基于数字孪生的跨营区数据融合应用研究

稿件智慧营区建设与之前的数字营区相比,主要区别在于对营区及相关系统多元化感知数据获取及融合处理.在解决单营区数据融合的基础上,要考虑跨营区多级协同营区的数据融合应用.结合智慧营区特征以及跨营区数据融合需求,给出基于数字孪生技术的数据融合架构设计,并提出有关数据融合应用构想.通过数字孪生技术提供底层技术支撑,力图取得营区数据融合信息模型赋能优势,通过建立物理/虚拟模型的数据融合模型和交互关系,确保跨营区的协同化运用,对未来跨营区数据融合应用具有一定的参考意义.     

基于多智能体的数字孪生及其在工业中应用的综述

数字孪生是一种将物理实体数字化的技术,通过建立虚拟的数字孪生模型模拟实际的物理过程,以便进行模拟仿真、数据分析和优化设计等操作.鉴于此,分析数字孪生技术在复杂工业生产中的发展历程和研究现状,并重点讨论其概念、国家相关重点研究的政策,以及数字孪生使能技术在各行业的应用.主要途径是分析和综述基于多智能体的数字孪生、基于数字孪生的设计、制造和运维、数字孪生的集成在智能制造中的应用相关的研究成果.此外,提出高炉连续生产数字孪生方案和大飞机多智能体离散制造方案,高炉模型包括成分场大模型和增量学习小模型,该模型可以为数字孪生在复杂流程工业中的应用提供带有增量补偿的机理与计算机视觉相结合的解决方案.在复杂工业制造中,数字孪生和多智能体技术可以提高生产效率和质量,减少能源消耗和废品产生,同时也能够降低复杂度、安全风险和成本.     

数字孪生: 跨界赋能于多领域智能的新应用

随着大数据、5G、人工智能、CPS、云计算、物联网技术的发展与交叉融合, 使得世界朝着数字化、智能化方向发展. 数字孪生是以物理实体为原型建立多维虚拟模型, 通过安装在物理本体上的传感器实时反馈数据, 并结合以往的历史数据和人工智能技术, 最后利用软件分析并呈现. 由于数字孪生技术能与多个先进理念, 如: 工业4.0、航空航天、智慧城市、智慧医疗等良好的融合并应用, 这使其成为多个行业的热门研究方向与主要驱动技术, 在各行各业都有很大的发展空间. 本文首先阐述了数字孪生技术的基本概念, 梳理了数字孪生技术的发展脉络, 进一步理清了数字孪生技术与CPS技术之间的关系, 并介绍了数字孪生技术的研究现状. 其次, 介绍了数字孪生的关键技术即多维多尺度建模, 孪生数据管理和虚拟呈现. 最后, 探讨了数字孪生技术在智慧工厂领域、智慧城市领域、孪生医疗领域、航空航天领域的应用发展和方向, 并从方案、特点、关键技术等角度介绍了本研究团队在智慧工厂领域对原稳加热炉设备的数字孪生应用案例.     

面向软件定义网络的可变粒度数字孪生构建技术

软件定义网络（software defined network,SDN）应用范围的扩大带来了应用需求多样化的挑战。利用数字孪生（digital twin,DT）增强SDN的实时分析、推演和控制能力,能更好地满足各种应用场景需求。然而,当前SDN的数字孪生构建面临着时延需求高、计算开销大、资源协调难的问题。因此,以应用需求为导向,在网络可用计算资源约束下,提出了一种新型的可变粒度数字孪生（variable granularity digital twin,VGDT）思想及其构建技术。VGDT结合网络可用计算资源分布特征,建立了保证数字孪生时延和完整度的多节点资源协同优化模型。在此基础上,利用混合编码遗传算法对该模型进行求解,获得最佳映射数据粒度和数字孪生部署方案,指导数字孪生的构建过程。仿真结果表明,与现有模式相比,在网络计算资源约束下,VGDT具有更高的数字孪生模型完整度和有效性。     

面向智能矿山与新工科的数字孪生技术研究

将数字孪生与人工智能(AI)技术相结合,提出了基于数字孪生+AI的智能矿山建设新思路。探索了智能矿山技术发展路径,研究了数字孪生技术的特征、应用领域及发展趋势,指出数字孪生是数字化矿山发展的必然趋势。提出了基于数字孪生+AI的智能矿山理论架构,构建了矿山数字孪生模型,模型自下而上分别为矿山全要素物理实体、矿山信息物理融合层、矿山数字孪生模型、矿山孪生数据交互层、矿山应用智能服务层,据此实现智能矿山的泛在感知、协同控制和智能决策与优化。从应用实际需求出发,探讨了智能矿山模型构建技术、智能开采数字孪生体技术、矿山智能控制技术、矿山设备故障预测、基于数字孪生的人机交互等关键技术。通过研究数字孪生在智能矿山中的应用,为AI技术在智能矿山应用落地提供思路,为未来智能矿山新工科建设提供理论借鉴。     

基于数字孪生技术的自动物料检测输送线设计与仿真

以自动物料检测输送线为例,阐述数字孪生技术在自动化生产线设备设计与控制仿真中的应用,着重讲解数字孪生系统体系架构、输送线设计的关键技术、输送线功能、数字孪生模型构建、设备控制程序设计以及控制程序与数字孪生模型的仿真调试,为实现数字孪生提供了技术参考方案。     

在建大型水利工程数字孪生平台实践与思考

为整体提升在建水利工程智慧化管理能力，通过数字孪生平台建设，赋能建设期工程施工管理、运行期业务应用。在已建信息化系统的基础上，结合数字孪生水利工程建设要求和目标，构建引江济淮工程数字孪生平台总体架构。围绕数据底板、模型平台、知识平台 3 个方面，搭建真实、全面、准确的水利及水运多领域数据底板，为工程数字化映射、智能化应用提供准确的数据资源；搭建感知、预测、调度、控制、评价功能的模型平台，覆盖中长期、短期、实时多尺度调度需求，以及常规、应急多目标调度场景；搭建以方案库和专家经验库为主的知识平台，将静态、动态知识共同融入“四预”全流程；按照工程建设、运行调度、工程维护等管理业务需求，建设水资源调度、航运调度、工程安全监控等业务系统，为更加合理、有序地推进数字孪生水利工程后续建设提供思路。     

一种新的船用捷联惯导系统数字仿真器的设计

以舰船的运动特性为依据,设计了一种新的船用捷联惯导系统数字仿真器;用VC++编程语言设计舰船运动轨迹;建立陀螺仪、加速度计的误差模型;用惯导系统姿态更新、位置更新、速度更新解算的结果与航迹点参数(真值)比较,得到惯导系统误差;应用表明,该仿真器能够灵活地模拟出舰船在不同的运动状态下船用捷联惯导系统的各种导航参数,为研究舰载条件下的捷联惯导系统传递对准技术提供了可靠的试验数据。     

基于数字孪生的多能互补微型能源网络的构建

为分析小微园区多能互补能源网络的即时状态分布,促进园区可再生能源消纳以及清洁能源消耗比重提升,推动能源利用转型与双碳目标落地,本文探析了多能互补能源利用形式及体系架构,分析了数字孪生技术的构成要素及模型框架,搭建了多能互补能源体系数字孪生框架模型,提出了基于ANSYS Twin Builder及Microsoft Azure IoT的多能互补微型能源网络数字孪生实现方法,通过对滨海辖区OZ小微园区建立微型能源网络构建数字孪生模型实时仿真,实现孪生体在物理世界与数字世界的孪生互动,以此即时分析了解其园区能源网络的状态分布,同时为园区内各种能源形势的动态调度提供辅助决策,构建数字能源生态,高质量赋能新型电力系统省级示范区建设,推动我国能源结构转型及碳达峰、碳中和目标实现。     

工业互联网支持下的数字孪生车间

随着信息时代的发展,数字孪生技术已成为实现智能制造的方法之一。首先说明了数字孪生的产生背景,数字孪生技术是实现信息空间和物理空间信息数据融合的重要方法、手段。接着从模型、数据、应用等不同方面,对智能车间数字孪生技术进行了探讨,同时比对了不同公司对数字孪生技术在车间应用的侧重点。通过比较智能车间相关概念,得出了数字孪生车间是一种新的车间运行模式,其关键问题是实时数据传输。工业互联网是一种将人、数据和设备等连接起来的网络技术,通过物联网等技术可以实现实时数据传输。分析了工业互联网技术的发展及工业互联网技术对实现数字孪生车间的技术支持,最后对数字孪生技术的发展进行了展望。随着数字孪生技术在车间中的运用,数字孪生车间必将成为未来智能车间的一种重要的实现方式。     

基于多线程的惯导逻辑仿真器设计

针对惯导系统在载机静止状态下无法提供动态参数的问题,对惯导子系统进行数字仿真。在航电系统仿真中,采用1553 B总线与总线控制器和其他航电、非航电设备交联,通过以太网接收外部激励数据,采用多线程技术实现主备2个惯导并发运行,设计一种惯导逻辑仿真系统。阐述系统硬件结构和软件设计,建立惯导姿态仿真模型和位置仿真模型,实现惯导各种逻辑子过程。在某型飞机航电仿真系统中的联调证明,该仿真器能够准确接收外部激励源飞行信息、故障状态,经过结算后周期性地向总线控制器输出飞机位置数据、姿态数据等动态参数,执行某型飞机航电设计文档中相关惯导逻辑,并向总线控制器反馈惯导子系统状态。     

四旋翼飞行器的数字孪生系统设计

随着四旋翼飞行器在工程实践中的应用越发广泛,对其控制系统的精确性、快速性、适应性等要求也不断提高。近些年的研究热点--数字孪生,正是借助数据和模型模拟物理实体在现实环境中的行为,通过对物理对象的精准数字化,可用于提高物理实体或系统的运行效率。将数字孪生技术引入四旋翼飞行器的控制系统,建立四旋翼飞行器的数字孪生系统体系架构。详细阐述该体系架构搭建所涉及的相关技术：四旋翼飞行器的数字孪生建模;以传感器技术与无线通讯技术为载体的数据采集与传输;本地数据库配合Hadoop技术进行大数据存储、挖掘。对实际的四旋翼飞行器进行了模型仿真与实地测试,验证了所设计的数字孪生系统的有效性,达到了四旋翼飞行器的运行过程透明化和利用孪生数据优化飞行控制与机身状态的效果。     

《数字孪生流域建设技术大纲(试行)》解析

2022 年 3 月,水利部印发《数字孪生流域建设技术大纲(试行)》,明确了数字孪生流域的具体建设内容,细化了技术要求。介绍数字孪生流域建设背景,以及定义、建设范围及目标、建设原则等建设内涵,阐明智慧水利总体框架和数字孪生流域建设框架,进一步厘清相互关系。详细说明数据底板、模型平台、知识平台等组成的数字孪生平台,以及水利感知网、水利信息网、水利云等组成的信息化基础设施两大组成部分的主要建设任务,对涉及的具体功能要求和技术要点进行详细解析,就数字孪生流域建什么、达到什么标准及需要重点把握的技术环节等问题进行解读,并对数据孪生流域建设过程中涉及的数据安全特别是地理空间数据安全应用等重要问题和集成共享相关要求进行说明。     

数字孪生在煤矿电网中的应用研究

立足于数字孪生的基本概念和内涵,分析了数字孪生技术在煤矿电网中的应用优势：以同步实体运行状态、数字化模拟运行2种手段来辅助煤矿电网的运行管理,具有数据驱动、实时更新、同步反馈的特点。提出了由煤矿电网物理实体层、煤矿电网数字孪生模型层、用户管理服务层、数据交流层组成的煤矿电网数字孪生体系基本架构,从物理实体、数字孪生模型2个方面探索了煤矿电网数字孪生体系运行模式。介绍了建立煤矿电网数字孪生体系的关键技术：煤矿电网数字孪生模型构建、智能数据采集、基于5G的智能通信、数字孪生智能数据库、数字孪生设备智能管理平台。给出了数字孪生技术在煤矿电网中的具体应用场景,包括煤矿井下电气设备状态评估、煤矿电网故障定位和保护、煤矿电网智能监控、煤矿井下线路智能巡检。将数字孪生技术应用在煤矿电网中,对煤矿电网的状态和运行进行动态仿真建模,一方面可以满足当今规模庞大的煤矿电网相对地面电网更高的运行要求,保障煤矿生产安全性,另一方面可推进煤矿电网的智能化进程,实现数据资源高效合理利用。     

2019年度案例

每一个案例背后都蕴藏着一次奇妙的交互体验,无论是技术的突破还是生态的赋能,各行各业不断前进不断尝试,都只为在每一次1+1>2的合作中实现对人类共同体的有益探索。工业互联网案例:基于数字孪生的石化行业网络化协同管控应用获选:2019年度优秀工业互联网案例提供方:石化盈科使用方:中国石化九江分公司案例描述:石化盈科推出的“基于数字孪生的石化行业网络化协同管控应用”基于全局工厂模型的数据和应用集成,实现数据库、规则库、模型库、知识库的有效整合及协同应用。     

基于数字孪生的变电设备运维系统及其构建

针对变电设备周期状态管控难、运检效率低等问题,基于数字孪生理论,构建基于真实变电设备运维的数字化模型及系统。首先,在信息层建立能反映变电设备换流变、调相机、GIS（Gas Insulated Substation）这3类设备真实状态的数字孪生体;其次,基于换流变、调相机、GIS历史大数据,通过数字孪生体的变电站设备进行统计分析,并根据采集的实时数据、运维数据来预测变电站设备下一时刻的状态,使变电设备实现实际变电站内物理层与信息层数据的融合;最后,以变电站设备运维为对象,采用信息物理融合系统进行运维数据的集成和同步,形成最终变电设备运维数字孪生框架系统。相关研究表明,运用数字孪生技术可以对变电设备运维系统运行效率的提升和对变电站整体智能化提供强有力的技术支撑。     

实时在线监控系统的三维可视化方案

为解决核反应堆辐射及不可接近环境下工人运维的技术难题,融合新一代信息技术,将数字孪生技术与工业互联技术相结合,提出了一套三维数据可视化实现方案,解决了数字孪生应用中三维模型呈现、实时数据对接、模型算法软件对接,以及数据可视化等关键问题。首先,利用3D Studio Max、SolidWorks等建模软件构建三维模型,并结合前端设计、虚拟场景渲染等技术,实现数字孪生可视化场景构建;其次,基于Node. js运行环境搭建WebSocket服务器,并通过Node-EPICS事件驱动读取实验物理和工业控制系统（EPICS）的过程变量,实现对设备支持层数据更新事件的监听;最后,利用Socket. io套接字创建双向数据通道实现服务器到Unity客户端的实时数据传输。使用该方案构建的反应堆三维监控系统现已应用于中国科学院（CAS）钍基熔盐堆（TMSR）核能项目,该系统实现了核反应设备结构及物理特性在虚拟环境中的数字映射,具备网络通信、数据显示等功能,且数据更新周期达到100 ms,有助于监控人员掌握现场实际情况与指导运维检修。     

基于LabVIEW和MATLAB的数字孪生供热系统平台的设计与仿真

数字孪生技术充分利用物理结构、传感器更新、设备运行历史等数据通过集成多领域、多物理量、多可能性的模拟过程，在虚拟空间中进行镜像，以此表达相对应的实物装置的整个生命周期过程。从智慧供热的发展历史来看，依托现代工业系统理念，提出了基于"数字孪生"的智能供热系统结构。首先介绍了数字孪生的基本结构，给出了数字孪生的构建方式基于虚拟仪器Labview的大数据采集、处理、归档、仿真；然后以采集的数据为基础，得到供热系统的孪生模型，叙述了数字孪生技术解决的关键问题；最后，通过Labview仿真平台调用Matlab中神经网络智能算法，得到基于大数据采集以及经过智能算法优化后的参数，同时系统将参数反馈给物理实体设备，从而完成孪生模型的仿真、优化、反馈过程。通过热网系统优化仿真案例验证了Labview和Matlab混合编程在建立的孪生供热平台上、应用的有效性。     

基于数字孪生的火箭测试与发射过程健康管理技术研究

为了解决运载火箭对地面测试与发射过程中对数据综合分析能力,飞行过程的故障诊断和预测能力,以及故障处理措施的快速决策等能力的迫切需求,提出一种基于数字孪生技术的火箭测试与发射过程健康管理系统设计方案;该方案通过建立运载火箭测试与发射阶段数字孪生模型,实现对火箭测试和发射过程的天地镜像仿真,依托数字孪生模型,对运载火箭健康管理功能进行了设计和优化;利用真实火箭和数字孪生火箭的信息交互,可有效实现火箭测试过程数据分析、飞行过程协同诊断,以及故障处理决策支持等功能;该系统提高了火箭发射的可靠性,为火箭可靠飞行提供了技术保障;同时,该技术在运载火箭健康管理上的应用也面临一些关键技术还需要进一步突破和发展.     

数字孪生机场总体架构研究

目前,机场信息资源的集约化程度和业务流程的数字化程度普遍较低,传统的机场运行管理模式进入瓶颈期。基于数字孪生的基础理论,开展了数字孪生机场运维的理论模型和总体架构研究。首先,分析了数字孪生机场五维结构化本体模型,在此基础上提出了符合机场运维需求的技术体系架构和孪生机场建设的三个层级。然后,阐述了数字孪生机场感知模型构建的三种常用方法,对数字孪生机场的应用服务功能进行了划分。最后,总结了数字孪生机场的应用方案和价值。该研究可为数字孪生机场建设提供理论基础和技术支撑。