数字孪生架构

数字孪生架构数字孪生架构目录目录数字孪生理论架构数字孪生技术架构数字孪生技术的实现流程132一、数字孪生理论架构数字孪生的五维模型数字孪生的核心是模型和数据，为了将二者有效结合，首要任务是创建应用对象的数字孪生体。北京航空航天大学陶飞教授带领的团队在先前智能制造领域的钻研下，将孪生数据和服务两个要素拓展到数字孪生三维模型中，使得数字孪生模型结构发展成如图所示的五维结构模型。1、物理实体(PE)物体实体是数字孪生五维模型的构成基础，主要包括各子系统具备不同的功能，共同支持设备的运行以及传感器采集设备和环境数据。对物理实体的准确分析与有效维护是建立数字孪生模型的前提。2、虚拟模型(VE)虚拟实体模型包括几何模型、物理模型、行为模型和规则模型，从多时间尺度、多空间尺度对物理实习进行描述和刻画，形成对物理实体的完整映射。可使用VR与AR技术实现虚拟实体与物理实体虚实叠加及融合显示,增强虚拟实体的沉浸性、真实性及交互性。一、数字孪生理论架构数字孪生的五维模型数字孪生的核心是模型和数据，为了将二者有效结合，首要任务是创建应用对象的数字孪生体。北京航空航天大学陶飞教授带领的团队在先前智能制造领域的钻研下，将孪生数据和服务两个要素拓展到数字孪生三维模型中，使得数字孪生模型结构发展成如图所示的五维结构模型。3、服务(Ss)服务对数字孪生应用过程中面向不同领域、不同层次用户、不同业务所需的各类数据、模型、算法、仿真、结果等进行服务化封装，并以应用软件或移动端App的形式提供给用户，实现对服务的便捷与按需使用。4、孪生数据(DD)孪生数据是数字孪生的驱动，集成融合了信息数据与物理数据，满足信息空间与物理空间的一致性与同步性需求，能提供更加准确、全面的全要素/全流程/全业务数据支持。5、连接(CN)连接模型包括连接使物理实体、虚拟实体、服务在运行中保持交互、一致与同步以及连接使物理实体、虚拟实体、服务产生的数据实时存入孪生数据，并使孪生数据能够驱动三者运行。一、数字孪生理论架构数字孪生的交互理论模型连接与交互式实现数字孪生动态运行和虚实空间高度融合的核心关键。数字孪生交互包含了内部交互和外部交互。内部交互主要指同维度要素之间交互和跨维度要素之间交互；外部交互主要指数字孪生与围绕人、机、料、法、环上产制造过程的交互。二、数字孪生技术架构数字孪生是在数字孪生的基础上，利用传感器、物联网、虚拟现实、人工智能等数字技术对真实世界中物理实体和智能实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模的过程和方法，也称为虚拟孪生技术。二、数字孪生技术架构数字孪生的基本技术数字孪生的基础技术包括感知、网络，这些技术贯穿数字孪生的五维模型，使之相互联系、共同作用，是构成数字孪生模型的基石。感知感知是数字孪生体系架构中的底层基础。感知技术是通过物理、化学、生物等效应感受事物的状态、特征和方式的信息，按照一定规律转换成可利用信号，用以表征目标外部特征信息的信息获取技术。一个完备的数字孪生系统应具备对外部运行环境和内部组成部件的数据信息获取能力，进而实现物理对象与对应的数字孪生系统之间全要素、全业务、全流程精准映射与实时交互。不仅如此，数字孪生系统还应考虑数据间的协同交互，明确物体在全域的空间位置及唯一标识，使连接设备的运行势态获得多维度、多层次的精准监控。二、数字孪生技术架构数字孪生的基本技术数字孪生的基础技术包括感知、网络，这些技术贯穿数字孪生的五维模型，使之相互联系、共同作用，是构成数字孪生模型的基石。网络网络是数字孪生体系架构的基础设施。在数字孪生系统中，网络能连接物理对象与其余各部分系统，促使它们之间完成信息的交互和传输。随着数字化技术与建筑的结合越来越深入，移动网络逐渐应用于居民楼、医院、写字楼等多个建筑场景。以上的应用特点不仅要求网络具备较高的灵活性，能满足多样化的业务需求和高速率数据上传，还要求网络具备较高的承载能力，能够满足极限设备的连接等。因此，数字孪生体系架构需要强大的网络技术的支撑，以实现物理网络的极简化和智慧化运维。二、数字孪生技术架构数字孪生的核心技术数字孪生的核心技术为数字孪生系统的构建提供了关键支撑，是实现各部分主体功能的重要组成部分，也是连接虚拟与实体的重要路径。数据处理数据在数字孪生模型中占有极高的比例，因此如何将系统内的大量数据提取并进行融合交互是实现孪生数据处理的关键。在数字孪生体系架构中，首先由连接物理实体的底层感知系统接收大量的外界环境信息。其次，通过一定的数据处理手段将各种复杂、多元、异构的数据简化并传递给下一个阶段。在数据处理过程中，由于数字孪生模型中的数据体量大、种类多、结构复杂，需要将它们依照数据特点进行分类并存储在不同的数据库中。不仅要考虑数据自身的特性，还要考虑数据之间的交互特点。二、数字孪生技术架构数字孪生的核心技术数字孪生的核心技术为数字孪生系统的构建提供了关键支撑，是实现各部分主体功能的重要组成部分，也是连接虚拟与实体的重要路径。建模建模是依照物理实体的外在结构和内部联系，通过软件对其进行刻画，形成物理世界的数字虚拟模型的过程。在基于物理的建模方法中，面向数字孪生的多领域多尺度融合建模方法非常重要，因为应用对象不在单一环境中。多尺度建模可以连接不同时间尺度的物理过程，因此，这种计算模型可以具有更高的精度。虽然基于物理的建模方法可以描述对象的外部变化，但对内在规则的建模通常是使用基于语义的方法来完成的。语义网络模型是知识表示中的一种符号网络；通过在语义知识中预先存储由模型中固有的连接组成的知识，当要应用的对象需要根据规则进行一些改变时，可以与连接一起搜索。仿真与建模密切相关，仿真的作用是让我们更好地了解物理实体的变化，所以数字孪生的仿真技术是保证数字孪生与物理实体形成有效闭环的核心方法。二、数字孪生技术架构数字孪生的核心技术数字孪生的核心技术为数字孪生系统的构建提供了关键支撑，是实现各部分主体功能的重要组成部分，也是连接虚拟与实体的重要路径。仿真仿真技术是通过计算机和专用工具，将特定的模型进行参数处理，以实现对于系统模型的动态模拟和构思实践。在这一过程中，只要模型是完整的，就能基于输入信息和环境数据精确地反映物理世界的状态和特性。所以，仿真技术是对现实中某一物体或某些过程的抽象性模仿，人们通过这一模仿过程进行实验，通过记录相关信息完成进一步的推理和验证，以确认建模过程的准确性以及推动对现实问题的某些决策。传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性(过程)，抽象出一个模型，然后假设态势(输入)，进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。