先进成形与智能技术 课件 第10章 数字孪生技术

10.1数字孪生的定义以及发展现状战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造目录CONTENTS10.1.1数字孪生的概念10.1.2数字孪生的特征10.1.3数字孪生的发展战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造110.1.1数字孪生的概念硬件服务ABCD新一代信息技术智能决策信息获取战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2数字化转型10.1.1数字孪生的概念数字孪生（DigitalTwin）起源航空军工领域各产业融合深化12向垂直行业拓展3战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3孪生的概念

物理孪生的概念在轧制生产过程中也有类似应用。在连轧生产中，每一个规格轧制参数的设定往往都需要事先在离线软件中进行模拟，最终才能应用到轧制工艺设定中。包含了设备及相关生产参数的离线轧制规程模拟软件便可视为是轧制生产线中轧制环节的孪生体，根据仿真的数据能够帮助工程师优化轧制参数、分析和评估设备的健康状况，如图所示。由美国国家航空航天局提出10.1.1数字孪生的概念10.1.1数字孪生的概念物理孪生与数字孪生对比战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造4对比内容物理孪生数字孪生形式物理复制品数字模型和仿真依赖制造工艺和材料数据收集和计算技术实时性静态或动态实验实时监控和更新应用范围通常用于关键零部件或系统广泛，涉及多领域成本制造和材料成本数据和计算成本局限性复制成本高，难以大规模应用依赖数据质量和模型精度战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造5数字孪生的定义10.1.1数字孪生的概念数字孪生（数字镜像、数字映射、数字双胞胎、数字双生、数字孪生体）

以模型和数据为基础，通过多学科耦合仿真等方法，完成现实世界中的物理实体到虚拟世界中的镜像数字化模型的精准映射，并充分利用两者的双向交互反馈、迭代运行，以达到物理实体状态在数字空间的同步呈现，通过镜像化数字化模型的诊断、分析和预测，进而优化实体对象在其全生命周期中的决策、控制行为，最终实现实体与数字模型的共享智慧与协同发展。战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6多维度多领域模型结合1多源异构数据采集与分析为核心2双向映射、动态交互、实时同步和迭代优化3闭环反馈控制410.1.2数字孪生的特征战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7多维度多领域模型结合10.1.2数字孪生的特征数字孪生作为仿真应用的发展和升级，与传统的仿真方式有着巨大的区别。数字孪生的模型贯穿物理系统的整个生命周期。数字孪生模型的构建需要考虑产品全生命周期的数据和行为表述。多个物理系统融合，多学科、多领域融合是现实系统的运行特点。物理系统在数字空间的数字模型需要体现这个融合，实现数字融合模型。不同的智能系统关注的重点领域不一，多学科耦合程度存在差异，因而其数字模型需要根据不同的应用场景对其组成部分进行融合，以全方位地刻画物理实体。数字孪生体与物理实体应该是“形神兼似”。“形似”就是几何形状、三维模型上要一致，“神似”就是运行机理上要一致。数字孪生模型的构建应按层级逐渐展开，形成单元级、区域级、系统级、跨系统级等多尺度层级，各层级逐渐扩大，完成不同的系统功能。

数字孪生技术解决问题的出发点在于建立高保真度的虚拟模型，在虚拟模型中完成仿真、分析、优化、控制，并以此虚拟模型完成物理实体的智能调控与精准执行，即系统构建于模型之上，模型是数字孪生体的主体组成。战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造8多源异构数据采集与分析为核心10.1.2数字孪生的特征战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造9物理系统、数字模型通过实时连接，进行动态交互、实现双向映射。适合应用场景的实时连接。“实时连接”在不同的应用场景下，其物理含义是不同的。数字孪生为复杂系统的感知、建模、描述、仿真、分析、诊断、预测、调控等提供了可行的解决方案，数字孪生系统必须能不断地迭代优化，即适应内外部的快速变化并做出针对性的调整双向映射、动态交互、实时同步和迭代优化10.1.2数字孪生的特征战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造10闭环反馈控制数字孪生的监控一般构建于三维可视化模型之上，各类数据按模型的空间、运行流程、管理层级等不同维度进行展示，能让用户直观感受系统运行状态，便于做出决策。数字孪生系统具备模拟、监控、诊断、推演预测与分析、自主决策、自主管控与执行等智能化功能。数字孪生系统必须数字孪生可看作是一种技术、方法、过程、思路、框架和途径，本质上是以服务为导向，对特定领域中的系统进行优化，满足系统某一方面的功能要求，如成本、效率、故障预测与监控、可靠运维等。10.1.2数字孪生的特征10.1.3数字孪生的发展战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造11

数字孪生是一种数字化理念和技术手段，它以数据与模型的集成融合为基础与核心，通过在数字空间实时构建物理对象的精准数字化映射，基于数据整合与分析预测来模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程，最终形成智能决策的优化闭环。

其中面向的物理对象包括实物、行为、过程，构建孪生体涉及到的数据包括实时传感数据和运行历史数据，集成的模型涵盖物理模型、机理模型和流程模型等。战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造122003年前后，关于数字孪生（DigitalTwin）

的设想首次出现于Grieves教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上。但是，当时“DigitalTwin”一词还没有被正式提出，Grieves将这一设想称为“ConceptualIdealforPLM（ProductLifecycleManagement）”，10.1.3数字孪生的发展战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造13燕山大学通过研发冷轧铜带板形控制数字孪生系统，在600mm四辊轧机和600mm六辊轧机上的工业应用表明，冷轧铜带板形控制数字孪生系统，不仅可以实时监控和优化轧制过程，改善板形控制效果，而且可以预警轧制故障，提高轧机运行的稳定性和安全性。东北大学RAL实验室基于现有自动化与信息化系统，深度融合数据驱动模型与机理模型，首次开发了热连轧过程动态数字孪生模型并建立了CPS控制系统平台，提高了轧制工艺对复杂多变工况的原位分析能力，改善了热连轧过程尺寸控制指标。10.1.3数字孪生的发展战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1410.1.3数字孪生的发展THANKS10.2数字孪生实现的技术路径战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造目录CONTENTS10.2.1虚拟建模10.2.2虚拟制造10.2.3虚拟映射10.2.4新型信息技术10.2.1虚拟建模战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1虚拟建模物理模型：指客观存在的实体，如实验中的飞机模型或船舶模型仿真模型：根据系统的形式化模型，转化为计算机可执行的模型形式化模型：指采用规范表述方法构建的模型，用数学方法抽象

原型的功能或结构特征战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2虚拟模型了解或设计系统的内在特性数学模型物理模型数学-物理效应模型控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机处理技术等理论基础，计算机和其他专用物理效应设备的硬件支持。实验10.2.1虚拟建模支持战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造310.2.1虚拟建模虚拟建模方法静态/动态建模连续/离散建模随机/确定性建模面向对象和多智能体仿真建模战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造410.2.1虚拟建模虚拟模型模拟预测性能优化战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造5虚拟制造（VirtualManufacturing,VM）10.2.2虚拟制造

虚拟制造是一种集成的仿真技术，它基于虚拟现实和仿真技术，对产品设计、生产过程进行统一建模，并在计算机上实现产品全生命周期的模拟仿真。特点：模型化：虚拟制造以模型为核心，依赖于产品模型、过程模型、活动模型和资源模型等多种模型。集成化：通过集成异构模型，虚拟制造实现了对产品和生产系统相关元素的统一建模。拟实化：虚拟制造追求仿真结果的高可信度和人机交互的自然化，其中虚拟现实（VR）技术是改善人机交互自然化的重要手段。战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6虚拟制造设计性虚拟制造：侧重于产品设计阶段，通过引入制造信息，实现对

设计的可制造性分析和优化控制性虚拟制造：侧重于系统控制，通过仿真全系统的控制模型和现

实加工过程，优化组织、调度与控制策略生产性虚拟制造：侧重于生产过程，通过仿真技术实现制造方案的快

速评价和生产过程的优化10.2.2虚拟制造战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造710.2.2虚拟制造基础认知实训提高综合分析实验虚拟仿真实验战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造810.2.2虚拟制造虚拟制造数字孪生推动制造业迈向更高智能化、自动化层次战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造9虚拟映射

虚拟映射是一种先进的集成方法，它通过创建物理实体的精确数字化副本来实现现实世界与数字世界的无缝对接。这种技术使得我们能够在虚拟环境中模拟、分析和预测物理实体的行为和性能，从而为决策提供支持并优化实际的业务流程。物理对象的实时数据采集历史数据先进的算法模型++高度仿真的

虚拟模型当下状态不同条件下的表现未来走向反映预测模拟10.2.3虚拟映射战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1010.2.3虚拟映射应用工程师和决策者可以在不干扰实际生产过程的情况下，对产品设计、制造过程、维护策略等进行测试和优化，在样机设计的早期阶段，它允许设计者、制造者和使用者直观形象地对产品的数字原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1110.2.3虚拟映射应用能够提供跨地域、跨部门的协作平台。不同的团队可以共享同一个虚拟模型，进行协同工作，共同分析问题和制定解决方案战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1210.2.3虚拟映射虚拟映射机器学习人工智能模拟现状自主进化10.2.4新型信息技术10.2.4新型信息技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造13工业互联网1大数据及智能算法2云计算3VR/AR/MR4工业互联网

战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造14

工业互联网是实现设备、控制系统、信息系统、人、产品之间网络互联的关键综合信息基础设施。它通过工业大数据的深度感知和计算分析，实现整个工厂的智能决策和实时动态优化。

重要性

工业互联网平台是工业全要素链接的枢纽，是工业资源配置的核心，为制造业数字化转型提供驱动力。10.2.4新型信息技术大数据及智能算法

战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造15

大数据是信息技术发展的产物，在数字孪生中扮演着基础性的角色，具有海量、高增长率和多样化的特征。

智能算法是数字孪生中的大脑，它们利用大数据提供的信息来进行决策支持。大数据

技术数据采集和预处理数据储存和管理数据分析和挖掘应用范围：

预测设备故障，优化生产调度，自动调整生产线参数以提高效率和质量，或者在供应链管理中进行需求预测和库存优化10.2.4新型信息技术云计算

战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造16

云计算提供了一种通过网络按需获取计算资源的模式。云计算基础设施即服务(IaaS)平台即服务(PaaS)软件即服务(SaaS)云计算的弹性可扩展性、集中化处理、存储与共享数据的能力，为数字孪生系统的实施提供了基础平台。10.2.4新型信息技术VR/AR/MR战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造17

虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)技术为用户提供沉浸式体验，将虚拟场景和现实世界融合，实现物理、虚拟世界的实时交互。

这些技术在数字孪生中用于提供更加直观和交互式的用户体验，增强用户对系统的理解和控制。10.2.4新型信息技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1810.2.4新型信息技术物理实体VS虚拟模型智能系统自我学习与感知THANKS10.3数字孪生技术在

先进成形中的应用战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造目录CONTENTS10.3.1超塑成形工艺的

数字孪生系统10.3.2熔模铸件尺寸控制的

数字孪生建模关键技术10.3.3板带材生产全流程

数字孪生系统10.3.1超塑成形工艺的数字孪生系统战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1超塑成形技术热力气耦合加载环境且在闭合模具原理应用战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2功能层模型层数据层物理层收集实际生产中的工艺数据通过三维建模和数据驱动的工艺参数优化模型进行仿真信息传递的

枢纽设备的可视化监控、工艺交互和产品质量管理10.3.1超塑成形工艺的数字孪生系统战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造310.3.1超塑成形工艺的数字孪生系统战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造4孪生模型模具实体10.3.1超塑成形工艺的数字孪生系统战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造510.3.1超塑成形工艺的数字孪生系统数字孪生提升孪生体建模精度超速成型数字化转型更高发展战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造610.3.2熔模铸件尺寸控制的数字孪生建模关键技术熔模铸造用于制造多因素干扰尺寸偏差与变形问题数字孪生技术解决战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造710.3.2熔模铸件尺寸控制的数字孪生建模关键技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造8蜡模点云铸件点云CAD模型点云10.3.2熔模铸件尺寸控制的