數(shù)字孿生技術及其應用

數(shù)字孿生技術及應用數(shù)字孿生技術及應用DigitaltwinTechnologyandApplications主講：某某某目錄CONTENTSNew制造與NewIT1數(shù)字孿生技術及應用2十大領域應用探索3數(shù)字孿生融合產業(yè)發(fā)展4數(shù)字孿生意義、展望5隨著復雜系統(tǒng)診斷、預測和系統(tǒng)健康管理技術的不斷發(fā)展，在新興的工業(yè)信息系統(tǒng)和工業(yè)智能的推動下，數(shù)字孿生技術成為智能制造領域和復雜系統(tǒng)智能運行和維護領域的新興研究熱點。數(shù)字李生(DigitalTwin)，并非今天才產生，已經(jīng)走過了幾十年的發(fā)展歷程，只不過以前沒有這樣命名，而是走到了一定的發(fā)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(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)字虛體更像物理實體，直至有了比較系統(tǒng)的數(shù)字樣機技術。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(shù)字虛體越來越賦能物理實體系統(tǒng)、PART01New制造與NewITDigitaltwinTechnologyandApplicationsNew制造與NewIT1傳統(tǒng)制造:1、主要關注“加工”環(huán)節(jié)2、輸入:成產要素、經(jīng)驗3、輸出:產品4、進行的環(huán)節(jié)主要在物理世界中智能制造:1、貫穿產品全生命周期各環(huán)節(jié)2、輸入:生產要素、數(shù)據(jù)/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(tǒng)IT=計算機、信息、網(wǎng)絡技術主要關注對象是信息世界NewIT=工業(yè)技術、信息技術、智能技術PART02數(shù)字孿生技術及應用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)作感知與接入服務化封裝搜索與匹配智能化操作可視化展現(xiàn)服務協(xié)作共同的瓶頸之一:如何實現(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年撰寫的DigitalTwin白皮書中明確指出，他在2003年提出了數(shù)字孿生，但是Prof.Grieves在此10年間沒有相關成果發(fā)表Prof.MichaelW.Grieves2010年NASA定義了未來飛行器數(shù)字孿生體范例，但NASA后續(xù)對數(shù)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(shù)字孿生，AFRL利用數(shù)字孿生來解決戰(zhàn)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(xiàn)，2011年左右逐次進入人們視野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(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、運行歷史等數(shù)據(jù)，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(shù)字孿生的概念2數(shù)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(shù)字孿生技術的研究中占主流數(shù)字孿生學術研究數(shù)字孿生工業(yè)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(jiān)控優(yōu)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(wǎng)規(guī)劃運營維護環(huán)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(yōu)化汽車性能測試油氣行業(yè)遠程監(jiān)控資產管理生產優(yōu)化故障檢測維護計劃城市管理實時監(jiān)控城市規(guī)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(yōu)選降低油耗健康醫(yī)療健康監(jiān)測心臟病研究個性化醫(yī)療資源分配員工安排減輕現(xiàn)有風險或危害災難性的災難頂防安全網(wǎng)絡保護安全急救建筑建設進度監(jiān)測預算調整工人安全監(jiān)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(yè)橄視種植監(jiān)測家畜的健康監(jiān)測動物運動的跟蹤農場機器的跟蹤病蟲害和農藥監(jiān)測PART03十大領域應用探索DigitaltwinTechnologyandApplications數(shù)字孿生技術在產品全生命周期的應用3A數(shù)字孿生技術在產品全生命周期的應用C數(shù)字孿生技術在產品全生命周期的應用B數(shù)字孿生技術在產品全生命周期的應用D數(shù)字孿生技術在產品全生命周期的應用實現(xiàn)產品的設計、生產過程監(jiān)控、動態(tài)控制與優(yōu)化、產品維護、產品升級等，達到虛實融合和行為的模擬、監(jiān)控、診斷、預測和控制。數(shù)字孿生技術貫穿于產品生命周期的各個階段，通過數(shù)字孿生體與產品實體持續(xù)的信息交互在網(wǎng)絡中實現(xiàn)對物理產品在現(xiàn)實環(huán)境中的形成過程數(shù)字孿生十大領域應用探索3數(shù)字孿生醫(yī)療數(shù)字孿生發(fā)電廠智能運維管控基于數(shù)字孿生的飛機起落架優(yōu)化設計數(shù)字孿生驅動的復雜裝備PHM數(shù)字孿生特種車輛抗毀傷評估分析數(shù)字孿生十大領域應用探索3數(shù)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(fā)展是鋪電網(wǎng);數(shù)字時代:數(shù)據(jù)成為重要資源，城市需構建一個數(shù)據(jù)基礎設施來推動城市治理方式的變革。數(shù)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(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術，為城市創(chuàng)建了一個虛擬鏡像。數(shù)字孿生立體倉庫PART04數(shù)字孿生融合產業(yè)發(fā)展DigitaltwinTechnologyandApplications數(shù)字孿生推動仿真行業(yè)發(fā)展4數(shù)字孿生推動仿真行業(yè)發(fā)展數(shù)字孿生推動仿真行業(yè)發(fā)展數(shù)字孿生推動仿真行業(yè)發(fā)展數(shù)字孿生推動仿真行業(yè)發(fā)展基于數(shù)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(shù)字孿生城市作為數(shù)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(fā)展，當前社會已經(jīng)基本具備了構建數(shù)字孿生城市的能力。全域立體感知、數(shù)字化標識、萬物可信互聯(lián)、泛在普惠計算、數(shù)據(jù)驅動決策等，構成了數(shù)字孿生城市的強大技術模型;大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)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(tài)成為可能。數(shù)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(shù)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(shù)字孿生的基本保障?？梢哉f仿真是數(shù)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(tǒng)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(shù)字孿生代表了最新的仿真技術，數(shù)字孿生的實現(xiàn)對仿真行業(yè)提出了更高的要求，這極大地推進了仿真行業(yè)的發(fā)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(lián)盟。ANSYS于2018-05發(fā)布的ANSYS19.1軟件，推出首款針對數(shù)字孿生體的產品軟件包一-ANSYSTwinBuilder，進一步推動數(shù)字孿生與仿真技術的融合應用。數(shù)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(shù)字孿生技術實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的故障檢測、處置和航天器的壽命預測;洛馬公司將數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)字孿生技術面向其生產的全面生命周期，其主要應用是業(yè)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用平臺，并利用該平臺建立一個實時鏡像現(xiàn)實生產環(huán)境的數(shù)字孿生，實時監(jiān)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(yè)模型和企業(yè)鏡像，整合制造流程的生產系統(tǒng)模型;深圳華龍訊達公司構建了3D虛擬仿真管理系統(tǒng)，連接監(jiān)控生產中的各個流程。此外，陶劍等人結合航空工業(yè)智能制造架構，還給出了數(shù)字孿生技術在生產生命周期中的其他一些應用思路。PART05數(shù)字孿生意義展望DigitaltwinTechnologyandApplications數(shù)字孿生技術意義5數(shù)字孿生通過設計工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等各種數(shù)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(shù)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(fā)人們去探索新的途徑來優(yōu)化設計、制造和服務。更便捷，更適合創(chuàng)新傳統(tǒng)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(tǒng)、檢測系統(tǒng)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(shù)字孿生技術，可以借助于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術，通過采集有限的物理傳感器指標的直接數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，通過機器學習來構建不同的故障特征模型，間接推測出發(fā)電機系統(tǒng)的健康指標。更全面的測量數(shù)字孿生技術意義5現(xiàn)有的產品生命周期管理，很少能夠實現(xiàn)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(shù)字孿生可以結合物聯(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，實現(xiàn)對當前狀態(tài)的評估、對過去發(fā)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(tǒng)的工業(yè)設計、制造和服務領域，經(jīng)驗往往是一種模糊而很難把握的形態(tài)，很難將其作為精準判決的依據(jù)。數(shù)字孿生的一大關鍵進步，是可以通過數(shù)字化的手段，將原先無法保存的專家經(jīng)驗進行數(shù)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(xiàn)的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數(shù)據(jù)通過機器學習訓練出針對不同故障現(xiàn)象的數(shù)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(tài)進行精準判決的依據(jù)，并可針對不同的新形態(tài)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(jīng)驗的數(shù)字化數(shù)字孿生技術意義5為了在理論和實踐中解決數(shù)字孿生模型研究存在的問題，需要繼續(xù)深入開展以下相關研究。1)數(shù)字孿生模型與參考架構模型的融合目前出現(xiàn)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(shù)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(shù)字孿生模型的重構。2)數(shù)字孿生模型的統(tǒng)一描述方法的構建模型統(tǒng)一描述方法在一些領域，如計算機軟件開發(fā)等已經(jīng)基本實現(xiàn)，通過使用UML，SYSML等統(tǒng)一建模語言以及從實踐中總結而來的面向對象開發(fā)、模型驅動開發(fā)等方法體系，可以高效地將反映現(xiàn)實世界具體需求的系統(tǒng)轉化為可集成、可交互、可擴展的抽象模型系統(tǒng)，其效率大大超過通過簡單代碼的堆疊而進行的具體系統(tǒng)的構建。數(shù)字孿生模型的進一步發(fā)展同樣需要對統(tǒng)一建模語言、統(tǒng)一建模方法進行探索。3)建模工具軟件和工業(yè)軟件的開發(fā)中國工業(yè)應用軟件的整體水平相對落后，尤其體現(xiàn)在涉及工業(yè)設計、生產制造系統(tǒng)、關鍵控制系統(tǒng)等的