《数字孪生技术与工程实践 配套课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字孪生技术与工程实践 配套课件（282页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、数字数字孪生技生技术与工程与工程实践践 配套配套课件件数字数字孪生技生技术与工程与工程实践践目目录第第1章章数字孪生的发展数字孪生的发展第第2章章数字孪生相关技术和一般架构数字孪生相关技术和一般架构第第3章章面向智能制造的数字孪生生态面向智能制造的数字孪生生态第第4章章数字工厂和数字孪生工厂数字工厂和数字孪生工厂第第5章章基于数字孪生的智能建造与智慧城市基于数字孪生的智能建造与智慧城市第第6章章数字孪生的智能化应用数字孪生的智能化应用第第7章章数字孪生系统开发和应用案例数字孪生系统开发和应用案例数字数字孪生技生技术与工程与工程实践践第第1章章 数字数字孪生的生的发展展 数字数字孪生技生技术与工
2、程与工程实践践引言引言“数字数字孪生生”成成为一个一个热门词汇p世界著名咨世界著名咨询公司公司Gartner连续三年（三年（20172019）将数字）将数字孪生列入十大生列入十大战略性科技略性科技发展展趋势p德勤德勤发布的布的德勤德勤2020技技术趋势中数字中数字孪生是五大可引生是五大可引发颠覆性覆性变革的关革的关键新新兴趋势之一之一p上海上海图书馆（上海科学技（上海科学技术情情报研究所）研究所）发布的布的2020全球前沿科技全球前沿科技热点研究点研究报告中告中评选出了出了7个个领域的域的20项前沿科技前沿科技热点，数字点，数字孪生亦生亦罗列其中列其中p市市场研究公司研究公司Markets&M
3、arkets预测，数字，数字孪生市生市场在从在从2019年到年到2025年的五年内将增年的五年内将增长十十倍，从每年倍，从每年38亿美元增美元增长到到358亿美元，年复合增美元，年复合增长率（率（CAGR）高达）高达37.8%，汽，汽车和交通运和交通运输行行业的数字的数字孪生市生市场将占据最大的市将占据最大的市场份份额p全球知名的未来学家全球知名的未来学家ThomasFrey预测，到，到2022年，年，85%的物的物联网平台将使用某种数字网平台将使用某种数字孪生生技技术进行行监控，并且在智能家居管理中心、工控，并且在智能家居管理中心、工业设备监控、控、远程操控、智慧城市管理、程操控、智慧城市管
4、理、现实世世界探索、健康界探索、健康监测与管理、大与管理、大脑活活动的的监控与管理等七个方面极大改控与管理等七个方面极大改变现有的工作和生活方式有的工作和生活方式数字数字孪生技生技术与工程与工程实践践问题数字孪生数字孪生是什么？是什么？数字孪生数字孪生如何构建如何构建？数字孪生数字孪生能解决什能解决什么问题？么问题？数字孪生数字孪生是如何产是如何产生和发展生和发展的？的？数字孪生数字孪生系统的组系统的组成是什么成是什么？这些问题，在本书会得到解答。这些问题，在本书会得到解答。数字数字孪生技生技术与工程与工程实践践第第1章目章目录1.1物理孪生和数字孪生1.2数字孪生的概念1.3数字孪生的特征1
5、.4数字孪生体的生命周期1.5数字孪生的应用1.6数字孪生的发展数字数字孪生技生技术与工程与工程实践践1.1 物理物理孪生和数字生和数字孪生生数字数字孪生技生技术与工程与工程实践践物理物理孪生生孪生（Twin）的概念来自NASA的阿波罗项目：两个完全相同的空间飞行器。p在航天科技集团空间技术研究院的实验室，一台与太空中运行的天和核心舱一模一样的装备也正在运行中，它被形象地称作“地面空间站”。p这是地面的1:1的物理在轨运营支持系统，主要作用是它可以接收在轨的遥测数据，可以设置成跟天上一样的飞行状态，来验证整个飞行程序。同时，如果需要对空间站进行维护调整，可以在地面空间站上进行模拟操作，各类操作
6、步骤优化和确定后再指导太空中的宇航员进行操作，以保证太空中各类动作一次成功完成。中国的空中国的空间站也是如此：站也是如此：数字数字孪生技生技术与工程与工程实践践从从“物理物理孪生生”到到“数字数字孪生生”p而同一个而同一个时间下下线的两件一的两件一样的工的工业产品，品，还不能称不能称为“孪生体生体”。因。因为当代的工当代的工业体系，能体系，能保保证同同时生生产出来的出来的产品是品是“一模一一模一样”的，其性能也是基本一致的。但是如果两件的，其性能也是基本一致的。但是如果两件产品运行品运行环境不同、运行参数不同，其行境不同、运行参数不同，其行为和使用寿命是不同的。只有不同的两件和使用寿命是不同的
7、。只有不同的两件产品在后期运行品在后期运行过程程中，通中，通过数据同步，数据同步，实现两件两件产品运行品运行过程状程状态一致，才能称之一致，才能称之为“孪生体生体”p如果物理如果物理对象在数字空象在数字空间有一个与其一致的有一个与其一致的孪生体，那就是生体，那就是“数字数字孪生生”p2003年，美国密歇根大学年，美国密歇根大学MichaelGrieves教授提出教授提出“与物理与物理产品等价的虚品等价的虚拟数字化表达数字化表达”概概念，念，这可以看做是可以看做是产品数字品数字孪生的一个启蒙生的一个启蒙p2010年年NASA描述了航天器数字描述了航天器数字孪生的概念和功能生的概念和功能数字数字孪
8、生技生技术与工程与工程实践践从从“物理物理孪生生”到到“数字数字孪生生”p2011年年3月，美国空月，美国空军研究研究实验室（室（AirForceResearchLaboratory,AFRL）结构力学部构力学部门的的PamelaA.Kobryn和和EricJ.Tuegel，做了一次演，做了一次演讲，题目是目是“Condition-basedMaintenancePlusStructuralIntegrity(CBM+SI)&theAirframeDigitalTwin（基于状（基于状态的的维护+结构完整构完整性性&战斗机机体数字斗机机体数字孪生）生）”，首次明确提到了数字，首次明确提到了数字
9、孪生生（DigitalTwin）这个个词汇。2012年，年，NASA和和AFRL合合作共同提出了未来作共同提出了未来飞行器的数字行器的数字孪生体范例，以生体范例，以应对未来未来飞行器高行器高负载、轻质量以及极端量以及极端环境下服役更境下服役更长时间的需求的需求p信息信息镜像模型像模型（InformationMirroringModel）：包括三：包括三个部分：真个部分：真实世界的物理世界的物理产品、虚品、虚拟世界的虚世界的虚拟产品、品、连接接虚虚拟和真和真实空空间的数据和信息。的数据和信息。数字数字孪生技生技术与工程与工程实践践1.2 数字数字孪生的概念生的概念数字数字孪生技生技术与工程与工程
10、实践践数字数字孪生的不同定生的不同定义p也有称之也有称之为：数字：数字镜像、数字映射、数字双胞胎、数字双生、数字像、数字映射、数字双胞胎、数字双生、数字孪生体等。生体等。p2017-2019年，年，Gartner的定的定义：n数字数字孪生是生是实物或系物或系统的的动态软件模型（件模型（2017）n数字数字孪生是生是现实世界世界实物或系物或系统的数字化表达（的数字化表达（2018）n数字数字孪生是生是现实生活中物体、流程或系生活中物体、流程或系统的数字的数字镜像（像（2019）pMichaelGrieves教授教授认为：n数字数字孪生是一生是一组虚虚拟信息信息结构，可以从微构，可以从微观原子原子
11、级别到宏到宏观几何几何级别全面描述潜在的物理制成品。在最佳全面描述潜在的物理制成品。在最佳状状态下，可以通下，可以通过数字数字孪生生获得任何物理制成品的信息得任何物理制成品的信息p北京航空航天大学的陶北京航空航天大学的陶飞教授教授认为：n数字数字孪生（生（DigitalTwin）是以数字化方式）是以数字化方式创建物理建物理实体的虚体的虚拟模型，借助数据模模型，借助数据模拟物理物理实体在体在现实环境境中的行中的行为,通通过虚虚实交互反交互反馈、数据融合分析、决策迭代、数据融合分析、决策迭代优化等手段，化等手段，为物理物理实体增加或体增加或扩展新的能力。展新的能力。n作作为一种充分利用模型、数据、
12、智能并集成多学科的技一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，数字，数字孪生面向生面向产品全生命周期品全生命周期过程程,发挥连接接物理世界和信息世界的物理世界和信息世界的桥梁和梁和纽带作用作用,提供更加提供更加实时、高效、智能的服、高效、智能的服务。数字数字孪生技生技术与工程与工程实践践数字数字孪生生p以模型和数据以模型和数据为基基础，通，通过多学科耦合仿真等方法，完成多学科耦合仿真等方法，完成现实世界中的物理世界中的物理实体到虚体到虚拟世界中世界中的的镜像数字化模型的精准映射，并充分利用二者的双向交互反像数字化模型的精准映射，并充分利用二者的双向交互反馈、迭代运行，以达到物理、迭代运行
13、，以达到物理实体体状状态在数字空在数字空间的同步呈的同步呈现，通，通过镜像化数字化模型的像化数字化模型的诊断、分析和断、分析和预测，进而而优化化实体体对象象在其全生命周期中的决策、控制行在其全生命周期中的决策、控制行为，最，最终实现实体与数字模型的共享智慧与体与数字模型的共享智慧与协同同发展展p几个几个词的不同含的不同含义：n数字数字孪生生n数字数字孪生系生系统n数字数字孪生体生体数字数字孪生技生技术与工程与工程实践践1.3 数字数字孪生的特征生的特征数字数字孪生技生技术与工程与工程实践践数字数字孪生的特征（生的特征（1）1多多领域域综合的数字化模型合的数字化模型n数字数字孪生是仿真生是仿真应
14、用的用的发展和升展和升级。l例如，例如，产品数字品数字孪生不生不仅具具备传统产品仿真的特点，从概念模型和品仿真的特点，从概念模型和设计阶段着手，先于段着手，先于现实世世界的物理界的物理实体构建数字模型，而且数字模型与物理体构建数字模型，而且数字模型与物理实体共生，体共生，贯穿穿实体体对象的整个生命周期，象的整个生命周期，建立数字化、建立数字化、单一来源的全生命周期档案，一来源的全生命周期档案，实现产品全品全过程追溯，完成物理程追溯，完成物理实体的体的细致、精准、致、精准、忠忠实的表达。的表达。n多多领域的知域的知识集成。多个物理系集成。多个物理系统融合、多学科、多融合、多学科、多领域融合。域融
15、合。n数字数字孪生体和物理生体和物理实体体应该是是“形神兼似形神兼似”。n数据数据驱动的建模方法有助于的建模方法有助于处理理仅仅利用机理利用机理/传统数学模型无法数学模型无法处理的复理的复杂系系统，通，通过保保证几何、几何、物理、行物理、行为、规则模型与刻画的模型与刻画的实体体对象保持高度的一致性来象保持高度的一致性来让所建立模型尽可能逼近所建立模型尽可能逼近实体。体。数字数字孪生技生技术与工程与工程实践践数字数字孪生的特征（生的特征（2）2以模型以模型为核心的数据采集与核心的数据采集与组织n数据是数字数据是数字孪生的基生的基础要素，其来源包括两部分，一部分是物理要素，其来源包括两部分，一部分
16、是物理实体体对象及其象及其环境采集而得，另外境采集而得，另外一部分是各一部分是各类模型仿真后模型仿真后产生。多种生。多种类、全方位、海量、全方位、海量动态数据推数据推动实体体/虚虚拟模型的更新、模型的更新、优化与化与发展。展。n物理系物理系统的智能感知与全面互的智能感知与全面互联互通是物理互通是物理实体数据的重要来源，是体数据的重要来源，是实现模型、数据、服模型、数据、服务等融合等融合的前提。的前提。n数据的数据的组织以模型以模型为核心核心。3双向映射、双向映射、动态交互、交互、实时连接和迭代接和迭代优化化n物理系物理系统、数字模型通、数字模型通过实时连接，接，进行行动态交互、交互、实现双向映射。双向映射。n适合适合应用用场景的景的实时连接。接。n数字数字孪生系生系统必必须能不断地迭代能不断地迭代优化，即适化，即适应内外部的快速内外部的快速变化并做出化并做出针对性的性的调整，能根据行整，能根据行业、服服务需求、需求、场景、性能指景、性能指标等不同要求完成系等不同要求完成系统的拓展、裁剪、重构与多的拓展、裁剪、重构与多层次次调整。整。这个个优化首先化首先在数字空在数字空间发生，同生，同时
