智能设备数字孪生应用 课件 3、数字孪生的相关领域-产品全生命周期、云计算

智能设备的数字孪生授课教师：卞化梅数字孪生与产品全生命周期管理数字孪生与云计算数字孪生与大数据2.12.22.3第二章

数字孪生的相关领域2.4数字孪生与工业互联网数字孪生与车间生产数字孪生与智能制造数字孪生与工业边界2.52.62.7知识目标：本章学习目标

掌握产品全生命周期管理概念；

理解数字孪生与产品全生命周期管理；

理解大数据与数字孪生的关系；

掌握工业互联网的概念；

掌握工业互联网平台的关键名词；理解车间生产智能化管理和车间生产与数字孪生；了解智能制造标准先行；

了解我国智能制造标准化工作推进情况；

了解数字孪生与工业边界。本章学习目标能力目标：

能正确的阐述产品全生命周期管理概念；

能清晰描述数字孪生与全生命周期之间的关系；

能正确的阐述产品全生命周期管理概念；

能清晰描述数字孪生与全生命周期之间的关系；

能举例说明生活中大数据应用的3-4个案例;

能辨别工业互联的关键名词;

能描述哪些属于工业互联网；

能正确描述车间生产智能化哪些场景可以使用数字孪生技术；

能说出1-2个智能制造标准；

能正确描述自动驾驶系统与数字孪生关系；

能描述智能城市数字孪生的特征。本章学习目标素养目标：培养学生自学的方法与途径。培养学生对知识的联想能力与举一反三的能力。

数字孪生赋能全生命周期管理。工业互联网作为国家的重要基础设施，我国出台了很多关于促进工业互联网的举措，对我国重要的几个城市进行工业互联网的布局。我国智能制造的标准化工作发展及其推进情况，强调了智能制造是我国制造强国建设的主攻方向。通过自动驾驶系统、城市数字孪生、智慧园区管理等与数字孪生的关系，进一步说明数字经济发展的趋势。通过智慧园区管理等与数字孪生的关系，进一步说明数字经济发展的趋势。数字孪生与产品全生命周期管理2.1知识回顾数字孪生的特征有哪些？数字孪生的发展阶段有哪些？数字孪生的本质旨在为现实世界的物体对象在虚拟世界中进行数字建模，构建一个在虚拟世界中完全一致的数字模型。数字孪生的信息建模不仅限于传统的底层信息的传输，它的技术架构及内涵涉及多个交叉学科，从技术的角度来看，数字孪生的技术体系是非常的庞大，从感知、计算、建模过程，覆盖了感知控制、数据集成、模型的构建、模型互操作、业务集成、人机交互等诸多的技术领域。2.1数字孪生与产品全生命周期管理数字孪生技术产品全生命周期管理物理实体云计算大数据3D建模工业互联网人工智能数字孪生技术相关领域2.1数字孪生与产品全生命周期管理产品策划产品实现产品交互产品运营产品分析、产品定位、产品规划、商业模式、定价策略、运维策略产品发布的规划、产品需求的定义、澄清与估算、产品立项与结项、敏捷开发与持续集成产品的部署上线、产品验收、产品的发布业务运营、客户服务支持、安全运维2.1.1产品全生命周期管理2.1数字孪生与产品全生命周期管理2.1.1产品全生命周期管理

产品生命周期管理（（ProductLifecycleManagement，PLM））产品生命周期管理是从产品的需求开始到产品淘汰报废的全部生命历程，它的本质是一种较为先进的企业信息化的思想，采用该方法的管理使得企业运用最有效的方式和手段为其增加收入和减低成本。PLM是一个集成的、信息驱动的方法，它涵盖了从设计、制造、配置、维护、维修到最终处理的产品生命周期的所有方面。PLM用于管理产品生命周期的所有业务的集成。计算机辅助设计CAD工程数据管理产品数据管理计算机集成制造PLMEDMPDMCIM2.1数字孪生与产品全生命周期管理2.1.2产品全生命周期管理适用的行业或领域从PLM的特征来看，产品生命周期管理适合与产品生产相关任何行业，如典型的制造行业，适合具体的大量零部件装备的制造业，或者在生产过程之间存在大量依赖关系的制造业。因为PLM需要提供产品生命周期信息的创建、管理、分发及应用的一系列解决方案，而PLM提供商通常是从产品数据管理提供商转型而来，需要集成企业的资源规划、客户关系管理和供应链管理等系统，在全球的大型制造企业中，70%以上的企业运用了产品生命周期管理系统。2.1数字孪生与产品全生命周期管理2.1.2产品全生命周期管理适用的行业或领域从PLM的特征来看，产品生命周期管理适合与产品生产相关任何行业，如典型的制造行业，适合具体的大量零部件装备的制造业，或者在生产过程之间存在大量依赖关系的制造业。研发设计生产制造市场营销运营支持2.1数字孪生与产品全生命周期管理2.1.3数字孪生与产品全生命周期管理数字孪生可以用于产品全生命周期，可以实现对产品行为方式和性能指标的分析预测，提高产品研制和运行效率，降低生产和运维成本。从数字孪生的角度去描述产品全生命周期管理，主要包括研发设计阶段、生产制造阶段、市场营销阶段和运营支持阶段。2.1数字孪生与产品全生命周期管理2.1.3数字孪生与产品全生命周期管理

产品设计阶段数字孪生在研发设计阶段可以提高设计的准确性，在没有制作物理实体前，可以验证产品在真实环境中的性能。在这个阶段可以利用计算机辅助设计（CAD）等工具根据产品技术及其规格的要求虚拟产品原型，能精确的记录各种实体的物理参数，采用可视化的方式进行展示，经过一系列的可重复、可变的参数、可加速的仿真实现来检验产品在不同环境下的性能、行为。在产品设计阶段，数字孪生可以提高产品的准确性并验证产品在真实环境下的性能，在这个阶段数字孪生体主要包括两个功能数字模型设计及模拟和仿真。2.1数字孪生与产品全生命周期管理2.1.3数字孪生与产品全生命周期管理图2-2三维标注产品模型构建一个全三维标注的产品模型，主要将几何信息和非几何信息通过产品三维模型由设计过程传递至生产加工过程，打通设计工艺和制造的三维数据链，是各个企业迫切的技术需求。采用一些列的重复、可变参数、可急速的仿真实验，去验证产品在不同的外部环境下的性能和表现，相当于是在设计阶段就可以实现验证产品的适应性。数字模型设计模拟与仿真图2-3汽车节能减排的数组孪生体设计2.1数字孪生与产品全生命周期管理2.1.3数字孪生与产品全生命周期管理

生产制造阶段在生产制造阶段，要实现产品建档（ProductMemory）或产品数据包（ProductDataPackage），换句话而言就是制造信息的采集和全要素的重建，包含了制造BOM(ManufactureBOM，MBOM)，质量数据、技术状态数据、物流数据、产品检测数据、生产进度数据、逆向过程数据等的采集和重建。数字孪生在生产制造阶段主要实现三个功能，生产过程仿真、数字化生产线、关键指标监控和过程能力的评估。生产过程仿真数字化生产线关键指标监控和过程能力的评估2.1数字孪生与产品全生命周期管理2.1.3数字孪生与产品全生命周期管理生产过程仿真在产品生产之前通过构建虚拟产品，模拟不同产品、不同参数、不同的外部条件下的生产过程，实现对产能、效率以及可以出现的生产瓶颈等问题进行研判，从而提升新产品导入过程的准确度和速度。0102图2-1生产过程仿真模拟图2.1数字孪生与产品全生命周期管理2.1.3数字孪生与产品全生命周期管理数字化生产线将生产阶段中涉及的各种要素，如原材料、工艺配方、设备、工序等要求，通过数字化手段集成到一个写作的生产过程中，根据规则去自动化完成各种条件下的操作，实现自动化的生产过程，在这期间，记录生产过程中的各种数据，为后续的优化提供可靠的数据。02图2-3玻璃数字化生产车间如数字孪生玻璃绝缘子车间可以在数字环境内构建数字孪生车间，即对车间设备、生产过程和车间环境等进行数字化映射，实现生产车间的数字孪生，进而为玻璃绝缘子车间生产的模拟和优化提供平台。2.1数字孪生与产品全生命周期管理2.1.3数字孪生与产品全生命周期管理关键指标监控和过程能力的评估数字孪生赋能于生产过程、生产设备、生产线等其他形态的高度集成环境，将生产阶段各要素(如原材料、设备、工艺、工序等）通过产品虚拟生产过程中体现出来，模拟仿真产品生产的全过程，记录生产过程中的关键参数，对生产过程中的产能、效率、可能出现的生产瓶颈进行预判与改进，这样可以缩短新产品的导入周期，提高产品生产的交付速度，降低产品生产的成本。如图2-5所示。03图2-5数字孪生在产品生产过程中2.1数字孪生与产品全生命周期管理2.1.3数字孪生与产品全生命周期管理

市场营销阶段在市场营销阶段，可以在生产实际的产品前，利用数字孪生先去构建产品的虚拟原型，可以通过虚拟显示技术模拟体验产品的内部结构及其功能和性能等，为市场营销人员在做市场推广过程中使用虚拟的产品，这样可以根据客户提出的产品改进意见进一步去优化产品设计，同时也可以根据客户的需求进行产品的定制化生产和个性化配置选型，实现了产品的柔性制造。构建产品的虚拟原型模拟体验产品优化产品定制化生产个性化配置选型2.1数字孪生与产品全生命周期管理2.1.3数字孪生与产品全生命周期管理

运营支持阶段数字孪生在模拟产品装卸、使用、更换零部件等一些运行维护阶段，可以利用产品上的传感器和控制系统记录各种参数等数据，构建产品部件级、系统级甚至产品级健康指标体系。利用产品数字孪生在虚拟环境运行，对产品故障进行预测，将预测维修的分析结果对产品维修策略进行针对性的调整优化，降低甚至避免产品非计划停机带来的损失。预测故障降低、避免损失针对性优化产品数字孪生数字孪生与云计算2.22.2数字孪生与云计算2.2.1云计算

云计算（cloudcomputing）定义：是提供信息技术、软件、互联网相关的服务。云中的计算资源共享池叫做“云”，云计算将这些计算资源集合起来，采用软件实现自动化管理，用户根据业务需要按需购买。换言之，就是将计算能力包装成商品如云服务器、云存储、云数据库、公网IP、网关、云网络、人工智能等，用户可以通过互联网，像水、电、气、煤一样按需进行购买。2.2数字孪生与云计算2.2.2云计算的特征云计算特征弹性伸缩服务可度量按需自助服务无所不在的网络访问资源池弹性伸缩：根据需要向上或向下扩展资源的能力。对用户来说，云计算的资源数量没有界限，他们可按照需求购买任何数量的资源。服务可度量：云计算供应商控制和监测云计算服务的各方面使用情况，如计费、访问控制、资源优化、容量规划等按需自助服务：云计算的按需服务和自助服务意味着用户可以在需要时直接使用云计算服务，而不必与服务供应商进行人工交互。无所不在的网络访问：用户只要上Internet，就可以使用云计算。资源池：资源池允许云计算供应商通过多用户共享模式服务于用户。物理和虚拟资源可根据用户需求进行分配和重新分配。资源池具有地点独立性，客户一般无法控制或了解所提供资源的确切位置，但可以在高端提取层面（如地区、国家或数据中心）指定位置。2.2数字孪生与云计算2.2.3云计算与数字孪生的关系云计算作为互联网时代重要的基础设施，逐步渗透到各个领域。在数字化的时代，云计算与数字孪生的结合会带来哪些变化呢？010203数字孪生将物体与数字世界的虚拟物体进行整合，形成