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。     

面向智能制造全价值链的精益数字孪生体

数字孪生作为一种关注实现物理世界和信息世界交互融合的新技术,成为国内外智能制造领域研究的热点.尽管随着研究的深入,数字孪生应用技术框架和理论体系逐渐成型,但是现有文献还缺乏对数字孪生应用全过程管理的相关研究.文中通过研究精益管理和数字孪生在智能制造领域中的关系,系统论证了精益管理和数字孪生结合的可行性,并提出了"精益数...     

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。     

基于工业互联网的数字孪生生产线应用

随着工业制造的发展,目前的先进制造也不光局限于单纯的生产任务了,更多的引入了工业互联网及数字孪生技术的应用,提高了企业的实际产能,解决了企业的实际问题。本文基于工业互联网与数字孪生的定义,分析了数字孪生技术的典型应用,以自动装配生产线和机器人生产线为例,阐述数字孪生在生产线中的应用。     

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.     

基于数字孪生的新能源汽车电机装配车间设计

基于数字孪生技术,可以实现电机生产的高质量化和高效率化。同时还可以兼顾多规格、小批量的柔性化生产模式,以满足企业在市场环境中的需求。因此,将传统制造模式转变为数字孪生制造是电机制造业发展的必然趋势。本文针对某公司的实际情况,提出了基于数字孪生的新能源汽车电机装配车间设计,实现电机生产高自动化、高质量化、高效率化,入选工业和信息化部超高效永磁电机及控制系统智能制造综合标准化与新模式应用项目,为电机制造企业高质量、高价值发展提供参考价值。     

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。     

数字孪生在制造中的应用进展综述

随着工业4.0、CPS、智能制造等研究的深入,如何解决制造中物理世界与信息世界之间的交互共融成为进一步推进制造业变革的核心问题。在此背景下,学术界和工业界提出了数字孪生的概念及技术体系,用于解决上述难题。为了全面了解数字孪生研究进展,首先梳理了数字孪生的基本概念,综述了其在航空航天、产品、制造设备及制造车间等阶段的应用进展,重点分析了数字孪生与物联网、大数据、CPS之间的联系与区别,最后指出了数字孪生在制造领域的发展趋势。     

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。     

智能制造领域的数字孪生技术研究可视化知识图谱分析

近年来智能制造已成为制造业未来发展的重要方向,作为践行智能制造理念与目标的数字孪生技术,为解决智能制造过程中的信息物理融合难题提供了有效手段,受到世界各国的广泛关注。为全面解析数字孪生技术在智能制造领域的研究动态和发展趋势,检索Web of Science(WOS)和中国知网(CNKI)数据库的数据源,采用Citespace5.7软件梳理了2011～2021年发表的国内外相关文献,绘制出科学知识图谱,并从文献特征、科研合作、研究热点及前沿分析等不同维度进行定性与定量分析。最后从技术层面和应用层面两个角度预测数字孪生技术在智能制造领域的发展趋势。     

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...     

基于数字孪生的产品生命周期绿色制造新模式

随着人们可持续发展意识的增强,传统制造业正深刻重塑并向绿色化、智能化、服务化转型。制造企业相继运用各种先进信息化技术(云计算、信息物理系统、物联网、仿真建模)来解决可持续制造中的各类问题,由此提出数字孪生驱动的绿色制造新模式,围绕以绿色特征为中心的物理世界与虚拟世界的交互与融合,建立了包含绿色特征的五维数字孪生模型,以重塑绿色制造过程中物理实体、虚拟孪生体、数据、交互接口、服务五维要素之间的关系及要素的绿色特性。分析了五维数字孪生模型下绿色材料选择、绿色拆解、绿色回收、绿色再制造及逆向供应链领域的相关应用,最后以基于绿色特征提取的产品生命周期能耗管理平台验证了提出的五维数字孪生体驱动的产品生命周期绿色制造新模式。     

风力发电系统研究与应用前景综述

随着科技的迅猛发展,风力发电系统的设计呈现出数字化、复杂化的发展趋势.文中从TRIZ理论、数字孪生和复杂系统的视角,以风力发电系统的特征为切入点,对于风力发电系统的相关研究进行综述,研究了TRIZ理论、数字孪生在风力发电领域复杂系统创新设计中的应用.最后讨论了TRIZ理论和数字孪生在风力发电复杂系统创新设计中的发展趋势和应用前景.     

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。     

[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。     

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。     

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。     

数字孪生驱动的固体发动机总体设计体系架构与应用

为了改进固体发动机以经验半经验为主的设计模式,解决固体发动机设计与仿真分离、数值模拟与物理试验分离、地面试验数据测不了、测不准和测不到等难题,推动固体发动机由经验驱动设计向数据和模型驱动设计转型,从数字孪生体的内涵出发,研究建立了数字孪生驱动的固体发动机总体设计概念体系,从过程、模型和数据3个视角定义了固体发动机数字孪生,并提出了过程孪生、模型孪生和数据孪生的概念;在此基础上,建立了数字孪生驱动的固体发动机总体设计系统5层架构模型,分析了各层的内涵及层与层之间的关系;从过程孪生、模型孪生和数据孪生3个概念出发,研究了数字孪生驱动的固体发动机总体设计系统的运行机制;分析了系统的特点,探讨了系统在发动机设计中的应用方法,并给出了初步的实现方案,为下一步落地应用提供理论参考。     

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。     

数字孪生技术在产品生命周期中的应用与展望

数字孪生的出现为产品全生命周期管理理念的实现提供了新的思路和途径。为探索数字孪生在产品生命周期各阶段的应用模式,从"面向对象"与"面向过程"两个角度阐述了数字孪生的含义,给出了基于数字孪生的产品生命周期的内涵,在此基础上分析了数字孪生在产品研发、制造、维护、报废等产品生命周期各阶段典型场景中的应用方式,总结了数字孪生体的全生命周期,并指出了基于数据的制造这一可能的未来制造模式和数字孪生体的发展方向。