智能設(shè)備數(shù)字孿生應(yīng)用 課件匯 13-14、數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)-建模 - 24、智能制造的核心價值、關(guān)鍵技術(shù)及案例

智能設(shè)備的數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)：建模關(guān)鍵技術(shù)：仿真關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)4.14.24.3第四章數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：增強現(xiàn)實技術(shù)4.4關(guān)鍵技術(shù)：仿真4.2知識回顧

知識回顧：（1）模型的基本概念（2）建模的基本步驟（3）建模的實現(xiàn)方法（4）模型的構(gòu)建知識回顧1.模型的基本概念指通過主觀意識借助實體或者虛擬表現(xiàn)，構(gòu)成客觀闡述形態(tài)結(jié)構(gòu)的一種表達目的的物件。2.建模的基本步驟首先進行模型抽象，然后模型表達、模型構(gòu)建、最后模型運行。3.建模的實現(xiàn)方法在IT場景中、OT場景中(Modelica建模語言、OPCUA技術(shù))4.模型的構(gòu)建在數(shù)字孿生中，模型的構(gòu)建是一個關(guān)鍵步驟，它涉及將實際系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式并建立相應(yīng)的模型。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

從20世紀(jì)50年代開始，仿真技術(shù)逐漸成為了一門新興學(xué)科，計算機仿真經(jīng)過了模擬計算機、數(shù)字計算機、混合計算機、全數(shù)字并行處理仿真技術(shù)的發(fā)展與演變，相繼出現(xiàn)了模擬仿真、數(shù)字仿真、混合仿真、全數(shù)字并行的仿真技術(shù)。仿真的軟件也由數(shù)值計算方法，仿真的語言越來越豐富，直到現(xiàn)在，仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個技術(shù)領(lǐng)域、各個學(xué)科內(nèi)容和各種工程部門。4.2.1仿真技術(shù)概述軍事領(lǐng)域醫(yī)療領(lǐng)域工業(yè)領(lǐng)域4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真1.仿真技術(shù)概念仿真技術(shù)是指應(yīng)用仿真硬件和仿真軟件通過仿真實驗，借助某些數(shù)值計算和問題求解，反映系統(tǒng)行為或過程的仿真模型技術(shù)。

第一階段20世紀(jì)初已經(jīng)在某些行業(yè)有了應(yīng)用，如在實驗室中建立水利模型，進行水利學(xué)方面的研究第二階段在20世紀(jì)40-50年代，仿真技術(shù)應(yīng)用在航空、航天和原子能等領(lǐng)域進行了應(yīng)用；第三階段在20世紀(jì)60年代隨著計算機技術(shù)的突飛猛進的發(fā)展，提供了先進的仿真工具，加速了仿真技術(shù)的發(fā)展。物理產(chǎn)品的所使用狀態(tài)變化，組件更新等信息，產(chǎn)品性能優(yōu)化的信息都將反饋到數(shù)字孿生體4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

2.仿真工具

仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真軟件。仿真硬件仿真軟件仿真硬件仿真工具4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

(1)仿真硬件在仿真硬件其中最主要的工具就是計算機。用于仿真的計算機的類型有三種，分別模擬計算機、數(shù)字計算機和混合計算機以及一些專用的物理仿真器。仿真硬件模擬計算機模擬計算機模擬計算機專用的物理仿真器4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

數(shù)字計算機還可分為通用數(shù)字計算機和專用數(shù)字計算機，隨著數(shù)字計算機的軟件、接口和終端技術(shù)的發(fā)展，人機交互性也較好，目前數(shù)字計算機已成為現(xiàn)代仿真的主要工具。數(shù)字計算機模擬計算機主要用于連續(xù)系統(tǒng)的仿真，在進行模擬仿真時，依據(jù)仿真模型將各運算放大器按要求連接起來，調(diào)整其有關(guān)的系數(shù)器。它的優(yōu)點人機交互性好，適合于實時仿真。模擬計算機4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

混合計算機是把模擬計算機與數(shù)字計算機聯(lián)合在一起應(yīng)用于系統(tǒng)仿真的計算機系統(tǒng)。充分發(fā)揮模擬計算機的高速度和數(shù)字計算機的高精度、邏輯運算和存儲能力強的優(yōu)點。混合計算機空間環(huán)境模擬器仿真工具的硬件除了計算機，仿真硬件還包括一些專用的物理仿真器，如運動仿真器、目標(biāo)仿真器、負載仿真器、環(huán)境仿真器等。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真仿真軟件是以仿真服務(wù)的仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數(shù)據(jù)庫為核心的仿真軟件系統(tǒng)。仿真軟件的種類很多，涉及到如機械、流體、結(jié)構(gòu)、巖土、土木、隧道、生物、電磁、海洋、優(yōu)化、化工、人體、逆向、建模、智能制造等多學(xué)科。2.仿真工具(2)仿真軟件4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真3.仿真方法

離散事件系統(tǒng)仿真方法連續(xù)系統(tǒng)仿真方法仿真方法仿真方法主要是指建立仿真模型和進行仿真實驗的方法。仿真方法不是一種單項技術(shù)，而是一種求解問題的方法。仿真方法是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并將它轉(zhuǎn)換為適合在計算機上編程的仿真模型，然后對模型進行仿真試驗的方法。仿真方法基本上分為兩大類，分別為連續(xù)系統(tǒng)仿真方法和離散事件系統(tǒng)仿真方法。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

(1)連續(xù)系統(tǒng)仿真方法連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一般采用微分方程進行描述，模型中的變量隨時間連續(xù)變化。根據(jù)仿真時所采用的計算機不同，可分為模擬仿真法、數(shù)字仿真法和混合仿真法三類。(2)離散事件系統(tǒng)仿真方法離散事件系統(tǒng)仿真方法是指離散事件系統(tǒng)的狀態(tài)是在離散時刻發(fā)生的變化，通常用“離散事件”這一術(shù)語來表示這樣的變化。問題思考中國行業(yè)的市場規(guī)模如何？4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真4.計算機仿真技術(shù)行業(yè)發(fā)展

中國計算機仿真行業(yè)的市場規(guī)模呈現(xiàn)出穩(wěn)定增長的態(tài)勢，在國家政策支持、技術(shù)創(chuàng)新推動、行業(yè)應(yīng)用拓展等多重因素的影響下，中國計算機仿真行業(yè)將保持較高的增長速度，預(yù)計到2023年底，市場規(guī)模將超過2000億元，復(fù)合增長率達到12%左右。從尚普咨詢集團數(shù)據(jù)顯示，2022年中國計算機仿真行業(yè)上市企業(yè)TOP10的營收總額約為72億元，占整個行業(yè)營收總額的6.6%。目前，中國計算機仿真行業(yè)整體集中度較低，沒有形成明顯的龍頭企業(yè)。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

(1)計算機仿真行業(yè)細分領(lǐng)域分析對賽車模型壓力進行測試①計算機仿真測試計算機仿真測試是指利用計算機軟件和硬件對各種電子設(shè)備、系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)進行性能測試、故障診斷、可靠性評估等的過程，通過計算機仿真測試可以提高測試效率和精度，降低測試成本和風(fēng)險，提高產(chǎn)品質(zhì)量和安全性?！景咐抠愜嚹Ｐ头抡鏈y試，對典型的F1賽車的地板產(chǎn)生壓力進行測試。問題思考計算機仿真測試分為哪些？4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

計算機仿真測試主要包括機電仿真測試、射頻仿真測試、通用測試等。計算機仿真測試機電仿真測試射頻仿真測試通用測試4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真通用測試是指利用計算機軟件和硬件對各種通用設(shè)備或系統(tǒng)進行功能、性能、兼容性等方面的仿真測試，主要應(yīng)用于電子信息、醫(yī)療器械、教育科研等領(lǐng)域。

射頻仿真測試是指利用計算機軟件和硬件對各種射頻設(shè)備或系統(tǒng)進行信號發(fā)射、接收、處理等方面的仿真測試，主要應(yīng)用于通信、雷達、導(dǎo)航等領(lǐng)域?！景咐扛咚俚腜CB設(shè)計中，采用球柵陣列封裝技術(shù)。BGA球柵陣列封裝技術(shù)機電仿真測試是指利用計算機軟件和硬件對各種機電設(shè)備或系統(tǒng)進行動力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)等方面的仿真測試，主要應(yīng)用于汽車、航空航天、工程機械等領(lǐng)域。【案例】如對電動汽車整車的電性能進行測試。整體電性能測試

數(shù)字孿生的仿真技術(shù)

在數(shù)字孿生體系中的仿真技術(shù)是一種在線數(shù)字仿真技術(shù)表示為確定性規(guī)律和完整機理的模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來模擬物理世界

（對物理實體建立相對應(yīng)的虛擬模型，并模擬物理實體在真實環(huán)境下的行為。）在數(shù)字孿生體系中模型要正確，有完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就能基本正確地反映物理世界的特性和參數(shù)，驗證和確認對物理世界或問題理解的正確性和有效性。數(shù)字孿生中的仿真技術(shù)更加強調(diào)物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的虛實共融和實時交互貫穿了全生命周期是一種高頻次和不斷循環(huán)迭代的仿真過程。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真②仿真模擬訓(xùn)練

仿真模擬訓(xùn)練是指利用計算機軟件和硬件構(gòu)建虛擬環(huán)境和場景，對人員進行技能培訓(xùn)、知識教育、心理調(diào)節(jié)等的過程。仿真模擬訓(xùn)練主要包括軍事仿真訓(xùn)練、飛行仿真訓(xùn)練、駕駛仿真訓(xùn)練等。仿真模擬訓(xùn)練軍事仿真訓(xùn)練飛行仿真訓(xùn)練駕駛仿真訓(xùn)練4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

軍事仿真訓(xùn)練是指利用計算機軟件和硬件構(gòu)建虛擬戰(zhàn)場和作戰(zhàn)環(huán)境，對軍事人員進行戰(zhàn)術(shù)技能、戰(zhàn)略思維、心理素質(zhì)等方面的仿真訓(xùn)練，主要應(yīng)用于陸軍、海軍、空軍等部隊。【案例】某武警第二機動總隊某支隊引入VR仿真訓(xùn)練設(shè)備。軍事仿真訓(xùn)練飛行仿真訓(xùn)練是指利用計算機軟件和硬件構(gòu)建虛擬空域和飛行環(huán)境，對飛行人員進行飛行技能、飛行規(guī)則、飛行安全等方面的仿真訓(xùn)練，主要應(yīng)用于民航、航空航天等領(lǐng)域?！景咐棵绹哲娫趦?nèi)華達州的內(nèi)利斯空軍基地開設(shè)了一個5500平方米虛擬測試訓(xùn)練中心。飛行仿真訓(xùn)練駕駛仿真訓(xùn)練是指利用計算機軟件和硬件構(gòu)建虛擬道路和駕駛環(huán)境，對駕駛?cè)藛T進行駕駛技能、交通規(guī)則、安全意識等方面的仿真訓(xùn)練，主要應(yīng)用于汽車、公交車、地鐵等領(lǐng)域。【案例】汽車駕駛仿真汽車駕駛仿真4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

③虛擬制造虛擬制造是指利用計算機軟件和硬件對產(chǎn)品設(shè)計、工藝流程、生產(chǎn)線布局等進行數(shù)字化建模和優(yōu)化分析的過程虛擬制造主要包括數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化加工、數(shù)字化組裝等。虛擬制數(shù)字化設(shè)計數(shù)字化加工數(shù)字化組裝4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

數(shù)字化設(shè)計展廳

數(shù)字化設(shè)計是指利用計算機軟件對產(chǎn)品形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能等進行三維建模和參數(shù)化設(shè)計的過程?！景咐繑?shù)字化展廳。數(shù)字化加工是指利用計算機軟件對產(chǎn)品加工工藝進行數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化控制的過程。數(shù)字化加工可以提高加工質(zhì)量和穩(wěn)定性，實現(xiàn)智能化監(jiān)測和調(diào)整，提高加工效率和節(jié)能性。【案例】SMT貼片行業(yè)全面進入自動化SMT貼片自動化數(shù)字化組裝是指利用計算機軟件對產(chǎn)品組裝流程進行邏輯建模和動態(tài)模擬的過程。【案例】西門子醫(yī)療的制造與研發(fā)的智機器人組裝過程機器人組裝問題思考計算機仿真技術(shù)發(fā)展趨勢？4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

5.計算機仿真技術(shù)發(fā)展趨勢計算機仿真技術(shù)應(yīng)用趨勢從傳統(tǒng)的靜態(tài)仿真模型迅速發(fā)展為動態(tài)模型，已應(yīng)用于航天、船舶、醫(yī)療、安全、服務(wù)、教育等各個領(lǐng)域。隨著應(yīng)用范圍的廣泛，計算機仿真技術(shù)也隨著發(fā)展，目前計算機仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有高性能仿真技術(shù)、增強仿真技術(shù)、集成仿真技術(shù)、可視化仿真技術(shù)、智能化仿真技術(shù)等。01高性能仿真技術(shù)02增強仿真技術(shù)03集成仿真技術(shù)04可視化仿真技術(shù)05智能化仿真技術(shù)4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

高性能仿真技術(shù)隨著計算機仿真技術(shù)對存儲、計算等要求越來越高，計算機仿真技術(shù)越來越依賴計算機的性能，未來需要更加繁瑣的仿真模型，要求性能越來越高、延遲越來越低，加上大數(shù)據(jù)仿真實施技術(shù)，對性能的要求也較高。增強仿真技術(shù)增強仿真技術(shù)是指以有形環(huán)境為基礎(chǔ)，使用虛擬元素來增強仿真技術(shù)，可以實現(xiàn)對更多應(yīng)用領(lǐng)域的快速處理。其中，基于虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）、真實現(xiàn)實（MR）技術(shù)的發(fā)展，使得模型更加重視界面和控制系統(tǒng)的整合和融合，也是未來發(fā)展的趨勢之一。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

集成仿真技術(shù)目前計算機仿真技術(shù)已發(fā)展為多種模型和方法，并開展了大量的新應(yīng)用。計算機仿真技術(shù)將繼續(xù)在實施綜合應(yīng)用仿真，以擴大其范圍，改善仿真精度，加速計算能力，增強圖形計算能力，加強決策支持和多尺度仿真等集成方面進程?？梢暬抡婕夹g(shù)計算機仿真技術(shù)的一個重要組成部分是虛擬圖形，通過虛擬圖形技術(shù)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化和表達，并可以模擬、實時顯示場景或二維、三維地圖，以便更直觀地理解仿真結(jié)果。除此，計算機仿真技術(shù)已發(fā)展到允許混合仿真（MR），可以實現(xiàn)全景、觸控等新型應(yīng)用。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

智能化仿真技術(shù)計算機仿真技術(shù)與人工智能相結(jié)合，可以形成仿真分析系統(tǒng)幫助管理者更快、更準(zhǔn)確地做出決策。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

數(shù)字孿生的仿真技術(shù)

在數(shù)字孿生體系中的仿真技術(shù)是一種在線數(shù)字仿真技術(shù)表示為確定性規(guī)律和完整機理的模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來模擬物理世界

（對物理實體建立相對應(yīng)的虛擬模型，并模擬物理實體在真實環(huán)境下的行為。）在數(shù)字孿生體系中模型要正確，有完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就能基本正確地反映物理世界的特性和參數(shù)，驗證和確認對物理世界或問題理解的正確性和有效性。數(shù)字孿生中的仿真技術(shù)更加強調(diào)物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的虛實共融和實時交互貫穿了全生命周期是一種高頻次和不斷循環(huán)迭代的仿真過程?；跀?shù)字孿生可對物理對象通過模型進行分析、預(yù)測、診斷、訓(xùn)練等仿真過程，并將仿真結(jié)果反饋給物理對象，從而幫助對物理對象進行優(yōu)化和決策。仿真技術(shù)是創(chuàng)建和運行數(shù)字孿生體、保證數(shù)字孿生體與對應(yīng)物理實體實現(xiàn)有效閉環(huán)的核心技術(shù)。目前數(shù)字孿生的仿真技術(shù)與信息新技術(shù)（大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等）相融合，向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化、智能化方向發(fā)展。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真數(shù)字孿生中仿真技術(shù)與物理對象之間的關(guān)系數(shù)字孿生中仿真技術(shù)分類（1）按被仿真的對象進行分類4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真將實際工程的狀態(tài)在模型中進行模擬，通過仿真技術(shù)確認工程系統(tǒng)的內(nèi)在變量對被控對象的影響，如制造過程的仿真。工程系統(tǒng)仿真指對自然場景進行真實模擬，部分自然場景具有不規(guī)則性、動態(tài)性和隨機性，因此對自然場景的實時仿真具有重大的意義。自然系統(tǒng)仿真社會系統(tǒng)仿真生命系統(tǒng)仿真軍事系統(tǒng)仿真復(fù)雜社會系統(tǒng)的描述與研究方法，有助于提高決策層對系統(tǒng)運行狀態(tài)的快速掌握以及對各種狀況的及時處理，如人工社會的仿真。以生命系統(tǒng)為研究對象，以生命的某種功能為劃分系統(tǒng)的原則，以定量研究為特點的一種新興學(xué)科，如數(shù)字人體。指在軍事仿真方面，有戰(zhàn)爭模擬、作戰(zhàn)演練、裝備使用和維修培訓(xùn)等應(yīng)用場景，能節(jié)約經(jīng)費、提高效率、保護環(huán)境、減少傷亡。（2）按仿真粒度進行分類4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真單元級仿真

指即面向單個部分或領(lǐng)域的仿真，如機械結(jié)構(gòu)仿真、控制仿真、流體仿真、電磁仿真；系統(tǒng)級仿真，面向單一系統(tǒng)整體行為的仿真，如汽車、飛機等產(chǎn)品的全系統(tǒng)仿真。體系級仿真

指面向由多個獨立系統(tǒng)組成的體系系統(tǒng)的仿真，關(guān)注體系中各部分之間的關(guān)系和體系的涌現(xiàn)行為，如城市交通仿真、體系對抗仿真。（3）按仿真系統(tǒng)架構(gòu)進行分類

4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真0102指運行于單臺計算機或單個平臺上的仿真系統(tǒng)，適合中小型的仿真系統(tǒng)，便于設(shè)計和管理。集中式仿真指運行于多臺計算機或多個平臺上的仿真系統(tǒng)，常用于大規(guī)模體系級仿真。分布式仿真3.數(shù)字孿生中仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

目前仿真技術(shù)形成了比較完善的理論、方法和技術(shù)體系，仿真技術(shù)為數(shù)字孿生的發(fā)展與應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)和有力的支撐。（1）數(shù)字孿生中仿真技術(shù)的應(yīng)用①數(shù)字孿生仿真技術(shù)應(yīng)用在交通領(lǐng)域交通安全仿真是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的評價系統(tǒng)，交通安全仿真和評價系統(tǒng)是作為交通管理部門建設(shè)和改善交通設(shè)施的依據(jù)和分析交通事故的一種方法。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

②數(shù)字孿生仿真技術(shù)應(yīng)用在智能制造領(lǐng)域數(shù)字孿生中的仿真技術(shù)目前在智能制造的應(yīng)用比較廣泛，它是物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，越來越多的制造商們開始借助數(shù)字孿生技術(shù)探索智能生產(chǎn)新模式，相繼開發(fā)了虛擬車間、數(shù)字工廠、產(chǎn)品設(shè)計、設(shè)備管理、車聯(lián)網(wǎng)等新型應(yīng)用場景。數(shù)字孿生能模擬現(xiàn)實環(huán)境中的行為，孿生數(shù)字便代表了物理世界與虛擬世界的融合。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

③數(shù)字孿生仿真技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域

計算機仿真實驗是計算機多媒體教學(xué)中新增加的領(lǐng)域，可以根據(jù)需要即時組件模擬實驗室。仿真實驗強調(diào)實驗的設(shè)計思想和實驗方法，打破了教與學(xué)、理論和時間、課內(nèi)與課外的界限，強調(diào)實驗者的主動性。通過計算機仿真，可以加深學(xué)生對儀器的思想、方法、結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理的理解，聯(lián)系實驗技能，鞏固知識，提高學(xué)生的興趣和實驗水平。4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真（2）數(shù)字孿生中仿真技術(shù)發(fā)展方向4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真

①網(wǎng)絡(luò)化仿真目前計算機仿真系統(tǒng)還存在一些問題，如開發(fā)時間長、成本高、不兼容、共享困難、可移植性差等問題。系統(tǒng)共享是計算機仿真系統(tǒng)開發(fā)中非常重要的，隨著網(wǎng)絡(luò)共享的實現(xiàn)，可以避免社會資源的重復(fù)開發(fā)，通過適當(dāng)?shù)氖召M來補充開發(fā)成本。

②虛擬制造技術(shù)虛擬制造技術(shù)是一種領(lǐng)先的制造技術(shù)，它是利用計算機仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過計算機實現(xiàn)對產(chǎn)品的管理和控制。（3）數(shù)字孿生中仿真技術(shù)發(fā)展趨勢

4.2關(guān)鍵技術(shù)：仿真面向?qū)ο蟮姆抡娼７植际椒抡娼Ｖ悄芊抡娼？梢暬?/p>

采用面向?qū)ο蠼？梢猿浞痔峁┫到y(tǒng)的建模能力，更為重要的是面向?qū)ο蠼７抡婕夹g(shù)更容易讓人們掌握和使用，操作人員也能更好利用仿真技術(shù)為系統(tǒng)服務(wù)。

分布式仿真是通過計算機網(wǎng)絡(luò)將分散在世界各地的仿真設(shè)備鏈接起來，實現(xiàn)了時間和空間耦合的虛擬仿真環(huán)境。智能仿真可以及時修正和運維輔助模型，具有更好的人機交互界面，使得人與計算機的交流更加的人性化，從而實現(xiàn)仿真系統(tǒng)本身的優(yōu)化能力。

可視化建?？梢愿又庇^的展示整個仿真的過程，有效地區(qū)分了仿真過程的真實性和正確性，結(jié)果簡單易懂。謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設(shè)備的數(shù)字孿生授課教師：卞化梅關(guān)鍵技術(shù)：建模關(guān)鍵技術(shù)：仿真關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)4.14.24.3第四章數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：增強現(xiàn)實技術(shù)4.4關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)4.3

數(shù)字孿生和虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality，VR）是當(dāng)今科技領(lǐng)域備受矚目的兩個概念，隨著技術(shù)的發(fā)展和需求的不斷增加，在未來二者一定是不斷融合的走向，二者的融合將給未來帶來巨大的變革和機遇。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)4.3.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概述1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)又稱為虛擬實境或靈境技術(shù)，它是20世紀(jì)發(fā)展起來的一項全新的實用技術(shù)。它的基本實現(xiàn)方式是以計算機技術(shù)為主，綜合三維圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、顯示技術(shù)、仿真技術(shù)、伺服技術(shù)等技術(shù)，運用計算機等設(shè)備產(chǎn)生逼真的三維視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗的虛擬世界，從而使人們在虛擬世界中產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實就是將虛擬和現(xiàn)實進行結(jié)合，從理論來講，虛擬技術(shù)也是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)。虛擬技術(shù)就是利用生活中的數(shù)據(jù)，利用計算機技術(shù)生產(chǎn)的電子信號，結(jié)合各種輸出設(shè)備將其轉(zhuǎn)化為能夠讓人們感受的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可以是現(xiàn)實中的真切的事物，也可以是肉眼看不到的物質(zhì)，采用三位模型表示出來。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展歷程4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)1963—1972年（虛擬現(xiàn)實技術(shù)的初現(xiàn)階段）1963年以前（虛擬現(xiàn)實思想的萌芽階段）在1935年，美國科幻小說家斯坦利·溫鮑姆在他的小說中首次構(gòu)想了以眼鏡為基礎(chǔ)、涉及視覺、觸覺、嗅覺等全方位沉浸式體驗的虛擬現(xiàn)實概念在1957—1962年，莫頓·海利希研究并發(fā)明了“全傳感仿真器”

在1968年美國計算機圖形學(xué)之父IvanSutherlan開發(fā)出了第一個計算機圖形驅(qū)動的頭盔顯示器HMD及頭部位置跟蹤系統(tǒng)，這是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的雛形，也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)重要的里程碑。2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展歷程4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)1990年至今（虛擬現(xiàn)實技術(shù)理論的完善和應(yīng)用階段）1973—1989年（虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念和理論產(chǎn)生的初期階段）M.W.Krueger設(shè)計了VIDEOPLACE系統(tǒng)，它能生產(chǎn)虛擬圖形環(huán)境，能使體驗者的圖像投影能實時的響應(yīng)自己的活動。M.MGreevy領(lǐng)導(dǎo)完成的VIEW系統(tǒng)，它能實現(xiàn)體驗者穿戴數(shù)據(jù)手套和頭部跟蹤器，通過語言、手勢等進行交互，形成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。VPL公司開發(fā)了第一套傳感手套“DataGloves”和第一套HMD“EyePhoncs”。1993年11月，宇航員通過VR系統(tǒng)訓(xùn)練，從航天飛機運輸艙內(nèi)取出望遠鏡面板。1994年，日本游戲公司Sega和任天堂分別推出SegaVR-1和VirtualBoy。2022年，加拿大造船公司Seaspan將3D沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)引入船舶設(shè)計。

3.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的分類

（1）根據(jù)沉浸式體驗角度分類4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)非交互式體驗用戶更為被動，所體驗內(nèi)容均為提前規(guī)劃好的，允許用戶在一定程度上引導(dǎo)場景數(shù)據(jù)的調(diào)度，也仍沒有實質(zhì)性交互行為，如場景漫游等，用戶幾乎全程無事可做。人---虛擬環(huán)境交互式體驗用戶可以用如數(shù)據(jù)手套，數(shù)字手術(shù)刀等的設(shè)備與虛擬環(huán)境進行交互，如駕駛戰(zhàn)斗機模擬器等，用戶可感知虛擬環(huán)境的變化

，進而也就能產(chǎn)生在相應(yīng)現(xiàn)實世界中可能產(chǎn)生的各種感受。（2）根據(jù)系統(tǒng)功能角度分類4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)規(guī)劃設(shè)計系統(tǒng)適用于新設(shè)施的實驗驗證，可大幅縮短研發(fā)時長，降低設(shè)計成本，提高設(shè)計效率，城市排水、社區(qū)規(guī)劃等領(lǐng)域均可使用，如VR模擬給排水系統(tǒng)。展示娛樂類系統(tǒng)適用于提供給用戶逼真的觀賞體驗，如數(shù)字博物館，大型3D交互式游戲，影視制作等，如VR技術(shù)早在70年代便被Disney用于拍攝特效電影。訓(xùn)練演練類系統(tǒng)可應(yīng)用于各種危險環(huán)境及一些難以獲得操作對象或?qū)嵅俪杀緲O高的領(lǐng)域，如外科手術(shù)訓(xùn)練、空間站維修訓(xùn)練等。

（3）根據(jù)技術(shù)角度分類4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)桌面式虛擬現(xiàn)實技術(shù)采用立體圖像技術(shù)在計算機的屏幕中生成三維立體控件的交互場景虛擬世界與用戶之間交互用到的主要設(shè)備有計算機、初級圖形工作站、投影儀、鍵盤、鼠標(biāo)、力矩儀等。分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合的產(chǎn)物通過計算機網(wǎng)絡(luò)將多用戶鏈接到同一個虛擬事件中，多個用戶可以在同一個虛擬世界進行觀察和操作。分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要用到的設(shè)備有圖像顯示器、通信和控制設(shè)計以及處理系統(tǒng)。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)將用戶的視覺、聽覺、味覺、觸覺封閉起來提供一種完全沉浸式的體驗采用這種技術(shù)主要通過設(shè)備有頭盔式顯示器、洞穴式立體現(xiàn)實裝置、數(shù)據(jù)手套、空間位置跟蹤器等。增強式虛擬現(xiàn)實技術(shù)將真實世界的信息進行疊加到仿真模擬世界中用戶與虛擬世界交互過程中用到的主要設(shè)備有穿透式頭盔式顯示器、攝像儀、攝像頭、計算與存儲設(shè)備、移動設(shè)備等。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

4.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的原理4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

5.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征

（1）沉浸性

沉浸性特征是虛擬現(xiàn)實技術(shù)最主要的特征，是讓用戶成為并感受到自己是計算機系統(tǒng)所創(chuàng)造環(huán)境中的一部分，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸性取決于用戶的感知系統(tǒng)，當(dāng)使用者感知到虛擬世界的刺激時，包括觸覺、味覺、嗅覺、運動感知等，便會產(chǎn)生思維共鳴，造成心理沉浸，感覺如同進入真實世界。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

（2）交互性

交互性特征是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度，使用者進入虛擬空間，對應(yīng)的技術(shù)讓使用者跟環(huán)境產(chǎn)生相互作用，當(dāng)使用者進行某種操作時，周圍的環(huán)境也會做出某種反應(yīng)。如使用者接觸到虛擬空間中的物體，那么使用者手上應(yīng)該能夠感受得到，若使用者對物體有所動作，物體的位置和狀態(tài)也應(yīng)改變。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

（3）多感知性

多感知性特征表示為計算機技術(shù)應(yīng)該擁有很多感知方式，比如聽覺，觸覺、嗅覺等，理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前大多數(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、觸覺、運動等幾種。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

（4）構(gòu)想性構(gòu)想性的特征可以稱為想象性。使用者在虛擬空間中，可以與周圍物體進行互動，可以拓寬認知范圍，創(chuàng)造客觀世界不存在的場景或不可能發(fā)生的環(huán)境。使用者進入虛擬空間，根據(jù)自己的感覺與認知能力吸收知識，發(fā)散拓寬思維，創(chuàng)立新的概念和環(huán)境。（5）自主性自主性特征是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度。如當(dāng)受到力的推動時，物體會向力的方向移動或翻倒，或從桌面落到地面等。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)4.3.2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)是虛擬環(huán)境的建立，是VR系統(tǒng)的核心內(nèi)容，目的就是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

2.實時三維圖形生成技術(shù)

實時三維圖形生成技術(shù)是指目前三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，關(guān)鍵點在于“實時”生成。為保證實時，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，好高于30幀/秒。3.立體顯示和傳感器技術(shù)

立體顯示和傳感器技術(shù)是虛擬現(xiàn)實交互能力的關(guān)鍵。虛擬現(xiàn)實的交互能力是依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展。4.應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具

虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象，選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對象可以大幅度提高生產(chǎn)效率，減輕勞動強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。5.系統(tǒng)集成技術(shù)

由于VR系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別與合成技術(shù)等。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

4.3.3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸入設(shè)備

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸入設(shè)備是用來輸入用戶發(fā)出的動作，使得用戶可以操作一個虛擬境界。在與虛擬場景中進行交互時，大量的傳感器用來管理用戶的行為，同時也將場景中的物體狀態(tài)的信息反饋給用戶。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)三維位置跟蹤器是測量虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中三維對象位置和方向?qū)崟r變化的一種硬件設(shè)備，是虛擬現(xiàn)實世界中一個比較關(guān)鍵的傳感器。它的目的就是檢測方位和位置，將這些數(shù)據(jù)報告給虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的多數(shù)輸入設(shè)備大都用到三維位置跟蹤器，目前虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主要輸主要包括手柄類、可穿戴類、基于計算機視覺的動作感測設(shè)備等三種。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

1.手柄類輸入設(shè)備虛擬現(xiàn)實中多數(shù)頭盔主要采用手柄類設(shè)備，主要包括游戲手柄和動作感應(yīng)的VR手柄兩大類。傳統(tǒng)的游戲手柄主要有按鈕、遙感、觸板等，這類攝入設(shè)備相對結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，到對手部關(guān)節(jié)的精細的動手無法精確的定位，容易動作失真。動作感應(yīng)的VR手柄主要是通過慣性傳感系統(tǒng)加上光學(xué)追蹤系統(tǒng)或者磁場感應(yīng)來實現(xiàn)動作的跟蹤，這類設(shè)備目前還存在感應(yīng)范圍限制、感應(yīng)精度不夠高等問題，還不能完美實現(xiàn)人機交互的自然互動。三星的GearVR控制器4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

2.可穿戴輸入設(shè)備可穿戴設(shè)備主要是指直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設(shè)備?？纱┐髟O(shè)備是通過軟件支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互來實現(xiàn)強大的功能。全身動作捕捉系統(tǒng)數(shù)據(jù)手套可穿戴VR設(shè)備4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

（1）數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套是一種典型的VR可穿戴設(shè)備，是一種多模式的虛擬現(xiàn)實硬件，通過軟件編程，可進行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉(zhuǎn)等動作，也可以利用它的多模式性，用作一種控制場景漫游的工具。這類數(shù)據(jù)收到使用簡單，輸入數(shù)據(jù)量較小，進度較快，可以直接獲取手在空間的三維信息和手指的運用信息，可以識別多種手勢，實時進行識別，但也存在跟蹤范圍有限，缺乏反饋、操作容易疲勞等問題。

5DT數(shù)據(jù)手套4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)（2）全身動作捕捉系統(tǒng)全身VR動作捕捉系統(tǒng)是一種可以對人體進行全身動作捕捉的技術(shù)。它可以通過傳感器、攝像頭、標(biāo)記等設(shè)備對人體進行捕捉，然后將捕捉到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中進行處理，將人體的動作實時呈現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實場景中。它的主要功能有動作捕捉、表情捕捉、動作數(shù)據(jù)精修等。它的應(yīng)用范圍主要有影視、動畫、游戲、廣告、教育、VR/AR、人體工程學(xué)研究，模擬訓(xùn)練，仿真和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。全身VR動作捕捉4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)攝像頭技術(shù)通過拍攝人體的動作來進行捕捉，主要應(yīng)用于人體的大部位。標(biāo)記技術(shù)將特定標(biāo)記貼在人體上，再通過攝像頭來進行捕捉的技術(shù)，可以提高人體動作捕捉的精度和穩(wěn)定性。傳感器技術(shù)通過測量人體的加速度、角速度、磁場等參數(shù)來捕捉人體的動作，主要應(yīng)用于手部、腳部等較小的部位。全身VR動作捕捉系統(tǒng)的技術(shù)原理4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)追蹤技術(shù)眼球追蹤技術(shù)

眼球追蹤主要是研究眼球運動信息的獲取、建模和模擬。當(dāng)人的眼睛看向不同方向時，眼部會有細微的變化，這些變化會產(chǎn)生可以提取的特征，計算機可以通過圖像捕捉或掃描提取這些特征，從而實時追蹤眼睛的變化，預(yù)測用戶的狀態(tài)和需求，并進行響應(yīng)，達到用眼睛控制設(shè)備的目的。頭部跟蹤

俗稱頭瞄，是指利用傳感器追蹤使用者頭部的運動，然后根據(jù)頭部的姿勢移動所顯示的內(nèi)容，廣泛用于三維顯示中的虛擬視角控制。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

（3）基于計算機視覺的動作感測設(shè)備

基于計算機視覺的動作感測設(shè)備是運用外攝像頭、紅外線采集圖像，建立手勢模型，實現(xiàn)對用戶動作感測和捕捉的一種設(shè)備。手勢識別的硬件基礎(chǔ)是深度攝像頭，深度攝像頭主要采用結(jié)果光、雙目成像和飛行時間等三種技術(shù)方案。課后作業(yè)

查找每一個輸入設(shè)備，了解其特征、適用場景，采用何種技術(shù)。知識回顧

以下這幾種輸入設(shè)備分別應(yīng)用于哪些場景？需要哪些技術(shù)來實現(xiàn)？VR控制器數(shù)據(jù)手套VR頭盔4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)移動端VR頭盔VR一體機游戲主機VR頭盔PC端VR頭盔頭戴式顯示器以外接個人計算機為主的VR顯示體驗度好、算法復(fù)雜，主要涉及光學(xué)、仿真、傳感、人機交互等多種技術(shù)使用場景在室內(nèi)，便攜型較差以游戲機為主的VR顯示頭盔具有獨立的VR屏幕只兼容特定的游戲機以智能手機為運行系統(tǒng)的顯示設(shè)備手機承擔(dān)了計算單元、內(nèi)容輸出和顯示單元的功能未真正實現(xiàn)交互和沉浸感。將數(shù)據(jù)運算主體和顯示主體集成不需要外設(shè)的VR獨立平臺該設(shè)備對技術(shù)和廠商設(shè)計要求比較高4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)頭戴式顯示器虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出設(shè)備虛擬投影設(shè)備立體聲音箱4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

2.虛擬投影設(shè)備使用光場成像技術(shù)來展示沉浸效果的設(shè)備，是視覺表現(xiàn)的主要方式。視覺表現(xiàn)技術(shù)主要包括平面顯示技術(shù)和光場景成像技術(shù)。光場景成像技術(shù)還分為全息技術(shù)和視網(wǎng)膜投影技術(shù)。全息技術(shù)是利用干涉和衍射原理再現(xiàn)三維圖像技術(shù)。視網(wǎng)膜投影技術(shù)更加先進，不需要任何顯示屏，直接在視網(wǎng)膜上掃描使用戶感覺到一副逼真的外部圖像。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)3.立體聲音箱

虛擬現(xiàn)實平臺的聲音部分十分重要，因為聲音可以增強用戶體驗。虛擬現(xiàn)實平臺使用立體聲音箱（或插耳式耳機）來隔離外界噪音，提供更準(zhǔn)確的聲音和更好的聽體驗。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實的軟件UI設(shè)計軟件VR操作系統(tǒng)中間件4.3.5虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟件與技術(shù)開發(fā)平臺

對人機交互、操作邏輯、界面美觀等方面進行整體優(yōu)化的設(shè)計的一類軟件。常用的虛擬現(xiàn)實的UI設(shè)計軟件主要有Sketch、Unity3D、Photoshop、AE等。

VR操作系統(tǒng)管理VR硬件資源、軟件程序和VR應(yīng)用程序的軟件，VR操作系統(tǒng)包括原生系統(tǒng)和開源系統(tǒng)。代表廠商主要有雷蛇、谷歌等。

中間件在軟件開發(fā)過程一種為作為內(nèi)核和用戶體驗之間的軟件，另一種是添加服務(wù)、特性和功能，改進和簡化游戲開發(fā)的軟件。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實整合軟件開發(fā)語言類的工具和SDK虛擬現(xiàn)實引擎虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)工具包4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)（1）虛擬現(xiàn)實整合軟件虛擬現(xiàn)實整合軟件主要包括Virtools、Quest3D、WebMax等。Virtools是一套整合軟件，可以將現(xiàn)有常用的檔案格式整合在一起，如3D的模型、2D圖形或是音效等。具備豐富的互動行為模塊的實時3D環(huán)境虛擬實境編輯軟件?？梢宰寷]有程序基礎(chǔ)的人員利用內(nèi)置的行為模塊快速制作出許多3D產(chǎn)品，如網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)、計算機游戲、多媒體等。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

Quest3D是一個容易且有效的實時3D建構(gòu)工具。比起其他的可視化的建構(gòu)工具，如網(wǎng)頁、動畫、圖形編輯工具來說，Quest3D能在實時編輯環(huán)境中與對象互動。

WebMax具有獨特的壓縮技術(shù)、真實的畫面表現(xiàn)、豐富的互動功能，通過WebMax開發(fā)的三維網(wǎng)頁無需下載，只需輸入網(wǎng)址，即可直接在互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽三維互動內(nèi)容。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

（2）虛擬現(xiàn)實引擎

虛擬現(xiàn)實引擎是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的核心部分，負責(zé)控制管理整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)、外圍等資源，通常虛擬現(xiàn)實引擎用來封裝渲染、物理、聲效、輸入、網(wǎng)絡(luò)和人工智能。目前常見的虛擬現(xiàn)實引擎有Unity3D、Unreal、VR-Platform、Converse3D等。

Unity3D是一款跨平臺的游戲引擎，可以用來制作游戲、應(yīng)用程序和虛擬實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）體驗。它提供了一整套開發(fā)工具和引擎組件，包括渲染、物理

模擬、聲音、動畫、人工智能、網(wǎng)絡(luò)功能和用戶界面設(shè)計。

Unreal（UNREALENGINE）采用了最新的即時光跡追蹤、HDR光照技術(shù)、虛擬位等新技術(shù)，而且能夠每秒鐘實時運算兩億個多邊形運算。在亞洲，中韓眾多知名游戲開發(fā)商購買該引擎主要用于次世代網(wǎng)游的開發(fā)。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

VR-Platform（VirtualRealityPlatform），即虛擬現(xiàn)實仿真平臺，VRP具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的直接面向三維美工的一款虛擬現(xiàn)實軟件。VR-Platform所有的操作都是以美工可以理解的方式進行，不需要程序員參與。

Converse3D虛擬現(xiàn)實引擎具有完全知識產(chǎn)權(quán)的一款三維虛擬現(xiàn)實平臺軟件，可廣泛的應(yīng)用于視景仿真、城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計、工業(yè)仿真、古跡復(fù)原、娛樂、藝術(shù)與教育等行業(yè)。該軟件適用性強、操作簡單、功能強大。4.3關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)

（3）開發(fā)語言類01HLSL高級著色器語言02X3D03VRML是由微軟開發(fā)的一種著色器語言，可以使用HLSL編寫頂點著色器或像素著色器，可以使用HLSL編寫計算著色器，可以實現(xiàn)物理模擬。

虛擬現(xiàn)實建模語言，是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構(gòu)的三維世界的場景建模語言，它具有跨平臺特性，其本質(zhì)上是一種面向Web，面向?qū)ο蟮娜S造型語言。

X3D是一種專為萬維網(wǎng)而設(shè)計的三維圖像標(biāo)記語言，基于XML格式開發(fā)，所以可以直接使用XMLDOM文檔樹、XMLSchema校驗等技術(shù)和相關(guān)的XML編輯工具。謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設(shè)備的數(shù)字孿生授課教師：卞化梅關(guān)鍵技術(shù)：建模關(guān)鍵技術(shù)：仿真關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實技術(shù)4.14.24.3第四章數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：增強現(xiàn)實技術(shù)4.4關(guān)鍵技術(shù)：增強現(xiàn)實技術(shù)4.4課前思考

請同學(xué)們想一想，在哪里看過這種類似的效果？4.4關(guān)鍵技術(shù)：增強現(xiàn)實技術(shù)

1.增強現(xiàn)實技術(shù)簡介增強現(xiàn)實技術(shù)是一種將虛擬信息與真實世界巧妙融合的技術(shù)廣泛運用了多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段將原本在現(xiàn)實世界的空間范圍中比較難以進行體驗的實體信息在電腦等科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實施模擬仿真處理，疊加將虛擬信息內(nèi)容在真實世界中加以有效應(yīng)用4.4關(guān)鍵技術(shù)：增強現(xiàn)實技術(shù)2.增強現(xiàn)實技術(shù)的特點

虛擬結(jié)合實時交互三維注冊

虛擬物體與真實時間的結(jié)合，使用戶感知的混合世界，虛擬物體出現(xiàn)的時間、位置與真實時間對應(yīng)的事物相一致。

虛擬系統(tǒng)根據(jù)用戶當(dāng)前的位置或狀態(tài)，及時調(diào)整與之對應(yīng)的虛擬世界，并將虛擬世界與真實世界結(jié)合。

三維注冊要求對合成到真實場景匯總的虛擬信息和物體準(zhǔn)確進行定位并進行真實感實時繪制，使得虛擬事物在合成場景中具有真實的存在感和位置感。4.4關(guān)鍵技術(shù)：增強現(xiàn)實技術(shù)

3.增強現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)跟蹤注冊技術(shù)顯示技術(shù)虛擬物體生成技術(shù)交互技術(shù)合并技術(shù)

先檢測需要“增強”的物體特征點以及輪廓，跟蹤物體特征點自動生成二維或三維坐標(biāo)信息。

顯示器和接口綜合在一起，使用更加真實有效的環(huán)境拍攝外部環(huán)境圖像，使虛擬以及真實環(huán)境融合在一起。

虛擬物體的生成在三維建模技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，能夠充分體現(xiàn)出虛擬物體的真實感，全方位和集體化對物體對象展示出來。

AR設(shè)備的交互方式主要分為點位選?。ˋR賀卡和畢業(yè)相冊）來進行交互、命令和手勢交互以及使用特制工具進行交互（谷歌地球）三種。

將虛擬信息與輸入的現(xiàn)實場景無縫結(jié)合在一起，讓虛擬事物與真實事物之間的遮擋關(guān)系幾何一致、模型真實、光照一致和色調(diào)一致。4.4關(guān)鍵技術(shù)：增強現(xiàn)實技術(shù)4.增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

AR應(yīng)用在教育領(lǐng)域?qū)?D模型和數(shù)字信息投影到真實環(huán)境結(jié)合教材，制作交互式教學(xué)應(yīng)用在學(xué)校博物館和展覽館中應(yīng)用AR應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域幫助醫(yī)生進行手術(shù)操作幫助醫(yī)生進行診斷和治療，如疫情期間，5G+AR遠程會診、AR查房、非接觸式AR測溫等。AR應(yīng)用在旅游領(lǐng)域幫助游客了解景點的歷史和文化背景結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)，提供更好的導(dǎo)航服務(wù)實現(xiàn)展廳現(xiàn)場中虛擬與現(xiàn)實的交互展示4.4關(guān)鍵技術(shù)：增強現(xiàn)實技術(shù)4.增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

AR應(yīng)用在娛樂領(lǐng)域AR技術(shù)可以結(jié)合游戲，制作出更加逼真的游戲體驗。AR應(yīng)用在廣告領(lǐng)域幫助企業(yè)制作出更加吸引人的廣告結(jié)合實體產(chǎn)品，制作出更加生動的廣告宣傳片，讓消費者可以更好地了解產(chǎn)品。AR應(yīng)用在建筑領(lǐng)域幫助建筑師進行設(shè)計和施工幫助建筑師和業(yè)主進行溝通，讓業(yè)主可以更好地了解建筑設(shè)計和施工進度。本章小結(jié)模型的基本概念建模的基本步驟與實現(xiàn)方法模型的構(gòu)建數(shù)字孿生中的仿真工具0102030405虛擬現(xiàn)實與增強的特點、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設(shè)備的數(shù)字孿生授課教師：卞化梅開源平臺商業(yè)平臺課堂小結(jié)5.15.25.3第五章

數(shù)字孿生的實驗平臺開源平臺5.1培養(yǎng)學(xué)生對知識的聯(lián)想能力培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)的方法與途徑學(xué)習(xí)目標(biāo)能力目標(biāo)：知識目標(biāo)：素養(yǎng)目標(biāo)：掌握數(shù)字孿生實現(xiàn)的幾個階段了解數(shù)字孿生常見的開源平臺能正確說出數(shù)字孿生實現(xiàn)的幾個階段能根據(jù)具體業(yè)務(wù)需要選擇對應(yīng)的數(shù)字孿生的開源平臺課前思考請同學(xué)們思考：實現(xiàn)數(shù)字孿生需要幾個階段？5.1開源平臺數(shù)字孿生實現(xiàn)的階段通過高精度的3D掃描技術(shù)，將實物模型數(shù)字化。利用相應(yīng)軟件處理和優(yōu)化數(shù)據(jù)，得到高精度的三維重建模型，準(zhǔn)確地反映實物的幾何形態(tài)和屬性信息。數(shù)字化的過程在保證數(shù)據(jù)精度的同時，兼顧數(shù)據(jù)處理速度和成本效益?；谝褦?shù)字化的物理模型，利用仿真軟件進行建模和分析，建立數(shù)字孿生的對應(yīng)模型，并對系統(tǒng)進行仿真，考慮其中的各種物理因素、器件和參數(shù)等，模擬系統(tǒng)運行的行為規(guī)律，以預(yù)測實際系統(tǒng)的性能和行為。建模仿真的結(jié)果可以為實際系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試、優(yōu)化提供重要的理論指導(dǎo)和預(yù)測結(jié)果。建模仿真階段是數(shù)字孿生制作的第二步：數(shù)字化階段是數(shù)字孿生制作的第一步：優(yōu)化階段是數(shù)字孿生制作的第三步：5.1開源平臺數(shù)字孿生實現(xiàn)的階段通過對建模仿真結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的局限和問題，從而針對性地進行優(yōu)化和改進，提升系統(tǒng)性能和效率。在優(yōu)化階段，不僅要考慮技術(shù)上的可行性和實驗結(jié)果的統(tǒng)計學(xué)意義，還要考慮各個優(yōu)化方案對成本、質(zhì)量以及環(huán)境等因素的影響，尋找最佳的綜合方案。5.1開源平臺

感知層數(shù)據(jù)采集層計算層應(yīng)用層數(shù)字孿生平臺基本組成部分5.1開源平臺

即機器人操作系統(tǒng)，是一個面向機器人的開源元操作系統(tǒng)。它能夠提供類似傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的諸多功能，如硬件抽象、底層設(shè)備控制、進程間消息傳遞和程序包管理等。5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ROS（RobotOperatingSystem）5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)

ROS是管道（消息傳遞）、開發(fā)工具、應(yīng)用功能和生態(tài)系統(tǒng)的組合。ROS中有強大的開發(fā)工具，可以調(diào)試和可視化機器人數(shù)據(jù)。ROS具有內(nèi)置的機器人應(yīng)用功能，如機器人導(dǎo)航、定位、繪圖、操作等。它們有助于創(chuàng)建強大的機器人應(yīng)用程序。5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ROS的組成ROS的主要功能消息傳遞接口、硬件抽象、軟件包管理、第三方軟件庫集成、底層設(shè)備控制、分布式計算、代碼復(fù)用、語言獨立性、測試簡單、開源等。5.1開源平臺

ROS框架主要分成三個層級，分別是ROS文件系統(tǒng)、ROS計算圖和ROS社區(qū)。ROS的文件系統(tǒng)：主要介紹了硬盤上ROS文件的組織形式，包括軟件包、軟件包清單、消息類型、服務(wù)類型。ROS的計算圖：ROS處理數(shù)據(jù)的一種點對點的網(wǎng)絡(luò)形式。它的基本功能包括節(jié)點、ROS控制器、參數(shù)服務(wù)器、消息和服務(wù)。ROS社區(qū)：ROS機器人開發(fā)者社區(qū)。5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ROS框架ROS的文件系統(tǒng)：主要介紹了硬盤上ROS文件的組織形式，包括軟件包、軟件包清單、消息類型、服務(wù)類型。ROS的計算圖：ROS處理數(shù)據(jù)的一種點對點的網(wǎng)絡(luò)形式。它的基本功能包括節(jié)點、ROS控制器、參數(shù)服務(wù)器、消息和服務(wù)。ROS社區(qū)：ROS機器人開發(fā)者社區(qū)。5.1開源平臺5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ros框架5.1開源平臺

ROS應(yīng)用與開源5.1.1ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)ROS廣泛應(yīng)用于機器人研發(fā)、教育、工業(yè)領(lǐng)域，已成為機器人如那件開發(fā)的實時標(biāo)準(zhǔn)之一。ROS是機器人領(lǐng)域開源的軟件平臺，它是基于Linux系統(tǒng)上開發(fā)，提供了一系列的功能庫和工具，能夠大大簡化機器人軟件開發(fā)流程，ROS可以運行在各種的硬件平臺上，支持多種編程語言，提供一系列機器人領(lǐng)域的基本功能和服務(wù)，如導(dǎo)航、運動控制、感知、視覺處理等。5.1開源平臺

Gazebo仿真平臺是一個廣泛應(yīng)用于機器人研發(fā)、測試和教育等領(lǐng)域的開源軟件。它可以模擬機器人的運動、感知和控制等行為，并提供了豐富的物理引擎、傳感器模擬和ROS集成等功能，使得使用者可以高效地進行機器人仿真和開發(fā).5.1.2Gazebo三維多機器人動力學(xué)仿真平臺Gazebo仿真平臺的特點：高度可定制化高度靈活性高度可視化Gazebo仿真平臺簡介5.1開源平臺

5.1.2Gazebo三維多機器人動力學(xué)仿真平臺分布式仿真、動態(tài)資源加載、可調(diào)性能等內(nèi)容（見教材）Gazebo仿真平臺使用仿真模型來描述機器人的物理特性和結(jié)構(gòu)。仿真模型包括機器人的幾何形狀、質(zhì)量、慣性、運動學(xué)、動力學(xué)等屬性，可以通過簡單的文本格式（如URDF、SDF等）進行描述和創(chuàng)建。Gazebo仿真平臺提供了多種傳感器模擬，包括激光雷達、攝像頭、IMU等，可以模擬機器人的感知能力。Gazebo仿真平臺提供了多種控制器，包括關(guān)節(jié)控制器、力控制器、軌跡控制器等，可以控制機器人的運動。用戶可以通過編寫控制器插件來實現(xiàn)自定義的控制算法。物理引擎（PhysicsEngineGazebo）仿真平臺使用物理引擎來模擬機器人的運動和相互作用。它可以計算機器人在仿真環(huán)境中的運動、碰撞、摩擦、彈性等物理特性，從而實現(xiàn)真實的仿真效果、增強現(xiàn)實的特點。Gazebo仿真平臺優(yōu)點關(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)用Gazebo仿真平臺的基本概念：謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設(shè)備的數(shù)字孿生授課教師：卞化梅開源平臺商業(yè)平臺課堂小結(jié)5.15.25.3第五章

數(shù)字孿生的實驗平臺開源平臺5.15.1開源平臺Azure數(shù)字孿生平臺簡介

Azure數(shù)字孿生是一項平臺即服務(wù)（PaaS）產(chǎn)品/服務(wù)，它能夠創(chuàng)建基于整個環(huán)境的數(shù)字模型的孿生圖，這些數(shù)字模型可以在建筑物、工廠、農(nóng)場、能源網(wǎng)絡(luò)、鐵路、體育場館，甚至整個城市中應(yīng)用，并有洞察力，推動產(chǎn)品改進、運營優(yōu)化、成本降低和客戶體驗突破等能力。

Azure數(shù)字孿生是一個物聯(lián)網(wǎng)(IoT)平臺5.1.3Azure數(shù)字孿生平臺簡介5.1開源平臺5.1.3Azure數(shù)字孿生平臺簡介空間智能圖譜技術(shù)廣泛的API高級計算能力開放建模語言數(shù)字孿生對象建模

關(guān)鍵技術(shù)5.1開源平臺Azure數(shù)字孿生構(gòu)建解決方案為任何環(huán)境建模，并以可縮放且安全的方式將數(shù)字孿生引入生活。連接IoT設(shè)備和現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)等資產(chǎn)，使用可靠的事件系統(tǒng)生成動態(tài)業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)處理。查詢實時執(zhí)行環(huán)境以從孿生圖中提取實時見解。生成連接的環(huán)境3D可視化效果，以在上下文中顯示業(yè)務(wù)邏輯和孿生數(shù)據(jù)查詢歷史記錄化環(huán)境數(shù)據(jù)并與其他Azure數(shù)據(jù)、分析和AI服務(wù)集成，以更好地跟蹤過去并預(yù)測未來5.1開源平臺5.1.3Azure數(shù)字孿生平臺簡介主要功能定義業(yè)務(wù)流程將IoT和業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)置于上下文中可視化3D場景工作室中的環(huán)境查詢環(huán)境見解將孿生數(shù)據(jù)共享到其他Azure服務(wù)5.1開源平臺Azure數(shù)字孿生平臺的優(yōu)點

其一，Azure數(shù)字孿生平臺是世界首個端到端就緒的數(shù)字孿生服務(wù)，更是業(yè)界首先實現(xiàn)落地的數(shù)字孿生服務(wù)；

其二，Azure數(shù)字孿生平臺是一個PaaS平臺；

其三，Azure數(shù)字孿生平臺能賦能開發(fā)者，為開發(fā)者提供建模語言和數(shù)字孿生圖譜等服務(wù)5.1.3Azure數(shù)字孿生平臺簡介5.1開源平臺OCC簡介OpenCASCADE（簡稱為OCC）是由法國MatraDatavision公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM軟件平臺，是世界上最重要的幾何造型基礎(chǔ)軟件平臺之一，主要用于開發(fā)二維和三維幾何建模應(yīng)用程序，包括計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)、制造或分析領(lǐng)域的應(yīng)用程序、仿真程序或圖形演示工具。5.1.4OpenCASCADE數(shù)字孿生平臺OpenCASCADE是一個功能強大的三維建模工具，提供了點、線、面、體和復(fù)雜形體的顯示和交互操作，經(jīng)過深度開發(fā)后可實現(xiàn)紋理、光照、圖元填充、渲染等圖形操作和放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、漫游、模擬飛行、模擬穿越等動態(tài)操作5.1開源平臺OpenCASCADE的功能創(chuàng)建錐、柱、環(huán)等基本幾何體對幾何體進行布爾操作（相加，相減，相交運算）倒角，斜切，鏤空，偏移，掃視幾何空間關(guān)系計算（法線，點積，叉積，投影，擬合等）幾何體分析（質(zhì)心，體積，曲率等）空間變換（平移，縮放，旋轉(zhuǎn)）應(yīng)用框架服務(wù)數(shù)據(jù)交換服務(wù)5.1.4OpenCASCADE數(shù)字孿生平臺謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設(shè)備的數(shù)字孿生授課教師：卞化梅開源平臺商業(yè)平臺課堂小結(jié)5.15.25.3第五章

數(shù)字孿生的實驗平臺商業(yè)平臺5.2培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)的方法與途徑課程思政：通過商業(yè)平臺的學(xué)習(xí)，了解我國在數(shù)字孿生平臺上的發(fā)展。學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)：能力目標(biāo)：素養(yǎng)目標(biāo)：掌握

SenseMARS火星混合現(xiàn)實平臺的特點及其適用場景掌握BIMWindows平臺的特點及其適用場景能根據(jù)具體業(yè)務(wù)需要選擇對應(yīng)的數(shù)字孿生的商業(yè)平臺培養(yǎng)學(xué)生對知識的聯(lián)想能力課前復(fù)習(xí)ROS機器人軟件開發(fā)次級操作系統(tǒng)Gazebo仿真平臺優(yōu)點的使用場景和各自優(yōu)點OpenCASCADE平臺和Azure平臺的使用場景和各自優(yōu)點010203課前思考請同學(xué)們思考：商業(yè)平臺有哪些呢？國內(nèi)的商業(yè)平臺又有哪些呢？5.2商業(yè)平臺SenseMARS火星混合現(xiàn)實平臺是商湯科技打造元宇宙的技術(shù)賦能平臺，搭載了多種關(guān)鍵能力，包括感知智能、決策智能、智能內(nèi)容生成（如增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實）、軟件智能體及其他基礎(chǔ)設(shè)施（如云引擎等），為各類元宇宙應(yīng)用提供支持。通過對三維空間的數(shù)字化重建，同時結(jié)合圖像、物體識別等AI技術(shù)，SenseMARS可以做到理解場景中的人、事、物，進而將虛實融合的超現(xiàn)實互動變?yōu)榭赡堋?.2.1SenseMARS火星混合現(xiàn)實平臺SenseMARS火星混合現(xiàn)實平臺5.2商業(yè)平臺SenseMARS平臺主要內(nèi)容SenseMARS特效引擎SenseMARSDigitalHuman商湯AI數(shù)字人SenseMARSReconstruction三維空間重建5.2.1SenseMARS火星混合現(xiàn)實平臺5.2商業(yè)平臺5.2.2BIMWindows管理平臺1.BIM簡介建筑信息模型BIM（BuildingInformationModeling）是建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程的新工具。建筑信息模型或建筑資訊模型一詞由Autodesk所創(chuàng)的。它是來形容那些以三維圖形為主、物件導(dǎo)向、建筑學(xué)有關(guān)的電腦輔助設(shè)計。2.BIMWindows管理平臺簡介BIMWindows（簡稱BW）是北京跨世紀(jì)軟件技術(shù)有限公司自主研發(fā)，基于BIM模型的輕量化展示、管理平臺。5.2商業(yè)平臺3.BIMWindows模塊構(gòu)成BIMWindows主要分為兩大模塊：協(xié)同管理和三維模型。其中協(xié)同管理是基于云端協(xié)同平臺的，可以實現(xiàn)對設(shè)計及施工過程中的模型、圖紙和數(shù)據(jù)進行全面的管控和維護，進行模型可視化的展示、審核分析等等。三維模型主要包括數(shù)字孿生底座、BIM+GIS圖形引擎、專業(yè)應(yīng)用工具。5.2.2BIMWindows管理平臺課堂小結(jié)數(shù)字孿生實現(xiàn)的幾個階段數(shù)字孿生常見的開源平臺Azure數(shù)字孿生平臺的優(yōu)點01020304OpenCASCADE數(shù)字孿生平的特點課堂小結(jié)SenseMARS火星混合現(xiàn)實平臺的主要內(nèi)容及特點BIMWindows模塊構(gòu)成SenseMARS平臺和BIMWindows平臺的使用場景和各自優(yōu)點050607謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設(shè)備的數(shù)字孿生授課教師：卞化梅智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)智能制造與智能工廠數(shù)字孿生賦能智能制造的核心價值智能制造數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)6.16.26.36.4應(yīng)用場景6.5典型案例6.6智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)6.1學(xué)習(xí)目標(biāo)●掌握智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)構(gòu)成●了解智能工廠的工廠數(shù)字模型●了解數(shù)字孿生賦能智能制造的核心價值●了解智能制造數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)●能正確的描述智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)的構(gòu)成●能描述國內(nèi)智能制造的發(fā)展趨勢●能描述智能工廠建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)●培養(yǎng)學(xué)生對知識的聯(lián)想能力●培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)的方法與途徑●了解國內(nèi)智能制造的發(fā)展趨勢和智能工廠建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)●能列舉2-3個國內(nèi)的智能制造數(shù)字孿生應(yīng)用場景和典型案例知識目標(biāo)能力目標(biāo)素養(yǎng)目標(biāo)6.1智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)智能制造中對象與系統(tǒng)主要包括智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)系統(tǒng)、智能生產(chǎn)運行過程，與其相關(guān)的數(shù)字孿生系統(tǒng)可以包括產(chǎn)品數(shù)字孿生系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)和供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)。三維可視化實時監(jiān)控生產(chǎn)調(diào)度生產(chǎn)和裝備指導(dǎo)設(shè)備管理能耗管控安全防護6.1智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)運行過程的數(shù)字孿生主要功能三維可視化實時監(jiān)控生產(chǎn)調(diào)度生產(chǎn)和裝備指導(dǎo)設(shè)備管理能耗管控安全防護生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)具有高保真度、高擬實性的特點，結(jié)合3R(VR/AR/MR）技術(shù)能將可視化模型從傳統(tǒng)的二維平面過渡到三維實體，車間的生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、人員管理、質(zhì)量數(shù)據(jù)、能源管理、安防信息等均能以更為直觀、完整的方式呈現(xiàn)給用戶。6.1智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)主要功能三維可視化實時監(jiān)控生產(chǎn)調(diào)度生產(chǎn)和裝備指導(dǎo)設(shè)備管理能耗管控安全防護6.1智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)，從生產(chǎn)計劃的制定、仿真、實時優(yōu)化調(diào)整等均基于實際工廠（車間）數(shù)據(jù)，使得生產(chǎn)調(diào)整具有更高的準(zhǔn)確性與可執(zhí)行性。生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度有：初始生產(chǎn)計劃的制定；生產(chǎn)計劃的調(diào)整優(yōu)化；生產(chǎn)過程的實時優(yōu)化。主要功能三維可視化實時監(jiān)控生產(chǎn)調(diào)度生產(chǎn)和裝備指導(dǎo)設(shè)備管理能耗管控安全防護6.1智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)利用數(shù)字孿生技術(shù)可以有效支持生產(chǎn)和裝配過程的指導(dǎo)；生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以對生產(chǎn)過程參數(shù)進行模擬優(yōu)化，同時可以借鑒類似產(chǎn)品的加工數(shù)據(jù)進行遷移學(xué)習(xí)，推廣到新產(chǎn)品加工過程的參數(shù)優(yōu)化中；對質(zhì)量數(shù)據(jù)的在線分析也能為生產(chǎn)、裝配的結(jié)果進行評估，及時反饋到生產(chǎn)現(xiàn)場，減少不合格品的數(shù)量；生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)所擁有的運維過程數(shù)據(jù)，可以為類似產(chǎn)品的生產(chǎn)過程參數(shù)設(shè)定提供參考，為提高產(chǎn)品加工質(zhì)量提供量化依據(jù)。主要功能三維可視化實時監(jiān)控生產(chǎn)調(diào)度生產(chǎn)和裝備指導(dǎo)設(shè)備管理能耗管控安全防護6.1智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)建立在虛實設(shè)備精準(zhǔn)映射的基礎(chǔ)上，由于虛實設(shè)備的實時交互及全要素、全數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，可以方便地對相關(guān)的設(shè)備進行全方位的分析，及故障的預(yù)測性診斷；同時基于虛擬設(shè)備模型及歷史運行數(shù)據(jù)可以進行故障現(xiàn)象的重放，有利于更加準(zhǔn)確地定位故障原因，從而制定更合理的維修策略；當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，專家無需到達現(xiàn)場即可實現(xiàn)對于設(shè)備的準(zhǔn)確維修指導(dǎo)。主要功能三維可視化實時監(jiān)控生產(chǎn)調(diào)度生產(chǎn)和裝備指導(dǎo)設(shè)備管理能耗管控安全防護6.1智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的能耗智能管控指通過傳感器技術(shù)對能耗相關(guān)信息、生產(chǎn)要素信息和生產(chǎn)行為狀態(tài)等的感知，通過感知得到的實時能耗信息對生產(chǎn)過程的參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化。一方面利用能耗模型來指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計過程，采用低碳環(huán)保的方案；另一方面通過調(diào)整生產(chǎn)計劃、降低不必要的能耗等方法來減少加工過程的能源消耗。主要功能三維可視化實時監(jiān)控生產(chǎn)調(diào)度生產(chǎn)和裝備指導(dǎo)設(shè)備管理能耗管控安全防護6.1智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)主要功能車間人員行為的觀測正逐步從“機械式”的人工觀測方式向基于深度視覺的智能人員行為理解的模式轉(zhuǎn)變。車間人員行為智能識別的本質(zhì)在于人員行為特征的提取并進行分類與深層次分析深度學(xué)習(xí)算法有助于人員行為特征的自動、多層次的提取，數(shù)字孿生技術(shù)則為智能人員行為理解模式的實現(xiàn)提供了實現(xiàn)框架。什么是供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)？6.1智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)供應(yīng)鏈中的節(jié)點就是最小的智能體單元，對智能體單元進行建模和仿真，將這些智能體單元通過接口將模型串聯(lián)起來，就可以在虛擬空間將整個供應(yīng)鏈的網(wǎng)絡(luò)運轉(zhuǎn)起來，這樣既為現(xiàn)實世界的供應(yīng)鏈提供信息，又能從現(xiàn)實世界的供應(yīng)鏈中獲取信息。供應(yīng)鏈數(shù)字孿生不僅能體現(xiàn)供應(yīng)鏈的歷史和當(dāng)前狀態(tài)的實時信息，還能體現(xiàn)著未來的規(guī)劃和決策。6.1智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)5.供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)供應(yīng)鏈主要包括倉儲、樞紐、運輸、配送等節(jié)點和各個節(jié)點的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)供應(yīng)鏈供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建供應(yīng)鏈

供應(yīng)鏈涉及供應(yīng)商、制造商、經(jīng)銷商和零售商之間的物流活動，目的是確保產(chǎn)品和服務(wù)能夠按時提供給消費者。

通過供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)，用于監(jiān)控和管理整個供應(yīng)鏈的運作。通過實時數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析，可以及時發(fā)現(xiàn)和解決供應(yīng)鏈中的問題，提高整體運營效率和靈活性。例如，當(dāng)某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時，供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)可以快速定位問題所在，并提供相應(yīng)的解決方案，從而減少供應(yīng)鏈中斷的時間和風(fēng)險。6.1智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)運輸管理供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)在運輸和倉儲管理中也發(fā)揮著重要作用。智能制造行業(yè)需要管理大量的運輸和倉儲活動，包括貨物的裝卸、運輸路線的規(guī)劃和優(yōu)化、倉庫空間的利用等。

通過供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)，虛擬模擬來模擬不同運輸和倉儲方案的效果，從而優(yōu)化物流運作。例如，可以模擬不同運輸路線的成本和效益，選擇最優(yōu)的路線來降低運輸成本，倉儲空間的利用也可以通過供應(yīng)鏈數(shù)字孿生系統(tǒng)進行優(yōu)化，以確保貨物的高效存儲和管理。6.1智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設(shè)備的數(shù)字孿生授課教師：卞化梅智能制造與智能工廠6.2課前思考請同學(xué)們思考：智能制造的數(shù)字孿生生態(tài)包括哪些內(nèi)容？6.2智能制造與智能工廠數(shù)字孿生作為連接物理世界和信息世界虛實交互的閉環(huán)優(yōu)化技術(shù)，已成為推動制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，促進數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的重要抓手，以數(shù)據(jù)和模型為驅(qū)動，打通業(yè)務(wù)和管理層面的數(shù)據(jù)流，實時、連接、映射、分析、反饋物理世界行為。使工業(yè)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈達到最大限度閉環(huán)優(yōu)化，助力企業(yè)提升資源優(yōu)化配置，有助于加快制造工藝數(shù)字化、生產(chǎn)系統(tǒng)模型化、服務(wù)能力生態(tài)化。6.2.1智能制造系統(tǒng)6.2智能制造與智能工廠智能制造的實施其實是一個系統(tǒng)，涉及智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)、智能服務(wù)三個方面。智能生產(chǎn)的主要載體就是智能制造系統(tǒng)，如智能生產(chǎn)線、智能車間、智能工廠。由于用戶的需求越來越個性化，對質(zhì)量越來越高，產(chǎn)品的復(fù)雜度也變得越來越高，智能制造不是一個單獨運行的孤立系統(tǒng)，與它的上下游企業(yè)、用戶形成了一個智能生態(tài)。德國“工業(yè)4.0”工業(yè)價值鏈參考架構(gòu)（IVRA)NIST的制造系統(tǒng)中國的智能制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)國內(nèi)智能制造的發(fā)展趨勢6.2智能制造與智能工廠在德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略中，智能制造涉及三個集成，橫向集成、縱向集成和端到端的集成，這是智能制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與其他系統(tǒng)之間的關(guān)系。德國提出的工業(yè)4.0的參考架構(gòu)模型是從產(chǎn)品生命周期/價值鏈、層級和架構(gòu)等級三個維度，分別對工業(yè)4.0進行多角度描述的一個框架模型。RAMI4.0參考模型德國“工業(yè)4.0”6.2智能制造與智能工廠面向工業(yè)需求多樣性和個性化的復(fù)雜系統(tǒng)，IVRA首先定義智能制造單元（SMU），來表示智能制造的一個自主單元，SMU也由三個維度組成，但分別對應(yīng)資產(chǎn)、活動和管理三個視角。不同SMU之間可進行互聯(lián)互通，并實現(xiàn)物、信息、數(shù)據(jù)、價值等傳遞，最終實現(xiàn)生產(chǎn)力和效率的極大提高。日本工業(yè)價值鏈參考架構(gòu)（IVRA)德國“工業(yè)4.0”工業(yè)價值鏈參考架構(gòu)（IVRA)6.2智能制造與智能工廠智慧制造生態(tài)系架構(gòu)，分為三個主軸：Business（商業(yè)），Product（產(chǎn)品），Production（生產(chǎn)），由這三個主軸之間進行更緊密的串聯(lián)互動，形成更快的產(chǎn)品創(chuàng)新周期，更高效的商業(yè)鏈，并讓生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生更大的靈活性。其中產(chǎn)品生命周期、生產(chǎn)周期和商業(yè)周期聚集和交互的核心為制造金字塔。金字塔包括四層構(gòu)成，描繪出現(xiàn)實制造現(xiàn)場系統(tǒng)與設(shè)備間互動關(guān)系。NIST的制造系統(tǒng)NIST的制造系統(tǒng)6.2智能制造與智能工廠智能制造是基于先進制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等產(chǎn)品全生命周期，具有自感知、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等特征，旨在提高制造業(yè)質(zhì)量、效率效益和柔性的先進生產(chǎn)方式。我國的《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2018年）》對智能制造系統(tǒng)架構(gòu)通過生命周期、系統(tǒng)層級和智能功能三個維度構(gòu)建完成，主要解決智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)和框架的建模研究。智能制造系統(tǒng)架構(gòu)中國的智能制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課堂活動請同學(xué)們思考：德國“工業(yè)4.0”、工業(yè)價值鏈參考架構(gòu)（IVRA)、NIST的制造系統(tǒng)、中國的智能制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各自的特征6.2智能制造與智能工廠制造業(yè)數(shù)字孿生基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)待提升探索基于數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)和模型驅(qū)動型工藝系統(tǒng)變革新路徑，促進集成共享，實現(xiàn)數(shù)字孿跨企業(yè)、跨領(lǐng)域、跨產(chǎn)業(yè)的廣泛互聯(lián)互通，實現(xiàn)生產(chǎn)資源和服務(wù)資源更大范圍、更高效率、更加精準(zhǔn)的優(yōu)化拓展更深層的應(yīng)用場景通過跨設(shè)備、跨系統(tǒng)、跨廠區(qū)、跨地區(qū)的全面互聯(lián)互通，實現(xiàn)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全面連接，為制造領(lǐng)域帶來巨大轉(zhuǎn)型變革國內(nèi)智能制造的發(fā)展趨勢6.2智能制造與智能工廠6.2.2智能工廠智能工廠是利用各種現(xiàn)代化的技術(shù)，實現(xiàn)工廠的辦公、管理及生產(chǎn)自動化，達到加強及規(guī)范企業(yè)管理、減少工作失誤、堵塞各種漏洞、提高工作效率、進行安全生產(chǎn)、提供決策參考、加強外界聯(lián)系、拓寬國際市場的目的。智能工廠實現(xiàn)了人與機器的相互協(xié)調(diào)合作，其本質(zhì)是人機交互。智能工廠是智能制造的載體。為了提高智能制造業(yè)的競爭力，建設(shè)智能工廠是重要的著力點。6.2智能制造與智能工廠智能化工廠制造標(biāo)準(zhǔn)國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)包括三方面內(nèi)容分別為基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。其中基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)主要包括通用、安全、可靠性、檢測、評價、人員能力等6個部分。關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)鍵技術(shù)主要指智能裝備、智能工廠、智慧供應(yīng)鏈、智能服務(wù)、智能賦能技術(shù)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等6個部分。智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系標(biāo)準(zhǔn)6.2智能制造與智能工廠智能工廠建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)主要包括智能工廠設(shè)計、智能工廠交付、智能設(shè)計、智能生產(chǎn)、智能管理、工廠智能物流、集成優(yōu)化等7個部分。主要規(guī)定智能工廠設(shè)計和交付等過程，以及工廠內(nèi)設(shè)計、生產(chǎn)、管理、物流及系統(tǒng)集成等內(nèi)容。智能工廠標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)重點有智能工廠設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、智能工廠交付標(biāo)準(zhǔn)、智能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、智能生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、集成優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)智能化工廠建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)6.2智能制造與智能工廠隨著產(chǎn)品越來越復(fù)雜、知識含量越來越豐富，制造系統(tǒng)的復(fù)雜程度也越來越高，智能工廠需要滿足集成化和智能化的要求。主要包括：智能工廠規(guī)劃①開發(fā)動態(tài)結(jié)構(gòu)②敏捷性③柔性④跨組織的集成⑤異構(gòu)環(huán)境⑥協(xié)同工作能力⑦人機交互能力⑧系統(tǒng)容錯性6.2智能制造與智能工廠智能工廠的全生命周期都可以應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，包括工廠設(shè)計、工廠建設(shè)、輔助設(shè)計仿真、柔性生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)過程監(jiān)控、產(chǎn)品運維服務(wù)、培訓(xùn)等。工廠數(shù)字模型是整改工廠從規(guī)劃、設(shè)計、到施工、運營和維護的全生命周期相關(guān)數(shù)字化文檔的綜合。它包括了工廠的三維幾何模型、各種設(shè)計文檔、施工文檔和維護信息。它的核心技術(shù)就是BIM技術(shù)。智能工廠的數(shù)字模型汽車制造工廠謝謝觀看！授課教師：卞化梅智能設(shè)備的數(shù)字孿生授課教師：卞化梅數(shù)字孿生賦能智能制造的核心價值6.3課前思考請同學(xué)們思考：智能工廠的標(biāo)準(zhǔn)有哪些？6.3數(shù)字孿生賦能智能制造的核心價值圍繞制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用幫助生產(chǎn)制造企業(yè)優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)制造流程，通過滿足制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)需求，制定全方位數(shù)字孿生服務(wù)，形成生產(chǎn)流