数字孪生及车间实践第二篇数字孪生研究体系

智能制造数字孪生研究体系1

数字孪生五维模型及理论思考2

New

IT

使能数字孪生3

数字孪生理论技术体系4

数字孪生工具体系5

数字孪生标准体系1.1

五维数字孪生模型1.2

数字孪生应用准则1.3

基于数字孪生五维模型的十大领域应用探索1.4

基于五维数字孪生模型的理论难题与科学问题思考1

数字孪生五维模型及理论思考1.1

五维数字孪生模型图1.1数字孪生五维模型

1.1.1物理实体物理实体（PE）是数字孪生的根基。数字孪生通过数字化方式为PE创建虚拟模型，以反映其属性、模拟其行为、预测其趋势。PE是客观存在的，指一类可感知、可交互的物理系统或物理活动过程，通常由各种部件、子系统组成，并具有独立完成至少一种任务的能力。PE根据自然法则开展活动并应对不确定的环境。对PE的感知通常通过各种传感器、执行器实现，通过接触或非接触的传感器的状态感知或与PE的执行器的接口连接等方式，实时监测PE的运行状态和环境数据。根据功能和结构，PE可以分为3个级别：单元级别、系统级别和复杂统（SoS）级。1.1.2虚拟模型虚拟模型（VE）为

1.1.3孪生数据孪生数据（DD）是数字孪生的驱动：

1.1.4应用服务应用服务（Ss）是指对数字孪生应用过程中所需各类数据、模型、算法、仿真、结果进行服务化封装，形成的以工具组件、中间件、模块引擎等形式支撑数字孪生内部功能运行与实现的“功能性服务（FService）”，以及以应用软件、移动端App等形式满足不同领域不同用户不同业务需求的“业务性服务(BService)”，其中，FService为BService的实现和运行提供支撑。1.1.5交互连接

CN_PD实现PE和DD的交互；CN_PV实现PE和VE的交互；CN_PS实现PE和Ss的交互；CN_VD实现VE和DD的交互；CN_VS实现VE和Ss的交互；CN_SD实现Ss和DD的交互。1.2

数字孪生应用准则图1.2数字孪生五维模型与应用准则

1.3

基于数字孪生五维模型的十大领域应用探索1.3.1数字孪生卫星工程为适应卫星产业面对的技术发展、产业升级、工程需求的挑战，提升卫星产业数字化、网络化、智能化、服务化水平，陶飞团队将数字孪生技术引入卫星工程中，参照数字孪生五维模型，与卫星工程中的关键环节、关键场景、关键对象紧密结合，提出了数字孪生卫星工程的概念，基于模型与数据对物理空间的卫星工程进行实时的模拟、监控、反映，并借助算法、管理方法、专家知识、软件等对卫星工程进行分析、评估同步，进而辅助卫星工程各阶段管控与协同。图1.3数字孪生卫星工程概念内涵

图1.4空间维度的数字孪生卫星工程图1.5时间维度的数字孪生卫星工程

1.3.2数字孪生船舶全生命周期管控图1.6数字孪生船舶全生命周期管控

1.3.3数字孪生车辆抗毁伤评估图1.7数字孪生车辆抗毁伤性能评估

1.3.4数字孪生电厂智能管控图1.8基于数字孪生的电厂智能管控系统

1.3.5数字孪生飞机起落架结构优化设计图1.9

数字孪生驱动的飞机起落架结构优化设计

1.3.6数字孪生复杂机电装备故障预测与健康管理图4.10基于数字孪生的风力发电机齿轮箱故障预测1.3.7数字孪生立体仓库图1.11数字孪生立体仓库

1.3.8数字孪生医疗图1.12数字孪生医疗

1.3.9数字孪生车间随着信息技术的深入应用，车间在数据实时采集、信息系统构建、数据集成、虚拟建模及仿真等方面获得了快速的发展，在此基础上，实现车间信息与物理空间的互联互通与进一步融合将是车间的发展趋势，也是实现车间智能化生产与管控的必经之路。（1）数字孪生车间设备健康管理；（2）数字孪生车间能耗多维分析与优化；（3）数字孪生车间动态生产调度；（4）数字孪生车间过程实时控制。1.3.10数字孪生城市借助数字孪生技术，参照数字孪生五维模型，构建数字孪生城市，将极大改变城市面貌，重塑城市基础设施，实现城市管理决策协同化和智能化，确保城市安全、有序运行。（1）物理城市；（2）虚拟城市；（3）城市大数据；（4）虚实交互；（5）智能服务。图1.13

数字孪生城市

1.4

基于五维数字孪生模型的理论难题与科学问题思考数字孪生在制造和相关领域的实践应用过程中，还存在一系列科学问题和难点有待突破。围绕数字孪生五维模型，存在以下理论难题与科学问题：（1）在物理实体维度，难题主要体现在如何实现多源异构物理实体的智能感知与互联互通。（2）在虚拟模型维度，难题包括如何构建动态多维多时空尺度高保真模型，如何保证和验证模型与物理实体的一致性/真实性/有效性/可靠性，如何实现多源多学科多维模型的组装与集成等。（3）在孪生数据维度，难题包括如何实现全要素/全业务/全流程多源异构数据的实时采集与高效传输，如何实现信息物理数据的深度融合与综合处理，如何实现孪生数据与物理实体、虚拟模型、服务/应用的精准映射与实时交互等。（4）在连接与交互维度，难题体现在如何实现跨协议/跨接口/跨平台的实时交互，如何实现数据-模型-应用的迭代交互与动态演化等。（5）在服务/应用维度，难题包括如何基于多维模型和孪生数据，提供满足不同领域、不同层次用户、不同业务应用需求的服务，并实现服务按需使用的增值增效等。通过以下几步有助于为解决上述理论难题与科学问题铺平道路，让数字孪生的研发步调更加一致：首先，统一数据和模型标准。数据应当进行标准化处理，统一输出为某种通用格式，如果存在其他数据标准，也可广泛推行。此外，数字孪生还需要兼容所有模型的通用设计和开发平台。第二，共享数据和模型。创立一个共享数字孪生的公开数据库，由政府资助机构或校企联盟负责管理，数据归属和开放性的问题应当得到妥善处理。2.1

IT技术发展历程与NewIT的内涵2.2

数字孪生与NewIT的融合2

NewIT

使能数字孪生2.1

IT技术发展历程与NewIT的内涵自1946年第一台电子计算机ENIAC问世，IT技术就不断地驱动制造向着信息化的方向发展。20世纪50年代，美国麻省理工学院研制成功了第一台数控铣床，制造业进入了数控时代。图2.1制造与IT的融合发展

图2.2工业技术、信息技术和智能技术的集成

2.2

数字孪生与NewIT的融合图2.3数字孪生五维模型与NewIT的关系

2.2.1数字孪生与物联网国际电信联盟（ITU）对物联网（IoT）的解释：“随时随地都可以智能互联。”物联网可以从面向互联网、面向物和面向语义3个角度来理解。从面向物的角度来看，IoT由大量事物组成，包括各种物理元素以及环境中的元素等；从面向互联网的角度来看，IoT是Internet和Web到物理领域的扩展，从用于互连最终用户设备的Internet转变为用于互连空间分布的物理对象的Internet；从面向语义的角度来看，IoT具有提取知识的能力，包括识别和分析数据以做出正确的决定以提供所需的服务。

数字孪生是基于数据和模型驱动，通过采集物理传感器的数据，由此实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。

对物理世界的全面感知是实现数字孪生的重要基础和前提，物联网通过射频识别、二维码、传感器等数据采集方式为物理世界的整体感知提供了技术支持。因此，数字孪生必须与物联网技术密切配合使用。2.2.2数字孪生与大数据项目大数据数字孪生背景NewIT的快速发展和广泛应用以及数据量的指数增长NewIT的飞速发展以及对信息物理集成的渴望概念包括数据和处理；专注于大批量和高价值包括物理和虚拟世界以及将两个世界联系在一起的数据；专注于虚拟现实的双反射功能挖掘行为特征和模式；洞察趋势；数据可视化；预测和分析问题；协助决策；优化和改进流程虚拟验证；仿真运行；超高保真实时监控；预测和诊断问题；优化和改进流程应用从设计到MRO等的产品生命周期从设计到MRO等的产品生命周期影响提高效率，客户满意度和管理精度；延长产品和设备的使用寿命；降低成本；促进智能制造提高效率，客户满意度和管理精度；延长产品和设备的使用寿命；降低成本和开发周期；促进智能制造关键技术物联网；云计算；数据清理；数据挖掘;机器学习等物联网；虚拟现实；增强现实；CPS；仿真等表

2.1

制造中大数据与数字孪生的对比

项目大数据数字孪生数据源在产品生命周期的每个阶段都来自物理实体，信息系统和Internet在产品生命周期的每个阶段都来自物理实体，虚拟模型及其融合数据量大量，从PB到EB，甚至ZB无具体数量数据特征结构化，半结构化和非结构化数据结构化，半结构化和非结构化数据多源关联专注于数据属性并突出功能之间的关系专注于多源数据的一致性及其演化和集成数据获取工具传感器，RFID和其他感应设备；SDK，API；网络搜寻器等传感器，RFID和其他感应设备；模型数据接口等数据处理通过大数据处理工具，算法平台等没有具体方法数据融合产品生命周期中各个阶段的各种对象数据融合整个产品生命周期中的全元素，全流程，全业务数据融合时效性和准确性高高可视化表格，图表，图形和文件打印等图像，视频，虚拟和增强现实等。结果验证通过物理执行过程或来自第三方的模拟；比较慢通过自身的虚拟仿真和演化功能执行预验证；相对提前表

2.1

（续）图2.4

基于大数据的数字孪生应用

2.2.3数字孪生与云雾边云计算：一种模型，用于使人们能够对共享的可配置计算资源的池进行普遍、方便、按需的网络访问。可以通过最少的管理工作或服务提供商的交互来快速配置和发布。雾计算：云计算向边缘网络的扩展，提供了靠近用户边缘设备的服务，而不是将数据发送到云。特征在于位置感知、低延迟、边缘定位、实时交互、互操作性以及对与云的在线交互的支持等。边缘计算：一个分散的体系结构，由越来越多的智能终端、物联网中的大型网络设备以及计算机组件成本的降低驱动。可以定义为更多的朝向终端的资源，不仅是数据消费者，而且是数据生产者。通过边缘设备中的数据分析和处理，可以实现底层对象与对象之间的感测，交互和控制。图2.5基于云、雾、边的数字孪生分层

2.2.4

数字孪生与人工智能人工智能（AI）是通过将计算机科学与生理智能相结合来使计算机具有人类智能并像人类一样行为的科学。包含两个含义：（1）智能是人工智能的核心目标和最终追求；（2）人工智能属于计算机科学。数字孪生需要结合AI来应对实施挑战。AI可以从感知、认知、学习和适应等方面解决数字孪生的挑战。（1）通过图像、视频，声音等收集信息的能力，AI可以帮助数字孪生获取大量隐含数据。（2）通过知识推理认知，AI支持数字孪生理解模型参数的含义并做出最佳决策。（3）AI通过自学习能力使数字孪生能够追踪数据之间的隐藏关系并建立基于数据的准确模型。（4）AI通过自检，自诊断和自适应，使得模型的参数更新以确保对物理空间的准确映射。2.3.5

数字孪生与3RVR/AR/MR通过计算机技术创建3D动态沉浸式虚拟场景，允许参与者与虚拟对象进行交互，从而可以突破空间、时间和其他客观限制，实现对真实世界的模拟和体验。3R技术提供的深度沉浸的交互方式使得数字化的世界在感官和操作体验上更加接近物理世界，使得数字孪生应用超越了虚实交互的多种限制。无论是虚拟现实、增强现实还是混合现实，在数字孪生的各个场景中都有巨大的应用潜力。2.2.6

数字孪生与5G5G是最新一代蜂窝移动通信技术，是继4G、3G和2G系统之后的延伸。其核心含义是：以最佳方式，连接、控制、交换、定位、协作所有事物，并超越空间和时间的限制来创建新的业务模式。5G通信技术具有高速率、大容量、低时延、高可靠的特点，能够契合数字孪生的数据传输要求，满足虚拟模型与物理实体的海量数据低延迟传输、大量设备的互通互联，从而更好地推进数字孪生的应用落地。因此，无论是孪生数据的收集，还是孪生模型的构建或应用，都需要5G确定性网络的支撑。图

2.65G对数字孪生何用2.2.7

数字孪生与区块链区块链是一个分布式的共享账本和数据库，具有去中心化、不可篡改、全程留痕、可以追溯、集体维护、公开透明等特点。其本质是一个去中心化的数据库，可以实现任何规模和类型的物联网节点的访问，打破了数据平台的障碍。区块链可对数字孪生的安全性提供可靠保证，可确保孪生数据不可篡改、全程留痕、可跟踪、可追溯等；可防止数字孪生被篡改而出现错误和偏差，以保持数字孪生的安全；可以确保服务交易的安全，从而让用户安心使用数字孪生提供的各种服务。3.1

数字孪生的功能和技术体系3.2

数字孪生中认识和改造物理世界的技术3.3

数字孪生建模技术3.4

数字孪生数据管理技术3.5

数字孪生服务应用技术3.6

数字孪生连接技术3

数字孪生理论技术体系3.1

数字孪生的功能和技术体系数字孪生反映了虚拟现实与物理世界和虚拟世界之间的映射关系。数字孪生可以分为实体数字孪生和场景数字孪生。基于3D几何模型，实体数字孪生的功能是集成不同的信息。在整个生命周期中普遍跟踪实体。物理实体将具有与其状态、运行轨迹和行为特征完全相同的虚拟双胞胎。对于数字孪生场景，物理场景在虚拟空间中用静态和动态信息表示。静态信息包括空间布局、设备和地理位置，动态信息涉及环境、能耗、设备运行、动态过程等。物理场景中的活动可以由数字孪生模拟。图

3.1数字孪生的组成与应用

在数字孪生的实际应用中，以下要点需要更多注意：（1）任何数字孪生的核心都是高保真虚拟模型.（2）虽然虚拟模型是数字孪生的关键部分，但数字孪生建模是一个复杂且反复的过程。一个好的虚拟模型的特点是高度标准化，模块化，轻量级和健壮性。（3）模型和服务的操作全部由数据驱动。（4）数字孪生的最终目标是为用户提供增值服务。图3.2

数字孪生使能技术体系

3.2

数字孪生中认识和改造物理世界的技术图3.3认知和控制物理世界的技术虚拟模型需要发展以逐步改善与物理实体的对应性，这需要对物理世界有充分的了解和感知。另一方面，在将物理实体数字化之后，可以发现许多隐式关联，这些关联可以用来促进物理实体的进化以改变物理世界。

3.3

数字孪生建模技术3.3.1数字孪生模型构建准则数字孪生模型“四化四可八用”构建准则：以满足实际业务需求和解决具体问题为导向，以“八用”（可用、通用、速用、易用、联用、合用、活用、好用）为目标，提出数字孪生模型“四化”（精准化、标准化、轻量化、可视化）的要求，以及在其运行和操作过程中的“四可”(可交互、可融合、可重构、可进化）需求。图3.4数字孪生模型构建准则：四化四可八用3.3.2数字孪生模型构建理论体系图3.5数字孪生模型构建理论体系：建-组-融-验-校-管

数字孪生模型构建体系的六大组成部分：模型构建模型组装模型融合模型验证模型校正模型管理3.3.3数字孪生模型技术体系图3.6数字孪生建模技术

3.4

数字孪生数据管理技术图3.7数字孪生数据管理技术

3.5

数字孪生服务应用技术图3.8数字孪生服务应用技术

3.6

数字孪生连接技术图3.9数字孪生的连接技术

4.1

数字孪生中物理实体相关工具4.2

数字孪生中建模相关工具4.3

数字孪生中数据管理工具4.4

数字孪生中服务应用工具4.5

数字孪生中连接相关工具4.6

综合性工具4

数字孪生工具体系4.1

数字孪生中物理实体相关工具图4.1数字孪生中物理实体相关工具

4.2

数字孪生中建模相关工具图4.2数字孪生中建模相关工具

4.3

数字孪生中数据管理工具图4.3数字孪生中数据管理工具

4.4

数字孪生中服务应用工具图4.4数字孪生中服务应用工具

4.5

数字孪生中连接相关工具图4.5数字孪生中连接相关工具

4.6

综合性工具

类别PredixPTC’sThingworxSiemens’MindSphereANSYS达索3DExperienceFoxconn'sBeacon物理感知和控制认识物理世界

√√

改造物理世界√

√

建模几何建模

√

物理建模

√√

行为建模

√

规则建模

√

孪生数据管理数据采集√√√

√数据传输

√√

数据存储

√

√√数据处理√

√√数据融合√

√√数据可视化

√√服务仿真√

√√√√优化√

√

√诊断/预测√√√√

√平台服务√√√

√√连接信息世界连接√

√

√

信息物理连接√√√

√√表4.1

综合性工具及其在数字孪生各个方面的作用

实施数字孪生系统是一个复杂的系统，是一个漫长的过程，需要多种技术和工具才能协同工作。数字孪生涉及由不同公司发明或开发的多种技术和工具。关于这些技术和工具，存在不同的协议和标准。为了使这些技术和工具能够协同工作，数据和模型应标准化并以通用格式、协议和标准提供。通过通用格式、协议和标准，这些技术和工具可以共同实现特定目标。5.1

数字孪生标准现状5.2

数字孪生标准建设需求5.3

数字孪生标准体系框架5.4

数字孪生基础共性标准5.5

数字孪生关键技术标准5

数字孪生标准体系5.6

数字孪生工具/平台标准5.7

数字孪生测评标准5.8

数字孪生安全标准5.9

数字孪生行业应用标准5.1

数字孪生标准现状5.1.1数字孪生国内标准现状标准名称归口单位类别进行阶段20203707-T-604自动化系统与集成复杂产品数字孪生体系架构全国自动化系统与集成标准化技术委员会国家标准起草阶段数字孪生公共信息模型（CIM）平台总体框架中关村现代信息消费应用产业技术联盟团体标准已立项T/CAEE006—2020数字孪生仿真数据管理系统（SDM）数据模型规范中国电子装备技术开发协会团体标准公布T/CAEE008—2020 数字孪生智能制造系统平台组织结构及权限管理规范中国电子装备技术开发协会团体标准公布T/CAEE010—2020 数字孪生定制移动APP通用安全技术规范中国电子装备技术开发协会团体标准公布T/CAEE011—2020数字孪生移动应用程序通用测试规范中国电子装备技术开发协会团体标准公布T/GDMES0018.1—2020数字孪生生产线第1部分：术语和定义广东省机械工程学会团体标准公布表5.1数字孪生相关国内标准标准名称归口单位类别进行阶段T/GDMES0018.2—2020数字孪生生产线第2部分：离散制造结构模型

广东省机械工程学会团体标准公布T/GDMES0018.3—2020数字孪生生产线第3部分：离散制造设计平台广东省机械工程学会团体标准公布T/TMAC025—2020智能建造数字孪生车间技术要求中国技术市场协会团体标准公布Q/BCJX-2020注塑机数字孪生平台博创智能装备股份有限公司企业标准公布Q/110108JHWT001-2020基于模型系统工程的数字孪生在线协同设计平台标准精航伟泰测控仪器(北京)有限公司企业标准公布Q/300000CSY001-2020面向5G+数字创意的数字孪生可视化远程协同设计系统标准磁石云(天津)数字科技有限公司企业标准公布Q/JEE030-2020面向新能源汽车动力系统智能生产线的机器人数字孪生体模型安徽巨一科技股份有限公司企业标准公布Q/JEE029-2020面向新能源汽车动力系统智能生产线的机器人数字孪生联调测试安徽巨一科技股份有限公司企业标准公布表5.1（续）5.1.2

数字孪生国际标准现状标准名称组织领域进行阶段ISO/PRFTR24464:Automationsystemsandintegration-Industrialdata-VisualizationelementsofdigitaltwinsISO/TC184/SC4Industrialdata制造公布ISO/DIS23247：Automationsystemsandintegration-DigitalTwinframeworkformanufacturingISO/TC184/SC4Industrialdata制造征询意见Securitymeasurefordigitaltwinsystemofsmartcities国际电信联盟ITU-TSG17智慧城市已立项Securitymeasureforsmartresidentialcommunity国际电信联盟ITU-TSG17智慧城市已立项SystemarchitectureofdigitalrepresentationforphysicalobjectsinfactoryenvironmentsIEEEP2806制造已立项StandardforconnectivityrequirementsofdigitalrepresentationforphysicalobjectsinfactoryenvironmentsIEEEP2806.1制造已立项Digitaltwin—Conceptsandterminology