《智能生产线数字化集成与仿真》课件 任务1.2 认识数字孪生技术与虚拟化调试技术

虚拟化调试技术发展与应用认识数字孪生技术与虚拟化调试技术1数字孪生技术发展背景2数字孪生的定义目录3数字孪生特征4数字孪生相关概念5数字孪生技术应用——虚拟化调试数字孪生技术发展背景2003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―设想称为“ConceptualIdealforPLM(ProductLifecycleManagement)”。直到2010年，“DigitalTwin”一词在NASA的技术报告中被正式提出，并被定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”。2011年，美国空军探索了数字孪生在飞行器健康管理中的应用，并详细探讨了实施数字孪生的技术挑战。1数字孪生技术发展背景近年来，数字孪生得到越来越广泛的传播。同时，得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新―代信息技术的发展，数字孪生的实施已逐渐成为可能。现阶段，除了航空航天领域，数字孪生还被应用于电力、船舶、城市管理等行业，如图所示。特别是在智能制造领域，数字孪生被认为是一种实现制造信息世界与物理世界交互融合的有效手段，在产品设计、仿真验证，工艺规划与仿真验证，生产规划与执行，质量管理追溯与工艺优化，能效管理与优化，设备管理、远程监测、预测性维护、虚拟巡检、AR检修等方便均有应用。1数字孪生技术发展背景1数字孪生技术应用健康医疗航空航天电力系统汽车制造石油天然气其他行业城市管理制造业铁路运输建筑环境保护船舶航运图1RobotMaster离线编程软件的界面数字孪生的定义(1)标准化组织中的定义数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。2数字孪生的定义(2)学术界的定义数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。从根本上讲，数字孪生可以定义为有助于优化业务绩效的物理对象或过程的历史和当前行为的不断发展的数字资料。数字孪生模型基于跨一系列维度的大规模，累积，实时，真实世界的数据测量。2数字孪生的定义(3)企业的定义数字孪生是资产和流程的软件表示，用于理解、预测和优化绩效以实现改善的业务成果。数字孪生由三部分组成：数据模型,一组分析或算法，以及知识。数字孪生公司早已在行业中立足，它在整个价值链中革新了流程。作为产品，生产过程或性能的虚拟表示，它使各个过程阶段得以无缝链接。这可以持续提高效率，最大程度地降低故障率，缩短开发周期，并开辟新的商机:换句话说，它可以创造持久的竞争优势。2数字孪生特征从数字孪生的定义可以看出，数字孪生具有以下几个典型特点:(1)互操作性数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接，因此数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性。(2)可扩展性数字孪生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力，能够针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展。3数字孪生特征(3)实时性数字孪生技术要求数字化，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理，形成物理实体实时状态的数字虚体映射。(4)保真性数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。值得一提的是在不同的数字孪生场景下，同一数字虚体的仿真程度可能不同。例如工况场景中可能只要求描述虚体的物理性质，并不需要关注化学结构细节。3数字孪生特征(5)闭环性数字孪生中的数字虚体,用于描述物理实体的可视化模型和内在机理，以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数，实现决策功能，即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。因此数字孪生具有闭环性。3数字孪生相关概念(1)数字孪生生态系统数字孪生生态系统由基础支撑层、数据互动层、模型构建与仿真分析层、共性应用层和行业应用层组成。其中基础支撑层由具体的设备组成，包括工业设备、城市建筑设备、交通工具、医疗设备组成。数据互动层包括数据采集、数据传输和数据处理等内容。模型构建与仿真分析层包括数据建模、数据仿真和控制。共性应用层包括描述、诊断、预测、决策四个方面。行业应用层则包括智能制造、智慧城市在内的多方面应用。4数字孪生相关概念(2)数字孪生生命周期过程数字孪生中虚拟实体的生命周期包括起始、设计和开发、验证与确认、部署、操作与监控、重新评估和退役,物理实体的生命周期包括验证与确认、部署、操作与监控、重新评估和回收利用（如下图）。值得指出的是，一是虚拟实体在全生命周期过程中与物理实体的相互作用是持续的，在虚拟实体与物理实体共存的阶段，两者应保持相互关联并相互作用。二是虚拟实体区别于物理实体的生命周期过程中，存在迭代的过程。虚拟实体在验证与确认、部署、操作与监控、重新评估等环节发生的变化，可以迭代反馈至设计和开发环节。4数字孪生相关概念4图2数字孪生生命周期数字孪生相关概念(3)数字孪生功能视角4图3数字孪生功能视角从数字孪生功能视角（右图），可以看到数字孪生应用需要在基础设施的支撑下实现。物理世界中产品、服务或过程数据也会同步至虚拟世界中，虚拟世界中的模型和数据会和过程应用进行交互。向过程应用输入激励和物理世界信息，可以得到包括优化、预测、仿真、监控、分析等功能的输出。数字孪生技术应用——虚拟化调试通常设备开发是循序渐进的，机械设计、电气设计和自动化依次进行。如果在开发过程中的任何地方出现了错，而没有被检测到，那么每个开发阶段的错误成本将大大增加，未检测到的错误可能会在调试期间造成设备重大的损坏。如果机器后期需要升级优化，就必须找到理想的停机时间，当然，客户希望将停机时间降到最低。虚拟化调试就是构建设备的数字孪生虚拟实体，基于新设备的虚拟实体，机械设计、电气设计和自动化工程可以并行进行，通过模拟和测试可以在早期阶段就发现故障点，这样可以使现场的调试速度更快，风险更低。同时缩短上市时间，降低成本，提高灵活性和生产力。5数字孪生技术应用——虚拟化调试(1)降低现场调试时间通过虚拟化调试，新设备的数字孪生虚拟实体允许机械设计、电气设计和自动化工程并行进行，可以进行全面的测试来检测和纠正设计和功能错误，因此，现场的调试工作可以在更短的时间内完成。(2)降低错误成本由于虚拟调试可以与工程并行执行，因此虚拟化调试有助于早期提高工程质量。使用虚拟控制器对真实的plc程序进行