数字孪生素材-科普之数字孪生

根据中国信通院联合数字孪生技术应用工委会共同编写的2021年数字孪生城市优秀案例编汇显示,以下为小编整理的部分优秀案例(排名不分先后),数字孪生全部优秀案例建议查看官方平台说明

城市燃气场站数字孪生智能运维管控技术与系统应用(北京航空航天大学)

卧龙AI系统模拟平台建设项目“城市场景模拟决策”专题场景(清鹏智能科技有限公司)

腾讯云微瓴智能建造创新服务案例(腾讯云计算(北京)有限责任公司)

美兰机场海关数字孪生可视化指挥系统(智慧眼科技股份有限公司)

五一广场站孪生智控服务平台(北京五一视界数字孪生科技股份有限公司)

明珠湾智慧城市信息平台(北京超图软件股份有限公司)

吴贝言

学院:通信工程学院

学号:20012100036

【嵌牛导读】数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念,可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

【嵌牛鼻子】数字孪生,数字镜像,数字化映射,数字镜像模型

【嵌牛提问】数字孪生的应用

【嵌牛正文】

数字孪生是个普遍适应的理论技术体系,可以在众多领域应用,目前在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。目前在国内应用最深入的是工程建设领域,关注度最高、研究最热的是智能制造领域。

美国国防部最早提出利用Digital Twin技术,用于航空航天飞行器的健康维护与保障。首先在数字空间建立真实飞机的模型,并通过传感器实现与飞机真实状态完全同步,这样每次飞行后,根据结构现有情况和过往载荷,及时分析评估是否需要维修,能否承受下次的任务载荷等。

数字孪生,有时候也用来指代将一个工厂的厂房及产线,在没有建造之前,就完成数字化模型。从而在虚拟的赛博空间中对工厂进行仿真和模拟,并将真实参数传给实际的工厂建设。而工房和产线建成之后,在日常的运维中二者继续进行信息交互。值得注意的是:Digital Twin不是构型管理的工具,不是制成品的3D尺寸模型,不是制成品的MBD定义。[1]

对于Digital Twin的极端需求,同时也将驱动着新材料开发,而所有可能影响到装备工作状态的异常,将被明确地进行考察、评估和监控。Digital Twin正是从内嵌的综合健康管理系统(IVHM)集成了传感器数据、历史维护数据,以及通过挖掘而产生的相关派生数据。通过对以上数据的整合,Digital Twin可以持续地预测装备或系统的健康状况、剩余使用寿命以及任务执行成功的概率,也可以预见关键安全事件的系统响应,通过与实体的系统响应进行对比,揭示装备研制中存在的未知问题。Digital Twin可能通过激活自愈的机制或者建议更改任务参数来减轻损害或进行系统的降级,从而提高寿命和任务执行成功的概率。

从产品全生命周期管理、工程全生命周期管理、车间管控系统几个方面梳理目前数字孪生的应用场景如下:[2]

最早,美国国家航空航天局使用数字孪生对空间飞行器进行仿真分析、检测和预测,辅助地面管控人员进行决策。[2]

Michael Grieves 教授和西门子公司主要使用数字孪生进行产品数据的全生命周期管理。利用数字孪生对产品设计、产品功能、产品性能、加工工艺、维修维护等进行仿真分析。[2]

以欧特克公司为代表的工程建设类软件供应商,将数字孪生技术应用于建筑、工厂、基础设施等建设领域,把建筑和基础设施看做产品进行全生命周期的管理。[2]

北京航空航天大陶飞等人将数字孪生应用于车间的建设和管控,主要涉及基于数字孪生的产品设计、基于数字孪生的虚拟样机、基于数字孪生的车间快速设计、基于数字孪生的工艺规划、基于数字孪生的车间生产调度优化、基于数字孪生的生产物流精准配送、基于数字孪生的车间装备智能控制、基于数字孪生的车间人机交互、基于数字孪生的装配、基于数字孪生的测试/检测、基于数字孪生的制造能耗管理、基于数字孪生的产品质量分析与追溯、基于数字孪生的故障预测与健康管理、基于数字孪生的产品服务系统等。

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一、数字孪生发展背景

“孪生”的概念起源于美国国家航空航天局的“阿波罗计划”,即构建两个相同的航天飞行器,其中一个发射到太空执行任务,另一个留在地球上用于反映太空中航天器在任务期间的工作状态,从而辅助工程师分析处理太空中出现的紧急事件。当然,这里的两个航天器都是真实存在的物理实体。

2003年前后,关于数字孪生(Digital Twin)的设想首次出现于Grieves 教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上。在该设想中数字孪生的基本思想已经有所体现,即在虚拟空间构建的数字模型与物理实体交互映射,忠实地描述物理实体全生命周期的运行轨迹。

直到2010 年,“Digital Twin”一词在NASA 的技术报告中被正式提出。近年来,数字孪生得到越来越广泛的传播。同时,得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展,数字孪生的实施已逐渐成为可能。

现阶段,除了航空航天领域,数字孪生还被应用于电力、船舶、城市管理、农业、建筑、制造、石油天然气、 健康 医疗、环境保护等行业。特别是在智能制造领域,数字孪生被认为是一种实现制造信息世界与物理世界交互融合的有效手段。

二、数字孪生的定义及典型特征

(1)标准化组织中的定义

数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达,该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛,并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图,有助于优化整体性能。

(2)学术界的定义

数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体,借助 历史 数据、实时数据以及算法模型等,模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段a。

(3)企业的定义

数字孪生是资产和流程的软件表示,用于理解、预测和优化绩效以实现改善的业务成果。

三、数字孪生特征

保真性:数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真,在状态、相态和时态上也要仿真。

实时性:数字孪生技术要求数字化,即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理,形成物理实体实时状态的数字虚体映射。

互操作性:数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、交互和实时连接,因此数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力,具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性。

闭环性:数字孪生中的数字虚体,用于描述物理实体的可视化模型和内在机理,以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数,实现决策功,即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。因此数字孪生具有闭环性。

四、数字孪生与仿真技术的区别

仿真技术是应用仿真硬件和仿真软件通过仿真实验,借助某些数值计算和问题求解,反映系统行为或过程的模型技术,是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的方法,目的是依靠正确的模型和完整的信息、环境数据,反映物理世界的特性和参数。仿真技术仅仅能以离线的方式模拟物理世界,不具备分析优化功能,因此不具备数字孪生的实时性、闭环性等特征。

数字孪生需要依靠包括仿真、实测、数据分析在内的手段对物理实体状态进行感知、诊断和预测,进而优化物理实体,同时进化自身的数字模型。仿真技术作为创建和运行数字孪生的核心技术,是数字孪生实现数据交互与融合的基础。在此基础之上,数字孪生必需依托并集成其他新技术,与传感器共同在线以保证其保真性、实时性与闭环性。