数字孪生驱动的离心泵机组故障诊断方法研究

数字孪生技术不仅是实现信息物理融合的核心，还是实现数字化故障诊断的关键。为了实现物理空间和信息空间的实时映射、故障实时预测、故障信息及时反馈，提出数字孪生驱动的离心泵机组故障诊断方法。首先，利用数字孪生技术构建离心泵机组数字孪生映射模型。然后，基于数字孪生映射模型，通过数据驱动的故障诊断方法实现故障实时预测，利用模型仿真的故障结果验证方法完成故障结果验证，以验证结果作为数字孪生模型修正和深度学习模型调整的条件。最后，借助Unity3D平台实现故障诊断系统的开发，并通过3种工况验证了系统的可行性。     

基于数字孪生技术的飞行区运行架构EI北大核心

针对智慧飞行区运行建设研究中,数字孪生的服务应用模块仍然存在数字模型与物理空间缺少交互、功能缺乏应用的问题,依托数字孪生技术对飞行区运行多要素进行物理映射和仿真,构建4层数字孪生基本体系架构;通过数据实时传输,实现物理空间与数字孪生模型、物理对象与虚拟目标之间的虚实映射和状态更新;结合孪生域的数据仿真迭代实现物理域的实时决策,为运行服务对象提供航空器实时状态反馈、指令风险评估等服务。在此架构内分析了五大关键技术的可行性和必要性,采用多种工具对飞行区运行三维空间结构进行建模,在结合航空器运行指令的场面风险评估仿真和可视化对目前的飞行区运行数字孪生技术成熟度进行评价的同时,验证了构建数字孪生运行飞行区的可行性。     

CIMS环境下零件表面数字孪生模型构建方法

为了解决CIMS环境下，产品设计、工艺规划、质量检验等不同环节对多元素、多尺度、多层次零件表面质量信息的应用需求，提出一种基于数字孪生的表面综合质量信息模型构建方法。以数字孪生技术的应用准则为基础，采用面向对象的建模方法创建了包含设计几何模型、表面质量模型和表面性能模型的数字孪生表面模型，为多指标综合表征零件表面质量提供一种参考。其次，研究了数字孪生表面信息模型信息的表达与管理方法，实现几何模型与表面质量信息关联式的表达与管理，并提出一种基于XML的数字孪生表面信息模型集成应用框架，采用StAX标准编程接口规范来对XML文件进行解析，从而实现孪生数据在不同系统之间的有效传输。最后，以某卫星零件的复合加工工艺为例，构建了该零件的数字孪生模型，结合UOP UB200I金相显微镜、ZeGage Plus三维轮廓仪和西门子PLM系统Teamcenter搭建了CIMS环境，实现了该零件数字孪生表面模型的表达与集成应用，证明了所提方法的可行性和有效性。     

基于数字孪生的柔性线状态监测与分析系统

随着智能制造的发展，数字孪生技术在制造业中的应用逐步深化，可以用于复杂设备的运行监测。为实现柔性生产线的三维可视化与加工过程监控，同时指导用户对生产过程进行管理和预测，设计开发了一种基于数字孪生的柔性生产线状态监测系统。该系统的基本架构包括数据保障层、建模计算层、数字孪生功能层、用户空间层，保障了系统的功能性、时效性、可操作性等。同时从几何模型、行为模型、数据模型三个维度构建了数字孪生系统模型，实现了动作特征虚实融合一致性和工艺数据与质量数据采集。以某柔性生产线为例进行实验测试与分析，系统可以与实际柔性生产线正常通讯并对数据做出响应，且延迟均值为131.1 ms，可见虚拟映射与现实状况保持高度一致，验证了该方法的可行性。     

支持数字线索的产品数字空间管理框架研究与应用

数字线索和数字孪生是推动型号产品研制模式转型的变革性技术,如何建立适应数字线索应用的信息化系统成为企业关注的重要问题.在型号研制现状与需求的基础上,提出了由实体、模型、学科、过程和应用组成的产品数字空间管理框架,分析了管理框架下的深度模型集成、产品数据融合贯通和以流程为中心的业务协同三层次数字线索应用,最后,结合航天军...     

基于数字孪生的机电液系统PHM关键技术综述

数字孪生(Digital twin, DT)技术与预测和健康管理(Prognostics and health management, PHM)技术是智能制造领域中的两个热点研究方向。在对PHM技术现状总结分析的基础上,归纳当前制约PHM技术发展和应用的关键性问题如下：设备故障机理研究不透彻、全生命周期数据不完备、健康状态监测方法不足、多层级状态信息综合不足以及不确定性管理问题。并阐述数字孪生技术在解决这些问题过程中的独特优势,提出将基于第一性原理的多维数字孪生模型构建、虚实空间的多维数据映射、孪生体技术状态一致性度量与模型的高效迭代修正以及基于多域特征的系统健康评估、预测与维护决策作为关键技术构建DT-PHM研究架构。随着技术不断推进与发展,两项技术深度融合,基于数字孪生的复杂系统健康管理技术必将成为未来装备全生命周期视情维修和预测性维修的关键技术之一。     

基于数字孪生的航天器系统工程模型与实现

为践行智能制造、推进航天工业化与信息化深度融合,提出了基于数字孪生的航天器系统工程。分析了数字孪生技术的相关研究成果,从7个维度对航天器系统工程进行综合,建立了基于数字孪生的航天器系统工程整体模型和应用框架,并按照生命周期进展演化为设计、工艺、制造/装配、试验/测试与在轨运行5个典型阶段模型和应用框架。在技术实现层面,基于物联网、大数据、用于过程控制的对象连接与嵌入统一架构、系统建模语言、基于模型的定义、面向服务的架构等先进技术,构建了由物理空间、传输层、数据层、模型层、服务层和应用层构成的数字孪生系统架构。基于数字孪生的航天器系统工程能够有效实现航天器研制全生命周期信息世界与物理世界的双向动态实时交互共融与协同,从而推进航天工业智能制造的发展。     

净水厂数字孪生模型构建方法研究与实践

为解决净水厂数字孪生模型构建问题，基于数字孪生五维模型，结合净水厂全流程工艺要求提出全要素数字孪生模型构建方法。通过净水厂多层次多尺度数字孪生几何模型，对净水厂全要素及其关系进行数字化呈现；通过标识解析、数据采集、语义描述和有限状态机行为搭建净水厂数字孪生信息模型，实现物理世界与数字空间的虚实映射和数字化表达；通过“机理+智能”混合驱动搭建净水厂数字孪生决策模型，对净水厂的运行机理和规律进行刻画。基于所提理论和方法设计开发了数字孪生净水厂运维管控一体化平台，为构建净水厂数字孪生模型提供了参考。     

数字孪生连接交互理论与关键技术

数字孪生作为实现信息物理融合的重要使能技术，备受各行各业广泛关注。基于虚实交互和数模驱动，数字孪生能满足仿真(以虚映实)、控制(以虚控实)、预测(以虚预实)、优化(以虚优实)等应用服务需求，其中连接与交互是实现数字孪生动态运行和虚实空间高效融合的核心关键。针对数字孪生连接交互如何理解与实现的问题，首先从内外两层阐述了数字孪生连接交互内涵，进而提出“准确—实时—一致—安全—可靠”连接交互准则。在此基础上，从“感知—通信—映射—联动—融合”五方面探索建立了一套数字孪生连接交互理论体系，分析了数字孪生连接交互关键技术。基于数字孪生连接交互理论与方法研究，结合笔者前期在物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据和服务的相关研究工作基础，进一步探究并丰富了数字孪生五维模型理论体系，以期为数字孪生的理论研究和应用落地提供系列理论和方法参考。     

基于数字孪生的铣刀状态实时监控EI北大核心

针对机械加工过程中面临的制造过程不稳定、数据时效性差、实时监控可视化效果弱等问题,本着“虚实结合、以虚控实”的总体思想,提出基于数字孪生的铣刀状态实时监控方法,构建了物理空间和虚拟空间共生互控的数字孪生体。首先,搭建了基于数字孪生五维模型的铣刀状态监控系统结构模型,明确了五层系统架构的组成部分;其次,分别阐述了实现孪生系统框架的3个关键技术,即数控机床的数字空间搭建、多源异构数据的传输及管理、数字孪生驱动的铣刀状态监测;最后,以某薄壁件铣削加工过程为应用案例,验证了该监控方法的可行性与有效性,并为全面管控高档数控机床加工过程提供了一种新途径和新思路。     

数字孪生模型构建理论及应用

数字孪生作为实现数字化转型和促进智能化升级的重要使能途径,一直备受各行各业关注,已从理论研究走向了实际应用阶段.数字孪生是以多维虚拟模型和融合数据双驱动,通过虚实闭环交互,来实现监控、仿真、预测、优化等实际功能服务和应用需求,其中数字孪生模型构建是实现数字孪生落地应用的前提.针对如何构建数字孪生模型问题,首先提出了数字...     

基于混合驱动的进给系统数字孪生模型自适应更新法

为了解决传统建模方法搭建的数控机床进给系统模型形式单一且缺乏与物理空间的在线实时交互，导致仿真结果精度低的问题，提出一种基于机理模型和数据驱动模型混合驱动的进给系统数字孪生模型自适应更新方法。该方法针对进给系统多领域耦合的特点，利用物理建模工具Simulink/Simscape建立了机电一体化数字孪生机理模型，同时基于长短记忆神经网络建立了数字孪生数据驱动模型，二者混合构成进给系统数字孪生模型。在此基础上，采用带有遗忘因子的递推最小二乘算法更新模型，提高了模型的适应性。通过双轴进给系统的虚实同步运动实验验证了所提方法的有效性。     

滚动轴承数字孪生几何模型精细建模

针对滚动轴承数字孪生几何模型构建过程中，因被赋予理想的光滑表面而缺乏表面形貌信息，导致模型配合面与物理实体一致性差的问题，提出滚动轴承数字孪生几何模型精细建模方法，基于分形理论、点云变换和点云重建技术构建了带有表面形貌特征的滚动轴承数字孪生精细几何模型。通过对滚动轴承的数字孪生精细几何模型和光滑几何模型进行仿真分析，并与实验采集的滚动轴承振动数据在时频域参数上进行对比验证，表明相比传统的光滑几何模型，滚动轴承的数字孪生精细几何模型更符合实际运行情况。     

数字孪生标准体系

数字孪生(Digital Twin)作为实现数字化、智能化、服务化等先进理念的重要使能技术,当前备受学术界和工业界关注,如何在各领域落地应用更是关注的重点。但在数字孪生理论研究与落地应用过程中,发现缺乏数字孪生相关术语、系统架构、适用准则等标准的参考,导致不同用户对数字孪生的理解与认识存在差异;缺乏数字孪生相关模型、数据、连接与集成、服务等标准的参考,导致模型间、数据间、模型与数据间集成难、一致性差等问题,造成新的孤岛;缺乏相关适用准则、实施要求、工具和平台等标准的参考,造成用户或企业不知如何使用数字孪生。为解决上述问题,亟需数字孪生相关标准来参考和指导。因此,首先从数字孪生概念的理解与沟通、关键技术研究与实施、行业落地应用3个角度对数字孪生标准的需求进行了分析。在此基础上,结合前期提出的数字孪生五维模型,与国内本领域相关标准技术委员会及应用企业(包括机床、卫星、发动机、工程机械装备等行业)共同建立了一套数字孪生标准体系架构。该标准体系主要由数字孪生基础共性标准、关键技术标准、工具/平台标准、测评标准、安全标准、行业应用标准6部分构成,期望相关工作能为数字孪生标准研究与制定人员提供参考,同时为数字孪生落地应用提供指导。     

基于数字孪生的数控设备互联互通及可视化

全球制造业正在向着智能化、规模化的方向快速发展,但是数控设备之间存在数据接口不统一、设备数据交互困难、现场设备状态监测成本较高等难题。现提出一种基于数字孪生的数控设备互联互通及可视化技术,首先利用三维激光扫描技术构建车间数控设备数字孪生模型,通过OPC UA通讯构架读取数控设备的实时运行数据,并转化格式后存入数据库作为指导虚拟现实引擎的源数据,使用Unity数据驱动引擎去驱动数字孪生模型,从而实现物理模型与数字孪生模型的同步运动。最后,对车间数控设备的生产过程进行了数字孪生技术的实现,验证了所提方案的有效性和正确性,为面向互联互通的数字孪生数控设备提供了技术支持。     

基于数字孪生的复杂产品装配过程管控方法与应用

针对航天复杂产品装配过程的实时可视化监控、运行状态在线分析与预测难题,提出了一种基于数字孪生的复杂产品装配过程管控方法。首先构建了面向复杂产品装配过程管控的数字孪生模型;在此基础上,引入工作流技术实现了装配过程数据的实时采集与管理,提出实时数据驱动的数字孪生车间同步运行方法;随后通过灰色马尔可夫预测模型、T-K统计控制图以及关联规则算法的集成应用,实现了对复杂产品装配过程中的小样本量质量数据的实时预测与分析。最后,自主设计并开发了基于数字孪生的复杂产品装配过程管控系统,并在某卫星装配车间进行了应用验证。     

基于数字孪生的生产系统仿真软件关键技术与发展趋势

随着设计和制造过程智能化程度的提升，基于数字孪生技术开展生产系统仿真的研究对国产自主化工业软件具有重要意义。在解析基于数字孪生生产系统仿真软件的特征和应用需求的基础上，阐述了生产系统仿真软件的关键技术，包括生产系统孪生模型构建、生产系统仿真优化和离散事件基础仿真引擎；通过整合国内外生产系统仿真软件，总结了生产系统仿真软件的应用；基于数字孪生的生产系统仿真软件的特征，以及软件与数字孪生模型高保真表示、高效构建、高效仿真和人机交互等的紧密结合，探讨了基于数字孪生的生产系统仿真软件开发的技术挑战与发展趋势，以期为我国基于数字孪生的生产系统仿真软件的自主研发提供参考。     

数控机床数字孪生标准体系研究

数字孪生作为推动智能制造的关键使能技术，如何在机床领域落地应用成为备受关注的焦点。然而，数控机床数字孪生术语、架构、关键技术等相关标准的缺乏，严重阻碍了数字孪生技术在数控机床领域的推广应用。为解决上述问题，亟需制定数控机床数字孪生标准给予参考和指导。因此，首先分析了数控机床数字孪生标准的需求，在此基础上，结合数字孪生五维模型和前期对数字孪生技术的研究，构建了数控机床数字孪生标准体系框架，该标准体系主要包括通用、安全、测评等基础共性标准和数控机床配置、数字孪生建模、数据处理、连接交互、集成与服务等关键技术标准，并对数控机床数字孪生标准的应用与定位进行了分析讨论。期望相关工作能为数控机床标准及数字孪生标准研究与制定人员提供参考，同时为数字孪生技术在数控机床领域的落地应用提供指导。     

基于数字孪生的冲压智能维护系统研究与应用

汽车覆盖件的冲压生产正在向高速、高效、数字化和智能化的方向转变，同时大型高速冲压线的维护面临结构复杂、故障点多以及专业人员短缺等突出难题，冲压设备维护管理正经历着由事后维修、预防性维护到预测性维护的转变。文章提出了一种基于数字孪生技术的大型高速冲压线设备状态监控及智能维护系统J＿IMS(JIER-intelligent maintenance systems)，首先在三维研发软件中构建真实冲压线的数字化孪生模型，通过OPC UA通用构架实时读取高速冲压线的运行数据，打通物理冲压线与孪生冲压线的数据链路，借助Unity数据驱动去驱动冲压线数字孪生模型，从而实现物理冲压线与孪生冲压线的同步运动，通过在大量项目实际应用验证J-IMS的有效性和准确性，为大型高速冲压线的设备状态监控及智能维护提供借鉴。     

基于三维GIS技术的公路交通数字孪生系统

数字孪生是一种集成多学科属性,通过物理世界与信息世界连接融合达到虚拟现实交互与融合的科学,其在交通业的落地途径为建筑信息模型(BIM)+地理信息系统(GIS)技术。各类交通基础设施模型要素的交互关联及孪生数据合理建设方案成为制约其发展的瓶颈。立足交通,以数字孪生的五维结构模型为指导,在三维GIS环境下,针对其虚拟模型应包含的几何、物理、规则模型提出了具体的实现技术。分析了交通基础设施分类及孪生数据特点,细化其构件层次关系,实现模型的标识编码与存储方案。依据CAMP5对系统软件进行分类,并依各层次阐述了验证方法,完成系统验证。最后,基于虚拟模型与数据融合,梳理了像素层、表征层和决策层的应用开发思路,以期为交通运输领域践行数字孪生提供技术参考。