基于数字孪生的物联网工业运维系统

现如今,物联网技术已经得到了长足的发展,以物联网技术为基础的各类应用充满于我们的生活。建立了一个基于数字孪生的物联网工业运维系统,该系统通过数字孪生技术将实际场景中的工业设备与虚拟场景进行了数字映射,将真实的物理场景的静态特征和动态特征同步在虚拟场景中,再通过逻辑脚本实现将孪生模型和由传感器获得的孪生数据进行联动。通过物联网技术、MQTT通信协议技术、数据库技术和前端界面技术实现了工业运维系统,维保人员无需实际到达实际现场便实现对工业设备进行可视化云巡线、云调试和云监控。     

基于数字孪生机房的三维可视化监控系统的设计与实现

针对当前机房的监控管理方式单一、实时性差、透明度低等问题,构建了一种基于数字孪生机房的三维可视化监控系统。以数字孪生的五维模型为指导,构建机房虚拟场景,实现机房三维可视化。论文采用Three.js三维引擎搭建机房三维场景,使用JavaScript语言实现各模块间的功能交互,运用深度学习算法完成机房故障诊断的功能。实验证明:基于数字孪生的机房三维可视化监控系统可以实时监测系统状态,动态展示设备信息,提高了管理效率。     

基于数字孪生的产线设备实时监控方法与实现

为推动国家智能制造发展,面向生产过程中设备实时监控困难、透明性差、管控效率低、跨学科交叉情况复杂等问题,融合MBSE思想,提出一种基于数字孪生的产线设备监控方法并实现。首先,提出基于数字孪生的监控方法架构;基于SysML建模语言对产线系统和设备进行统一描述建模,建立结构图和行为图,形成数据模型;通过SysML模型与OPC UA联合,以位移数据和任务数据双通道驱动的方式进行虚实映射,并建立异常报警追溯机制;以仓储系统中核心设备堆垛机为例,构建其SysML模型、数字孪生模型,并以仓储产线实时缓存数据库redis为数据源,通过OPC UA获取并实时更新数据驱动数字孪生模型,实现其三维可视化监控,验证了方法的可行性和实时性     

基于数字孪生技术的三维智能化系统设计

为了提升三维智能化水平,设计基于数字孪生技术的三维智能化系统。通过现场层管理数字孪生体映射的物理实体与监测对象,为三维智能化系统提供需要的基础数据;感知层利用温度传感器与颜色传感器等,感知现场层管理的物理实体相关数据;数据存储层利用分布式文件与关系型数据库,存储感知的数据;功能层利用数据预处理模块缺失值处理存储的数据;层次化建模模块,依据缺失值处理后的数据,建立物理实体的几何模型与属性模型,融合几何模型与属性模型,得到孪生体模型;孪生体模型驱动单元,利用三维模型驱动方法,驱动孪生体模型,实现物理实体与孪生体的同步映射,得到孪生数据;仿真与预测模块依据孪生数据,可视化监测与分析物理实体的工作状态;通过应用层为用户实时呈现物理实体的动作仿真与实时监控结果。实验证明：该系统可有效感知物理实体的相关数据,建立孪生体模型;该系统可有效实现物理实体的可视化管理,提升三维智能化水平。     

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。     

数字孪生水下三维实景数据底板获取技术研究

为了获取高精度的水下三维模型细节纹理结构,满足数字孪生建设对水下三维实景数据底板获取的需求,实现对水下构筑物的实时可视化动态监测,基于GNSS技术、USBL技术研究构建了水陆一体化定位技术,融合水陆一体化定位技术、有缆ROV和水下摄影测量设备等研发了水下摄影测量系统,实现了数字孪生水下三维实景数据底板的获取,并采用多波束测深系统、水下三维全景成像声纳系统等对水下摄影测量系统获取的三维实景模型数据成果精度进行了验证,结果表明：水下摄影测量系统获取的三维实景模型精度满足规范要求,可用于数字孪生流域、工程等水下基础数据底板的建设,也可为水下高精度三维场景重构再现和水利工程水下构筑物实时动态监测提供技术支撑。     

基于一致性度量的数字孪生模型实时自修正

数字孪生技术解决了信息物理世界的融合难题,在工业互联网领域里获得了十分广泛的应用。为解决数字孪生与物理实体的动态修正问题,本文提出一种基于一致性度量的数字孪生模型实时自修正方法。利用数据变化快慢将模型分为渐变模型和快速模型2个部分,构建参数快速搜索方法,结合拉丁超立方全局搜索和贪婪局部搜索,并引入迭代更新机制,实现物理实体和数字孪生体的一致性度量。实验结果表明,数字孪生模型通过优化模型可调参数的选取过程,改善可调参数选取随机性的问题,实现模型与物理实体高度一致性,达到了模型实时自修正要求。     

断路器柔性装配车间数字孪生系统设计

为优化断路器装配车间的产线结构和作业方法,结合数字孪生技术,提出一种基于多机器人运动控制的断路器柔性自动化车间装配方案。面向自动化装配单元,结合工业机器人的柔性装配工艺及方法,对实体装配车间进行全物理属性的数字化建模,同时建立多机器人的运动学控制模型,将机器人的三维运动模型应用于虚拟孪生场景。通过数据的交互传递,实现物理单元与虚拟单元的实时链接,将车间机器人的运动轨迹、装配状态、作业运送流程等数据信息进行实时显示,从而实现断路器柔性装配数字孪生系统的搭建与同步映射。实验结果证明,所提方案对实现断路器柔性装配有显著效果。     

基于数字孪生的航空发动机低压涡轮单元体对接技术研究

提出一种基于数字孪生的航空发动机低压涡轮单元体对接技术,以某型航空发动机总装装配的低压涡轮单元体对接安装关键过程为对象,采用数字孪生技术,通过对环境、工艺过程中的物理对象建模,并使用多传感器进行模型与物理对象之间数据映射与互联,实现航空发动机低压涡轮单元体对接工艺过程与3D虚拟对接仿真过程的物理融合、模型融合、数据融合。通过数据在虚拟仿真环境中的可视化展示与分析,实时预警及决策,并借助物理终端控制实现低压涡轮单元体对接安装过程的实时位姿调整,提高了真实对接过程的可视性、可达性、可操作性和可预测性。基于数字孪生的低压涡轮单元体对接技术可保证在复杂装配条件、高精度要求下,真实单元体装配过程的无磕碰对接,减少操作人员劳动强度。     

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。     

基于数字孪生的周公宅水库防洪“四预”系统构建与应用

以构建数字孪生流域、开展智慧化模拟、支撑精准化决策为实现路径,利用天空地一体化空间数据底板、多维智能感知数据、以及专业模型网格数据和计算结果数据等几类多源异构数据,进行数据汇聚和融合,采用WebGL孪生引擎进行可视化展示,构建数字孪生流域;聚焦流域防洪数字化场景,通过山区集总式水文模型和洪水演进模型对洪水过程进行预报和模拟,形成包括预报调度一体化、区域联防预警一体化、模拟仿真预演、决策建议方案等功能的四预孪生系统。本文以周公宅水库为具体研究对象,探索了具有水库工程的中小流域数字孪生建设的相关关键技术和应用场景构建,提供了建设思路和案例参考。     

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。     

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。     

数字孪生峡江水利枢纽工程多尺度建模及可视化渲染关键技术应用

为探索实现物理流域及水利工程的数字化映射,提出多尺度建模和可视化渲染技术方案,并深入探讨无人机倾斜摄影、BIM、三维激光扫描等多尺度建模技术,以及实时渲染引擎、多细节层次处理、仿真渲染优化等可视化渲染技术。以数字孪生峡江水利枢纽工程应用为例,采用 GIS 与 BIM 的可视化方法,对模型数据进行层次划分,实现可视化渲染,构建峡江水利枢纽工程宏观、局部、微观等 3 个层面的可视化模型,实现工程多时态、全要素地理空间数字化映射,有效支撑上层智慧化业务应用建设,为多尺度建模和可视化渲染在水利行业的应用提供参考。     

基于数字孪生的雕刻机人机交互系统设计

针对雕刻机应用过程中的实时监测困难,数据呈现单一,成本较高等问题,设计了一套基于数字孪生的雕刻机人机交互系统;首先使用SolidWorks软件设计与实际雕刻机高度匹配的三维孪生模型,随后根据实际系统的运动学模型建立Simulink仿真并编写控制算法控制三维孪生模型的运动,完成虚拟调试功能,最后将三维孪生模型与雕刻机结合,使模型根据实际雕刻机运行得到的实时数据完成设备状态监测功能;实验结果表明,文章所设计的雕刻机人机交互系统具有较高的实时性和精确度,能够保证良好的交互性与虚实结合性,有效提高监控效率,降低故障发生率,在工业现场具有广泛的应用价值.     

综采工作面三机数字孪生及协同建模方法

针对现有煤矿设备数字孪生建模方法主要侧重对单一设备进行建模,缺少三机耦合协同关系分析的问题,提出了综采工作面三机数字孪生及协同建模方法。采用智能体建模方法构建包含感知单元、控制单元和执行单元的采煤机、液压支架、刮板输送机智能体模型,依据三维建模流程构建对应的可视化模型,以智能体模型驱动三维模型运动,二者结合构成三机数字孪生模型;采用离散事件建模方法构建涵盖三机数字孪生模型交互过程的协同工艺模型,按照时序梳理三机开采工艺,形成三机协同工艺时序表。数字孪生模型用于描述综采三机的状态与行为,进行个体层面的仿真计算;协同工艺模型用于表征数字孪生模型之间的时序动作转换,实现对三机协同过程整体的推演。采煤机数字孪生模型的摇臂升降仿真实验结果表明,与真实设备测量数据对比,模型误差小,摇臂倾角平均误差为2.3°;液压支架数字孪生模型的连续升柱动作仿真实验结果表明,模型与真实设备的一致性好,与真实设备测量数据对比,角度平均误差为0.14°,行程平均误差为6.3 mm;结合煤矿实际生产日志对构建的三机协同模型进行虚实仿真实验,结果表明,所构建的综采工作面三机数字孪生模型与真实设备实现了相互映射,仿真结果与...     

基于三维仿真的输（调）水系统实时调控实现平台研究

以南水北调中线工程为例,研制基于三维仿真的输(调)水系统的实时调控实现平台。研究虚拟仿真平台的构建、海量数据的分页调度、碰撞检测、闸门建模等技术,实现场景三维可视化与漫游、二维导航图与三维场景的实时联动、基于三维场景的集成查询与显示、基于水量调度模型的调水方案的分层显示、基于水动力学模型的三维水面动态模拟和流场动态可视化、基于实时调控的闸门可视化动态仿真等功能。该平台可为南水北调中线工程运行管理决策支持系统建设提供技术支撑,并为相似工程提供借鉴。     

基于数字孪生技术的自动化微电子生产线智能控制研究

以提升微电子生产质量,缩减生产周期,研究基于数字孪生技术的自动化微电子生产线智能控制方法。建立自动化微电子生产线智能控制框架,利用传感器采集生产线生产状态和运行信号数据,经数据预处理后,利用映射字典生成微电子生产线的三维虚拟模型,结合多范围生产数据获取生产线数字孪生体,孪生体根据遗传算法计算出最佳投料和工件调节的最佳组合方案,保证生产线瓶颈设备不会产生空闲状态和拥堵情况,达到生产线输出率最高,实现微电子生产线智能控制。实验表明：该方法可实现物理生产线数据到虚拟生产线的实时映射,实现虚实数据统一,可提高微电子生产质量,缩减生产周期,降低生产成本,促进现代工业智能化发展。     

3DGIS中空间数据可视化的研究与应用

空间数据可视化是当前3DGIS领域的研究热点之一。提出了一种面向对象的空间数据可视化模型,基于金字塔模型来组织和调度DEM（数字高程模型）、DOM（数字正射影像）等栅格数据,并引入矢量数据参数化3D建模思想,实现了矢量地物数据的三维建模与可视化。在此基础上,借助虚拟现实技术,基于OpenGL实现了一个3DGIS原型系统,具备空间数据的真实感可视化表达、3D场景实时漫游、交互查询等功能。最后给出了基于该原型系统为军事与民用领域开发的应用实例。     

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。