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.     

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.     

面向智能矿山的数字孪生技术研究进展

智能矿山领域数字孪生技术的应用需面对较多复杂性、特殊性的技术突破。阐述了数字孪生在智能矿山领域的适用性,归纳梳理了数字孪生技术在煤矿安全、生产及运营管理等方面的研究及应用现状：在煤矿安全管理方面,数字孪生技术主要应用于灾害预警、风险管控、灾害救援等;在煤矿生产方面,数字孪生技术主要应用于采掘工作面区域整体、单机机械装备状态监测及控制、机械装备预测性维护。从物理实体、虚拟实体、连接交互、数字孪生数据及功能服务5个维度入手探讨了智能矿山领域数字孪生亟待解决的关键共性问题：物理实体维度需重点突破全面感知及控制装备的研发,虚拟实体维度需深入进行物理、行为、规则模型的研究,连接交互维度需攻关煤矿井下5G网络传输关键技术,数字孪生数据维度需解决高性能计算等问题,功能服务维度需研发仿真软件及人工智能算法,以便更好地适应现场环境。从矿井规划设计、开发、建设阶段的灾害预防性设计、生产系统设计、地质环境预测,矿井生产运营阶段的灾害预警及防控、生产调度决策优化、生产设备全生命周期管理等方面展望了数字孪生技术在智能矿山领域的发展趋势,认为宜针对关键部件或装备,核心环节,重要或危险场所、区域等进行精细化孪生。     

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。     

数字孪生驱动的火箭控制系统故障诊断研究综述

在第四次工业革命中,智能制造成为各国工业发展的重点方向,数字孪生技术作为一项新兴技术,能够有效实现物理信息的融合;将其应用于火箭控制系统的故障诊断和健康管理,能够进一步提高故障诊断的事前准确性,提升火箭发射的可靠性;本文对数字孪生技术在航天领域的研究现状进行归纳整理;首先梳理了NASA的数字孪生目标,国内领域按照设计、生产、支持服务阶段对数字孪生应用进行分类;其次,按照故障树、专家系统、神经网络、数据驱动的方法阐述控制系统故障诊断的研究现状;在介绍数字孪生驱动的健康管理方法的基础上,提出数字孪生驱动的火箭控制系统的故障诊断方法;详细介绍其基本组成框架,分析关键技术及应用难点,并提出数字孪生健康管理平台的基本流程;该方法预期实现火箭控制系统的事前诊断和维修策略的制定     

挖掘数字孪生高价值应用，驱动城市数字化“智变”

当前,数字孪生技术加速与经济社会深度融合,我国数字孪生应用场景成熟度进一步提升,智慧工业、智慧水利、智慧交通等中高价值场景成为行业应用热点。然而,数字孪生技术的应用开发深度和广度仍不足、高价值场景仍然较少,需要加大关键技术的研发投入,不断健全产业生态,多措并举培育高价值应用,进而推动城市的数智化发展,为城市的可持续发展和人们的生活带来更多便利和改善。本文基于近三年中国电信5G“绽放杯”应用场景案例梳理,探讨了数字孪生技术在城市数智化发展中的作用,分析了我国数字孪生应用发展情况及面临的挑战,并提出了针对性的研究建议,旨在推动数字孪生高价值应用的快速发展,为城市数智化发展提供参考。     

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MCD和PLC的机器人运料和AGV小车入库虚拟仿真控制系统设计

随着数字孪生技术的发展及OPCUA广泛应用于工业场景之中,西门子NX MCD机电设备仿真软件可有效仿真,实现技能训练的虚拟化。本文基于西门子NX软件的机电一体化概念设计功能,设计AGV小车智能仓储平台,建立工业机器人、打标签、传送带、AGV小车、仓储的三维模型,通过虚拟PLC信号控制MCD中各个运动功能的动作。验证了数字孪生模型在智能仓储系统中的可行性,有效节约了时间成本,提高了设备调试效率。     

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。     

工业智能作业感知平台的探索与应用

针对工业“人联网”智能作业感知平台在我国劳动密集型企业的应用展开探索,搭建“智能采集+云端协同运算+人联网数字化分析管理”系统,聚焦工厂精益生产、质量管控、生产安全等场景,通过数字孪生、人工智能等技术,为制造业打造关于人员作业动作识别、工时测算、质量隐患分析、人因工程等多功能的管控平台。平台以人为本,聚焦现代化工厂人员作业精益化管理,结合数字孪生技术赋能智慧工厂,为工厂提供关于效率提升、品质优化、人岗匹配和安全管理等一系列问题的整体解决方案,为现代化智慧工厂精益管理赋能。     

流程工业数字孪生关键技术探讨

流程工业是制造业的重要组成部分, 是国民经济发展的重要基础, 主要包括化工、冶金、石化等行业, 其安全高效的生产对国家而言具有重要的战略意义. 然而, 流程工业物理化学变化反应复杂、流程间能质流严重耦合、多目标冲突、在线实验风险大, 给生产流程系统建模与高效协同优化带来极大困难, 严重制约了生产质量和资源利用率的进一步提升. 随着信息技术与人工智能的发展, 建立虚实结合、协同优化运行的流程工业数字孪生生产线所需技术逐渐成熟, 其在流程工业的应用价值与潜力日益凸显. 本文首先阐述数字孪生在流程工业应用的必要性与重要性, 并通过边界定义法将数字孪生与信息物理系统(Cyber-physical system, CPS)、工业互联网等概念进行对比分析,从而明确数字孪生的基本内涵与功能边界. 其次描述流程工业抽象模型和数字孪生理论模型间的映射关系, 并分析了如何用数字孪生技术解决流程工业系统建模与高效协同优化的瓶颈问题. 最后, 从数字孪生系统构建的角度探讨数字孪生发展的关键技术, 并以一条炼铁生产线为例, 展示数字孪生技术在实际工业中的应用解决方案.     

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。     

CCF第37届中国计算机应用大会(CCF NCCA 2022)暨2022年互联网+智能应用学术会议征文通知

随着人工智能、大数据、区块链、物联网、云计算、5G、数字孪生等为代表的计算机应用技术快速发展,并与各行各业融合程度进一步加深,支持各类工业设备、信息系统、业务流程、企业产品与服务、人员之间的互操作技术也愈加复杂。构建一个更高效、更安全、更智能的互操作技术体系是各行业领域当前面临的重要挑战。     

基于数字孪生的新能源智能温室控制系统设计

针对我国当前温室种植监控系统中监测不够直观、管理不够智能的问题，本文基于数字孪生技术设计实现了新能源智能温室控制系统，系统包括智能温室和数字孪生平台两部分。智能温室部分以太阳能作为动力为大棚系统供能，以STC89C52单片机作为主控核心，与数字孪生平台实现通信，将传感器设备获取到的数据上传到数字孪生平台并接收平台端发出的指令；本文选择以NI LabVIEW软件开发数字孪生平台，在平台中创建温室“孪生体”，三维模拟温室的实时状态，显示温室内的实时环境数据，同时平台可对温室系统中的通风、灌溉、照明等装置进行远程管理。系统对温室种植的各个环节和要素进行感知、监控、分析和决策，有效实现对作物生产的智慧管控。     

数字孪生支持下的设备故障预测与健康管理方法综述

故障预测与健康管理(PHM)是设备运行维护管理的有效方法,早期主要应用于航天、军用装备等领域。随着故障诊断和数据采集与分析等相关技术的不断发展,PHM方法逐渐在民用航空、装备制造等领域得到应用,并进一步在多行业得到推广和普及。传统PHM方法有基于经验模型的方法、基于数据驱动的方法和基于物理模型的方法。但这些方法存在着不少的局限性。随着数字孪生技术的兴起,其模型和数据相融合的问题处理方法,可有效地解决传统PHM方法的不足,是PHM技术发展的一个方向。在对PHM相关技术和方法进行了研究之后,综述了数字孪生技术及其在PHM中的应用方法,并对应用中的关键问题进行了总结和分析,指出数字孪生支持下的PHM方法未来发展方向。     

面向数字孪生流域的云网融合架构研究

数字孪生流域建设是智慧水利建设的重要标志,是推动流域水利高质量发展的必然要求。为了应对当前数字孪生流域建设过程中面临的流域物联感知能力、通信传输网络资源、模型算法仿真计算水平等方面的不足而产生的挑战,本文结合云网融合的云网协同、按需互联、敏捷智能的服务能力特性,基于云网融合层次化的设计思想,把流域云和网充分融合,有效调度并应用计算、通信、存储等基础设施资源,提出了面向数字孪生流域的云网融合逻辑架构,梳理并阐述了水利感知网云网融合服务实现、水利信息网云网融合服务实现、数字孪生平台算力服务实现等可应用于数字孪生流域建设的云网融合服务架构,总结分析了面向数字孪生流域的云网融合关键技术。研究对充分发挥新一代信息技术对数字孪生流域建设的支撑驱动作用具有重要参考意义。     

虚拟现实（VR）技术与发展研究综述

在人工智能与5G技术的背景下,笔者通过文献调研法和内容分析法,对VR相关文献的发布数量和主题分布进行了研究,分析了近年VR技术的关注程度、发展趋势与热点分布。具体来说,笔者调研并总结了VR技术的历史、发展以及最新进展情况,列举了VR技术与5G技术融合在产业应用领域的最新成果,对VR技术与空间定位技术、语义与情感识别技术、信息融合技术结合在智慧城市、智慧工业、数字孪生等领域的发展前景进行了展望与探讨。     

《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。     

基于数字孪生的三维校园车辆漫游系统

随着科技的发展与进步,数字孪生崭露头角.若具有足够强大的技术,数字孪生技术可以完美地复制现实世界.因此数字孪生当前最大的应用方向就是车辆的智能驾驶,即车辆漫游.在现实世界,昂贵的测试金额以及具有限制的实验场地让智能驾驶止步不前,而数字孪生的出现,提高了智能驾驶的开发能力.该文对车辆在虚拟校园的漫游为主要内容.首先利用C...     

工业互联网在电力装备行业的应用

为解决电力装备行业现场层采集的数据过少、过杂和“过脏”、企业级数据孤岛和制造数据与运维数据未有效打通等问题,本文采用“数字孪生”技术构建了电力装备领域工业互联网平台,重点开展了基于平台的设计云、生产云、知识云、检测云和服务云等环节设计,并在电力装备设计、制造和运维管理等场景进行了探索应用。通过研制推广智慧电器提升了设备自动化、数字化、网络化水平,消除了电力装备终端连接不足的瓶颈,提高了设备的数据采集能力和机理模型的沉淀能力;通过建设智能工厂将企业内部的设备和流程上云,建立运行与制造之间的有效联系,打通产品数据与运维数据,实现了提质增效;开展电力装备的资产管理和运维服务,局部打通了设备、产线、生产和运营系统,获取数据,打造了数据驱动的智能生产能力。将研制的工业互联网应用于电力装备行业,一方面获得了电力装备行业知识与经验的沉淀、重构和制造资源优化配置;另一方面,它为企业从传统电力装备制造企业向制造服务型企业转型奠定了技术基础。