时讯:一文看懂数字孪生—应用快速发展综述（二）

本篇文章4115字，读完约10分钟

内参来源:中国电子技术标准化研究院的正文是《数字双胞胎白皮书》的作者:赵波等数字双胞胎应用迅速发展的综述随着物品互联网应用的进一步广泛，各行业许多公司开始计划数字双胞胎的配置。 根据gartner的研究，到去年1月末为止，实施物品网络的公司中，有13%的公司实施了数字孪生项目，有62%的公司正在实施中或有计划地实施 工业网络是数字双胞胎的扩张和应用，数字双胞胎是扩张的 蕴藏着产业网络应用水平的可能性 智能制造行业数字双胎应用1、数字双胎应用综述:▲智能制造行业数字双胎架构智能制造行业的数字双胎架构主要分为六个层次，基础支持层、数据交互层、模型构建层、模拟分解层、功能层 基础支持层:建立数字孪生是基于大量的相关数据，需要在物理工艺、设备上配置大量的传感器，检测物理工艺及其环境的重要数据 传感器检测出的数据大致分为(1)设备数据，具体为行动特征数据(振动、加工精度等)、设备生产数据(电源接通时间、作业时间等)、设备消耗电力数据(消耗电力等)这三类。 (2)温度、大气压、湿度等环境数据(3)工艺数据 描述进程之间逻辑关系的数据，如生产计划和计划 数据的相互作用层:工业现场数据通常通过分散控制系统( dcs )、可编程逻辑控制器系统( plc )、智能仪表收集。 近年来，随着深度学习、视觉识别技术的迅速发展，各种图像、声音采集设备也广泛应用于数据采集 数字传输是实现数字双胞胎的重要技术 数字孪生模型是动态的，建模和控制是根据实时植入的采样数据进行的，对新闻传输和解决延迟有很高的要求 因此，数字双胞胎需要先进可靠的数据传输技术，支持更高的带宽、更低的等待时间、分布式新闻摘要，同时具备更高的安全性，设备、生产过程、平台之间无缝实时的 第五代移动通信互联网( 5g )技术从低延迟、大带宽、普适网络、低功耗的优点出发，为数字双子技术的应用提供了基础技术支持，更好的交互体验、大容量设备通信、高可靠性低延迟实时数据 交互和协作，即虚拟实体实时动态映射物理实体的状态，在虚拟空间中通过模拟验证控制效果，根据发生的发现反馈到物理资产和数字过程，并进行数字 数字孪生交互包括物理-物理、虚拟-虚拟、物理-虚拟、人机交互等交互方法 a )物理交互:在物理设备之间相互通信、协调和写入，完成单个设备无法完成的任务 b )虚拟-虚拟交互:连接多个虚拟模型，形成新闻共享互联网c )物理-虚拟交互:虚拟模型和物理对象同步变化，物理对象可以根据虚拟模型的直接命令动态调整 d )人机交互:顾客与数字双子系统之间的交互 采用者可以通过数字孪生系统迅速掌握物理系统的特征和实时性能，识别异常情况，得到解体决定的数据支持，并简单地向数字孪生系统发出指令。 例如，使用数字孪生模型操作设备控制器，或在管理供应链和订单行为的系统上更新 人机交互技术和3r技术相互融合。 数据建模和仿真层:建立数字双胞胎的过程包括建模和仿真。 建模是在虚拟空间中实际再现物理实体的外观、几何、运动结构、几何相关等属性，建立符合实体对象的空间运动规则的物理实体虚拟映射的3d模型。 仿真模型根据构建的3d模型，结合结构、热学、电磁、流体等物理规律和机制，计算、分析和预测物理对象的未来状态 例如，在飞机的研制阶段，可以用传感器反馈将飞机的实际飞行参数、表面气流分布等数据输入模型，通过流体力学等相关模型，分解这些数字，预测潜在的故障和风险。 数字双胞胎是一个以上单元级的数字双胞胎分层复合而成的，例如生产线规模的数字双胞胎是由多个设备结合而成的 因此，为了适应实际生产过程中模型单元间耦合的需要，需要对实体对象进行多尺度数字孪生建模。 ▲许多杂产品通过系统级解除耦合建立仿真模型的基础是知识、工业机制和数据，三种建模方法各有利弊 基于知识建模:在建立专家知识库的同时要求一定领域的沉淀 特征是模型比较简单，是对极端情况建模的效果 但是模型的精度、及时性、移动性差，价格高。 基于机制建模:模型变量空间大，可以脱离物理实体，可以解释，但要求大量参数，计算多复杂，不能建模多在杂工艺工业中相互结合的实体状况。 基于数据建模:模型精度高，可以动态更新，但数据量、数据质量、精度要求高，无法解释模型 目前，数字孪生建模一般基于仿真技术，包括离散时间仿真、基于有限元的仿真等，一般基于通用编程语言、仿真语言或专用仿真软件 数字孪生建模语言主要有automationml、uml、sysml、xml等 产业仿真软件，这里主要指计算机辅助工程cae (计算机辅助工程)软件，包括一般意义上的cad、cae、cfd、eda、tcad等 现在中国cae软件市场基本上被外资产品垄断，如ansys、海克斯康(年收购msc )、altair、西门子、达索、cadence、comsol、autodesk、esi、synosys、MIO 中国拥有自主知识产权的cae软件只有很少的市场份额，在国内这方面，第一是一点大学、科学研究院和中小企业进行cae软件的研究开发。 包括fepg、jifex、hajif、紫瑞、litosim在内的国内自主知识产权软件系统已经上市，但由于缺乏竞争力，一点软件退出了国内cae市场。 以安世亚太为代表的国产模拟软件根据多年的海外产品采用和代理经验开发了国产化的替代方案，但现在还没有达到海外一线产品的水平 特里年推出了工业模拟云产品，以云服务模式进入了这个市场。 ▲工业模拟软件( cae )大型供应商▲数字孪生优化产品生命周期管理功能实现层:利用通过数据建模获得的模型和数据观察结果，实现预期的功能 该功能是数字孪生系统最核心的功能价值体现，实时反映物理系统的细节，实现辅助决定等功能，提高物理系统在寿命周期中的性能表现和顾客体验。 有几个软件运营商通过提高数字双胞胎的能力来提高应用的能力，向用户提供垂直细分市场的处理方案。 基于apm、物流、plm等应用的数字双胎模型和组合的开发 例如ge digital、oracle等 具体见下表:▲强调数字孪生结合功能层的应用供应商2、典型的应用场景介绍数字孪生智能制造行业中的主要应用场景是产品的研究开发、设备维护和故障的预测和工艺计划。 ▲数字双胞胎在智能制造行业的应用数字双胞胎应用于产品开发:在以前流传的研究开发设计方法下，纸、3d cad是主要的产品设计工具，建立的虚拟模型是静态的，物理对象的一些变化是真实的 技术验证新产品时，可以生产产品，反复多次物理实验，得到有限的数据。 以前流传下来的研究开发设计具有研究开发周期长、价格高的优点 数字双胞胎突破了物理条件的限制，帮助客户理解产品的实际性能，以更少的价格和更快的速度重复产品和技术。 数字孪生技术支持三维建模，不仅实现无纸化零件设计和组装设计，而且代替以前通过物理实验获取实验数据的开发方法，用计算、模拟、分解或方法进行虚拟实验，指导、简化物理实验 客户利用结构、热学、电磁、流体、控制等模拟软件模拟产品的运行状况对产品进行测试、验证和优化。 以口罩发射分离实验为例，火箭发射后丢弃的捆绑火箭由爆炸螺栓和主火箭连接，爆炸到一定高度释放卫星，但无法回收贵重的金属结构爆炸 口罩被机械结构的强力弹簧发射分离，试图回收火箭 这个实验使用了nasa大量的公开数据，用电脑进行建模模拟分解强力弹簧发射、发射螺栓，没有进行过物理实验，最后成功分离了发射螺栓，火箭壳的回收大大降低了发射的价格 作为同样例子，有风洞试验、飞机的故障风险诊断、发动机性能判断等 数字双胞胎不仅缩短了产品的设计周期，还提高了产品开发的可行性、成功率，减少了危险，大大降低了试制和测试价格。 数字双胞胎应用于工艺计划和生产工艺管理:产品制造过程越来越多，多品种，少量生产的诉求进一步加强，公司对生产制造过程的计划、排期准确性和灵活性、产品质量跟踪的要求也越来越高。 大部分分公司新闻系统之间的数据不通，人工进行日程安排和调整 数字孪生技术可将生产制造工艺从设备层、生产线层应用到工厂层、工厂层等不同层次，结合生产制造的设计、工艺管理和优化、资源配置、参数调整、质量管理和追溯、能效管理、生产调度等各环节 在离散领域，数字双胞胎在工艺计划中的应用在以生产制造环节和设计环节协同为重点的工艺领域，要求基于数字双胞胎技术的工艺机制和数据驱动的建模 x反映了过程产业自动化的结构，数字孪生通过将物理实体过程上的结合转换为各数字孪生参数之间的结合，实现了整个过程的协调优化 ▲工艺产业自动化的整体结构▲应用水平和生态数字双胞胎应用于设备维护和故障预测:在以前传来的设备运输维模式下，如果设备发生故障，请“发现故障——给售后服务人员打电话——” 顾客的设备知识不明、与设备制造商的信息表现障碍，往往无法及时处理故障 处理这个问题的方法是，将依赖于顾客来电的“被动服务”变成主机工厂根据设备的健康状态积极提供服务的“主动服务” 数字孪生提供物理实体的实时虚拟化映射，设备传感器将温度、振动、碰撞、负荷等数据实时输入数字孪生模型，并将设备采用为环境数据输入模型，数字孪生环境模型和实际设备的从业人员 通过数字双胞胎，可以实现鼓风机齿轮箱的故障诊断、发电涡轮、发动机、船舶维护等大型结构设备等多种复杂设备的故障诊断。 达索、ge等典型企业侧重于数字双胞胎在故障预测和维护中的应用 ge是世界三大航空发动机制造商之一，为了提高其核心竞争力，强化市场主导地位，在该航空发动机的全生命周期过程中引进了增材制造和数字双胞胎等先进技术。 年，ge与ansys合作，扩展和集成了ansys行业的主要工程模拟、嵌入式软件开发平台和ge的predix平台。 ge的数字双胞胎结合航空发动机的实时传感器数据和性能模型，随着运行环境的变化和物理发动机性能的衰减，建立自适应模型，正确监视航空发动机的部件和整机性能 然后，结合历史数据和性能模型，进行故障诊断和性能预测，实现数据驱动的性能搜索 资料来源:人工智能学家关注科普辽宁欢迎喜欢这个文案的人，喜欢原标题:《一文理解数字孪生——应用快速发展综述(2)》原文 阅读。

来源：人民视窗网