智能制造技术基础 课件 3.2数字孪生

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概述

数字孪生(又称为数字双胞胎、数字化双胞胎等)，是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段,为物理实体增加或扩展新的能力。数字孪生的描述:数字孪生是现实世界实体或系统的数字化体现。Garter数字孪生

数字孪生的定义北航陶飞在Nature中的评述：

数字孪生作为实现现实世界与虚拟世界之间双向映射、动态交互、实时连接的关键途径，可将物理实体和系统的属性、结构、状态、性能、功能和行为映射到虚拟世界，形成高保真的动态多维、多尺度或多物理量模型，为观察物理世界、认识物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一种有效手段。数字孪生

数字孪生的定义

数字孪生(即数字克隆)是基于物理实体的系统描述,可以实现对跨越整个系统生命周期的可信来源的数据、模型和信息进行创建、管理和应用。CIMdata数字孪生

概念模型、参考架构、应用框架、成熟度模型之间的关系数字孪生的模型数字孪生

数字孪生的五维概念模型

数字孪生五维概念模型是一个通用的参考架构，能适用不同领域的不同应用对象。数字孪生

数字孪生的五维概念模型

物理实体是基础，一般由具备不同功能的子系统构成，它们共同支持设备的运行，支持传感器采集设备和环境数据等。物理实体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。数字孪生

从多时间尺度、多空间尺度对物理实体进行描述和刻画，形成对物理实体的完整映射。虚拟实体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

可使用VR与AR技术实现虚拟实体与物理实体的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。数字孪生的五维概念模型数字孪生

服务对数字孪生应用过程中面向不同领域、不同层次用户、不同业务需求的各类数据、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，保证用户可以方便、高效使用。服务数字孪生的五维概念模型数字孪生

孪生数据是数字孪生的驱动力，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，能提供更加准确的全要素、全流程、全业务数据支持。数字孪生的五维概念模型孪生数据数字孪生

数字孪生的五维概念模型

也包括物理实体、虚拟实体、服务与孪生数据之间的连接，使它们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。连接

包括物理实体、虚拟实体、服务之间的连接，使它们在运行中保持交互、一致与同步。数字孪生

数字孪生的系统架构数字孪生系统的通用参考架构数字孪生

数字孪生的成熟度模型

数字孪生镜像物理世界，接收实时信息，驱动物理世界，可进化为“超体”。此过程称成熟度进化，经历数化、互动、先知、先觉、共智五步。数字孪生

“数化”是对物理世界数字化的过程。这个过程需要将物理对象表达为计算机和网络所能识别的数字模型。(1)数化数字孪生的成熟度模型——建模技术是数化的核心技术之一。——物联网是数化的另一项核心技术，将物理世界本身的状态变为可以被计算机和网络所能感知、识别和分析的数字化内容。数字孪生

(2)互动数字孪生的成熟度模型“互动”主要是指数字对象与相应物理对象之间的实时动态互动。——物联网是实现虚实之间互动的核心技术。——数字线程是实现数字对象之间互动的核心技术。还包括数字对象之间的互动。数字孪生

数字对象需表达物理形状并融入物理规律、机理。数字孪生系统应能建模并分析预测物理对象未来状态。(3)先知数字孪生的成熟度模型“先知”是指利用仿真技术对物理世界实现动态预测。数字孪生

数字孪生的成熟度模型(4)先觉

“先觉”是依据不完整的信息和不明确的机理，利用工业大数据和机器学习技术来预测未来。

如果要求数字孪生体更加智能和智慧，就不应局限于人类对物理世界的确定性知识，因为人类本身就不是完全依赖确定性知识领悟世界的。数字孪生

数字孪生的成熟度模型

“共智”是指利用云计算技术实现不同数字孪生体之间的智慧交换和共享，其隐含的前提是单个数字孪生体内部各构件的智慧可以互相共享。(5)共智

所谓的单个数字孪生体是人为定义的范围，多个数字孪生体可以通过共智形成更大和更高层次的数字孪生体，这个数量和层次可以是无限的。数字孪生

数字孪生的核心技术建模仿真基于数据融合的数字线程数字孪生

数字化建模技术起源于20世纪50年代，目的是简化和模型化物理世界的实体或问题。

数字孪生通过数字化和模型化消除不确定性。

建模技术是创建数字孪生的源头和核心技术。数字孪生的核心技术建模数字孪生

数字孪生模型的发展分为4个阶段：数字孪生的核心技术建模数字孪生

数字孪生的核心技术NASA在飞船飞行时，构建双胞胎实体模型，曾助拯救Apollo13。建模第1阶段是实体模型阶段，没有虚拟模型与之对应。数字孪生

数字孪生的核心技术

虚拟模型反映一类实体，非特定实体。二维或三维模型数字表达，非个体对应。建模

第2阶段是部分实体模型有其对应的虚拟模型，但它们之间不存在数据通信。此阶段非数字孪生，为实物数字模型。数字孪生

数字孪生的核心技术建模第3阶段，虚拟模型部分实现，如实体模型影子，称数字影子模型。虚拟与实体模型间可双向通信，数字孪生建模技术可满足此要求。数字孪生

建模数字孪生的核心技术

虚拟模型能完整表达实体模型，两者可融合、自我认知与处置，状态实时同步。可先有虚拟再有实体，为数字孪生高级应用。第4阶段是完整数字孪生阶段，即实体模型和虚拟模型完全一一对应。数字孪生

物理实体很难对应单一数字孪生体。物理实体因阶段、环境和物理过程不同而变化，需不同数字孪生体从不同视角描述。建模数字孪生的核心技术不同建模者描述同一物理实体的数字孪生模型结果往往不同。差异源于模型表达和数据粒度。细粒度数据有助于更深刻认识物理实体。数字孪生

建模与仿真是伴生体。建模是模型化理解，仿真验证理解正确性。数字化模型仿真技术是创建和运行数字孪生体、实现有效闭环的核心。仿真将模型转化为软件形式模拟物理世界。正确模型与完整数据可反映物理世界特性。仿真数字孪生的核心技术数字孪生

仿真数字孪生的核心技术

仿真兴起于工业，发展出多种技术和软件，新一轮工业革命下，工程仿真软件与制造技术结合，在研发、制造、运维等环节作用至关重要。制造场景下的仿真示例产品仿真包括工艺仿真、装配仿真、数控加工仿真等包括离散制造工厂仿真、流程制造工厂仿真等制造仿真生产仿真数字孪生

仿真数字孪生的核心技术包括系统仿真、多体仿真、物理场仿真、虚拟实验等仿真在智能制造中的应用数字孪生

仿真数字孪生的核心技术“数化”的核心技术—建模总是和仿真联系在一起，或是仿真的一部分;“互动”是半实物仿真中司空见惯的场景;“先知”核心技术的本色就是仿真;“先觉”中的核心技术——工业大数据是一种新的仿真范式;“共智”需要通过不同孪生体之间的多种学科耦合仿真碰撞产生智慧。仿真是数字孪生智能化和智慧化的源泉与核心如何保障产品的设计、制造运维等各方面的数据顺利产生、交换和流转;1如何在正确的时间把正确的信息用正确的方式连接到正确的位置;3在一些相对独立的系统之间，如何实现数据的无缝流动;2如何高效实现连接的过程追溯及连接效果的评估。4数字孪生

数字孪生的核心技术数字线程数字线程主要解决的问题:数字孪生

数字线程数字孪生的核心技术

数字线程指一种信息交互的框架，能够打通原来多个竖井式的业务视角，连通设备全生命周期数据(也就是数字孪生模型)的互联数据流和集成视图。CIMdata公司数字线程通过端到端的互联系统模型和基于模型的系统工程流程来支撑数字孪生系统。定义数字孪生

数字线程数字孪生的核心技术数字孪生

数字线程是某个或某类物理实体与对应的若干数字孪生体之间的沟通桥梁,这些数字孪生体反映了该物理实体不同侧面的模型视图。数字线程数字孪生的核心技术数字线程与数字孪生体之间的关系能够实现多视图模型数据融合的机制是数字线程技术的核心。1)

能区分类型和实例。8)记录与系统及其使能系统相关的文档和信息。5)

记录各种属性及其随时间和视图的变化而变化的情况。4)

支持系统各模型间及模型视图间跨时间尺度。3)

支持系统各模型视图间跨时间尺度的实际状态记录、关联和追踪。2)

支持需求及其分配、追踪、验证和确认。数字孪生对数字线程的需求数字孪生

数字孪生的核心技术数字线程6)

记录作用于系统的过程或动作,以及由系统完成的过程或动作。7)

记录使能系统的用途和属性。数字孪生

数字孪生的核心技术数字线程概念设计阶段，产品、制造工程师共创共享动态数字模型，生成所需可视化工艺、数控程序等，优化产品、过程，实时同步更新。数字线程必须在全生命周期中使用某种“共同语言”才能交互。数字线程评估系统生命周期能力，仿真发现缺陷，优化产品可操作性等，实现预测维护。数字孪生

数字孪生在智能制造中的应用

制造业研发领域数字化进展显著。CAD、CAE、CAM、MBSE等技术普及，研发设计离不开数字化。

数字孪生技术提升产品性能，缩短周期，为企业带来回报。

生产制造中，数字孪生控制设备自动运行，实现高精度加工和装配，提前预估故障，提高安全性和可靠性，实现智能控制。数字孪生

数字孪生在智能制造中的应用☹电厂、钢铁厂、矿场有物料堆放场。传统设计靠人为规划，常无法满足现场需求，造成浪费。数字孪生设计物料堆放场☺ABB公司用数字孪生技术设计物料堆放场。利用物联网历史数据优化需求，开发数字孪生体实时反映物料变化。经多次优化，在数字孪生体中虚拟运行发现问题并改进，迭代后形成最终方案，后续持续优化运行。数字孪生

数字孪生在智能制造中的应用数字孪生机床

开发机床数字孪生体，优化加工过程。使用自主工具监控，结合数据改进制造。优化控制部件，提高生产率，确保部件良好。数字孪生

模型可计算材料去除率、预测刀具破坏、模拟刀具稳定性、优化加工过程、预测表面粗糙度和热误差。机床数字孪生实时连接模型与数据，辅助决策。监控系统本地部署，数据上传云端管理。基于CAD和CAE技术数字孪生在智能制造中的应用数字孪生机床数字孪生水泵数字孪生

数字孪生在智能制造中的应用

水泵应用普遍，运行中来流条件的改变,导致气蚀,造成水泵叶片损坏,水泵过早报废。数字孪生

1.智能制造与工艺优化工艺仿真与优化：通过数字孪生模拟生产流程，优化工艺参数，减少试错成本。设备状态监测：实时监控设备运行状态，预测维护需求，减少停机时间。生产线虚拟调试：在虚拟环境中验证产线设计，缩短投产周期。数字孪生工业应用场景及典型案例应用场景：数字孪生

航空发动机制造：中国航发集团采用数字孪生技术优化涡轮叶片制造工艺，使制造效率提升25%，质量一次合格率提高15%。工业夹爪元宇宙：WOMMER重型平行夹爪结合数字孪生技术，实现虚拟仿真与物理设备联动，优化夹持路径，提高装配精度。兴澄特钢“灯塔工厂”：利用数字孪生优化特钢生产线，产量提升11.79%，不良率下降近60%。1.智能制造与工艺优化数字孪生工业应用场景及典型案例典型案例：缺陷检测：通过AI+数字孪生实时分析产品缺陷，提高质检效率。全生命周期追溯：记录产品从原材料到成品的完整数据，便于质量回溯。数字孪生

数字孪生工业应用场景及典型案例2.质量控制与追溯应用场景：泸州鑫阳钒钛钢铁：构建数字孪生工厂，实现质量精准追溯与智能检测，优化炼钢全流程8。东阳光生化制药：利用数字孪生预测发酵过程关键控制点，使生产波动率降低39.3%，抗生素产能提升15%。数字孪生

数字孪生工业应用场景及典型案例2.质量控制与追溯典型案例：数字孪生

数字孪生工业应用场景及典型案例智能电网优化：模拟电力系统运行，优化能源调度。抽水蓄能电站运维：通过数字孪生实时监控