数据—模型融合驱动的流程制造车间数字孪生系统研发EI北大核心

针对流程制造过程工序间耦合严重、过程建模困难、生产活动规划的联动性和智能化水平较低等问题,提出数据与模型融合驱动的、覆盖工艺流程全变量空间的车间多维数字孪生模型及其系统架构。融合车间生产全要素孪生模型与动态生产数据,建立了贯穿生产过程中不同工序的设备实体对象模型,从几何、物理、行为、规则等多个维度对耦合生产线实体对象特征进行刻画,实现了工艺设备静动态多维属性的数字化精准映射。在此基础上,搭建了包括物理产线、虚拟产线、信息服务等支撑多系统数据交互映射的车间数字孪生系统,研发了基于开放平台通信—统一架构(OPC UA)与Kepware的通信技术的静动态虚实映射和迭代运行机制,实现了从车间物理制造流程耦合向各孪生体参数间耦合的转换。最后,基于某流程制造企业制丝生产试验线开展应用验证,为解决流程工业耦合复杂而造成的协同交互与迭代运行难题提供了方法和实现途径。     

基于云制造的生产线虚拟与物理系统互联信息模型的建模方法及应用

基于目前对数字孪生技术、虚实融合技术、云制造技术的研究和探索,提出一种云制造模式下的生产线虚拟与物理系统互联信息模型的建模方法。通过对生产线组成要素进行行为规则建模,构建生产线虚拟孪生模型;利用物联网技术实现虚拟模型与物理模型的数据融合,并基于仿真优化技术实现产品生产阶段虚实闭环迭代优化。最后基于INDICS平台,通过案例分析对本互联模型进行了有效性验证。     

数字孪生制造单元多维多尺度建模与边—云协同配置

为了解决离散型智能车间多维、多尺度、高保真建模及其软硬件配置与协同问题，以离散型智能车间的基本实现单元——数字孪生制造单元为对象，从数据—知识混合驱动的角度，探明新一代信息技术赋能下数字孪生制造单元的构成要素与关键特征，提出数字孪生制造单元的多维多尺度智能空间模型及其高保真建模方法。进一步从边—云协同的角度构建软硬件集成的数字孪生制造单元配置模型，建立了基于智能合约的数字孪生制造单元边—云协同运行与智能化管控机制。采用Java Web技术开发了数字孪生制造单元原型系统，并以航空发动机整体叶轮加工过程为案例，验证了所提模型与方法的正确性和有效性。     

数字孪生车间系统构建及应用

数字孪生技术是实现物理与信息融合的一种有效途径,是实现工业4.0、中国制造2025、工业互联网、先进制造伙伴计划等先进制造方式与战略的重要手段之一,而车间又是生产制造活动的主要载体.为此,在数字孪生的理论背景下,建立了数字孪生车间总体框架,实现了构建数字孪生车间的三项关键技术:车间关键要素孪生模型建模方法、车间孪生数据的获取与传输方法、车间虚实结合实时映射模型.最后,通过对车间实际产线进行的数字孪生实现,验证了所提方案的可行性与正确性,为数字孪生车间的建立提供了技术解决方案.     

数字孪生连接交互理论与关键技术

数字孪生作为实现信息物理融合的重要使能技术，备受各行各业广泛关注。基于虚实交互和数模驱动，数字孪生能满足仿真(以虚映实)、控制(以虚控实)、预测(以虚预实)、优化(以虚优实)等应用服务需求，其中连接与交互是实现数字孪生动态运行和虚实空间高效融合的核心关键。针对数字孪生连接交互如何理解与实现的问题，首先从内外两层阐述了数字孪生连接交互内涵，进而提出“准确—实时—一致—安全—可靠”连接交互准则。在此基础上，从“感知—通信—映射—联动—融合”五方面探索建立了一套数字孪生连接交互理论体系，分析了数字孪生连接交互关键技术。基于数字孪生连接交互理论与方法研究，结合笔者前期在物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据和服务的相关研究工作基础，进一步探究并丰富了数字孪生五维模型理论体系，以期为数字孪生的理论研究和应用落地提供系列理论和方法参考。     

基于数字孪生的多轴数控机床轮廓误差抑制方法

针对数控机床高速高精加工过程中轮廓误差控制难的问题,提出一种基于数字孪生的轮廓误差抑制方法,并以数控机床的关键执行部件——多轴进给系统为具体对象,构建面向轮廓误差的"建模-预测-控制"闭环抑制技术框架.该方法针对多轴进给系统多属性交叉耦合的特点,建立其高保真数字孪生体,并通过数字-物理空间的多粒度信息传递,实现跨时间尺度下数字孪生体与物理实体在不同维度的虚实精确同步.通过对数字孪生体进行降阶表征,建立轮廓误差多因素动态影响关系模型,融合多粒度信息实现对轮廓误差的动态预估.基于轮廓误差动态预估结果,提出轮廓误差综合抑制方法,实现对时变运动控制参数下多轴进给系统的插补控制.最后,通过小型三轴数控机床的虚实同步运动实验,验证了所提方法的有效性.     

基于数字孪生的航天器系统工程模型与实现

为践行智能制造、推进航天工业化与信息化深度融合,提出了基于数字孪生的航天器系统工程。分析了数字孪生技术的相关研究成果,从7个维度对航天器系统工程进行综合,建立了基于数字孪生的航天器系统工程整体模型和应用框架,并按照生命周期进展演化为设计、工艺、制造/装配、试验/测试与在轨运行5个典型阶段模型和应用框架。在技术实现层面,基于物联网、大数据、用于过程控制的对象连接与嵌入统一架构、系统建模语言、基于模型的定义、面向服务的架构等先进技术,构建了由物理空间、传输层、数据层、模型层、服务层和应用层构成的数字孪生系统架构。基于数字孪生的航天器系统工程能够有效实现航天器研制全生命周期信息世界与物理世界的双向动态实时交互共融与协同,从而推进航天工业智能制造的发展。     

数字孪生车间信息物理融合理论与技术

数字孪生车间作为实现制造物理世界和信息世界智能互联与交互融合的一种潜在的有效途径,近期被国内外相关领域学术界和企业界高度关注。基于前期对数字孪生车间的概念、系统组成、运行机制、特点和关键技术等研究,设计了数字孪生车间的参考系统架构,并从数字孪生车间4个主要系统组成(物理车间、虚拟车间、车间孪生数据、车间服务系统)的角度出发,分别对物理车间异构要素融合、虚拟车间多维模型融合、车间物理—信息数据融合、车间服务/应用融合等关键问题进行了研究分析。从物理融合、模型融合、数据融合和服务融合4个维度,系统地探讨了实现数字孪生车间信息物理融合的基础理论与关键技术,为企业实践数字孪生车间提供了参考。     

基于数字孪生和多智能体的航天器智能试验

为推动航天器以物理试验为主导的模式向以物理试验与虚拟试验深度融合的模式转型,针对航天器试验过程中存在的周期长、成本高与其他制造环节海量数据共享困难等问题,提出基于数字孪生和多智能体的智能试验体系架构设计方法.该方法首先建立包含物理空间、数字空间和数学空间的智能试验任务分析范式,基于数字孪生和多智能体的智能试验体系功能建...     

基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发框架与关键技术

数字孪生是实现物理信息深度融合的一个重要抓手,复杂产品设计和制造信息物理融合是其中最重要的环节,为最终智能制造的落地提供了有效途径。当前,针对数字孪生技术的研究与应用主要集中在车间运行和产品运维等方面,而将数字孪生技术应用于复杂产品设计与制造融合的研究较少。产品设计是智能制造的第一个环节,也是产生数字孪生体的第一个环节,研究基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发对实现后续的智能加工、装配和运维等具有重要影响。为此,分析了基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发内涵,提出了基于数字孪生的复杂产品环形设计框架;基于所提出的框架,从需求分析、概念设计、个性化配置设计、虚拟样机、多学科融合设计和数据管理等方面,探索了基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发中的关键技术;通过两个典型应用案例,展示了数字孪生关键技术在复杂产品设计制造一体化开发中的应用场景。     

基于数字孪生技术的智能生产线应用探索

随着工业互联网的蓬勃发展,在新型工业信息系统和工业智能技术的推动下,生产线正向着物理空间与信息空间实时交互融合的方向发展,应运而生的数字孪生技术成为近年来的新兴研究热点。针对数字孪生技术的概念研究、工业生产领域中的应用发展、智能生产线应用领域的参考架构与关键技术及其相关研究进展进行了梳理和探讨。归纳和总结了数字孪生技术在智能生产线中的主要应用,阐述了数字孪生技术在智能生产线领域的相关研究和应用进展,并对数字孪生技术在智能生产线应用领域中的未来趋势提出展望和预测,为离散制造企业推进生产线全生命周期管理与数字化转型升级,实现柔性化的智能制造提供一定指导和启示。     

基于OPC UA的数字孪生车间实时数据融合与建模研究

数字孪生车间是智能制造背景下车间全息监控、精准分析、实时决策的有效手段。而实时高效的异构数据采集和融合,以及虚实车间的交互连接是驱动数字孪生车间运转的核心。为此,依托制造物联网和OPC UA通信技术,建立了数字孪生车间实时数据采集框架。采用分层融合的策略,去除原始数据中的信息冗余,匹配产生中间事件和生产过程数据,同时基于空间尺度构建实时数据空间对象模型。另外针对提高数据传输实时性的目的,按照信息分类—自适应压缩—节点合并的路线,缩减OPC UA信息模型节点数目和节点容量,设计了面向数字孪生车间的OPC UA信息建模方案。最后,以某航天结构件生产线为案例,为数字孪生车间开发了实时数据采集系统,并验证了此方案的可行性。     

[数字孪生驱动的智能制造]基于数字孪生的航天制造车间生产管控方法

针对目前航天制造车间生产管控中存在的效率低、精细度差、动态响应能力不足等难题，研究了基于数字孪生的制造车间生产管控方法，设计了基于跨网段信息异步交互的航天数字孪生车间架构，提出了航天数字孪生车间的基本组成和虚实融合的制造车间分层管控模式，阐述了面向不同对象的制造智能（MI）和商业智能（BI）场景应用，为军工企业车间生产管控提供了可行的技术途径。     

面向智能制造全价值链的精益数字孪生体

数字孪生作为一种关注实现物理世界和信息世界交互融合的新技术,成为国内外智能制造领域研究的热点.尽管随着研究的深入,数字孪生应用技术框架和理论体系逐渐成型,但是现有文献还缺乏对数字孪生应用全过程管理的相关研究.文中通过研究精益管理和数字孪生在智能制造领域中的关系,系统论证了精益管理和数字孪生结合的可行性,并提出了"精益数...     

基于数字孪生的机电液系统PHM关键技术综述

数字孪生(Digital twin, DT)技术与预测和健康管理(Prognostics and health management, PHM)技术是智能制造领域中的两个热点研究方向。在对PHM技术现状总结分析的基础上,归纳当前制约PHM技术发展和应用的关键性问题如下：设备故障机理研究不透彻、全生命周期数据不完备、健康状态监测方法不足、多层级状态信息综合不足以及不确定性管理问题。并阐述数字孪生技术在解决这些问题过程中的独特优势,提出将基于第一性原理的多维数字孪生模型构建、虚实空间的多维数据映射、孪生体技术状态一致性度量与模型的高效迭代修正以及基于多域特征的系统健康评估、预测与维护决策作为关键技术构建DT-PHM研究架构。随着技术不断推进与发展,两项技术深度融合,基于数字孪生的复杂系统健康管理技术必将成为未来装备全生命周期视情维修和预测性维修的关键技术之一。     

基于逻辑Petri网模型的断路器数字孪生车间系统

针对断路器批量化制造过程中的生产逻辑关系建模与控制问题,提出一种基于逻辑Petri网的断路器数字孪生车间系统建模与控制方法.基于物理车间的构成信息和断路器批量化制造工艺特点,建立了逻辑约束的递进式Petri网,实现了对物理生产过程的精准建模分析.在此基础上,采用模型结构分析、系统协同优化、物理引擎开发等方法,结合逻辑P...     

数字孪生驱动的悬臂式掘进机虚拟操控技术

针对悬臂式掘进机智能控制时面临的远程操控问题,结合数字孪生和虚拟仿真等技术,提出面向煤矿井下装备智能控制的"人—信息—物理系统"(HCPS)交互机制,实现掘进工作面物理空间与掘进信息虚拟空间的深度融合与交互;结合悬臂式掘进机模型,提出数字孪生驱动的悬臂式掘进机智能操控系统,从工况数据感知、数字孪生体构建、人—机—环交互3个方面实现地面虚拟掘进与井下实际掘进的深度融合;搭建悬臂式掘进机远程虚拟操控实验平台,以验证孪生数据驱动下的虚实同步等功能,截割轨迹跟踪测试表明,系统可实现掘进机虚实同步控制,截割头位置精度偏差小于40 mm,满足煤矿开采中巷道开拓的质量控制要求.基于数字孪生驱动和虚拟现实呈现的井下设备智能操控方法,在煤矿巷道可视化掘进系统和智能掘进机器人系统中应用效果良好,为煤矿井下综采综掘工作面设备的远程智能监测与控制提供了全新的思路,对促进工作面智能化系统发展重要的借鉴意义.     

基于层次化数字孪生的工业互联网制造新范式——雾制造

为打破复杂制造过程中数据融合壁垒并开展大规模的精细化协同数据驱动制造,分析了目前工业互联网在应用推广等方面遇到的问题,阐述了层次化数字孪生、雾计算/边缘计算等新使能技术对解决工业大数据互联互通、人机物数据深度融合、实现"人在回路"智能决策等问题的契机。在此基础上提出一种基于层次化多粒度数字孪生的、可定制重构的工业互联网新模式——雾制造。给出了雾制造的定义,分析了雾制造与传统工业互联网、云制造等的区别。讨论了该模式下一种数字孪生模型的分类,并提出基于自相似分形理论的快速建模方法。在此基础上,提出一种基于数字孪生的人机物虚实融合驱动管控机制。最后,以一个机加工的典型应用为案例验证了所提雾制造模式的可行性和有效性。     

基于数字孪生技术的飞行区运行架构EI北大核心

针对智慧飞行区运行建设研究中,数字孪生的服务应用模块仍然存在数字模型与物理空间缺少交互、功能缺乏应用的问题,依托数字孪生技术对飞行区运行多要素进行物理映射和仿真,构建4层数字孪生基本体系架构;通过数据实时传输,实现物理空间与数字孪生模型、物理对象与虚拟目标之间的虚实映射和状态更新;结合孪生域的数据仿真迭代实现物理域的实时决策,为运行服务对象提供航空器实时状态反馈、指令风险评估等服务。在此架构内分析了五大关键技术的可行性和必要性,采用多种工具对飞行区运行三维空间结构进行建模,在结合航空器运行指令的场面风险评估仿真和可视化对目前的飞行区运行数字孪生技术成熟度进行评价的同时,验证了构建数字孪生运行飞行区的可行性。     

数字孪生及其应用探索

数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多学科属性,具有实时同步、忠实映射、高保真度特性,能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段。随着数字孪生车间概念的提出,数字孪生在智能制造中的应用潜力得到越来越多的关注。分析了数字孪生在企业应用和理论研究上的进展,基于前期提出的数字孪生的五维结构模型,提出数字孪生驱动的6条应用准则,探索了数字孪生驱动的14类应用设想与实施过程中所需突破的关键问题与技术,为未来开展数字孪生的进一步落地应用提供理论和方法论参考。