3份带你了解数字孪生理念、架构及实践

3份PPT带你了解数字李生理念.架构及实践

文章来源:先进制造业，仅用于学习交流。

先进制造业•导读

数字李生，作为连接实体与数字空间的一种高保真、实时互动的可

视化模型，随着工业互联网的发展，成为一种全新而有效的解决方案。

工厂的设备，可以通过实时可视化的数字挛生，模拟机器在生产系统中

的表现，通过虚实交互、数物融合和知识自动化，形成一线操作者和管

理者的决策支撑系统，提供更加实时、高效、智能的服务。今天分享3

个干货PPT带你了解数字学生理念、架构及实践。

01第一份

数字率生发展态势

1.数字学生正成为全球信息技术发展的新焦点

2.数字学生正成为跨国企业业务布局的新方向

3.数字学生正成为主要国家数字化转型的新抓手

1.1数字李生正成为全球信息技术发展的新焦点

>2016-2018年.Gartner连续三年将数字季生列为十大战略科技发展趋势

>2019年,Ganncr认为数字学生处于期望膨胀期顶峰,将在未来5年将产生破坏性创新

GartnerGartner

1.2数字李生正成为跨国企业业务布局的新方向

数字挛生数字学生+数字李生H

DigitalTwinP/F/F

西门子公司DigitalComprehensiveDigitalTwin

数字孥生数字学生产品/生产/燃效综合数字孳生

DigilalTMnDigitalTwin+KS^trmDigitalTwia*AR

PTC公司

数字孳生数字挛生+知猊体系数字学生♦增强现实

加

达索公司ViKuMlT^iuPiuduvllifnjbKlrTnin3DEXPEKIENCET”

虚拟孕生产品全生命周期学生3DEXPERIE、CE学生

Physical-BasedVirtualTwinDatc*DrhcdVirtualTwinHybridT^in

ESI公司

易于物理的虚用孥生数据掣动的也用掣生混合孥生

1.3数字李生正成为主要国家数字化转型的新抓手

＞美国工业互联网联盟将数字李生作为工业＞德国工业4.0参考架构将数字李生作为重要内容。

互联网落地的核心和关键。

资产层n物（设做/机器/产品等）

图以数字学生体框架为核心的工业互联网Paas系

13数字李生正成为主要国家数字化转型的新抓手

国家建设目标

智慧新加坡虚拟新加坡

城市法国数字学生巴黎

加拿大多伦多高科技社区

中国堆安新区数字城市

SMARTCITY

中国杭州城市大脑

凯

国家相关知名公司oQ

一

车

r与

中国百度、华为、腾讯、阿里等

联3

美国依斯拉、福特等

匕

网

日本丰田、本田等

《

2』数字挛生历程：历经技术积累、概念提出、应用萌芽、快速发展四个阶段

2362。15年慨念提出期201%2020年应用萌芽期202,未来快速发展期

CAx软件为数字学生的出现共定了美国军方机构开始提出数字学生工业软件巨头酚纷布局数数字挛生技术和产业生

技术基础的相关概念字李生业务态都有望迎来爆发期

•I外9年第代CAM软件APT何世；•2003年密里:根大学MichaelGncccs•M「2017年正式发布「数•数字学生杓加速。\

•1969年NASA推出了第一代CAE软件教授苒次提出数字学生慨念；字萃生体应用模逍；新兴技术做合发展进•步应

COSMICNutran：•2010年美国军方提出数字线程；•PTC2017年推出将广数字学风

•1973年第一代CAPP系统AuToPr3同批:•2011年洛克布键马丁饕出数7邺«;生技术的物联网解决方案；•数7平'I广泛应用JX业

•1%2年二维绘图怵志性工具AutoCAD•2012年NASA发布了包含数？个生♦达也GE.ESI等企业开蛤互联网、车联网.曾觉城

问世，的两份技术路线图宣传和使州数字学生技术市等新聿场景

2.2数字学生定义

＞国外研究机构____________________

•德勤：数字孥生是以数字化的形式对某一物理实体过去和目前的行为或流程进行动态工现

•埃森哲：数字空生是指物理产品在虚拟空向中的数字模型,包含了从产品构思到产品退市全牛•命同期的产品信息

・美国国防采办大学：数字学生处充分利用物理模型.传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理吊.、多尺度、

多概率的仿真过程,在虚拟空间”完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命冏期过程，

•密歇根大学：数字学生是其「传感器所建立的某一物理实体的数字化模型,可模拟显示世界中的具体事物

＞国内行业专家

•宁报波：数T竽牛.是将物理时象以数'，：化方式住虚拟空间呈现.模拟其在:现实环境中的行为特征

•赵敏：数字学生是指在数字虚体空网中所构建的虚拟事物.与物理实体空间中的实体力物所对应的、在形态和举止上都

相像的虚实精胸映射关系

•林诗万：数字学生是实体或逻辑对象在数字空间的全生命周期的动态史制体.可基rI：富的历史和实时数据.先进的算

法模型实现时对象状态和行为高保式度的数字化袅征、模拟试验和预测

・网飞：数字学生以数字化的方式独在物理实体的多维.多时空尺度、多学科.多物理证的动态珑拟模中来仿真和刻画物

rm，34;a.MImil«r

2.2数字挛生定义：实现物理空间在赛博空间交互映射的通用使能技术

＞数字季生是综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义，对物理空间进行描述、

诊断、预测、决策,进而实现物理空间与赛博空间的交互映射。

2.3数字李生内涵：涵盖“12345”五大内容

项通用技术支撑经济社会数字化转型的通用使能技术

物理空间赛博空间

:挛生空间

原子比特模型软件

2.4数字李生典型特征：数据驱动、模型支撑、软件定义、

精准映射、智能决策

•数了学生的本航是在比杼的汪蒲中市构除r的运行轨道,以数据的流功实现

物理世界的资源优化

•数字享生的核心是面向物理实体和逻辑对象独在机理模型或数据职动怏刑.

形成物理空间在赛博空间的虚货交互

•数字学生的关避是将模里代码化、标准化.以软件的形式动至模拟或监测物理

空间的J（实状态.行为和规则

•通过盛知.建模、软件等技术.实现物理空间在春博空间的全囱呈现,精耀

表达和动态监浦

•未来数字学生将融合人1：带能竽技术.实足物理空间和突博空间的虚实互动.

辅助决策和持城优化

2.5数字挛生技术架构：分为物理层、数据层、模型层、功能层

应用层

数字

模型层机理模型数据驱动模型学生

技术

数据层数据采集数据处理数据传输架构

物理层物理实体

(1)应用视角：包括智能工厂、车联网等应用场景

数字拿生

智能工厂车联网智意城市智慧建筑

应用场景

》绘制“城市画像”

＞实现产品迭代式A与帙辅助

》实现城市规划‘一A人体运行打唧模拟

创新》部分自动驾驶A打造虚拟线

张图”仿真

A实现生产制造全》有条件白动驾筑

核心价值A实现城市难题•一》医疗设备远程管理

过程数字化管理收“施「优化》加快科研创新向临

眼明”

A开展设备预测性A高度自动驾驶A智恕家居床实践的转化

A实现城市治理--

维护》完全自动驾驶

盘棋”

(2)功能视角：包括描述、诊断、预测、决策四个能力等级

物理世界Level1描述Level2诊断Level3预测Level4决策

通过终划6备采维到第It分析圻史也加.匕作功催抄示各支校刑9大系.在分析过去和脩洌木余的禁

据.“物It实体各要索送.件修♦《卜的原向未束ttE.财什力进打拚号

(3)部署视角：包括设想、确定方案、试运行、

产业化、效果后评价五个阶段

设想并评估当前应用场

明定最适合该应用场

景.拟定数字学生适用

景的方案

流程

评价产业化效果和投语效益推讲试行项目点体.以运用数字学生模不模拟

数字李生应用场景

1.数字化设计4.智怒城市

2.虚拟工厂5.车联网

3.3设备预测性维护3.6智慧医疗

3.1数字化设计：数字李生+产品创新

7一医素「所日一痂首辱左岳察召送甫双季季军接无行连声同会讦戴？承至位「孟森旗圣而进行祢索丽I

其

,实现反馈式设计、迭代式创新和持续性优化。目前,在汽车、轮船、航空航天、精密装备制造等领域

肾冲原型设计、娓静拟理设嗫谶战蜥形式

।需求设计验证

客户深度体验虚拟新漆一「定计协同辅助生产工程预W

集成服务接口

模型层

■多维动态的

数字环境

■精确执行的

数字模型

■同步交付的

数字产品

现场设备数据&.卓区史设计数据

3.2虚拟工厂：数字挛生+生产制造全过程管理

万西门子、洛马等国外公司，以及华龙迅达、东方国信、石化盈科等国内公日J,在赛博空间打造映射物理

空间的虚拟车间、数字工厂，推动物理实体与数字虚体之间数据双向动态交互，根据赛博空间的变化及时

调整生产工艺、优化生产参数，提高生产效率。

应用层智能计划排产物料配给管理1生产参数优化库存动态管控设备维护管理故障预测维修

手工质量追踪

协同工艺规划人员安排管控1生产环境管控安全可兼保障能效优化分析

>产品设计〉生产规划〉生产制造》经营管理〉产M服务>

模型层］离散行业露制选生产管理设备他康产M增值制造^力伸同

优化模型管理模型服务模型交易模型

流程行业生产过程状鳖节能减排工器化故障诊断态监

测模鼓模，模型

多协议兼容+边缘数据采集

数据层££MTDfriW1GHlW*hiU\41—QMBtliMriU1京+**堤

3.3设备预测性维护：数字挛生+设备管理

一海二务金港办高异妥展展应奉章至函&端而而萩R3我云藐冢石而臧与应藕「而而

依托现场数据采集与数字拿生体分析,提供产品故障分析、寿命预测、远程管理等增值服务，提升用户体

验，降低运维成本，强化企业核心竞争力。

应用层

3.4智慧城市：数字季生+城市运行管理

“通过建设城市数字李生体，以定量与定性结合的形式，在数字世界推演天气环境、基础设施、人口土地、

产业交通等要案的交互运行，绘制“城市画像”，支撑决策者在物理世界实现城市规划“一张图”、城市难

题“一眼明”、城市治理“一盘棋”的保合效益最优化布局。

应用层

3.5车联网：数字挛生+V2X

＞以百度、谷歌、腾讯等为代表的企业，积极探索数字挛生技术在车联网中的应用，有效实现了车与人、

车

、路、设施的全面连接，极大推动了自动驾驶智能化水平、交通安全保障水平和公共交通服务效率的提升。

动力调赘电池维护运动模式远程控制自动驾驶

应用层

发动机保养电路诊断安全行驶景点推荐线路规划

综合利用各种模型,得到最优交通运行效率

几何模型।逻辑模型动力模型［制动澳型驾驶员行为模型

模型层有限元模型i能耗模型**

控制模型风阻模型油耗模型环境模型

实时、动态采集人体、车辆、道路、设施信息

运献数据［油特效据传动信息制动同息道路情况天气信息

数据层

电路状态充电数据百擎信息车架结构车辆信息基础设施

3.6智慧医疗：数字挛生+医疗服务

，达索、海信等公司尝试将数字挛生与医疗服务相结合，实现人体运行机理和医疗设备的动态监测、模拟和

仿真.可加快科研创新向临床实践的转化速度、提高医疗诊断效率、优化医疗设备质控管理。

专家远程诊断健康状态实时监控医疗设备预见维护医疗手术辅助

打造趋于数字学生的个性化医疗解决方案

数字季生未来展望

数字挛生未来展望

从宏观看从中观看从微观看

数字学生不仅仅是•项通数字学生将成为支撑社会治理和产业数7数字学生落地的关键是“数据+

用使能技术,也将会是数化转型的发展范式.模型”,唬需分领域.分行业

字社会人类认识和改造世编制数字学生模型全景图谱

界的方法论,社会治理数字

产业数字化转型

化转型

数字享生

数据颦动模型

数

数

数

数

数

数机理模型

字

字

字

字

字

字

今

学

学

李

学

今

生

生

生

生

生

生

工

农

政

城

公

俣

业

业

府

市

民

灯物理实体逆辑对象

试验验证理论推理

总结与思考

02第二份

＞数字挛生建设背景

随着工厂自动化、信息化建设的不断推进，各种自动化系统、信息化系统的

部署与应用，使得作为产品生产的车间管理变得越来越重要，而且工作量越来越

大，协同工作性要求越来越高，对安全性、可用性和运维管理等要求也越来越高。

但另一方面，随着工厂智能化建设不断演变，会由于缺乏统一规划等制约条件，

而面临越来越大的挑战：

I工厂规模大、智能监控设备部署分散，巡检压力大，人力成本高，不能及时

发现问题。

I工厂监控缺乏集中、直观的可视化监控管理平台，管理人员无法实时、全面、

准确地了解现场生产情况和工序流程。

基于以上问题，建设三维可视化数字李生工厂平台势在必行。

＞数字挛生总体规划

数字李生工厂解决方案是通过集成三维可视化技术、快速建模技术、工厂设

备实时状态监控技术、摄像监控技术等，实现三维数字挛生工厂的整体管理。

三维数字享生工厂平台将车间三维高精度模型、工艺流程、设备属性、设备

实时数据，以及工厂运营管理数据等进行融合，直观地展示生产中间的工艺流程，

实现车间生产的远程控制管理，提高车间的运营管理效率。同时为客户提供完整

的、高附加值的产品解决方案，实现企业的智能化与精细化管理。

＞数字挛生总体规划

通过数字挛生工厂解决方案可实现以下目标：

•・实现可视化数字学生工厂。对整个园区、建筑物、生产车间、生产设备、监

控设备等进行三维建模，实现物理园区到三维虚拟园区的数字化、监控可视化的转

变。

•・实现生产监控的一体化、精细化管理。设备运行状态及参数实时采集，并自

动、统一汇总到系统平台；诵过仿真软件中模型状态的实时更新，使槿拟数据同真

实设备状态保持一致，实现车间设备真实运行情况的实时同步监控。

••实现告警可视化管理与定位。平台集成的监控子系统，可以设定监控属性预

警阈值以及预警等级，同时开放接收第三方系统推送的预警接口，实现不同等级的

预警展示，并用不同颜色进行提醒。点击预警对象时，可以显示详细的预警信息；

＞数字挛生总体规划

一2023商业智能

企业信息门户

日P\曰S

2021\Lean\KB精益生产及看板拉动

彳4PLM:产品生命周期管理

4CRM：客户关系管理

2019PLM\CRM\e-HR\

ERP:企业资源规划

BPM:业务流程审批系统

2018ERPXBPM

、信息安全管理：

卜数据安全、邮件及帐号管

Database\OA\E-Mail\Web理、网络管理&安全、服

site\Network\Server务器管理、IT资产管理

＞数字挛生整体规划一架构图

办公平台

邮件系统工作流移动审批［知识管理］［视频系统；

■獴墨，曲率

数据¥安全KT1；

感知工业节能

质■控瓶与设备故障颈■优化调度系统

成品盅分析

质量参数建模故障诊断建模全局智全局■调度

能调度调度仿真优

低成品率会片"化

高雄特征提取

共性分析能

参数监控调度规实时优调度

工厂级AFC力

与婕则挖掘化调度建模

计划层物料需求采购计划销售计划生产计划委外计划

MES

"I

1

1生产管理物料管理品质SPC采集管理追溯管理1

I

11

1高级排程物料拉动SPC模型上料防错WIP追溯1

1

1I

11

11

1工单管理道口收货数据采箍流程管控客诉追溯1

1

1|

1

11

1作业任务WMS系统品质监控防错防呆过站追溯1

11

11

11

11

1车间监控自动拣货SPC分析维修返工材料追溯1

1

1|

1

11

1设备管理先进先出品质改善测试程序品质追溯1

11

11

L1

自动化层ANDONPMCAVIRCDCS

ERP+智慧工厂解决方案

智慧工厂产品应用架构

琳•••

消费者电・平给消费者JttTMl消费者

1•色C户

快速・威个性・京

B2c陶诚连接服务B2B电自服务配送与售后服务会员营销服势全弟道运营星地8R务

多组织供应密El方工厂生产力同组织陶交易与结U全面侵■,金管理利滤中心核JI与报JSH*E*

供应物同车间作业

供盛商・以

产品设计工序计划/APS

MSH

W44W9XIMM^IQ««/MES

订单至困毒品委外管双

工艺管理质am技

WMS

筋■标度族■检晚质・遍测

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人力资源职员管理职酬管理

全成本管a资金营建资产管理核算与板告

考勤管理招耳管理»«ffa

开放平台肱础JK务平台（移动）BOS个性化犷及平台集成平台

智慧工厂-先数字化再智能化

•安灯内容信息采集与发布WIP跟踪（工位/工序/部件）

•设备运行状茶和运行越数各工位关重件安装GI配杳验

•线边物料的消耗与配送生产报工与节拍价值分析

•现场视频采集与近景分析各型号/各仃单的完工情况

•现场环境（光/温/湿/尘/气）各工位/各关重件实作工时

•质・统计分析报表及异常投告

■设备运行状态和运行参数・物流通道及设备监控

•质检现场数据/质检设施数据

■刀具/餐具/模具在库/在工位・叉车/AGV运行情况

•主机及关重件流转过程监控

•装运车辆的定位/瞅遇/调度关键RJ位•物流设备位置数字地图显示

廉信报表数据/统计分析数据

人员的定位/呼叫"配送执行状态跟诉及as控•

•现场质・事故位置与性质分析

•资源的能力/效率跟踪分析•仓库出入库/库存/缺科跟踪

制造领域产品蓝图

产品体系

五金行业|汽*配行，|注工行立

智慧工厂解决方案的核心要素

超级透明

•人与人、人员设备

•人与系统、系统与系统

超级柔性