智能设备数字孪生应用 课件 2 数字孪生的特征、应用及意义

智能设备的数字孪生授课教师：卞化梅数字孪生的定义数字孪生的特征数字孪生的应用1.11.21.3第一章

数字孪生的基础技术1.4数字孪生的发展与意义知识目标：本章学习目标

掌握数字孪生的一般定义与特征

理解数字孪生的数字孪生的核心要素

了解数字孪生的背景与应用

能说出数字孪生发展的历程与数字孪生的不同应用场景

能理清数字孪生的核心要素之间的联系

能正确描述数字孪生的特征

培养学生对知识的获取方法与联想能力

培养学生自学的方法与途径

思政目标：了解我国数字孪生市场规模，我国将数字经济作为发展的重要方向，智能制造是我国

工业的发展重要方向。数字孪生赋能智慧城市、智慧交通、智能制造、智慧流域等重要的行业中。能力目标：素养目标：数字孪生的特征1.2知识回顾（1）数字孪生定义（2）工业4.0的发启国是？（3）数字孪生最早是因为什么事件提出的？（4）数字孪生的核心要素有那些？课前思考说说生活中你体会到的数字孪生，有哪些特点？1.2数字孪生的特征医疗场景，远程医疗游戏中虚拟场景四川成都春熙路的裸眼3D大屏1.2数字孪生的特征数字孪生采用数字化的方式将现实物理实体进行虚拟的复制，为每一个实体建立一个对应的虚拟世界的实体，可以通过虚拟实体来实现对物理实体的监控、控制、优化等功能。虚拟复制虚拟世界虚拟实体现实世界物理实体监控、控制、优化1.2数字孪生的特征01虚实映射02实时同步03共生进化04闭环优化数字孪生的主要特征体现在虚实映射、实时同步、共生进化、闭环优化。数字孪生要求物理对象在数字空间的数字化表示，现实世界中的物理对象和数字空间中的孪生可以实现双向映射、数据连接和状态交互。对物理对象和数字空间的孪生对象进行实时数据采集和更新，利用传感器和网络技术获取实时数据，不断更新数字孪生的状态，确保数字孪生和实体世界一致。1.2数字孪生的特征虚实映射现实世界数字空间实时数据双向映射数据连接状态交互数字孪生可以涵盖整个物理实体的方方面面，包括结构、性能、状态、行为等信息。基于实时感知等多元数据的获取，数字孪生可以全面、准确、动态地反映物理对象的状态变化，包括外观、性能、位置、异常等。1.2数字孪生的特征实时同步同步更新在理想状态下，数字孪生实现的映射和同步状态应覆盖孪生子对象从设计、生产、运营到报废的整个生命周期，孪生子应随着孪生子对象的生命周期过程不断进化和更新。1.2数字孪生的特征共生进化设计生产运营报废数字孪生建立双生子目的是为了对物理实体的内部机理进行描述、规律的分析以及区域的洞察，最终形成基于分析和仿真对物理世界的优化指令和策略，从而实现物理实体的闭环优化功能。1.2数字孪生的特征闭环优化物理世界虚拟世界分析优化数字映射数字孪生的应用1.31.3数字孪生的应用应用对象类别静态数字孪生详细数字孪生建造数字孪生基于传感器的数字孪生响应式数字孪生自适应数字孪生智能数字孪生数字孪生从应用对象进行分类，主要有静态数字孪生、详细数字孪生、建造数字孪生、基于传感器的数字孪生、响应式数字孪生、自适应数字孪生、智能数字孪生等。1.3.1数字孪生的应用1.3数字孪生的应用（1）静态数字孪生静态数字孪生主要关注的是三位模型，不去整合物理和虚拟的环境。（2）详细的数字孪生详细的数字孪生主要是指利用和跟踪来自建筑物系统的建筑物数据，实现更好的分析和更好的控制。（3）建造数字孪生建造数字孪生主要用于新建或者改建的项目，将数据从物理结构映射到虚拟模型，手动编目和调整两者之间的差异，保持虚拟模型和物理模型之间的接近。（4）基于传感器的数字孪生基于传感器的数字孪生是将数据从物理结构填充到虚拟模型中，以创建更大的系统自主性，使用户能够利用物理网网络自动化一些手动执行的流程。1.3数字孪生的应用（5）响应式数字孪生响应式数字孪生是指利用物联网的设备自主收集物理结构中数据，如温度、湿度等类似的数据，提供实时数据，根据预先设定的参数采取行动，物理和虚拟世界之间的集成有限，可以采用基于人工智能机器学习的某些自动化流程。（6）自适应数字孪生自适应数字孪生允许更多物理世界和虚拟世界之间流动，采用更精确的算法实现更高的自动化，通过人工智能分析来创建更准确的响应，但它仍然依赖于人类的评估来验证决策的制定。（7）智能数字孪生智能数字孪生是指允许一个完全的自主平台，数据流在虚拟和物理环境中完全集合，允许测试过的及其学习算法使系统能够自行学习和调节提高性能。1.3数字孪生的应用数字孪生的应用场景十分的广泛，可以应用在智慧城市、轨道交通、智能制造、智慧医疗、智慧交通、航空航天、智慧园区、智慧文旅、智慧电厂、数字流域、智慧水厂、区域应急、智能监所、机场管理、矿厂等行业并能赋能行业的管理与发展。接下来看看数字孪生应用到重要的几个行业。1.3.2数字孪生典型应用场景数字孪生应用场景智慧城市智能制造智慧交通数字流域智慧医疗智能仓储物流数字孪生赋能智慧城市，主要表现在可以实现城市的智能规划、管理和服务的重大创新，这些是智慧城市建设的重要技术支撑。通过数字孪生城市的智能规划、设计和模拟，可以提前预警城市中可能产生的不利影响、冲突以及潜在危险，数字孪生提供合理的策略和有效的解决措施。1.3数字孪生的应用1.数字孪生赋能智慧城市“穗智管”城市运行管理中枢制造业作为全球经济发展重要支撑，世界各国也前后相继出台了国家级的发展战略。中国出台了“中国制造2025”、“互联网+”、“工业互联网”等数字孪生智能制造业国家发展实施战略。数字孪生作为关键和基础的指数之一，是推动智能制造行业数字化转型，促进数字经济发展的重要抓手。1.3数字孪生的应用2.数字孪生赋能智能制造数字孪生工厂数字孪生可以从过个方面赋能赋能智慧交通，满足未来出行的需求。首先，数字孪生可以实现同步可视、模型推演，实现数据驱动决策，数字孪生通过实时采集数据、同步交通运行可视，为交通模型推演提供试验空间，完成数据的驱动决策。其次，数字孪生可以提供场景丰富、实景重现，能加速智能驾驶落地。第三，数字孪生根据全城视野、全局规划，寻找治理拥堵的最优解。1.3数字孪生的应用3.数字孪生赋能智慧交通数字孪生的智慧交通贵阳的智慧交通数字流域是综合运用了遥感RS、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS、网络技术、虚拟现实技术、多媒体技术等对全流域的地理环境、生态资源、生态环境、人文景观、社会和经济状态等各种信息采集、数字化等，构建全流域综合信息平台和三维影像模型，便于宏观的资源开发与利用等决策。1.3数字孪生的应用4.数字孪生赋能数字流域数字流域数字孪生如何赋能智慧医疗，将医院信息聚合、数字建模、三维映射、搭建智能化的数字空间，依托数据治理、知识图谱、轻量建模技术，提升医院运营管理效率。数字孪生智慧医疗可以实现线上查房、移动护理、住院服务等智能有利于提升医院的信息化、医护效率、促进医患沟通、改善住院条件等优势。1.3数字孪生的应用5.数字孪生赋能智慧医疗数字孪生赋能智慧医疗对于物流公司来说，如何快速的实现碎片化信息的处理，实现货物的快速分拣、储存、转运等，就变得非常重要。1.3数字孪生的应用6.数字孪生赋能智能仓储物流智能仓储平台智慧仓储数字孪生的发展与意义1.4数字孪生的发展历程可以分为三个阶段，第一阶段为1960年代至1990年代，数字孪生雏形，第二阶段为2000年代至2010年代是高速发展，第三阶段为2010年代至今，数字孪生在各行各业应用阶段。1.4数字孪生的发展与意义数字孪生雏形高速发展各行各业应用阶段1.4.1数字孪生的发展1.4数字孪生的发展与意义（1960年代至1990年代）数字孪生的雏形开始出现，主要用于工程建模和控制系统的设计，在这一阶段数字孪生仍比较简单，主要用于辅助人们进行设计和测试。美国宇航局阿波罗计划中构建了两个相同的航天飞行棋，一个发射到太空，一个留在地球用于反映工作状态。（2003年-2012年）数字孪生逐渐发展为一种能够模拟物理实体运行的技术，并广泛应用于航空、能源、制造等领域，数字孪生的应用越来越广泛，成为重要的生产工具。在2002年推出了数字孪生概念，并在2003年首次在航天领域成功应用，在2011年，Grieves首次提出了“数字孪生与数字孪生体”，在2012年，NASA正式给出数字孪生的明确定义，之后在工业中开展应用。如图1-17数字孪生发展关键拐点。（2010年代至今）随着数字技术的发展和智慧城市等新兴领域的崛起，数字孪生迎来了新的发展机遇。数字孪生的应用已经涵盖了许多领域，如城市规划、生态保护、智能交通等。欧洲也在数字孪生领域积极推动发展。2014年，德国政府启动了“工业4.0”战略，数字孪生技术被作为其中的关键领域之一。欧盟也将数字孪生技术作为其“数字化单一市场”的核心技术之一。第一阶段第二阶段第三阶段第二高速发展阶段数字孪生发生关键拐点1.4数字孪生的发展与意义从政策层面：数字孪生成为各国推进经济社会数字化进程的重要抓手行业应用层面：数字孪生成为垂直行业数字化转型的重要使能技术。市场前景层面：数字孪生是热度最高的数字化技术之一，存在巨大的发展空间。企业主体层面：数字孪生被纳入众多科技企业战略大方向，成为数字领域技术和市场竞争主航道。010203041.4数字孪生的发展与意义1.4.2数字孪生发展现状05标准化层面：数字孪生标准体系初步建立，关键领域标准制修订进入快车道。多模态数字孪生拟实化联网化与增强现实技术的融合智能化自适应1.4.3数字孪生的发展趋势1.4数字孪生的发展与意义1.4.4数字孪生的意义1.4数字孪生的发展与意义意义更便捷更适合创新更全面的测量更全面的分析和预测能力经验的数字化数字孪生定义是一种综合运用感知、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，从而实现物理空间和虚拟现实的互动映射。数字孪生发展的背景数字孪生的核心要素工业4.0涉及到人工智能（AI）、物联网（loT）、机器人技术、无人机、无人驾驶汽车、虚拟现实（VR）、5G、云计算、机器视觉、人工智能等关键技术融合的的新一代工业革命。01020304课堂小结数字孪生的主要特征体现在虚实映射、实时同步、共生进化、闭环优化。数字孪生应用（1）数字孪生从应用对象进行分类，主要有静态数字孪生、详细数字孪生、建