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。     

数字孪生五维模型及十大领域应用

数字孪生(Digital Twin)作为践行智能制造、工业4.0、工业互联网、智慧城市等先进理念的使能技术与手段,近期备受学术界和企业界关注,尤其是数字孪生的落地应用更是关注热点。模型是数字孪生的基础与核心,而传统数字孪生三维模型已无法满足现阶段技术发展与应用需求。在此背景下,为推动数字孪生技术在相关领域和行业的进一步应用,在数字孪生车间研究过程中,提出了数字孪生五维模型的概念,以适应新需求。基于前期相关研究,在进一步阐述数字孪生五维模型后,结合相关合作企业实际应用需求,重点探讨了数字孪生五维模型在卫星/空间通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机、复杂机电装备、立体仓库、医疗、制造车间、智慧城市10个领域的应用思路与方案,以期为相关领域践行数字孪生理念与技术提供参考。     

基于数字孪生技术的智能生产线应用探索

随着工业互联网的蓬勃发展,在新型工业信息系统和工业智能技术的推动下,生产线正向着物理空间与信息空间实时交互融合的方向发展,应运而生的数字孪生技术成为近年来的新兴研究热点。针对数字孪生技术的概念研究、工业生产领域中的应用发展、智能生产线应用领域的参考架构与关键技术及其相关研究进展进行了梳理和探讨。归纳和总结了数字孪生技术在智能生产线中的主要应用,阐述了数字孪生技术在智能生产线领域的相关研究和应用进展,并对数字孪生技术在智能生产线应用领域中的未来趋势提出展望和预测,为离散制造企业推进生产线全生命周期管理与数字化转型升级,实现柔性化的智能制造提供一定指导和启示。     

基于数字孪生的卷烟厂仓储研究与应用

针对目前仓储存在运作效率低、数据实时性差、设备健康管理缺乏等问题，设计了基于数字孪生的仓储优化方案。通过三维模型和虚拟场景的搭建，构建了仓储的数字孪生模型，提出了数字孪生仓储的体系架构，选用了OPC UA通讯框架进行数据采集和通信，利用数据驱动数字孪生模型，实现了数字空间与物理空间的交互融合。最后通过某卷烟厂仓储的落地应用，验证了系统的可行性和有效性，为数字孪生技术在仓储管理领域的应用提供了技术支撑。     

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。     

数字孪生模型评价指标体系

数字孪生作为实现数字化、智能化、服务化等理念的重要使能技术,以及助力数字经济与实体经济融合发展的有效手段,受到各行各业的广泛关注.随着数字孪生逐渐从理论研究迈向落地实践,在实际应用对数字孪生模型的要求更加多元的同时,对数字孪生模型性能的透明度也提出了更高的要求.然而,数字孪生模型在构建校验、运行管理、重构优化、迁移复用、流通交付等阶段缺乏系统性评价理论和方法指导,难以分析和量化数字孪生模型的质量、性能、适用性或共生性、适应性和价值,严重阻碍了数字孪生的深入推广和应用.针对上述问题,首先对不同阶段的数字孪生模型性能需求进行分析,在此基础上,提炼出8项数字孪生模型评价准则,进而构建了一套数字孪生模型评价指标体系,并给出了29项评价指标的量化计算参考方法,以期为数字孪生模型各阶段的决策过程提供参考.     

数字孪生技术综述与展望

随着复杂系统诊断、预测和系统健康管理技术的不断发展,在新兴的工业信息系统和工业智能的推动下,数字孪生技术成为智能制造领域和复杂系统智能运行和维护领域的新兴研究热点。鉴于此,针对数字孪生技术在复杂工业系统和复杂装备领域的基本概念、应用前景、技术内涵以及发展趋势、已有初步研究规划和阶段性成果等进行梳理,归纳面向复杂工业系统和复杂装备的智能运行和维护领域的数字孪生技术体系、关键技术、发展趋势和技术挑战等,分析数字孪生与其支撑的工业大数据、云计算、人工智能、虚拟现实等的相互支撑和相互促进的关系,预期能够给复杂系统诊断、预测和系统健康管理领域对数字孪生技术感兴趣研究人员提供一定的参考和借鉴。     

数字孪生车间信息物理融合理论与技术

数字孪生车间作为实现制造物理世界和信息世界智能互联与交互融合的一种潜在的有效途径,近期被国内外相关领域学术界和企业界高度关注。基于前期对数字孪生车间的概念、系统组成、运行机制、特点和关键技术等研究,设计了数字孪生车间的参考系统架构,并从数字孪生车间4个主要系统组成(物理车间、虚拟车间、车间孪生数据、车间服务系统)的角度出发,分别对物理车间异构要素融合、虚拟车间多维模型融合、车间物理—信息数据融合、车间服务/应用融合等关键问题进行了研究分析。从物理融合、模型融合、数据融合和服务融合4个维度,系统地探讨了实现数字孪生车间信息物理融合的基础理论与关键技术,为企业实践数字孪生车间提供了参考。     

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,首先提出了数字孪生模型"四化四可八用"构建准则.基于所提出的构建准则,从"建—组—融—验—校—管"6个方面探索建立了一套数字孪生模型构建理论体系.并基于所提出的数字孪生模型构建准则和理论体系,结合笔者团队承担的国家重点研发计划项目"基于数字孪生的智能生产过程精确建模理论与方法",以数字孪生车间为例,从车间要素实体建模、生产过程动态建模、生产系统仿真建模3个方面对数字孪生车间模型构建理论与技术开展了研究和实践.相关工作期望能为数字孪生构建和进一步落地应用提供理论参考.     

基于Unity3D的数控机床数字孪生系统设计与实现

数控机床作为机械制造业中先进加工设备,由于设备复杂造价昂贵,其状态监测尤为重要。本文结合数字孪生技术,以LG Mazak数控机床为研究对象,建立了机床的三维模型,基于Uniyt3D软件构建了数控机床数字孪生系统。首先明确了数字孪生系统的五维架构;其次分析了搭建数字孪生系统的关键技术和功能设定,搭建了包括车间漫游、数据可视化、切削过程仿真、刀具碰撞预警、数据查询系统等功能在内的服务平台;最后完成了系统各功能模块进行集成。本系统为数控机床虚实交互操作和数据可视化提供新思路,同时对数控机床操作培训提供便利。     

数字孪生在制造业中的关键技术及应用研究综述

数字孪生以数字化的形式在产品的生产制造中实现了全过程的动态仿真,覆盖了产品的全生命周期和全产业链,对推动未来智能制造的发展有着重要的意义。基于数字孪生技术在制造业中的应用,梳理了数字孪生的理念,探讨了数字孪生在制造业中的关键技术。对数字孪生在制造领域中的数据优化、质量分析、寿命预测、流程工业、离散工业和数字工厂几个方面的应用进行了综述,并对数字孪生在制造领域中的发展趋势提出预测及展望,可为推动数字孪生技术在未来制造业中的研究和应用提供一定的参考。     

重大装备形性一体化数字孪生关键技术

重大装备形态和性能的精准预测与分析是实现其智能化和自主创新的关键技术之一。数字孪生作为连接物理世界和数字世界的纽带,可用于在数字世界中建立物理实体材料选择、结构设计、加工制造和运维管理的全生命周期真实镜像。面向重大装备几何形态和结构力学性能,通过分析当前建立数字孪生的需求与难点,提出机理模型与实测数据联合驱动的“算测融合”解决方案;综合考虑孪生模型的时效性与准确性要求,构建重大装备“形性一体化”的数字孪生框架。详细论述当前构建重大装备数字孪生所面临的“算不了”、“算不准”、“算不快”、“测不了”、“测不全”和“测不准”六个具体问题,并给出相关解决方案和关键技术。通过典型案例验证了所提框架与关键技术的可行性与有效性,为数字孪生在重大装备中的落地应用提供了理论和技术参考。最后,探讨了重大装备数字孪生的未来发展趋势和所面临的进一步挑战。     

基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发框架与关键技术

数字孪生是实现物理信息深度融合的一个重要抓手,复杂产品设计和制造信息物理融合是其中最重要的环节,为最终智能制造的落地提供了有效途径。当前,针对数字孪生技术的研究与应用主要集中在车间运行和产品运维等方面,而将数字孪生技术应用于复杂产品设计与制造融合的研究较少。产品设计是智能制造的第一个环节,也是产生数字孪生体的第一个环节,研究基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发对实现后续的智能加工、装配和运维等具有重要影响。为此,分析了基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发内涵,提出了基于数字孪生的复杂产品环形设计框架;基于所提出的框架,从需求分析、概念设计、个性化配置设计、虚拟样机、多学科融合设计和数据管理等方面,探索了基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发中的关键技术;通过两个典型应用案例,展示了数字孪生关键技术在复杂产品设计制造一体化开发中的应用场景。     

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。     

数字孪生及其应用探索

数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多学科属性,具有实时同步、忠实映射、高保真度特性,能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段。随着数字孪生车间概念的提出,数字孪生在智能制造中的应用潜力得到越来越多的关注。分析了数字孪生在企业应用和理论研究上的进展,基于前期提出的数字孪生的五维结构模型,提出数字孪生驱动的6条应用准则,探索了数字孪生驱动的14类应用设想与实施过程中所需突破的关键问题与技术,为未来开展数字孪生的进一步落地应用提供理论和方法论参考。     

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。     

数字孪生十问:分析与思考

当前数字孪生备受学术界、工业界、金融界以及政府部门关注。然而各界对数字孪生存在不同的理解和认识,对数字孪生相关新概念、新名词、新技术之间的异同存在疑惑,并且对是否适用数字孪生存在决策困惑。为理性和正确看待数字孪生,笔者团队于2019年7月27日在“第三届数字孪生与智能制造服务学术会议”上做了“数字孪生十问:分析与思考”同名题目学术交流报告,对有关问题和国内学者进行了交流讨论。为进一步了解数字孪生国内外学术研究现状,在相关报告内容及思考基础上,首先从时间分布、国家分布、来源出版物分布、研究机构和学者分布、高频关键词分布等不同维度,对2019年12月31日前发表的数字孪生学术论文进行了统计分析。在此基础上,进一步对当前各界关注的①何为数字孪生?②谁在关注数字孪生?③数字孪生:中、美、德,谁更热?④数字孪生与智能制造的关系是什么?⑤数字孪生能否与新一代信息技术(New IT)融合?⑥数字孪生是否存在科学问题?⑦数字孪生何用?⑧数字孪生适用准则是什么?⑨数字孪生是否需要标准?⑩数字孪生是否需要商业化工具/平台?十个问题进行了深入分析与思考,以期抛砖引玉,为研究者更好理解数字孪生,为决策者理性和正确对待数字孪生,为实践者更好落地应用数字孪生提供参考。     

[数字孪生驱动的智能制造]数字孪生车间演化机理及运行机制

针对当前数字孪生车间演化机理不清楚造成其在制造领域技术路线图不明确的问题，从信息流、物料流、控制流三者的作用及关系剖析了当前生产车间所存在的问题和挑战，在总结数字孪生源起与发展现状后，提出从可视化、逻辑、数据三个维度构建可交互、可控制、可计算的虚拟车间，进而探讨从虚拟车间到数字模型车间、数字投影车间和数字孪生车间的演化机理。提出从数字化、智能化、智慧化三个阶段逐步构建数字孪生车间并阐述了各阶段的运行机制及使能技术，可为数字孪生车间在制造领域的推广与应用提供参考。     

数字孪生卫星:概念、关键技术及应用

在分析卫星产业发展趋势与升级转型新需求后,为推动卫星与新技术融合发展,提升大型卫星工程的整体管理水平与流程管控能力,促进卫星产业数字化、网络化、智能化、服务化转型升级,将数字孪生技术与卫星工程的关键环节、关键场景、关键对象紧密结合,探讨提出了数字孪生卫星的概念。为阐述数字孪生卫星内涵,以卫星互联网项目为背景,从空间维度对数字孪生卫星的组成进行了分析,包括数字孪生卫星试验验证系统、数字孪生卫星总装车间、数字孪生卫星产品、数字孪生卫星网络等。从时间维度对数字孪生卫星核心要素,包括模型线程(Model Thread)、数据线程(Data Thread)、服务线程(Service Thread),进行了阐述。在此基础上提出了数字孪生卫星关键技术体系,并结合前期已开展的相关实践工作,从全生命周期视角对数字孪生卫星在卫星总体设计、详细设计、生产制造(含装配、集成与测试)、在轨服务与健康管理、网络运维管理各阶段的应用进行了探讨,以期为未来卫星产业发展,卫星工程和卫星互联网工程建设提供参考。     

基于实时数据驱动的数字孪生车间研究及实现

为满足智能车间生产状态实时可视化监控、健康管理、故障诊断等需求,提出一种基于实时数据驱动的数字孪生车间体系架构与技术路线。通过搭建面向真实物理行为高保真映射的虚拟仿真环境,采用面向事件响应的数据管理方法构建模块化、通用化的数字孪生车间系统。在此基础上,详细阐述了异构多源数据的采集与管理、真实物理行为的虚拟仿真环境、面向事件响应的数据实时驱动方法等关键技术。设计了原型系统,并通过车载防撞雷达组装生产线成功验证其可行性,为数字孪生技术在智能制造领域的应用提供了关键支撑。