智能设备数字孪生应用 课件 13-14、数字孪生的关键技术-建模

智能设备的数字孪生授课教师：卞化梅关键技术：建模关键技术：仿真关键技术：虚拟现实技术4.14.24.3第四章数字孪生的关键技术关键技术：增强现实技术4.4关键技术：仿真4.2知识回顾

知识回顾：（1）模型的基本概念（2）建模的基本步骤（3）建模的实现方法（4）模型的构建知识回顾1.模型的基本概念指通过主观意识借助实体或者虚拟表现，构成客观阐述形态结构的一种表达目的的物件。2.建模的基本步骤首先进行模型抽象，然后模型表达、模型构建、最后模型运行。3.建模的实现方法在IT场景中、OT场景中(Modelica建模语言、OPCUA技术)4.模型的构建在数字孪生中，模型的构建是一个关键步骤，它涉及将实际系统转化为数字形式并建立相应的模型。4.2关键技术：仿真

从20世纪50年代开始，仿真技术逐渐成为了一门新兴学科，计算机仿真经过了模拟计算机、数字计算机、混合计算机、全数字并行处理仿真技术的发展与演变，相继出现了模拟仿真、数字仿真、混合仿真、全数字并行的仿真技术。仿真的软件也由数值计算方法，仿真的语言越来越丰富，直到现在，仿真技术已经应用到各个技术领域、各个学科内容和各种工程部门。4.2.1仿真技术概述军事领域医疗领域工业领域4.2关键技术：仿真1.仿真技术概念仿真技术是指应用仿真硬件和仿真软件通过仿真实验，借助某些数值计算和问题求解，反映系统行为或过程的仿真模型技术。

第一阶段20世纪初已经在某些行业有了应用，如在实验室中建立水利模型，进行水利学方面的研究第二阶段在20世纪40-50年代，仿真技术应用在航空、航天和原子能等领域进行了应用；第三阶段在20世纪60年代随着计算机技术的突飞猛进的发展，提供了先进的仿真工具，加速了仿真技术的发展。物理产品的所使用状态变化，组件更新等信息，产品性能优化的信息都将反馈到数字孪生体4.2关键技术：仿真

2.仿真工具

仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件仿真软件仿真硬件仿真工具4.2关键技术：仿真

(1)仿真硬件在仿真硬件其中最主要的工具就是计算机。用于仿真的计算机的类型有三种，分别模拟计算机、数字计算机和混合计算机以及一些专用的物理仿真器。仿真硬件模拟计算机模拟计算机模拟计算机专用的物理仿真器4.2关键技术：仿真

数字计算机还可分为通用数字计算机和专用数字计算机，随着数字计算机的软件、接口和终端技术的发展，人机交互性也较好，目前数字计算机已成为现代仿真的主要工具。数字计算机模拟计算机主要用于连续系统的仿真，在进行模拟仿真时，依据仿真模型将各运算放大器按要求连接起来，调整其有关的系数器。它的优点人机交互性好，适合于实时仿真。模拟计算机4.2关键技术：仿真

混合计算机是把模拟计算机与数字计算机联合在一起应用于系统仿真的计算机系统。充分发挥模拟计算机的高速度和数字计算机的高精度、逻辑运算和存储能力强的优点。混合计算机空间环境模拟器仿真工具的硬件除了计算机，仿真硬件还包括一些专用的物理仿真器，如运动仿真器、目标仿真器、负载仿真器、环境仿真器等。4.2关键技术：仿真仿真软件是以仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。仿真软件的种类很多，涉及到如机械、流体、结构、岩土、土木、隧道、生物、电磁、海洋、优化、化工、人体、逆向、建模、智能制造等多学科。2.仿真工具(2)仿真软件4.2关键技术：仿真3.仿真方法

离散事件系统仿真方法连续系统仿真方法仿真方法仿真方法主要是指建立仿真模型和进行仿真实验的方法。仿真方法不是一种单项技术，而是一种求解问题的方法。仿真方法是建立系统的数学模型并将它转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真试验的方法。仿真方法基本上分为两大类，分别为连续系统仿真方法和离散事件系统仿真方法。4.2关键技术：仿真

(1)连续系统仿真方法连续系统的数学模型一般采用微分方程进行描述，模型中的变量随时间连续变化。根据仿真时所采用的计算机不同，可分为模拟仿真法、数字仿真法和混合仿真法三类。(2)离散事件系统仿真方法离散事件系统仿真方法是指离散事件系统的状态是在离散时刻发生的变化，通常用“离散事件”这一术语来表示这样的变化。问题思考中国行业的市场规模如何？4.2关键技术：仿真4.计算机仿真技术行业发展

中国计算机仿真行业的市场规模呈现出稳定增长的态势，在国家政策支持、技术创新推动、行业应用拓展等多重因素的影响下，中国计算机仿真行业将保持较高的增长速度，预计到2023年底，市场规模将超过2000亿元，复合增长率达到12%左右。从尚普咨询集团数据显示，2022年中国计算机仿真行业上市企业TOP10的营收总额约为72亿元，占整个行业营收总额的6.6%。目前，中国计算机仿真行业整体集中度较低，没有形成明显的龙头企业。4.2关键技术：仿真

(1)计算机仿真行业细分领域分析对赛车模型压力进行测试①计算机仿真测试计算机仿真测试是指利用计算机软件和硬件对各种电子设备、系统或网络进行性能测试、故障诊断、可靠性评估等的过程，通过计算机仿真测试可以提高测试效率和精度，降低测试成本和风险，提高产品质量和安全性。【案例】赛车模型仿真测试，对典型的F1赛车的地板产生压力进行测试。问题思考计算机仿真测试分为哪些？4.2关键技术：仿真

计算机仿真测试主要包括机电仿真测试、射频仿真测试、通用测试等。计算机仿真测试机电仿真测试射频仿真测试通用测试4.2关键技术：仿真通用测试是指利用计算机软件和硬件对各种通用设备或系统进行功能、性能、兼容性等方面的仿真测试，主要应用于电子信息、医疗器械、教育科研等领域。

射频仿真测试是指利用计算机软件和硬件对各种射频设备或系统进行信号发射、接收、处理等方面的仿真测试，主要应用于通信、雷达、导航等领域。【案例】高速的PCB设计中，采用球栅阵列封装技术。BGA球栅阵列封装技术机电仿真测试是指利用计算机软件和硬件对各种机电设备或系统进行动力学、热力学、电磁学等方面的仿真测试，主要应用于汽车、航空航天、工程机械等领域。【案例】如对电动汽车整车的电性能进行测试。整体电性能测试

数字孪生的仿真技术

在数字孪生体系中的仿真技术是一种在线数字仿真技术表示为确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界

（对物理实体建立相对应的虚拟模型，并模拟物理实体在真实环境下的行为。）在数字孪生体系中模型要正确，有完整的输入信息和环境数据，就能基本正确地反映物理世界的特性和参数，验证和确认对物理世界或问题理解的正确性和有效性。数字孪生中的仿真技术更加强调物理系统和信息系统之间的虚实共融和实时交互贯穿了全生命周期是一种高频次和不断循环迭代的仿真过程。4.2关键技术：仿真4.2关键技术：仿真②仿真模拟训练

仿真模拟训练是指利用计算机软件和硬件构建虚拟环境和场景，对人员进行技能培训、知识教育、心理调节等的过程。仿真模拟训练主要包括军事仿真训练、飞行仿真训练、驾驶仿真训练等。仿真模拟训练军事仿真训练飞行仿真训练驾驶仿真训练4.2关键技术：仿真

军事仿真训练是指利用计算机软件和硬件构建虚拟战场和作战环境，对军事人员进行战术技能、战略思维、心理素质等方面的仿真训练，主要应用于陆军、海军、空军等部队。【案例】某武警第二机动总队某支队引入VR仿真训练设备。军事仿真训练飞行仿真训练是指利用计算机软件和硬件构建虚拟空域和飞行环境，对飞行人员进行飞行技能、飞行规则、飞行安全等方面的仿真训练，主要应用于民航、航空航天等领域。【案例】美国空军在内华达州的内利斯空军基地开设了一个5500平方米虚拟测试训练中心。飞行仿真训练驾驶仿真训练是指利用计算机软件和硬件构建虚拟道路和驾驶环境，对驾驶人员进行驾驶技能、交通规则、安全意识等方面的仿真训练，主要应用于汽车、公交车、地铁等领域。【案例】汽车驾驶仿真汽车驾驶仿真4.2关键技术：仿真

③虚拟制造虚拟制造是指利用计算机软件和硬件对产品设计、工艺流程、生产线布局等进行数字化建模和优化分析的过程虚拟制造主要包括数字化设计、数字化加工、数字化组装等。虚拟制数字化设计数字化加工数字化组装4.2关键技术：仿真

数字化设计展厅

数字化设计是指利用计算机软件对产品形态、结构、功能等进行三维建模和参数化设计的过程。【案例】数字化展厅。数字化加工是指利用计算机软件对产品加工工艺进行数学建模和优化控制的过程。数字化加工可以提高加工质量和稳定性，实现智能化监测和调整，提高加工效率和节能性。【案例】SMT贴片行业全面进入自动化SMT贴片自动化数字化组装是指利用计算机软件对产品组装流程进行逻辑建模和动态模拟的过程。【案例】西门子医疗的制造与研发的智机器人组装过程机器人组装问题思考计算机仿真技术发展趋势？4.2关键技术：仿真

5.计算机仿真技术发展趋势计算机仿真技术应用趋势从传统的静态仿真模型迅速发展为动态模型，已应用于航天、船舶、医疗、安全、服务、教育等各个领域。随着应用范围的广泛，计算机仿真技术也随着发展，目前计算机仿真技术的发展趋势主要有高性能仿真技术、增强仿真技术、集成仿真技术、可视化仿真技术、智能化仿真技术等。01高性能仿真技术02增强仿真技术03集成仿真技术04可视化仿真技术05智能化仿真技术4.2关键技术：仿真

高性能仿真技术随着计算机仿真技术对存储、计算等要求越来越高，计算机仿真技术越来越依赖计算机的性能，未来需要更加繁琐的仿真模型，要求性能越来越高、延迟越来越低，加上大数据仿真实施技术，对性能的要求也较高。增强仿真技术增强仿真技术是指以有形环境为基础，使用虚拟元素来增强仿真技术，可以实现对更多应用领域的快速处理。其中，基于虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、真实现实（MR）技术的发展，使得模型更加重视界面和控制系统的整合和融合，也是未来发展的趋势之一。4.2关键技术：仿真

集成仿真技术目前计算机仿真技术已发展为多种模型和方法，并开展了大量的新应用。计算机仿真技术将继续在实施综合应用仿真，以扩大其范围，改善仿真精度，加速计算能力，增强图形计算能力，加强决策支持和多尺度仿真等集成方面进程。可视化仿真技术计算机仿真技术的一个重要组成部分是虚拟图形，通过虚拟图形技术，可以实现数据的可视化和表达，并可以模拟、实时显示场景或二维、三维地图，以便更直观地理解仿真结果。除此，计算机仿真技术已发展到允许混合仿真（MR），可以实现全景、触控等新型应用。4.2关键技术：仿真

智能化仿真技术计算机仿真技术与人工智能相结合，可以形成仿真分析系统帮助管理者更快、更准确地做出决策。4.2关键技术：仿真

数字孪生的仿真技术

在数字孪生体系中的仿真技术是一种在线数字仿真技术表示为确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界

（对物理实体建立相对应的虚拟模型，并模拟物理实体在真实环境下的行为。）在数字孪生体系中模型要正确，有完整的输入信息和环境数据，就能基本正确地反映物理世界的特性和参数，验证和确认对物理世界或问题理解的正确性和有效性。数字孪生中的仿真技术更加强调物理系统和信息系统之间的虚实共融和实时交互贯穿了全生命周期是一种高频次和不断循环迭代的仿真过程。基于数字孪生可对物理对象通过模型进行分析、预测、诊断、训练等仿真过程，并将仿真结果反馈给物理对象，从而帮助对物理对象进行优化和决策。仿真技术是创建和运行数字孪生体、保证数字孪生体与对应物理实体实现有效闭环的核心技术。目前数字孪生的仿真技术与信息新技术（大数据、物联网、云计算、人工智能等）相融合，向着数字化、网络化、服务化、智能化方向发展。4.2关键技术：仿真数字孪生中仿真技术与物理对象之间的关系数字孪生中仿真技术分类（1）按被仿真的对象进行分类4.2关键技术：仿真将实际工程的状态在模型中进行模拟，通过仿真技术确认工程系统的内在变量对被控对象的影响，如制造过程的仿真。工程系统仿真指对自然场景进行真实模拟，部分自然场景具有不规则性、动态性和随机性，因此对自然场景的实时仿真具有重大的意义。自然系统仿真社会系统仿真生命系统仿真军事系统仿真复杂社会系统的描述与研究方法，有助于提高决策层对系统运行状态的快速掌握以及对各种状况的及时处理，如人工社会的仿真。以生命系统为研究对象，以生命的某种功能为划分系统的原则，以定量研究为特点的一种新兴学科，如数字人体。指在军事仿真方面，有战争模拟、作战演练、装备使用和维修培训等应用场景，能节约经费、提高效率、保护环境、减少伤亡。（2）按仿真粒度进行分类4.2关键技术：仿真单元级仿真

指即面向单个部分或领域的仿真，如机械结构仿真、控制仿真、流体仿真、电磁仿真；系统级仿真，面向单一系统整体行为的仿真，如汽车、飞机等产品的全系统仿真。体系级仿真

指面向由多个独立系统组成的体系系统的仿真，关注体系中各部分之间的关系和体系的涌现行为，如城市交通仿真、体系对抗仿真。（3）按仿真系统架构进行分类

4.2关键技术：仿真0102指运行于单台计算机或单个平台上的仿真系统，适合中小型的仿真系统，便于设计和管理。集中式仿真指运行于多台计算机或多个平台上的仿真系统，常用于大规模体系级仿真。分布式仿真3.数字孪生中仿真技术的应用与发展

目前仿真技术形成了比较完善的理论、方法和技术体系，仿真技术为数字孪生的发展与应用提供了坚实的基础和有力的支撑。（1）数字孪生中仿真技术的应用①数字孪生仿真技术应用在交通领域交通安全仿真是基于虚拟现实技术的评价系统，交通安全仿真和评价系统是作为交通管理部门建设和改善交通设施的依据和分析交通事故的一种方法。4.2关键技术：仿真

②数字孪生仿真技术应用在智能制造领域数字孪生中的仿真技术目前在智能制造的应用比较广泛，它是物联网、虚拟现实等技术相结合的产物，越来越多的制造商们开始借助数字孪生技术探索智能生产新模式，相继开发了虚拟车间、数字工厂、产品设计、设备管理、车联网等新型应用场景。数字孪生能模拟现实环境中的行为，孪生数字便代表了物理世界与虚拟世界的融合。4.2关键技术：仿真

③数字孪生仿真技术应用在教育领域

计算机仿真实验是计算机多媒体教学中新增加的领域，可