基于数字孪生的生产车间运行状态在线预测

针对数字孪生车间的在线预测难题,提出一种实时数据驱动的数字孪生车间运行状态在线预测方法。分析了车间数字孪生体的内涵和运行机制,构建了基于车间数字孪生体的仿真预测框架,阐述了基于事件调度法的仿真运行逻辑,建立了数字孪生车间输入特性、样本生成、事件处理逻辑之间的关系,融合实时数据实现了基于持续瞬态仿真的车间在线预测。设计并开发了面向数字孪生车间的运行状态在线仿真系统,通过实例验证了该方法的可行性和有效性。     

[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。     

基于OPC UA的数字孪生车间信息物理融合系统

针对生产车间数据集成和分享难度大、实时可视化监控成本高等问题,基于OPC统一架构(Unified Architecture,UA)与数字孪生技术,提出一套面向生产车间的数字孪生车间信息物理融合系统方案。首先,设计了数字孪生车间信息物理融合系统架构,分析了系统架构的组成要求,建立了面向生产车间的通用OPC UA信息模型层次架构;然后,通过信息模型建模、OPC UA服务器开发和OPC UA客户端访问构建了数字孪生车间的统一接口;最后,将该系统方案应用于某生产车间,经验证该方案为生产车间数据集成和统一管理、智能化与可视化监控以及各系统程序之间的数据共享提供了保障,是推动智能制造的有效方案。     

车间生产过程数字孪生系统构建及应用

数字孪生可以真实地反映物理世界,车间生产过程数字孪生可以使生产过程透明化,利用孪生数据可以优化生产。为此,在数字孪生的理论背景下,建立了车间生产过程数字孪生系统体系架构,并对系统实现的3项关键技术——车间生产过程关键要素数字孪生建模与实现、基于OPC统一架构的车间生产过程物理实体数据获取以及车间生产运行实时映射进行了详细阐述。最后,对车间实际生产线进行了数字孪生的实现,验证了所提方案的正确性和有效性,为车间生产过程数字孪生的实现提供了技术解决方案。     

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。     

面向数字孪生的流程型制造车间管控系统

针对流程型制造车间数据采集不全面、生产过程不透明、生产故障监控实时性差而造成的产品劣品率与生产成本高问题，构建了一种制造物联和数字孪生融合的可视化管控系统。围绕“数据感知与传输、数据适配与存储、数据分析与应用”这一主线，分析了物理制造车间的监控数据体系和管控需求，构建了面向制造物联的多源异构数据感知、传输与分析架构，提出了基于数字孪生的物联、物理、虚拟交互方案，实现多视角、分层次的数据可视化监控。最后，该系统在某锂电池材料生产车间部署应用，验证了其优良性能。     

烟草物流中心数字化车间监控系统研究

针对烟草物流自动化车间生产过程监控不足导致车间生产效率不高、管控难度大的问题,研究了一种面向生产过程的可视化监控方法,该方法从实体设备、车间作业流程等多方面构建具有多层级映射规则的数字孪生车间功能模型,在此基础上,建立孪生数据映射逻辑模型,搭建基于S7协议的实时数据采集传输架构,驱动孪生模型同步运行,设计并开发了数字化车间监控系统。最后通过实例验证,表明此系统能够有效集成、融合车间生产数据,实现对车间作业全流程的有效监控。     

基于图卷积网络的数字孪生车间生产行为识别方法

车间人员行为的智能识别对规范生产过程、保障安全生产、实现车间生产行为数字孪生模型的快速构建具有重要的现实意义。提出一种融合注意力机制的图卷积网络的生产行为识别方法,对数字孪生车间生产行为进行数字化描述和快速识别。构建了一种基于拓扑图结构的人员数字孪生体特征,以及一种基于图卷积网络的注意力图卷积网络模型,将数字孪生体特征输入注意力网络模型,实现了对车间生产行为的识别。实验结果表明,该方法在车间生产行为数据集NJUST-3D上取得了较好的识别准确率,能够支持生产行为数字孪生模型的高效构建。     

基于实时数据驱动的数字孪生车间研究及实现

为满足智能车间生产状态实时可视化监控、健康管理、故障诊断等需求,提出一种基于实时数据驱动的数字孪生车间体系架构与技术路线。通过搭建面向真实物理行为高保真映射的虚拟仿真环境,采用面向事件响应的数据管理方法构建模块化、通用化的数字孪生车间系统。在此基础上,详细阐述了异构多源数据的采集与管理、真实物理行为的虚拟仿真环境、面向事件响应的数据实时驱动方法等关键技术。设计了原型系统,并通过车载防撞雷达组装生产线成功验证其可行性,为数字孪生技术在智能制造领域的应用提供了关键支撑。     

基于数字孪生的车间扰动判别与重调度研究

针对车间生产过程中扰动事件频发、扰动影响程度难以判别以及现有重调度方案应用不理想等问题,提出一种基于数字孪生的车间重调度方法,建立了扰动分层判别机制,分别采用数字孪生虚拟模型与支持向量机(Support Vector Machine, SVM)分类决策模型识别显性与隐性扰动,为重调度触发提供决策;通过算法与数字孪生虚拟模型协同优化,得到兼具效率和稳定性的重调度方案。以某大型机械制造工厂为例,仿真实验结果表明,建立的扰动分层判别机制能对车间扰动类型进行有效判别,通过数字孪生虚拟模型仿真输出性能指标能够判定显性扰动,SVM分类决策模型对于隐性扰动的识别具有较高的准确率;基于数字孪生的车间重调度方案可得到效率较高、工序变动成本较低的重调度方案,提高了车间的生产性能。     

基于数字孪生的卫星总装过程管控系统

为解决卫星总装过程实时管控和分析预测的难题,提出一种基于数字孪生的卫星总装过程管控系统,建立了系统体系结构,研究了面向总装过程管控的产品与车间孪生建模、数据物联采集与虚实精准映射、数字孪生驱动的总装过程实时管控与分析预测、孪生数据多维度组织管理等关键技术。该系统以孪生模型和实时数据为驱动,基于产品关键特征和车间关键要素,将模型与数据进行有效融合,实现了总装过程的实时管控,并为生产决策提供支持。通过在卫星总装车间部署运行的应用效果,验证了该系统的有效性和可行性。     

基于数字孪生的复杂产品离散装配车间动态调度

面向多品种变批量生产的复杂产品离散装配车间是典型的复杂制造系统,其运行过程呈现高复杂性、强动态性和不确定性因素多等特征,为实现复杂产品离散装配车间的动态调度,提出一种基于数字孪生的复杂产品离散装配车间动态调度方法,通过物理空间和虚拟空间之间的数据交互进行更精确的动态调度。构建了基于数字孪生的复杂产品离散装配车间调度框架和调度问题模型,详细阐述了基于实时数据和神经网络的工时在线预测、面向复杂产品离散装配的数字孪生车间动态调度等关键实现技术;构建了复杂产品离散装配车间调度系统,并以某航天产品装配车间的调度过程为例,验证了该方法的有效性和可行性。     

基于数字孪生的复杂产品装配过程管控方法与应用

针对航天复杂产品装配过程的实时可视化监控、运行状态在线分析与预测难题,提出了一种基于数字孪生的复杂产品装配过程管控方法。首先构建了面向复杂产品装配过程管控的数字孪生模型;在此基础上,引入工作流技术实现了装配过程数据的实时采集与管理,提出实时数据驱动的数字孪生车间同步运行方法;随后通过灰色马尔可夫预测模型、T-K统计控制图以及关联规则算法的集成应用,实现了对复杂产品装配过程中的小样本量质量数据的实时预测与分析。最后,自主设计并开发了基于数字孪生的复杂产品装配过程管控系统,并在某卫星装配车间进行了应用验证。     

基于数字孪生的生产系统仿真软件关键技术与发展趋势

随着设计和制造过程智能化程度的提升，基于数字孪生技术开展生产系统仿真的研究对国产自主化工业软件具有重要意义。在解析基于数字孪生生产系统仿真软件的特征和应用需求的基础上，阐述了生产系统仿真软件的关键技术，包括生产系统孪生模型构建、生产系统仿真优化和离散事件基础仿真引擎；通过整合国内外生产系统仿真软件，总结了生产系统仿真软件的应用；基于数字孪生的生产系统仿真软件的特征，以及软件与数字孪生模型高保真表示、高效构建、高效仿真和人机交互等的紧密结合，探讨了基于数字孪生的生产系统仿真软件开发的技术挑战与发展趋势，以期为我国基于数字孪生的生产系统仿真软件的自主研发提供参考。     

基于数字孪生的配送管理系统研究

为提升货物配送的全生命周期管理和配送过程的服务优化,将数字孪生理念融入配送管理,提出和研究了基于数字孪生理念的配送管理系统;分析了系统的应用需求,建立了系统的架构和功能结构,提出了配送过程数字孪生体的构建内容与方法,并设计构建了配送过程的基本数字孪生体、装箱规划的数字孪生体模型和配送过程优化的数字孪生体模型,建立了面向数字孪生模型的装箱方案和交互调整方法,形成动态交互的基于数字孪生的动态装箱布局方法。开发实现了一种原型系统,以配送实例演示了数字孪生配送管理系统的功能,证明该系统能够提升装箱效果并合理地优化配送过程。     

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。     

基于数字孪生的机械加工车间多级能效监测EI北大核心

针对机械加工车间能耗规律复杂、设备状态时变性强导致能效实时全面监测困难的问题,提出一种基于数字孪生的机械加工车间多级能效监测方法。通过分析机械加工车间的多源能耗特性,建立机械加工车间多级能效监测指标体系;提出机械加工车间多源异构数据的获取方法,并构建事件与实时数据驱动的机械加工车间实时映射模型;基于碰撞检测与布尔运算的物理模型动态判别机床运行状态,进而获得基于数字孪生的机械加工车间多级能效监测方法。以某机床企业机械加工车间为应用案例,验证了所提方法的有效性和实用性。     

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。     

基于数字孪生的复杂机械产品多学科协同设计建模技术

数字孪生技术能够实现产品物理模型和信息模型的融合与迭代优化,从而缩短产品研发周期、降低返工成本。针对复杂产品多学科协同性差、研发成本高的难题,将数字孪生的理念引入到复杂机械产品多学科协同设计中。分析了多学科协同设计和数字孪生的研究进展,从全生命周期的视角探讨了产品、生产及其性能数字孪生模型的信息表达、集成与数据交互问题,给出了数字孪生的演变过程模型;在分析产品数字孪生多阶段建模过程的基础上,设计了一个产品数字孪生多学科协同设计建模参考架构,提出了机电一体化的多学科协同设计与虚拟工程方法和产品数字孪生多学科协同设计关键技术,通过优化仿真和虚拟调试构建了复杂机械产品的数字孪生模型,解决了产品全生命周期中机械、电气和自动化等多学科系统的信息物理融合问题。通过案例验证了所提数字孪生多学科建模理论及其优化方法的可行性。     

基于数字孪生的模块化生产系统运行机制及重构方法

作为实现企业柔性生产的一种重要方式,重构对响应日益增强的个性化市场需求具有重要作用。针对模块化智能特性下生产系统的快速重构需求,围绕数字孪生驱动的模块化生产系统(DT-MPS)的架构及运行机制展开研究;在此基础上提出一种面向DT-MPS的重构方法,并重点围绕DT-MPS的建模方法和重构机制展开研究。以某企业模块化生产车间为例,对所提方法进行案例分析与验证,为探索数字孪生在模块化生产系统快速重构方面的应用进行了尝试。