智能设备数字孪生应用 课件 12、数字孪生的关键技术-建模

智能设备的数字孪生授课教师：卞化梅关键技术：建模关键技术：仿真关键技术：虚拟现实技术4.14.24.3第四章数字孪生的关键技术关键技术：增强现实技术4.4关键技术：建模4.1●培养学生对知识的联想能力；●培养学生自学的方法与途径；●思政目标：熟悉国内数字孪生建模平台厂家，了解我国智能出哪些虚拟现实技术的输入输出设备。学习目标知识目标●掌握模型的基本概念和基本步骤；●掌握仿真的基本概念；●掌握虚拟现实技术的特征、分类和原理；●掌握增强现实技术的应用。●能清楚建模的基本步骤；●能选择不同场景使用不同的仿真工具；●能区分虚拟现实技术的类别。

能力目标素养目标知识回顾知识回顾：有几种行业现场网的组网技术？知识回顾（1）基于行业现场网的组网技术（2）基于SLA服务的QoS保障技术4.1关键技术：建模下面两张图片是什么？请同学们讨论模型4.1关键技术：建模数字孪生的基础技术感知和网络，他们是完成数字孪生的数据采集、检测、传输等环节。

数字孪生的关键技术建模、仿真、虚拟现实和增强现实技术等，是完成数字孪生的物理实体的信息建模到数字孪生中，精确模拟物理实体的各种形态并进行预测和优化，是现实虚拟系统的关键技术。关键技术建模仿真虚拟现实增强现实4.1关键技术：建模数字孪生的建模是将物理世界的对象数字化和模型化的过程。它的主要作用是通过建模将物理对象表达为计算机和网络能识别的数字模型，将物理世界或问题的理解进行简化和模型化。4.1关键技术：建模如何来理解数字孪生的建模？

数字孪生模型构建是在数字空间实现物理实体及过程的属性、方法、行为等特性的数字化建模。模型构建可以是“几何-物理-行为-规则”多维度的，也可以是“机械-电气-液压”多领域的。4.1关键技术：建模模型：指通过主观意识借助实体或者虚拟表现，构成客观阐述形态结构的一种表达目的的物件。4.1.1模型的基本概念模型的构成：模型构成主要分为实体模型和虚拟模型。实体模型从表现形式分为静模、助力模型、动模。虚拟模型主要分为虚拟静态模型、虚拟动态模型、虚拟幻想模型。实体模型虚拟模型4.1关键技术：建模模型的分类

数学模型数学模型主要是指用数学语言描述的一类模型，用来描述系统要素之间以及系统与环境之间关系的数学表达式。物理模型也称实体模型，以实体或者图形直观地表达对象特征所得模型成为物理模型，物理模型是根据一定的规则对系统进行简化、描述或按照一定比例放大、缩小而得到的仿制品，一般情况下要求物理模型与实体高度相似，能够逼真地描述物理实体的原型。物理模型主要分为实物模型和类比模型。物理模型4.1关键技术：建模

数字孪生的模型数字孪生模型是对实体产品、生产流程或产品使用的一种智能化和虚拟化的表示（或模型）。智能化是指事物在网络、大数据、物联网和人工智能等技术的支持下，所具有的能动地满足人的各种需求的属性。数字孪生的模型主要是指物理模型。问题思考●建模的基本步骤是什么？4.1关键技术：建模数字孪生对物理对象建模一般需要包含四个步骤，首先进行模型抽象，然后模型表达、模型构建、最后模型运行。4.1.2建模的基本步骤4.1关键技术：建模其中模型抽象是实现对物理对象的特征抽象；模型表达则是对抽象后的信息进行描述；模型构建表示采用模型构建工具实现模型的校验、编排等；模型运行指在提供的虚拟环境中运行模型。4.1关键技术：建模

模型实现方法主要涉及建模语言和模型开发工具等，其中最为关键的是如何从技术上实现数字孪生的模型。数字孪生中建模是根据不同的使用场景所建模采用技术群是不一样的，目前数字孪生主要使用场景有IT、运营技术或操作技术（OT）、通信技术（CT）等。4.1.3建模的实现方法数学孪生使用场景ITOTCT问题思考场景的建模语言有哪些？问题思考

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在不同领域中采用不同领域的技术群，在数字孪生中常见建模语言方面主要有AutomationML、Modelica、SysML、UML、XML等。4.1关键技术：建模在IT领域中建模主要集中为两个场景，物联网设备建模和数字孪生城市建模，在物理网设备建模中主要由大的平台厂家在进行推荐，实现物联网设备数据的平台呈现，在描述层面，大多采用json、xml等语言进行描述，自定义架构，并采用MQTT，COAP等应用传输协议进行虚实系统交互。1.在IT场景中建模的实现方法4.1关键技术：建模如：阿里云IoT是针对物联网领域推出的一站式物联网解决方案。

如：百度AIoT平台它可以支持各种硬件终端接入，提供实时数据处理和可视化分析，同时还提供智慧家居、智能医疗等多种行业解决方案。4.1关键技术：建模如：腾讯云IoT，它提供了多种协议接入，支持大数据分析以及机器学习等技术，能够帮助快速开发可扩展的物联网应用。如：中移物联网围绕“联网业务服务的支撑者、专用模组和芯片的提供者、物联网专用产品的推动者”的战略定位。问题思考国内有哪些建模平台？问题思考●腾讯磨坊、模多克、琢刻、动动三维、3DPunk4.1关键技术：建模2.OT场景中建模的实现方法OT领域主要指的是运营技术或操作技术，在OT领域建模主要集中在复杂装备，对于OT领域的复杂装备和场景的建模，需要融合机械、电气、液压等不同领域知识。在工业业务的场景下，生产线上存在比较多的物联网设备的测点数据，与IT的数据相比，这一类数据体量比较大，但他们的格式相对来说比较统一。在OT工业场景中，建模使用的主要是Modelica建模语言。4.1关键技术：建模（1）Modelica建模语言

技术特点：Modelica是一种开放的以方程为基础的语言，适用于大规模复杂异构物理建模；它是面向对象、结构化的数学（物理）建模语言；它是陈述式建模（非因果建模）是基于物理方程描述物理行为，无需明确方程的因果关系或数据流向；它完全掌握模型数据原理，基于系统数学方程的模型构建，用户在建模过程中可以完全掌握其原理；它的代码是完全可见，底层代码完全可见，开放性好。问题思考Modelica建模语言主要的适用场景有哪些？问题思考由于Modelica是跨越不同领域，实现复杂物理系统的建模，主要运用在机械、控制、电磁、电子、电力、热、液压及面型对象的组件模型构建，目前工业界的三大工业建模工具都支持Modelica建模语言。越来越多的行业开始使用Modelica语言进行模型开发，尤其是汽车领域，例如：Audi，BMW，Daimler，Ford，Toyota，VW等世界知名公司都在使用Modelica来开发节能汽车、改善车辆空调系统等。Modelica适用场景广泛4.1关键技术：建模构建简单的机械系统模型将输入量为力改为位移

如：构建简单的机械系统模型，将图中力作为输入量，在建模过程中可以将输入改为位移。2.OT场景中建模的实现方法4.1关键技术：建模如：用Modelica基础库中的状态机控制水箱模型状态机控制水箱模型4.1关键技术：建模4.1.3建模的实现方法（2）OPCUA技术OPC是为了便于自动化行业不同厂家的设备和应用程序能相互的交互数据，而定义的一个统一的接口函数，也叫OPC协议规范。OPC就是用于软件与设备之间的交换数据。工作原理：它采用现代化的网络通信技术，是基于Web服务和互联网技术的基础上的；它使用“面向对象”的方式来描述设备与系统之间的通信，每个设备和系统都可以抽象出一个对象，对象有其自有的属性、方法和事件，通过读写这些对象的属性、调用方法及监听事件，设备与设备之间、设备与系统之间就可以实现数据交换和控制操作。问题思考OPCUA技术主要用到哪些场景中？问题思考●

工业自动化：OPCUA在工业自动化领域广泛应用，用于实现设备之间的数据交换和通信。通过使用OPCUA，不同厂商的设备和系统可以实现互操作性，实现数据的采集、监控、控制和优化。●物联网（IoT）：OPCUA作为物联网的通信协议之一，在物联网场景中具有重要作用。OPCUA提供了一种标准化的、安全的和可靠的通信机制，使得不同设备和系统之间能够进行无缝的数据交换和集成。

除此之外，OPCUA还应用于能源管理和智能建筑，以及物流和供应链管理等领域，为不同设备和系统之间的数据交换和集成提供了标准化、安全和可靠的通信机制。4.1关键技术：建模4.1.4模型的融合在数字孪生体系中，根据不同层面的建模进行分类，将模型构建主要分为几何模型构建、信息模型构建、机理模型构建等类