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。     

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。     

基于领域驱动设计的可演化数字孪生体构建方法研究

数字孪生体是实现数字孪生范式的关键所在，针对忽略系统可演化性导致的数字孪生体孤岛问题，提出了一种基于领域驱动设计的数字孪生体构建方法，用于构建具有演化性的数字孪生体。数字孪生体的领域模型由镜像、功能和关联3个子域组成。其中，镜像子域描述物理实体的静态属性，如尺寸、材质等，是通用域；功能子域描述物理实体的能力属性，如制造能力、运动能力等，是核心域；关联子域描述物理实体所处空间尺度的上下文交互关系，是支撑域。围绕所提出的领域模型，设计了数字孪生体的演化性实现机制，以构建工业机器人数字孪生体为例，对所提出的数字孪生体构建方法和可演化机制进行了可行性分析。     

净水厂数字孪生模型构建方法研究与实践

为解决净水厂数字孪生模型构建问题，基于数字孪生五维模型，结合净水厂全流程工艺要求提出全要素数字孪生模型构建方法。通过净水厂多层次多尺度数字孪生几何模型，对净水厂全要素及其关系进行数字化呈现；通过标识解析、数据采集、语义描述和有限状态机行为搭建净水厂数字孪生信息模型，实现物理世界与数字空间的虚实映射和数字化表达；通过“机理+智能”混合驱动搭建净水厂数字孪生决策模型，对净水厂的运行机理和规律进行刻画。基于所提理论和方法设计开发了数字孪生净水厂运维管控一体化平台，为构建净水厂数字孪生模型提供了参考。     

基于三维GIS技术的公路交通数字孪生系统

数字孪生是一种集成多学科属性,通过物理世界与信息世界连接融合达到虚拟现实交互与融合的科学,其在交通业的落地途径为建筑信息模型(BIM)+地理信息系统(GIS)技术。各类交通基础设施模型要素的交互关联及孪生数据合理建设方案成为制约其发展的瓶颈。立足交通,以数字孪生的五维结构模型为指导,在三维GIS环境下,针对其虚拟模型应包含的几何、物理、规则模型提出了具体的实现技术。分析了交通基础设施分类及孪生数据特点,细化其构件层次关系,实现模型的标识编码与存储方案。依据CAMP5对系统软件进行分类,并依各层次阐述了验证方法,完成系统验证。最后,基于虚拟模型与数据融合,梳理了像素层、表征层和决策层的应用开发思路,以期为交通运输领域践行数字孪生提供技术参考。     

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。     

数字孪生技术在产品生命周期中的应用与展望

数字孪生的出现为产品全生命周期管理理念的实现提供了新的思路和途径。为探索数字孪生在产品生命周期各阶段的应用模式,从"面向对象"与"面向过程"两个角度阐述了数字孪生的含义,给出了基于数字孪生的产品生命周期的内涵,在此基础上分析了数字孪生在产品研发、制造、维护、报废等产品生命周期各阶段典型场景中的应用方式,总结了数字孪生体的全生命周期,并指出了基于数据的制造这一可能的未来制造模式和数字孪生体的发展方向。     

基于VDEVS的离散制造车间虚拟实体行为模型描述方法

虚拟实体是数字孪生五维模型中重要的组成部分,其行为模型描述了物理实体在外部环境与内部运行机制作用下的实时响应及行为.针对离散制造车间数字孪生虚拟实体行为模型缺乏统一描述与精确定义的难题,提出一种使用基于值的离散事件系统规范(VDEVS)对行为模型进行描述的方法.在原有数字孪生五维模型基础上定义了数字孪生车间虚拟实体分层模型,实现了其与数字孪生车间物理实体的一一映射.通过对传统离散事件系统仿真规范(DEVS)进行扩展提出了VDEVS,从而更加精确地描述离散制造车间复杂系统级、系统级、单元级虚拟实体的行为.最后,针对某加工单元,利用基于VDEVS的方法对其行为模型进行了描述.     

基于数字孪生的铣刀状态实时监控EI北大核心

针对机械加工过程中面临的制造过程不稳定、数据时效性差、实时监控可视化效果弱等问题,本着“虚实结合、以虚控实”的总体思想,提出基于数字孪生的铣刀状态实时监控方法,构建了物理空间和虚拟空间共生互控的数字孪生体。首先,搭建了基于数字孪生五维模型的铣刀状态监控系统结构模型,明确了五层系统架构的组成部分;其次,分别阐述了实现孪生系统框架的3个关键技术,即数控机床的数字空间搭建、多源异构数据的传输及管理、数字孪生驱动的铣刀状态监测;最后,以某薄壁件铣削加工过程为应用案例,验证了该监控方法的可行性与有效性,并为全面管控高档数控机床加工过程提供了一种新途径和新思路。     

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。     

面向动力学特性监测的主轴系统数字孪生体

铣削过程中主轴系统动力学特性随主轴转速和边界条件的改变而发生重构，传统的锤击模态分析驱动方法难以真实反映物理现实。针对该问题，构建了面向动力学特性监测的主轴系统数字孪生体五维模型，探讨了建模方法和运行机制，论述了主轴系统数字孪生体驱动的主轴系统动力学特性监测服务，并将其应用于铣削加工中心主轴系统动力学特性动态监测。实验结果表明，该模型利用主轴系统物理实体与虚拟实体的交互融合，通过监测服务准确获取铣削过程中主轴系统动力学特性，使主轴系统设计改进、运行优化、故障诊断、精准维护成为可能。     

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。     

数字孪生五维模型及十大领域应用

数字孪生(Digital Twin)作为践行智能制造、工业4.0、工业互联网、智慧城市等先进理念的使能技术与手段,近期备受学术界和企业界关注,尤其是数字孪生的落地应用更是关注热点。模型是数字孪生的基础与核心,而传统数字孪生三维模型已无法满足现阶段技术发展与应用需求。在此背景下,为推动数字孪生技术在相关领域和行业的进一步应用,在数字孪生车间研究过程中,提出了数字孪生五维模型的概念,以适应新需求。基于前期相关研究,在进一步阐述数字孪生五维模型后,结合相关合作企业实际应用需求,重点探讨了数字孪生五维模型在卫星/空间通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机、复杂机电装备、立体仓库、医疗、制造车间、智慧城市10个领域的应用思路与方案,以期为相关领域践行数字孪生理念与技术提供参考。     

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。     

数字孪生在制造中的应用进展综述

随着工业4.0、CPS、智能制造等研究的深入,如何解决制造中物理世界与信息世界之间的交互共融成为进一步推进制造业变革的核心问题。在此背景下,学术界和工业界提出了数字孪生的概念及技术体系,用于解决上述难题。为了全面了解数字孪生研究进展,首先梳理了数字孪生的基本概念,综述了其在航空航天、产品、制造设备及制造车间等阶段的应用进展,重点分析了数字孪生与物联网、大数据、CPS之间的联系与区别,最后指出了数字孪生在制造领域的发展趋势。     

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。     

产品数字孪生体的内涵、体系结构及其发展趋势

数字孪生技术被认为是实现信息物理系统的核心关键技术,作为数字孪生技术在产品研发过程具体应用的产品数字孪生体,目前其研究尚处于探索阶段,研究成果相对较少且缺乏系统性。为此首先回顾了数字孪生体的产生背景,在此基础上提出了数字孪生技术的概念,然后对产品数字孪生体的内涵进行了系统阐述,建立了产品数字孪生体的体系结构,并给出了产品数字孪生体在产品设计阶段、制造阶段和服务阶段的实施途径,最后指出了产品数字孪生体的发展趋势。     

数字孪生驱动的装配工艺设计现状及关键实现技术研究

基于制造过程中的全数字量协调传递方式,通过"虚实融合、以虚控实"的手段,对数字孪生模型驱动的航空产品装配工艺优化-反馈-改进环机制进行了研究。分析了装配单元划分/求解/评价、孪生工艺模型构建、以及装配精度闭环控制等方面的技术内涵,阐述了国内外的研究现状及存在问题;考虑虚拟空间的设计与物理空间的装配等因素约束,提出数字孪生在装配工艺设计中的三项关键技术:①基于"面向装配设计"(DFA)的装配工艺规划与评价;②考虑真实物理拓扑关系的孪生工艺模型动态构建与分析;③面向装配现场的工艺优化—反馈—改进环机制构建,并给出具体的解决途径,从而拓展基于模型的制造技术内涵,将数字孪生落地应用,实现产品研发生产的闭环优化决策及产品研制模式的改变,提高装配准确性/一致性及装配效率。     

面向切削过程的刀具数字孪生模型

刀具磨损状态退化建模和仿真的结果难以真实地反映物理现实,使刀具的选用、更换和修磨决策缺乏可靠依据,严重地影响了刀具精准利用的优化和控制,以及生产系统的动态调控。针对该问题,在数字孪生理念的基础上,提出面向切削过程的刀具数字孪生模型,探讨了其概念、组成、功能和运作流程,详细论述了数字孪生驱动的刀具磨损监测、剩余寿命预测、刀具选用决策和刀具服务,并通过原型系统进行了验证。通过刀具物理对象与虚拟模型的交互与共融,面向切削过程的刀具数字孪生模型可提高刀具全生命周期状态管理的智能性、主动性、预测性,支持面向刀具精准利用的优化、决策和服务。