《智能設(shè)備的數(shù)字孿生》 課件 第1章-數(shù)字孿生概述

智能設(shè)備的數(shù)字孿生數(shù)字孿生的定義數(shù)字孿生的特征數(shù)字孿生的應(yīng)用1.11.21.3第一章

數(shù)字孿生的基礎(chǔ)技術(shù)1.4數(shù)字孿生的發(fā)展與意義知識目標(biāo)：本章學(xué)習(xí)目標(biāo)

掌握數(shù)字孿生的一般定義與特征

理解數(shù)字孿生的數(shù)字孿生的核心要素

了解數(shù)字孿生的背景與應(yīng)用

能說出數(shù)字孿生發(fā)展的歷程與數(shù)字孿生的不同應(yīng)用場景

能理清數(shù)字孿生的核心要素之間的聯(lián)系

能正確描述數(shù)字孿生的特征

培養(yǎng)學(xué)生對知識的獲取方法與聯(lián)想能力

培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)的方法與途徑

思政目標(biāo)：了解我國數(shù)字孿生市場規(guī)模，我國將數(shù)字經(jīng)濟(jì)作為發(fā)展的重要方向，智能制造是我國

工業(yè)的發(fā)展重要方向。數(shù)字孿生賦能智慧城市、智慧交通、智能制造、智慧流域等重要的行業(yè)中。能力目標(biāo)：素養(yǎng)目標(biāo)：數(shù)字孿生的定義1.1課前思考請同學(xué)們思考：在我們的生活中，有哪些與數(shù)字經(jīng)濟(jì)相關(guān)的事件？1.1數(shù)字孿生的定義數(shù)字經(jīng)濟(jì)引領(lǐng)各行各業(yè)的發(fā)展。網(wǎng)上購物線上預(yù)約門診線上購票選座1.1數(shù)字孿生的定義隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)越來越深入人們的日常生活，人們投入到網(wǎng)絡(luò)游戲、社交網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)、數(shù)字辦公的時間在不斷的增多，個體也越來越多地以數(shù)字身份出現(xiàn)大力發(fā)展數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為國家助推經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要手段，我國的數(shù)字經(jīng)濟(jì)總體框架框架已經(jīng)基本構(gòu)建。1.1數(shù)字孿生的定義數(shù)字孿生(DigitalTwin)通俗來講：指物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段構(gòu)建出一個在數(shù)字世界中一模一樣的實體，由此來實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化。專業(yè)角度：指利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)動歷史等數(shù)據(jù)，聚集多學(xué)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，從而反映了實體裝備的全生命周期的過程。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，通過在數(shù)字空間實時構(gòu)建物理對象的精準(zhǔn)數(shù)字化映射，基于數(shù)據(jù)整合與分析預(yù)測來模擬、驗證、預(yù)測、控制物理實體全生命周期過程，最終形成智能決策的優(yōu)化閉環(huán)。1.1數(shù)字孿生的定義1.1數(shù)字孿生的定義1.1.1發(fā)展的背景2010年美國國家航空航天局利用數(shù)字孿生技術(shù)極大的降低了航天器的研發(fā)成本2011年美國空軍實驗室提出了數(shù)字孿生（DigitalTwin），主要用于戰(zhàn)斗機(jī)維護(hù)工作的數(shù)字化2019年西門子正在研發(fā)AI驅(qū)動的數(shù)字孿生技術(shù)，通過數(shù)字技術(shù)了解患者的監(jiān)考狀況并預(yù)測治療方案的效果2020年全球數(shù)字孿生市場規(guī)模為31億美元，預(yù)計全球數(shù)字孿生市場將以58%的復(fù)合年增長率增長，到2026年將達(dá)到482億美元1.1數(shù)字孿生的定義波音777客機(jī)研發(fā)中應(yīng)用了數(shù)字孿生模型《失控玩家》電影場景數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。數(shù)字孿生是集成了人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）等技術(shù)，將數(shù)據(jù)、算法和決策分析結(jié)合在一起，建立模擬，對實體進(jìn)行虛擬映射。數(shù)字孿生是形成物理世界中某一生產(chǎn)流程的模型及其在數(shù)字世界中數(shù)字化鏡像的過程和方法010203041.1數(shù)字孿生的定義1.1.2數(shù)字孿生定義1.1數(shù)字孿生的定義1.1.3數(shù)字孿生的核心要素核心要素模型數(shù)據(jù)鏈接服務(wù)/功能物理數(shù)字孿生是三維模型、是物理實體的復(fù)制或是虛擬樣機(jī)數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的最核心的要素數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺或者物聯(lián)網(wǎng)平臺，他們的側(cè)重點為從物理世界到虛擬世界的感知接入、可靠傳輸、智能服務(wù)。數(shù)字孿生是仿真，是虛擬驗證，是可視化，這類的認(rèn)識是從功能需求角度出發(fā)，對數(shù)字孿生的功能和服務(wù)進(jìn)行解讀。物理實體是數(shù)字孿生的重要組成部分，數(shù)字孿生的模型、數(shù)據(jù)、功能/服務(wù)與物理實體對象是密不可分的。010203041.1數(shù)字孿生的定義1.1.4工業(yè)4.0”術(shù)語中的數(shù)字孿生定義工業(yè)1.0蒸汽機(jī)時代工業(yè)2.0電氣化時代工業(yè)3.0信息化時代工業(yè)4.0則運(yùn)用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)革命的時代，也就是智能化時代1.1數(shù)字孿生的定義1.1.4工業(yè)4.0”術(shù)語中的數(shù)字孿生定義(1)中國制造與工業(yè)4.0的關(guān)系2015年，國務(wù)院的《中國制造2025》部署要全面推薦實施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，目前工業(yè)4.0已經(jīng)進(jìn)入了中德合作新時間，在有關(guān)工業(yè)4.0合作內(nèi)容中，其中第一條就明確的提出了工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化。工業(yè)4.0是支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，它與國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級、制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級緊急結(jié)合在一起，他們的發(fā)展趨勢一致，特別在工業(yè)化、信息化量化融合的高度契合?；诠I(yè)4.0受益的行業(yè)傳感器機(jī)器視覺云計算智能機(jī)床傳感器1.1數(shù)字孿生的定義1.1.4工業(yè)4.0”術(shù)語中的數(shù)字孿生定義(2)工業(yè)4.0與數(shù)字孿生的關(guān)系工業(yè)4.0涉及到人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)（loT）、機(jī)器人技術(shù)、無人機(jī)、無人駕駛汽車、虛擬現(xiàn)實（VR）、5G、云計算、機(jī)器視覺、人工智能等關(guān)鍵技術(shù)融合的的新一代工業(yè)革命。1.1數(shù)字孿生的定義1.1.4工業(yè)4.0”術(shù)語中的數(shù)字孿生定義從工業(yè)4.0關(guān)鍵技術(shù)關(guān)系圖中可知：在工業(yè)4.0的數(shù)字孿生是指在利用先進(jìn)建模和仿真工具構(gòu)建的，覆蓋產(chǎn)品全生命周期和價值鏈，從基礎(chǔ)材料、設(shè)計、工藝、制造使用維護(hù)全部環(huán)節(jié)，集成并驅(qū)動以統(tǒng)一的模型的核心產(chǎn)品設(shè)計、制作和保障的數(shù)字化數(shù)據(jù)流。簡單來說，數(shù)字紐帶為產(chǎn)品數(shù)字孿生提供訪問、整合和轉(zhuǎn)化能力，其目標(biāo)是貫穿產(chǎn)品全生命周期和價值鏈，實現(xiàn)全面追溯、雙向共享/交互信息，價值鏈協(xié)同。數(shù)字孿生的特征1.2知識回顧（1）數(shù)字孿生定義（2）工業(yè)4.0的發(fā)啟國是？（3）數(shù)字孿生最早是因為什么事件提出的？（4）數(shù)字孿生的核心要素有那些？課前思考說說生活中你體會到的數(shù)字孿生，有哪些特點？1.2數(shù)字孿生的特征醫(yī)療場景，遠(yuǎn)程醫(yī)療游戲中虛擬場景四川成都春熙路的裸眼3D大屏1.2數(shù)字孿生的特征數(shù)字孿生采用數(shù)字化的方式將現(xiàn)實物理實體進(jìn)行虛擬的復(fù)制，為每一個實體建立一個對應(yīng)的虛擬世界的實體，可以通過虛擬實體來實現(xiàn)對物理實體的監(jiān)控、控制、優(yōu)化等功能。虛擬復(fù)制虛擬世界虛擬實體現(xiàn)實世界物理實體監(jiān)控、控制、優(yōu)化1.2數(shù)字孿生的特征01虛實映射02實時同步03共生進(jìn)化04閉環(huán)優(yōu)化數(shù)字孿生的主要特征體現(xiàn)在虛實映射、實時同步、共生進(jìn)化、閉環(huán)優(yōu)化。數(shù)字孿生要求物理對象在數(shù)字空間的數(shù)字化表示，現(xiàn)實世界中的物理對象和數(shù)字空間中的孿生可以實現(xiàn)雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互。對物理對象和數(shù)字空間的孿生對象進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集和更新，利用傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獲取實時數(shù)據(jù)，不斷更新數(shù)字孿生的狀態(tài)，確保數(shù)字孿生和實體世界一致。1.2數(shù)字孿生的特征虛實映射現(xiàn)實世界數(shù)字空間實時數(shù)據(jù)雙向映射數(shù)據(jù)連接狀態(tài)交互數(shù)字孿生可以涵蓋整個物理實體的方方面面，包括結(jié)構(gòu)、性能、狀態(tài)、行為等信息?；趯崟r感知等多元數(shù)據(jù)的獲取，數(shù)字孿生可以全面、準(zhǔn)確、動態(tài)地反映物理對象的狀態(tài)變化，包括外觀、性能、位置、異常等。1.2數(shù)字孿生的特征實時同步同步更新在理想狀態(tài)下，數(shù)字孿生實現(xiàn)的映射和同步狀態(tài)應(yīng)覆蓋孿生子對象從設(shè)計、生產(chǎn)、運(yùn)營到報廢的整個生命周期，孿生子應(yīng)隨著孿生子對象的生命周期過程不斷進(jìn)化和更新。1.2數(shù)字孿生的特征共生進(jìn)化設(shè)計生產(chǎn)運(yùn)營報廢數(shù)字孿生建立雙生子目的是為了對物理實體的內(nèi)部機(jī)理進(jìn)行描述、規(guī)律的分析以及區(qū)域的洞察，最終形成基于分析和仿真對物理世界的優(yōu)化指令和策略，從而實現(xiàn)物理實體的閉環(huán)優(yōu)化功能。1.2數(shù)字孿生的特征閉環(huán)優(yōu)化物理世界虛擬世界分析優(yōu)化數(shù)字映射數(shù)字孿生的應(yīng)用1.31.3數(shù)字孿生的應(yīng)用應(yīng)用對象類別靜態(tài)數(shù)字孿生詳細(xì)數(shù)字孿生建造數(shù)字孿生基于傳感器的數(shù)字孿生響應(yīng)式數(shù)字孿生自適應(yīng)數(shù)字孿生智能數(shù)字孿生數(shù)字孿生從應(yīng)用對象進(jìn)行分類，主要有靜態(tài)數(shù)字孿生、詳細(xì)數(shù)字孿生、建造數(shù)字孿生、基于傳感器的數(shù)字孿生、響應(yīng)式數(shù)字孿生、自適應(yīng)數(shù)字孿生、智能數(shù)字孿生等。1.3.1數(shù)字孿生的應(yīng)用1.3數(shù)字孿生的應(yīng)用（1）靜態(tài)數(shù)字孿生靜態(tài)數(shù)字孿生主要關(guān)注的是三位模型，不去整合物理和虛擬的環(huán)境。（2）詳細(xì)的數(shù)字孿生詳細(xì)的數(shù)字孿生主要是指利用和跟蹤來自建筑物系統(tǒng)的建筑物數(shù)據(jù)，實現(xiàn)更好的分析和更好的控制。（3）建造數(shù)字孿生建造數(shù)字孿生主要用于新建或者改建的項目，將數(shù)據(jù)從物理結(jié)構(gòu)映射到虛擬模型，手動編目和調(diào)整兩者之間的差異，保持虛擬模型和物理模型之間的接近。（4）基于傳感器的數(shù)字孿生基于傳感器的數(shù)字孿生是將數(shù)據(jù)從物理結(jié)構(gòu)填充到虛擬模型中，以創(chuàng)建更大的系統(tǒng)自主性，使用戶能夠利用物理網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)自動化一些手動執(zhí)行的流程。1.3數(shù)字孿生的應(yīng)用（5）響應(yīng)式數(shù)字孿生響應(yīng)式數(shù)字孿生是指利用物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備自主收集物理結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)，如溫度、濕度等類似的數(shù)據(jù)，提供實時數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)采取行動，物理和虛擬世界之間的集成有限，可以采用基于人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)的某些自動化流程。（6）自適應(yīng)數(shù)字孿生自適應(yīng)數(shù)字孿生允許更多物理世界和虛擬世界之間流動，采用更精確的算法實現(xiàn)更高的自動化，通過人工智能分析來創(chuàng)建更準(zhǔn)確的響應(yīng)，但它仍然依賴于人類的評估來驗證決策的制定。（7）智能數(shù)字孿生智能數(shù)字孿生是指允許一個完全的自主平臺，數(shù)據(jù)流在虛擬和物理環(huán)境中完全集合，允許測試過的及其學(xué)習(xí)算法使系統(tǒng)能夠自行學(xué)習(xí)和調(diào)節(jié)提高性能。1.3數(shù)字孿生的應(yīng)用數(shù)字孿生的應(yīng)用場景十分的廣泛，可以應(yīng)用在智慧城市、軌道交通、智能制造、智慧醫(yī)療、智慧交通、航空航天、智慧園區(qū)、智慧文旅、智慧電廠、數(shù)字流域、智慧水廠、區(qū)域應(yīng)急、智能監(jiān)所、機(jī)場管理、礦廠等行業(yè)并能賦能行業(yè)的管理與發(fā)展。接下來看看數(shù)字孿生應(yīng)用到重要的幾個行業(yè)。1.3.2數(shù)字孿生典型應(yīng)用場景數(shù)字孿生應(yīng)用場景智慧城市智能制造智慧交通數(shù)字流域智慧醫(yī)療智能倉儲物流數(shù)字孿生賦能智慧城市，主要表現(xiàn)在可以實現(xiàn)城市的智能規(guī)劃、管理和服務(wù)的重大創(chuàng)新，這些是智慧城市建設(shè)的重要技術(shù)支撐。通過數(shù)字孿生城市的智能規(guī)劃、設(shè)計和模擬，可以提前預(yù)警城市中可能產(chǎn)生的不利影響、沖突以及潛在危險，數(shù)字孿生提供合理的策略和有效的解決措施。1.3數(shù)字孿生的應(yīng)用1.數(shù)字孿生賦能智慧城市“穗智管”城市運(yùn)行管理中樞制造業(yè)作為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要支撐，世界各國也前后相繼出臺了國家級的發(fā)展戰(zhàn)略。中國出臺了“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等數(shù)字孿生智能制造業(yè)國家發(fā)展實施戰(zhàn)略。數(shù)字孿生作為關(guān)鍵和基礎(chǔ)的指數(shù)之一，是推動智能制造行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要抓手。1.3數(shù)字孿生的應(yīng)用2.數(shù)字孿生賦能智能制造數(shù)字孿生工廠數(shù)字孿生可以從過個方面賦能賦能智慧交通，滿足未來出行的需求。首先，數(shù)字孿生可以實現(xiàn)同步可視、模型推演，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動決策，數(shù)字孿生通過實時采集數(shù)據(jù)、同步交通運(yùn)行可視，為交通模型推演提供試驗空間，完成數(shù)據(jù)的驅(qū)動決策。其次，數(shù)字孿生可以提供場景豐富、實景重現(xiàn)，能加速智能駕駛落地。第三，數(shù)字孿生根據(jù)全城視野、全局規(guī)劃，尋找治理擁堵的最優(yōu)解。1.3數(shù)字孿生的應(yīng)用3.數(shù)字孿生賦能智慧交通數(shù)字孿生的智慧交通貴陽的智慧交通數(shù)字流域是綜合運(yùn)用了遙感RS、地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多媒體技術(shù)等對全流域的地理環(huán)境、生態(tài)資源、生態(tài)環(huán)境、人文景觀、社會和經(jīng)濟(jì)狀態(tài)等各種信息采集、數(shù)字化等，構(gòu)建全流域綜合信息平臺和三維影像模型，便于宏觀的資源開發(fā)與利用等決策。1.3數(shù)字孿生的應(yīng)用4.數(shù)字孿生賦能數(shù)字流域數(shù)字流域數(shù)字孿生如何賦能智慧醫(yī)療，將醫(yī)院信息聚合、數(shù)字建模、三維映射、搭建智能化的數(shù)字空間，依托數(shù)據(jù)治理、知識圖譜、輕量建模技術(shù)，提升醫(yī)院運(yùn)營管理效率。數(shù)字孿生智慧醫(yī)療可以實現(xiàn)線上查房、移動護(hù)理、住院服務(wù)等智能有利于提升醫(yī)院的信息化、醫(yī)護(hù)效率、促進(jìn)醫(yī)患溝通、改善住院條件等優(yōu)勢。1.3數(shù)字孿生的應(yīng)用5.數(shù)字孿生賦能智慧醫(yī)療數(shù)字孿生賦能智慧醫(yī)療對于物流公司來說，如何快速的實現(xiàn)碎片化信息的處理，實現(xiàn)貨物的快速分揀、儲存、轉(zhuǎn)運(yùn)等，就變得非常重要。1.3數(shù)字孿生的應(yīng)用6.數(shù)字孿生賦能智能倉儲物流智能倉儲平臺智慧倉儲數(shù)字孿生的發(fā)展與意義1.4數(shù)字孿生的發(fā)展歷程可以分為三個階段，第一階段為1960年代至1990年代，數(shù)字孿生雛形，第二階段為2000年代至2010年代是高速發(fā)展，第三階段為2010年代至今，數(shù)字孿生在各行各業(yè)應(yīng)用階段。1.4數(shù)字孿生的發(fā)展與意義數(shù)字孿生雛形高速發(fā)展各行各業(yè)應(yīng)用階段1.4.1數(shù)字孿生的發(fā)展1.4數(shù)字孿生的發(fā)展與意義（1960年代至1990年代）數(shù)字孿生的雛形開始出現(xiàn)，主要用于工程建模和控制系統(tǒng)的設(shè)計，在這一階段數(shù)字孿生仍比較簡單，主要用于輔助人們進(jìn)行設(shè)計和測試。美國宇航局阿波羅計劃中構(gòu)建了兩個相同的航天飛行棋，一個發(fā)射到太空，一個留在地球用于反映工作狀態(tài)。（2003年-2012年）數(shù)字孿生逐漸發(fā)展為一種能夠模擬物理實體運(yùn)行的技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于航空、能源、制造等領(lǐng)域，數(shù)字孿生的應(yīng)用越來越廣泛，成為重要的生產(chǎn)工具。在2002年推出了數(shù)字孿生概念，并在2003年首次在航天領(lǐng)域成功應(yīng)用，在2011年，Grieves首次提出了“數(shù)字孿生與數(shù)字孿生體”，在2012年，NASA正式給出數(shù)字孿生的明確定義，之后在工業(yè)中開展應(yīng)用。如圖1-17數(shù)字孿生發(fā)展關(guān)鍵拐點。（2010年代至今）隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和智慧城市等新興領(lǐng)域的崛起，數(shù)字孿生迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。數(shù)字孿生的應(yīng)用已經(jīng)涵蓋了許多領(lǐng)域，如城市規(guī)劃、生態(tài)保護(hù)、智能交通等。歐洲也在數(shù)字孿生領(lǐng)域積極推動發(fā)展。2014年，德國政府啟動了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，數(shù)字孿生技術(shù)被作為其中的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。歐盟也將數(shù)字孿生技術(shù)作為其“數(shù)字化單一市場”的核心技術(shù)之一。第一階段第二階段第三階段第二高速發(fā)展階段數(shù)字孿生發(fā)生關(guān)鍵拐點1.4數(shù)字孿生的發(fā)展與意義從政策層面：數(shù)字孿生成為各國推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化進(jìn)程的重要抓手行業(yè)應(yīng)用層面：數(shù)字孿生成為垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要使能技術(shù)。市場前景層面：數(shù)字孿生是熱度最高的數(shù)字化技術(shù)之一，存在巨大的發(fā)展空間。企業(yè)主體層面：數(shù)字孿生被納入眾多科技企業(yè)戰(zhàn)略大方向，成為數(shù)字領(lǐng)域技術(shù)和市場競爭主航道。010203041.4數(shù)字孿生的發(fā)展與意義1.4.2