先進(jìn)成形與智能技術(shù) 課件 10.1 數(shù)字孿生的定義

10.1數(shù)字孿生的定義以及發(fā)展現(xiàn)狀戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS10.1.1數(shù)字孿生的概念10.1.2數(shù)字孿生的特征10.1.3數(shù)字孿生的發(fā)展戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造110.1.1數(shù)字孿生的概念硬件服務(wù)ABCD新一代信息技術(shù)智能決策信息獲取戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2數(shù)字化轉(zhuǎn)型10.1.1數(shù)字孿生的概念數(shù)字孿生（DigitalTwin）起源航空軍工領(lǐng)域各產(chǎn)業(yè)融合深化12向垂直行業(yè)拓展3戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造3孿生的概念

物理孿生的概念在軋制生產(chǎn)過(guò)程中也有類(lèi)似應(yīng)用。在連軋生產(chǎn)中，每一個(gè)規(guī)格軋制參數(shù)的設(shè)定往往都需要事先在離線軟件中進(jìn)行模擬，最終才能應(yīng)用到軋制工藝設(shè)定中。包含了設(shè)備及相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)的離線軋制規(guī)程模擬軟件便可視為是軋制生產(chǎn)線中軋制環(huán)節(jié)的孿生體，根據(jù)仿真的數(shù)據(jù)能夠幫助工程師優(yōu)化軋制參數(shù)、分析和評(píng)估設(shè)備的健康狀況，如圖所示。由美國(guó)國(guó)家航空航天局提出10.1.1數(shù)字孿生的概念10.1.1數(shù)字孿生的概念物理孿生與數(shù)字孿生對(duì)比戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造4對(duì)比內(nèi)容物理孿生數(shù)字孿生形式物理復(fù)制品數(shù)字模型和仿真依賴(lài)制造工藝和材料數(shù)據(jù)收集和計(jì)算技術(shù)實(shí)時(shí)性靜態(tài)或動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和更新應(yīng)用范圍通常用于關(guān)鍵零部件或系統(tǒng)廣泛，涉及多領(lǐng)域成本制造和材料成本數(shù)據(jù)和計(jì)算成本局限性復(fù)制成本高，難以大規(guī)模應(yīng)用依賴(lài)數(shù)據(jù)質(zhì)量和模型精度戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造5數(shù)字孿生的定義10.1.1數(shù)字孿生的概念數(shù)字孿生（數(shù)字鏡像、數(shù)字映射、數(shù)字雙胞胎、數(shù)字雙生、數(shù)字孿生體）

以模型和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)多學(xué)科耦合仿真等方法，完成現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體到虛擬世界中的鏡像數(shù)字化模型的精準(zhǔn)映射，并充分利用兩者的雙向交互反饋、迭代運(yùn)行，以達(dá)到物理實(shí)體狀態(tài)在數(shù)字空間的同步呈現(xiàn)，通過(guò)鏡像化數(shù)字化模型的診斷、分析和預(yù)測(cè)，進(jìn)而優(yōu)化實(shí)體對(duì)象在其全生命周期中的決策、控制行為，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)體與數(shù)字模型的共享智慧與協(xié)同發(fā)展。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造6多維度多領(lǐng)域模型結(jié)合1多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集與分析為核心2雙向映射、動(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)同步和迭代優(yōu)化3閉環(huán)反饋控制410.1.2數(shù)字孿生的特征戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造7多維度多領(lǐng)域模型結(jié)合10.1.2數(shù)字孿生的特征數(shù)字孿生作為仿真應(yīng)用的發(fā)展和升級(jí)，與傳統(tǒng)的仿真方式有著巨大的區(qū)別。數(shù)字孿生的模型貫穿物理系統(tǒng)的整個(gè)生命周期。數(shù)字孿生模型的構(gòu)建需要考慮產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)和行為表述。多個(gè)物理系統(tǒng)融合，多學(xué)科、多領(lǐng)域融合是現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)。物理系統(tǒng)在數(shù)字空間的數(shù)字模型需要體現(xiàn)這個(gè)融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字融合模型。不同的智能系統(tǒng)關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域不一，多學(xué)科耦合程度存在差異，因而其數(shù)字模型需要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)其組成部分進(jìn)行融合，以全方位地刻畫(huà)物理實(shí)體。數(shù)字孿生體與物理實(shí)體應(yīng)該是“形神兼似”?！靶嗡啤本褪菐缀涡螤?、三維模型上要一致，“神似”就是運(yùn)行機(jī)理上要一致。數(shù)字孿生模型的構(gòu)建應(yīng)按層級(jí)逐漸展開(kāi)，形成單元級(jí)、區(qū)域級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、跨系統(tǒng)級(jí)等多尺度層級(jí)，各層級(jí)逐漸擴(kuò)大，完成不同的系統(tǒng)功能。

數(shù)字孿生技術(shù)解決問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)在于建立高保真度的虛擬模型，在虛擬模型中完成仿真、分析、優(yōu)化、控制，并以此虛擬模型完成物理實(shí)體的智能調(diào)控與精準(zhǔn)執(zhí)行，即系統(tǒng)構(gòu)建于模型之上，模型是數(shù)字孿生體的主體組成。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造8多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集與分析為核心10.1.2數(shù)字孿生的特征戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造9物理系統(tǒng)、數(shù)字模型通過(guò)實(shí)時(shí)連接，進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互、實(shí)現(xiàn)雙向映射。適合應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)時(shí)連接?！皩?shí)時(shí)連接”在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，其物理含義是不同的。數(shù)字孿生為復(fù)雜系統(tǒng)的感知、建模、描述、仿真、分析、診斷、預(yù)測(cè)、調(diào)控等提供了可行的解決方案，數(shù)字孿生系統(tǒng)必須能不斷地迭代優(yōu)化，即適應(yīng)內(nèi)外部的快速變化并做出針對(duì)性的調(diào)整雙向映射、動(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)同步和迭代優(yōu)化10.1.2數(shù)字孿生的特征戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造10閉環(huán)反饋控制數(shù)字孿生的監(jiān)控一般構(gòu)建于三維可視化模型之上，各類(lèi)數(shù)據(jù)按模型的空間、運(yùn)行流程、管理層級(jí)等不同維度進(jìn)行展示，能讓用戶直觀感受系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，便于做出決策。數(shù)字孿生系統(tǒng)具備模擬、監(jiān)控、診斷、推演預(yù)測(cè)與分析、自主決策、自主管控與執(zhí)行等智能化功能。數(shù)字孿生系統(tǒng)必須數(shù)字孿生可看作是一種技術(shù)、方法、過(guò)程、思路、框架和途徑，本質(zhì)上是以服務(wù)為導(dǎo)向，對(duì)特定領(lǐng)域中的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，滿足系統(tǒng)某一方面的功能要求，如成本、效率、故障預(yù)測(cè)與監(jiān)控、可靠運(yùn)維等。10.1.2數(shù)字孿生的特征10.1.3數(shù)字孿生的發(fā)展戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造11

數(shù)字孿生是一種數(shù)字化理念和技術(shù)手段，它以數(shù)據(jù)與模型的集成融合為基礎(chǔ)與核心，通過(guò)在數(shù)字空間實(shí)時(shí)構(gòu)建物理對(duì)象的精準(zhǔn)數(shù)字化映射，基于數(shù)據(jù)整合與分析預(yù)測(cè)來(lái)模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過(guò)程，最終形成智能決策的優(yōu)化閉環(huán)。

其中面向的物理對(duì)象包括實(shí)物、行為、過(guò)程，構(gòu)建孿生體涉及到的數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)和運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，集成的模型涵蓋物理模型、機(jī)理模型和流程模型等。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造122003年前后，關(guān)于數(shù)字孿生（DigitalTwin）

的設(shè)想首次出現(xiàn)于Grieves教授在美國(guó)密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上。但是，當(dāng)時(shí)“DigitalTwin”一詞還沒(méi)有被正式提出，Grieves將這一設(shè)想稱(chēng)為“ConceptualIdealforPLM（ProductLifecycleManagement）”，10.1.3數(shù)字孿生的發(fā)展戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造13燕山大學(xué)通過(guò)研發(fā)冷軋銅帶板形控制數(shù)字孿生系統(tǒng)，在600mm四輥軋機(jī)和600mm六輥軋機(jī)上的工業(yè)應(yīng)用表明，冷軋銅帶板形控制數(shù)字孿生系統(tǒng)，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化軋制過(guò)程，改善板形控制效果，而且可以預(yù)警軋制故障，提高軋機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。東北大學(xué)RAL實(shí)驗(yàn)室基于現(xiàn)有自動(dòng)化與信息化系統(tǒng)，深度融合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型與