《智能建造技术与装备》 课件 第五章 数字孪生技术与应用

智能建造技术与装备第五章：数字孪生技术与应用目录一、数字孪生概述二、国内外发展现状三、数字孪生技术概况四、数字孪生在智能建造中的应用目录一、数字孪生概述二、国内外发展现状三、数字孪生技术概况四、数字孪生在智能建造中的应用一、数字孪生概述——数字孪生的一般定义数字孪生是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段构建一个在数字世界中一模一样的实体，借此来实现对物理实体的了解、分析和优化。数字孪生是形成物理世界中某一生产流程的模型及其在数字世界中的数字化镜像的过程和方法数字孪生定义一、数字孪生概述——数字孪生的一般定义利用分析技术开展算法模拟和可视化程序，建立物理实体和流程的准实时数字化模型，识别不同层面偏离理想状态的异常情况。分析利用配置的传感器，获取与实际流程相关的运营和环境数据传感器传感器提供的实际运营和环境数据将在聚合后与企业数据合并数据在人工干预的情况下通过促动器展开实际行动，推进实际流程的开展促动器数字孪生五大驱动要素收集传感器通过集成技术（包括边缘、通信接口和安全）达成物理世界与数字世界之间的数据传输集成辅助传输一、数字孪生概述——“工业4.0”背景下的数字孪生“工业4.0”术语编写组对数字孪生的定义是：利用先进建模和仿真工具构建的，覆盖产品全生命周期与价值链，从基础材料、设计、工艺、制造及使用维护全部环节，集成并驱动以统一的模型为核心的产品设计、制造和保障的数字化数据流。“工业4.0”对数字孪生的定义著名的智能制造专家张曙教授理解并形成的数字孪生概念框架一、数字孪生概述——数字孪生技术的演化过程阿波罗项目制造领域“孪生体/双胞胎”概念，可追溯到1969年美国国家航空航天局（NASA）的阿波罗项目休斯顿指挥中心的阿波罗模拟器前景中绿色的是登月舱模拟器，后面棕色的是指挥舱模拟器

在飞行准备期间，被称为“孪生体”的空间飞行器被广泛应用于训练，在任务执行期间，利用该“孪生体”在地球上的精确仿太空模型，进行仿真试验。阿波罗登月舱阿波罗项目中数字孪生技术一、数字孪生概述——数字孪生技术的演化过程数字孪生名词由来2003年，迈克尔教授提出了“与物理产品等价的虚拟数字化表达”的概念：一个或一组特定装置的数字复制品，能够抽象表达真实装置并可以此为基础进行真实条件或模拟条件下的测试2003—2005年被称为“镜像的空间模型（MirroredSpacedModel）”2011年，迈克尔·格里夫斯教授在其书《智能制造之虚拟完美模型：驱动创新与精益产品》中，引用了其合作者约翰·维克斯描述该概念模型的名词，也就是数字孪生体，并一直沿用至今。2010年，美国国家航空航天局（NASA）的技术报告中正式使用了“数字孪生”一词。2006—2010年被称为“信息镜像模型（InformationMirroringModel）”一、数字孪生概述——数字孪生技术的演化过程美国空军研究实验室（AFRL）提出利用数字孪生体解决战斗机机体的维护问题2011年美国空军研究实验室（AFRL）吸纳了数字孪生的概念，制定未来30年的长期愿景——希望做到在未来的每一架战机交付时可以一并交付对应的数字孪生体提出了“机体数字孪生体”的概念。机体数字孪生体作为正在制造和维护的机体的超写实模型，是可以用来对机体是否满足任务条件进行模拟和判断飞行器数字孪生体是一个包含电子系统模型、飞行控制系统模型、推进系统模型和其他子系统模型的集成模型。一、数字孪生概述——数字孪生技术的演化过程NASA与AFRL的合作2010年，NASA开始探索实时监控技术（Condition—BasedMonitoring）2012年，合作双方对外公布的“建模、仿真、信息技术和处理”技术路线图中，将数字孪生列为2023—2028年实现基于仿真的系统工程的技术挑战2012年，面对未来飞行器轻质量、高负载及更加极端环境下的更长服役时间的需求，NASA和AFRL合作并共同提出了未来飞行器的数字孪生体概念。数字孪生体概念未来飞行器的数字孪生体概念一、数字孪生概述——数字孪生技术的演化过程NASA与AFRL的合作其中的典型成果是NASA与AFRL合作构建的F-15战斗机机体数字孪生体，目的是对在役飞机机体结构开展健康评估与损伤预测，提供预警并给出维修及更换指导。F-15战斗机机体数字孪生体发动机的实时监控和预测性维护此外，通用电气计划基于数字孪生实现对发动机的实时监控和预测性维护。一、数字孪生概述——数字孪生技术的演化过程数字孪生车间数字孪生车间（DigitalTwinWorkshop，DTW）是在新一代信息技术和制造技术驱动下，通过物理车间与虚拟车间的双向真实映射与实时交互，实现物理车间、虚拟车间、车间服务系统的全要素、全流程、全业务数据的集成和融合。目录一、数字孪生概述二、国内外发展现状三、数字孪生技术概况四、数字孪生在智能建造中的应用二、国内外发展现状——国外发展现状数字孪生国际的政策及应用2020年4月，英国重磅发布《英国国家数字孪生体原则》，讲述构建国家级数字孪生体的价值、标准、原则及路线图。法国高规格推进数字孪生巴黎建设，打造数字孪生城市样板虚拟教堂模型助力巴黎圣母院“重生”美法2020年5月，美国组建数字孪生联盟，美国工业互联网联盟将数字孪生作为工业互联网落地的核心和关键，正式发布《工业应用中的数字孪生：定义，行业价值、设计、标准及应用案例》白皮书。英巴黎圣母院数字孪生模型二、国内外发展现状——国外发展现状数字孪生国际的政策及应用数字孪生技术应用于韩国汉南大桥修缮——桥梁修缮团队借助数字孪生模型和图像处理与跟踪方法，对裂缝、材料降解、钢构件腐蚀等问题引入自动损坏检查机制，用于分析桥梁的未来表现。德国工业4.0参考框架，将数字孪生作为重要内容。新加坡率先搭建了“虚拟新加坡”平台，用于城市规划、维护和灾害预警项目。德新韩2020年，日本东京公开了“东京都3D视觉化实证项目”，该项目以现实空间数据化的技术“数字孪生”为目标，制作了西新宿、涩谷、六本木区域的3D都市模型，并验证了其在人口流动和防灾减灾等方面的效果。日“虚拟新加坡”平台二、国内外发展现状——国内发展现状数字孪生国内的政策整合周围环境、类似建筑等海量数据，形成高保真的建筑模型，基于此设计师能够确定大概的设计思路和方案。在施工阶段主要是利用传感器、RFID标签等感知设备对人、机、料等全要素进行实时感知，实现工程项目的管理。对于资产的管理，主要是利用传感器等设备，掌握资产运行状态的实时数据，从而建立一套数字孪生资产监测系统。关于建筑的改造与拆除，几乎很少有数字孪生技术相关研究关注该阶段。设计阶段施工阶段改造与拆除阶段运维阶段2019年以来，政府陆续出台相关文件，推动数字孪生技术发展；2020年，我国将数字孪生写入“十四五”规划，作为建设数字中国的重要发展方向；2020年，工业互联网联盟(AII)也增设数字孪生特设组，开展数字孪生技术产业研究；2021年，工信部发布《物联网新型基础设施建设三年行动计划》，加快了数字孪生技术研发与应用。数字孪生国内建造施工领域的应用现状目录一、数字孪生概述二、国内外发展现状三、数字孪生技术概况四、数字孪生在智能建造中的应用三、数字孪生技术概况——四个典型的技术特征虚实映射现实世界中的物理对象和数字空间中的孪生体能够实现双向映射、数据连接和状态交互实时同步基于实时传感等多元数据的获取，使孪生体全面、精准、动态反映物理对象的状态变化共生演进数字孪生所实现的映射和同步状态覆盖孪生对象全生命周期，孪生体随孪生对象生命周期进程而不断演进更新闭环优化建立孪生体的最终目的——通过描述物理实体内在机理，分析规律、洞察趋势，基于分析与仿真对物理世界形成优化指令或策略，实现对物理实体决策优化功能的闭环数字孪生四大技术特征三、数字孪生技术概况——数字孪生的关键技术建模仿真虚拟现实数字孪生三大关键技术基于数字化技术为用户呈现逼近的场景，实时映射多维空间仿真手段验证这种虚拟模型的准确性和完整性数字化建模的过程，是对真实的目标进行描述和表征三、数字孪生技术概况——实现数字孪生的技术流程数字孪生的技术架构分为物理层、数据层、模型层、功能层四层。数字孪生技术架构的四个层面相互关联。采集数据对采集的原始数据进行适当预处理通过平台进行仿真通过平台分析和预测虚拟实体的工作状态，实现整个生命周期映射数字孪生技术框架数字孪生技术实现流程目录一、数字孪生概述二、国内外发展现状三、数字孪生技术概况四、数字孪生在智能建造中的应用四、数字孪生技术在智能建造中的应用——智能建造与数字孪生智慧工地智能安全帽AI安全帽识别人员定位操作记录工作实况智慧工地云控基础设施塔吊动态监测指挥中心四、数字孪生技术在智能建造中的应用——数字孪生在智能建造中的应用内容在建筑物的全生命周期管理中，数据是传递建造信息的重要载体。在智能建造中应用数字孪生技术，需要解决四个关于数据的问题，即数据采集与通信数据建模数据管理数据应用四个关于数据的关键问题四、数字孪生技术在智能建造中的应用——数字孪生在智能建造中的应用内容数字孪生的技术架构包括：物理空间虚拟空间信息处理层系统层数字孪生的技术框架物理空间提供建造过程多源异构数据并实时传送至虚拟空间；虚拟空间通过建立虚拟模型，实现对物理空间建造全过程的实时反馈控制；信息处理层接收所有数据并进行处理操作，作为调控建造活动的决策性依据；系统层通过分析物理空间的实际需求，依靠虚拟空间算法支撑和信息层数据处理，进行建筑工程数字孪生的决策与功能性调控。四、数字孪生技术在智能建造中的应用——数字孪生在智能建造中的应用价值数字孪生能够提供数字化模型、实时的管理信息、覆盖全面的智能感知网络，能够实现虚拟空间与物理空间的实时信息融合与交互反馈，从而实现了建造过程中的可视化呈现、智能诊断、科学预测、辅助决策四大应用价值四、数字孪生技术在智能建造中的应用——数字孪生城市由于技术路线复杂，制度障碍较多，应用场景有限，数字孪生城市建设仍处于发展初期和战略培育期。“探索建设数字孪生城市”已经纳入国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要，数字孪生城市将成为新型智慧城市建设的必由之路和未来选择。数字孪生城市发展浪潮数字孪生城市四大特点四、数字孪生技术在智能建造中的应用——数字孪生城市精准映射通过空中、地面、地下、河道等各层面的传感器布设，实现对城市基础设施的全面数字化建模，形成虚拟城市在信息维度上对实体城市的精准信息表达和映射。软件定义以软件的方式模拟城市人、事、物在真实环境下的行为，通过云端和边缘计算，软性指引和操控城市的管理与