括事故和緊急情況，以提高應對突發(fā)事件的能力，可以幫助企業(yè)發(fā)現(xiàn)潛在的問題和瓶頸。通過改變設計參數(shù)來測試不同的方案，找到對應的解決方案，根據(jù)模擬結果進行調(diào)整和改進，在現(xiàn)實中實施驗證效果。9、運行與監(jiān)控：運行數(shù)字孿生系統(tǒng)，并監(jiān)控實際系統(tǒng)的運行狀態(tài)和性能指標。根據(jù)實時數(shù)據(jù)和模型預測結果，進行實時監(jiān)控和決策支持。數(shù)字孿生可用于分析現(xiàn)實系統(tǒng)的弱點和問題，優(yōu)化運行方案，預測未來的情況和做出決策。10、持續(xù)優(yōu)化：根據(jù)實際系統(tǒng)的運行情況和反饋信息，對數(shù)字孿生系統(tǒng)進行持續(xù)優(yōu)化和改進，提高預測精度和系統(tǒng)性能。11、迭代更新：根據(jù)實際需求和變化，對數(shù)字孿生系統(tǒng)進行迭代更新，增加新的功能和改進現(xiàn)有功能，保持系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展和適應性。六、數(shù)字孿生涉及的技術領域1、數(shù)字建模：用于生成數(shù)字孿生的三維模型，包括物理建模、數(shù)學建模、計算機建模、仿真等。可以使用CAD軟件、三維建模軟件、仿真軟件等。2、數(shù)據(jù)采集：用于采集物理世界中的數(shù)據(jù)，可以使用傳感器、監(jiān)控設備等。3、物聯(lián)網(wǎng)技術：用于連接物理世界中的設備和系統(tǒng)，包括傳感器、智能設備、云計算等。4、數(shù)據(jù)處理：用于處理采集到的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等。5、數(shù)據(jù)可視化技術：用于展示數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)和模型，包括圖表、地圖、動畫等。6、虛擬現(xiàn)實技術：用于模擬物理世界中的情境，包括虛擬現(xiàn)實頭盔、手柄、全息投影等。7、邊緣計算技術：用于處理數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)和計算任務，包括邊緣服務器、邊緣設備等。8、區(qū)塊鏈技術：用于保證數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)安全性和可信度，包括分布式賬本、智能合約等。9、云計算技術：用于存儲和處理數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)和模型，包括云存儲、云計算、云服務等。10、人工智能技術：用于模擬人類的智能行為，包括機器學習、深度學習、自然語言處理等。七、數(shù)字孿生涉及的軟件1、數(shù)字孿生平臺軟件：達索3DExperience：航空CAD起家，將旗下的產(chǎn)品都統(tǒng)一到平臺上，包括設計、仿真、分析工具、協(xié)同環(huán)境、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、大數(shù)據(jù)技術等。ANSYSTwinBuilder：ANSYS擁有一整套仿真解決方案，包括平臺、物理知識和系統(tǒng)功能，集成多款建模仿真軟件。ANSYS的TwinBuilder是針對數(shù)字孿生的產(chǎn)品軟件包。通過第三方工具集成將各種來源的模型組合到完整的系統(tǒng)中進行協(xié)同仿真。微軟AzureDigitalTwins：微軟是數(shù)字孿生的一個新進玩家，在2018年發(fā)布了AzureDigitalTwins平臺，可用于全面的數(shù)字模型和空間感知解決方案，可應用于任何物理環(huán)境。Azure數(shù)字孿生可提供物理環(huán)境及相關設備、傳感器和人員的全面虛擬呈現(xiàn)形式，并全面支持物聯(lián)網(wǎng)和端點設備之間的雙向通訊，提供開放式的建模語言以及實時的執(zhí)行環(huán)境。國內(nèi)平臺EasyV：免費試用三天，國內(nèi)網(wǎng)站搜索“數(shù)字孿生平臺”直推。翠鳥云：免費試用15天，看的“數(shù)字孿生搭建課程”了解。2、數(shù)字孿生建模軟件：GIS建模：適