数字孪生标准体系

数字孪生(Digital Twin)作为实现数字化、智能化、服务化等先进理念的重要使能技术,当前备受学术界和工业界关注,如何在各领域落地应用更是关注的重点。但在数字孪生理论研究与落地应用过程中,发现缺乏数字孪生相关术语、系统架构、适用准则等标准的参考,导致不同用户对数字孪生的理解与认识存在差异;缺乏数字孪生相关模型、数据、连接与集成、服务等标准的参考,导致模型间、数据间、模型与数据间集成难、一致性差等问题,造成新的孤岛;缺乏相关适用准则、实施要求、工具和平台等标准的参考,造成用户或企业不知如何使用数字孪生。为解决上述问题,亟需数字孪生相关标准来参考和指导。因此,首先从数字孪生概念的理解与沟通、关键技术研究与实施、行业落地应用3个角度对数字孪生标准的需求进行了分析。在此基础上,结合前期提出的数字孪生五维模型,与国内本领域相关标准技术委员会及应用企业(包括机床、卫星、发动机、工程机械装备等行业)共同建立了一套数字孪生标准体系架构。该标准体系主要由数字孪生基础共性标准、关键技术标准、工具/平台标准、测评标准、安全标准、行业应用标准6部分构成,期望相关工作能为数字孪生标准研究与制定人员提供参考,同时为数字孪生落地应用提供指导。     

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。     

工业机器人码垛数字孪生系统的研究与实现

为提高工业机器人码垛的智能化水平,将数字孪生技术与机器人码垛作业流程相结合,研究并设计了工业机器人码垛数字孪生系统。分析了码垛数字孪生系统架构,规划并设计了系统的功能模块和运行机制,阐述了工业机器人数字孪生系统数据集成模块、虚拟场景构建模块、虚拟机器人码垛模块和可视化辅助服务模块的实现方法,融合真实码垛场景下的机器人作业数据,实现了对基于数字孪生技术的工业机器人码垛虚拟可视化仿真与策略优化的信息反馈。设计并开发了面向工业机器人码垛作业的数字孪生系统,以物理码垛场景数据为例,验证了本系统的有效性,为探索数字孪生技术在工业机器人智能码垛的应用进行了尝试。     

数字孪生模型评价指标体系

数字孪生作为实现数字化、智能化、服务化等理念的重要使能技术,以及助力数字经济与实体经济融合发展的有效手段,受到各行各业的广泛关注.随着数字孪生逐渐从理论研究迈向落地实践,在实际应用对数字孪生模型的要求更加多元的同时,对数字孪生模型性能的透明度也提出了更高的要求.然而,数字孪生模型在构建校验、运行管理、重构优化、迁移复用、流通交付等阶段缺乏系统性评价理论和方法指导,难以分析和量化数字孪生模型的质量、性能、适用性或共生性、适应性和价值,严重阻碍了数字孪生的深入推广和应用.针对上述问题,首先对不同阶段的数字孪生模型性能需求进行分析,在此基础上,提炼出8项数字孪生模型评价准则,进而构建了一套数字孪生模型评价指标体系,并给出了29项评价指标的量化计算参考方法,以期为数字孪生模型各阶段的决策过程提供参考.     

[数字孪生驱动的智能制造]数字孪生车间演化机理及运行机制

针对当前数字孪生车间演化机理不清楚造成其在制造领域技术路线图不明确的问题,从信息流、物料流、控制流三者的作用及关系剖析了当前生产车间所存在的问题和挑战,在总结数字孪生源起与发展现状后,提出从可视化、逻辑、数据三个维度构建可交互、可控制、可计算的虚拟车间,进而探讨从虚拟车间到数字模型车间、数字投影车间和数字孪生车间的演化机理。提出从数字化、智能化、智慧化三个阶段逐步构建数字孪生车间并阐述了各阶段的运行机制及使能技术,可为数字孪生车间在制造领域的推广与应用提供参考。     

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.     

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。     

数字孪生车间演化机理及运行机制

针对当前数字孪生车间演化机理不清楚造成其在制造领域技术路线图不明确的问题,从信息流、物料流、控制流三者的作用及关系剖析了当前生产车间所存在的问题和挑战,在总结数字孪生源起与发展现状后,提出从可视化、逻辑、数据三个维度构建可交互、可控制、可计算的虚拟车间,进而探讨从虚拟车间到数字模型车间、数字投影车间和数字孪生车间的演化机理。提出从数字化、智能化、智慧化三个阶段逐步构建数字孪生车间并阐述了各阶段的运行机制及使能技术,可为数字孪生车间在制造领域的推广与应用提供参考。     

[数据驱动的智能服务]数据驱动的复杂产品智能服务技术与应用

随着传感器、数据采集装置和其他具备感知能力的模块在复杂产品服务运行阶段的应用,复杂产品运维系统的数字化和智能化程度越来越高,具有实时、多源、异构、海量等特性的数据成为提高复杂产品系统可靠和低成本运行的决策依据,数字孪生技术提供了一种有效途径。介绍了数据驱动的复杂产品智能服务研究进展;分析了数据驱动的智能服务基本特征与框架模型;提出了数据驱动的复杂产品智能服务方法,主要包括面向服务的复杂产品建模与仿真方法、数据驱动的服务需求获取与精准分析预测方法、基于数字孪生的设备故障识别与动态性能预测方法、数据驱动的装备视情维修与备件库存联合多目标决策优化方法、基于数字孪生的复杂产品辅助维修技术、多要素协同的复杂装备能效精准分析预测方法、基于数据挖掘的复杂产品运行优化控制方法等;给出了智能服务系统的应用案例。所提出的框架和方法可为现代制造服务的智能化转型升级提供参考。     

数据驱动的生产线数字孪生系统构建与应用

为满足生产线智能化的发展需求,针对传统生产线现场调试周期长,生产线三维可视化能力差,生产数据不同步,现场状态监控成本高等问题,结合数字孪生技术,以数据驱动为基础,构建了生产线数字孪生系统。首先运用Process Simulate构建生产线上的各类设备的数字孪生模型,根据数据通信网络和数据采集架构图,利用OPC UA和Modbus通信,读取生产线设备实时数据,并存入相应的数据库中作为驱动生产线数字孪生模型的数据源,从而实现数字孪生模型对物理实体的实时映射。最后,通过搭建虚拟仿真环境,对数字孪生系统进行虚拟调试,并通过构建实例验证平台,验证生产线数字孪生系统的有效性和可行性。     

数字孪生模型构建理论及应用

数字孪生作为实现数字化转型和促进智能化升级的重要使能途径,一直备受各行各业关注,已从理论研究走向了实际应用阶段.数字孪生是以多维虚拟模型和融合数据双驱动,通过虚实闭环交互,来实现监控、仿真、预测、优化等实际功能服务和应用需求,其中数字孪生模型构建是实现数字孪生落地应用的前提.针对如何构建数字孪生模型问题,首先提出了数字...     

数据驱动的复杂产品智能服务技术与应用

随着传感器、数据采集装置和其他具备感知能力的模块在复杂产品服务运行阶段的应用,复杂产品运维系统的数字化和智能化程度越来越高,具有实时、多源、异构、海量等特性的数据成为提高复杂产品系统可靠和低成本运行的决策依据,数字孪生技术提供了一种有效途径。介绍了数据驱动的复杂产品智能服务研究进展;分析了数据驱动的智能服务基本特征与框架模型;提出了数据驱动的复杂产品智能服务方法,主要包括面向服务的复杂产品建模与仿真方法、数据驱动的服务需求获取与精准分析预测方法、基于数字孪生的设备故障识别与动态性能预测方法、数据驱动的装备视情维修与备件库存联合多目标决策优化方法、基于数字孪生的复杂产品辅助维修技术、多要素协同的复杂装备能效精准分析预测方法、基于数据挖掘的复杂产品运行优化控制方法等;给出了智能服务系统的应用案例。所提出的框架和方法可为现代制造服务的智能化转型升级提供参考。     

重大装备形性一体化数字孪生关键技术

重大装备形态和性能的精准预测与分析是实现其智能化和自主创新的关键技术之一。数字孪生作为连接物理世界和数字世界的纽带,可用于在数字世界中建立物理实体材料选择、结构设计、加工制造和运维管理的全生命周期真实镜像。面向重大装备几何形态和结构力学性能,通过分析当前建立数字孪生的需求与难点,提出机理模型与实测数据联合驱动的“算测融合”解决方案;综合考虑孪生模型的时效性与准确性要求,构建重大装备“形性一体化”的数字孪生框架。详细论述当前构建重大装备数字孪生所面临的“算不了”、“算不准”、“算不快”、“测不了”、“测不全”和“测不准”六个具体问题,并给出相关解决方案和关键技术。通过典型案例验证了所提框架与关键技术的可行性与有效性,为数字孪生在重大装备中的落地应用提供了理论和技术参考。最后,探讨了重大装备数字孪生的未来发展趋势和所面临的进一步挑战。     

数字孪生驱动的固体发动机总体设计体系架构与应用

为了改进固体发动机以经验半经验为主的设计模式,解决固体发动机设计与仿真分离、数值模拟与物理试验分离、地面试验数据测不了、测不准和测不到等难题,推动固体发动机由经验驱动设计向数据和模型驱动设计转型,从数字孪生体的内涵出发,研究建立了数字孪生驱动的固体发动机总体设计概念体系,从过程、模型和数据3个视角定义了固体发动机数字孪生,并提出了过程孪生、模型孪生和数据孪生的概念;在此基础上,建立了数字孪生驱动的固体发动机总体设计系统5层架构模型,分析了各层的内涵及层与层之间的关系;从过程孪生、模型孪生和数据孪生3个概念出发,研究了数字孪生驱动的固体发动机总体设计系统的运行机制;分析了系统的特点,探讨了系统在发动机设计中的应用方法,并给出了初步的实现方案,为下一步落地应用提供理论参考。     

机床智能控制系统体系架构及关键技术研究进展

机床智能控制系统是未来智能机床领域的重要组成部分,对提高制造业核心竞争力具有重要意义.相比传统数控系统,机床智能控制系统具有更高效、稳定地加工质量,以及可代替人工经验智能判断等优点.针对现有机床智能控制系统方面的综述性讨论较少的情况,通过分析机床控制系统发展历程中四个阶段的特点,提出机床控制系统的智能化体系和架构.然后,从先进技术角度,详细阐述了人工智能技术、数字孪生技术以及云服务等关键技术,在机床智能控制系统中的应用.最后,通过分析智能机床面临的几大严峻挑战与应对之策,展望了未来机床智能化控制系统的发展趋势.     

基于数字孪生的行车多因素隐性级联故障诊断EI北大核心

针对行车传统运维方式中存在的可管可控状态不明、故障时定位分析耗时久、设备宕机时间长等问题,为实现行车状态运维的智能化转型升级,基于数字孪生技术和数据驱动方法,提出一种用于行车多机构联动、多因素耦合的隐性级联故障诊断分析方法。以数据驱动为核心,构建了数据驱动的行车数字孪生模型,详细阐述了行车数字孪生系统的组成和交互行为;对显性故障和隐性故障进行分类和定义,设计了SDAE—MCSVM—FBN方法解决多因素隐性级联故障;构建了数据驱动的行车数字孪生模型的原型系统,以某大型国企钢厂某车间内的行车作业过程为例,与传统运维方式中的人工点检对比,在所提方法应用前后,故障维修时长和设备宕机时长分别减少的时间比例区间为24.5%~32.8%,20.5%~32.4%,证实了所提方法对隐性级联故障诊断分析的有效性和可行性。     

数字孪生卫星:概念、关键技术及应用

在分析卫星产业发展趋势与升级转型新需求后,为推动卫星与新技术融合发展,提升大型卫星工程的整体管理水平与流程管控能力,促进卫星产业数字化、网络化、智能化、服务化转型升级,将数字孪生技术与卫星工程的关键环节、关键场景、关键对象紧密结合,探讨提出了数字孪生卫星的概念。为阐述数字孪生卫星内涵,以卫星互联网项目为背景,从空间维度对数字孪生卫星的组成进行了分析,包括数字孪生卫星试验验证系统、数字孪生卫星总装车间、数字孪生卫星产品、数字孪生卫星网络等。从时间维度对数字孪生卫星核心要素,包括模型线程(Model Thread)、数据线程(Data Thread)、服务线程(Service Thread),进行了阐述。在此基础上提出了数字孪生卫星关键技术体系,并结合前期已开展的相关实践工作,从全生命周期视角对数字孪生卫星在卫星总体设计、详细设计、生产制造(含装配、集成与测试)、在轨服务与健康管理、网络运维管理各阶段的应用进行了探讨,以期为未来卫星产业发展,卫星工程和卫星互联网工程建设提供参考。     

基于Unity3D的数控机床数字孪生系统设计与实现

数控机床作为机械制造业中先进加工设备,由于设备复杂造价昂贵,其状态监测尤为重要。本文结合数字孪生技术,以LG Mazak数控机床为研究对象,建立了机床的三维模型,基于Uniyt3D软件构建了数控机床数字孪生系统。首先明确了数字孪生系统的五维架构;其次分析了搭建数字孪生系统的关键技术和功能设定,搭建了包括车间漫游、数据可视化、切削过程仿真、刀具碰撞预警、数据查询系统等功能在内的服务平台;最后完成了系统各功能模块进行集成。本系统为数控机床虚实交互操作和数据可视化提供新思路,同时对数控机床操作培训提供便利。     

高铁接触网腕臂柔性预配生产线实景数字孪生平台设计与开发

针对现有的高铁接触网腕臂柔性预配生产线,首次与数字孪生技术融合,设计开发实景数字孪生平台。本文从平台架构和总体方案、模型的文件格式和导入方法、腕臂柔性预配生产线电气控制系统硬件架构、数据的分类和采集、用Unity 3D建立了实景数字孪生平台、并在现场应用的情况等方面进行了详细介绍。平台的研发和使用,展现了高铁接触网建造配套智能装备的自动化和智能化水平。