10.1數(shù)字孿生的定義以及發(fā)展現(xiàn)狀戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造目錄CONTENTS10.1.1數(shù)字孿生的概念10.1.2數(shù)字孿生的特征10.1.3數(shù)字孿生的發(fā)展戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造110.1.1數(shù)字孿生的概念硬件服務ABCD新一代信息技術智能決策信息獲取戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造2數(shù)字化轉(zhuǎn)型10.1.1數(shù)字孿生的概念數(shù)字孿生（DigitalTwin）起源航空軍工領域各產(chǎn)業(yè)融合深化12向垂直行業(yè)拓展3戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造3孿生的概念

物理孿生的概念在軋制生產(chǎn)過程中也有類似應用。在連軋生產(chǎn)中，每一個規(guī)格軋制參數(shù)的設定往往都需要事先在離線軟件中進行模擬，最終才能應用到軋制工藝設定中。包含了設備及相關生產(chǎn)參數(shù)的離線軋制規(guī)程模擬軟件便可視為是軋制生產(chǎn)線中軋制環(huán)節(jié)的孿生體，根據(jù)仿真的數(shù)據(jù)能夠幫助工程師優(yōu)化軋制參數(shù)、分析和評估設備的健康狀況，如圖所示。由美國國家航空航天局提出10.1.1數(shù)字孿生的概念10.1.1數(shù)字孿生的概念物理孿生與數(shù)字孿生對比戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造4對比內(nèi)容物理孿生數(shù)字孿生形式物理復制品數(shù)字模型和仿真依賴制造工藝和材料數(shù)據(jù)收集和計算技術實時性靜態(tài)或動態(tài)實驗實時監(jiān)控和更新應用范圍通常用于關鍵零部件或系統(tǒng)廣泛，涉及多領域成本制造和材料成本數(shù)據(jù)和計算成本局限性復制成本高，難以大規(guī)模應用依賴數(shù)據(jù)質(zhì)量和模型精度戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造5數(shù)字孿生的定義10.1.1數(shù)字孿生的概念數(shù)字孿生（數(shù)字鏡像、數(shù)字映射、數(shù)字雙胞胎、數(shù)字雙生、數(shù)字孿生體）

以模型和數(shù)據(jù)為基礎，通過多學科耦合仿真等方法，完成現(xiàn)實世界中的物理實體到虛擬世界中的鏡像數(shù)字化模型的精準映射，并充分利用兩者的雙向交互反饋、迭代運行，以達到物理實體狀態(tài)在數(shù)字空間的同步呈現(xiàn)，通過鏡像化數(shù)字化模型的診斷、分析和預測，進而優(yōu)化實體對象在其全生命周期中的決策、控制行為，最終實現(xiàn)實體與數(shù)字模型的共享智慧與協(xié)同發(fā)展。戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造6多維度多領域模型結(jié)合1多源異構數(shù)據(jù)采集與分析為核心2雙向映射、動態(tài)交互、實時同步和迭代優(yōu)化3閉環(huán)反饋控制410.1.2數(shù)字孿生的特征戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造7多維度多領域模型結(jié)合10.1.2數(shù)字孿生的特征數(shù)字孿生作為仿真應用的發(fā)展和升級，與傳統(tǒng)的仿真方式有著巨大的區(qū)別。數(shù)字孿生的模型貫穿物理系統(tǒng)的整個生命周期。數(shù)字孿生模型的構建需要考慮產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)和行為表述。多個物理系統(tǒng)融合，多學科、多領域融合是現(xiàn)實系統(tǒng)的運行特點。物理系統(tǒng)在數(shù)字空間的數(shù)字模型需要體現(xiàn)這個融合，實現(xiàn)數(shù)字融合模型。不同的智能系統(tǒng)關注的重點領域不一，多學科耦合程度存在差異，因而其數(shù)字模型需要根據(jù)不同的應用場景對其組成部分進行融合，以全方位地刻畫物理實體。數(shù)字孿生體與物理實體應該是“形神兼似”?！靶嗡啤本褪菐缀涡螤?、三維模型上要一致，“神似”就是運行機理上要一致。數(shù)字孿生模型的構建應按層級逐漸展開，形成單元級、區(qū)域級、系統(tǒng)級、跨系統(tǒng)級等多尺度層級，各層級逐漸擴大，完成不同的系統(tǒng)功能。

數(shù)字孿生技術解決問題的出發(fā)點在于建立高保真度的虛擬模型，在虛擬模型中完成仿真、分析、優(yōu)化、控制，并以此虛擬模型完成物理實體的智能調(diào)控與精準執(zhí)行，即系統(tǒng)構建于模型之上，模型是數(shù)字孿生體的主體組成。戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造8多源異構數(shù)據(jù)采集與分析為核心10.1.2數(shù)字孿生的特征戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造9物理系統(tǒng)、數(shù)字模型通過實時連接，進行動態(tài)交互、實現(xiàn)雙向映射。適合應用場景的實時連接。“實時連接”在不同的應用場景下，其物理含義是不同的。數(shù)字孿生為復雜系統(tǒng)的感知、建模、描述、仿真、分析、診斷、預測、調(diào)控等提供了可行的解決方案，數(shù)字孿生系統(tǒng)必須能不斷地迭代優(yōu)化，即適應內(nèi)外部的快速變化并做出針對性的調(diào)整雙向映射、動態(tài)交互、實時同步和迭代優(yōu)化10.1.2數(shù)字孿生的特征戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造10閉環(huán)反饋控制數(shù)字孿生的監(jiān)控一般構建于三維可視化模型之上，各類數(shù)據(jù)按模型的空間、運行流程、管理層級等不同維度進行展示，能讓用戶直觀感受系統(tǒng)運行狀態(tài)，便于做出決策。數(shù)字孿生系統(tǒng)具備模擬、監(jiān)控、診斷、推演預測與分析、自主決策、自主管控與執(zhí)行等智能化功能。數(shù)字孿生系統(tǒng)必須數(shù)字孿生可看作是一種技術、方法、過程、思路、框架和途徑，本質(zhì)上是以服務為導向，對特定領域中的系統(tǒng)進行優(yōu)化，滿足系統(tǒng)某一方面的功能要求，如成本、效率、故障預測與監(jiān)控、可靠運維等。10.1.2數(shù)字孿生的特征10.1.3數(shù)字孿生的發(fā)展戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造11

數(shù)字孿生是一種數(shù)字化理念和技術手段，它以數(shù)據(jù)與模型的集成融合為基礎與核心，通過在數(shù)字空間實時構建物理對象的精準數(shù)字化映射，基于數(shù)據(jù)整合與分析預測來模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程，最終形成智能決策的優(yōu)化閉環(huán)。

其中面向的物理對象包括實物、行為、過程，構建孿生體涉及到的數(shù)據(jù)包括實時傳感數(shù)據(jù)和運行歷史數(shù)據(jù)，集成的模型涵蓋物理模型、機理模型和流程模型等。戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造122003年前后，關于數(shù)字孿生（DigitalTwin）

的設想首次出現(xiàn)于Grieves教授在美國密歇根大學的產(chǎn)品全生命周期管理課程上。但是，當時“DigitalTwin”一詞還沒有被正式提出，Grieves將這一設想稱為“ConceptualIdealforPLM（ProductLifecycleManagement）”，10.1.3數(shù)字孿生的發(fā)展戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造13燕山大學通過研發(fā)冷軋銅帶板形控制數(shù)字孿生系統(tǒng)，在600mm四輥軋機和600mm六輥軋機上的工業(yè)應用表明，冷軋銅帶板形控制數(shù)字孿生系統(tǒng)，不僅可以實時監(jiān)控和優(yōu)化軋制過程，改善板形控制效果，而且可以預警軋制故障，提高軋機運行的穩(wěn)定性和安全性。東北大學RAL實驗室基于現(xiàn)有自動化與信息化系統(tǒng)，深度融合數(shù)據(jù)驅(qū)動模型與機理模型，首次開發(fā)了熱連軋過程動態(tài)數(shù)字孿生模型并建立了CPS控制系統(tǒng)平臺，提高了軋制工藝對復雜多變工況的原位分析能力，改善了熱連軋過程尺寸控制指標。10.1.3數(shù)字孿生的發(fā)展戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1410.1.3數(shù)字孿生的發(fā)展THANKS10.2數(shù)字孿生實現(xiàn)的技術路徑戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造目錄CONTENTS10.2.1虛擬建模10.2.2虛擬制造10.2.3虛擬映射10.2.4新型信息技術10.2.1虛擬建模戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1虛擬建模物理模型：指客觀存在的實體，如實驗中的飛機模型或船舶模型仿真模型：根據(jù)系統(tǒng)的形式化模型，轉(zhuǎn)化為計算機可執(zhí)行的模型形式化模型：指采用規(guī)范表述方法構建的模型，用數(shù)學方法抽象

原型的功能或結(jié)構特征戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造2虛擬模型了解或設計系統(tǒng)的內(nèi)在特性數(shù)學模型物理模型數(shù)學-物理效應模型控制理論、相似理論、信息處理技術和計算機處理技術等理論基礎，計算機和其他專用物理效應設備的硬件支持。實驗10.2.1虛擬建模支持戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造310.2.1虛擬建模虛擬建模方法靜態(tài)/動態(tài)建模連續(xù)/離散建模隨機/確定性建模面向?qū)ο蠛投嘀悄荏w仿真建模戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造410.2.1虛擬建模虛擬模型模擬預測性能優(yōu)化戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造5虛擬制造（VirtualManufacturing,VM）10.2.2虛擬制造

虛擬制造是一種集成的仿真技術，它基于虛擬現(xiàn)實和仿真技術，對產(chǎn)品設計、生產(chǎn)過程進行統(tǒng)一建模，并在計算機上實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的模擬仿真。特點：模型化：虛擬制造以模型為核心，依賴于產(chǎn)品模型、過程模型、活動模型和資源模型等多種模型。集成化：通過集成異構模型，虛擬制造實現(xiàn)了對產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)相關元素的統(tǒng)一建模。擬實化：虛擬制造追求仿真結(jié)果的高可信度和人機交互的自然化，其中虛擬現(xiàn)實（VR）技術是改善人機交互自然化的重要手段。戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造6虛擬制造設計性虛擬制造：側(cè)重于產(chǎn)品設計階段，通過引入制造信息，實現(xiàn)對

設計的可制造性分析和優(yōu)化控制性虛擬制造：側(cè)重于系統(tǒng)控制，通過仿真全系統(tǒng)的控制模型和現(xiàn)

實加工過程，優(yōu)化組織、調(diào)度與控制策略生產(chǎn)性虛擬制造：側(cè)重于生產(chǎn)過程，通過仿真技術實現(xiàn)制造方案的快

速評價和生產(chǎn)過程的優(yōu)化10.2.2虛擬制造戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造710.2.2虛擬制造基礎認知實訓提高綜合分析實驗虛擬仿真實驗戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造810.2.2虛擬制造虛擬制造數(shù)字孿生推動制造業(yè)邁向更高智能化、自動化層次戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造9虛擬映射

虛擬映射是一種先進的集成方法，它通過創(chuàng)建物理實體的精確數(shù)字化副本來實現(xiàn)現(xiàn)實世界與數(shù)字世界的無縫對接。這種技術使得我們能夠在虛擬環(huán)境中模擬、分析和預測物理實體的行為和性能，從而為決策提供支持并優(yōu)化實際的業(yè)務流程。物理對象的實時數(shù)據(jù)采集歷史數(shù)據(jù)先進的算法模型++高度仿真的

虛擬模型當下狀態(tài)不同條件下的表現(xiàn)未來走向反映預測模擬10.2.3虛擬映射戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1010.2.3虛擬映射應用工程師和決策者可以在不干擾實際生產(chǎn)過程的情況下，對產(chǎn)品設計、制造過程、維護策略等進行測試和優(yōu)化，在樣機設計的早期階段，它允許設計者、制造者和使用者直觀形象地對產(chǎn)品的數(shù)字原型進行設計優(yōu)化、性能測試、制造仿真和使用仿真戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1110.2.3虛擬映射應用能夠提供跨地域、跨部門的協(xié)作平臺。不同的團隊可以共享同一個虛擬模型，進行協(xié)同工作，共同分析問題和制定解決方案戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1210.2.3虛擬映射虛擬映射機器學習人工智能模擬現(xiàn)狀自主進化10.2.4新型信息技術10.2.4新型信息技術戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造13工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)1大數(shù)據(jù)及智能算法2云計算3VR/AR/MR4工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造14

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)設備、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、人、產(chǎn)品之間網(wǎng)絡互聯(lián)的關鍵綜合信息基礎設施。它通過工業(yè)大數(shù)據(jù)的深度感知和計算分析，實現(xiàn)整個工廠的智能決策和實時動態(tài)優(yōu)化。

重要性

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是工業(yè)全要素鏈接的樞紐，是工業(yè)資源配置的核心，為制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供驅(qū)動力。10.2.4新型信息技術大數(shù)據(jù)及智能算法

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大數(shù)據(jù)是信息技術發(fā)展的產(chǎn)物，在數(shù)字孿生中扮演著基礎性的角色，具有海量、高增長率和多樣化的特征。

智能算法是數(shù)字孿生中的大腦，它們利用大數(shù)據(jù)提供的信息來進行決策支持。大數(shù)據(jù)

技術數(shù)據(jù)采集和預處理數(shù)據(jù)儲存和管理數(shù)據(jù)分析和挖掘應用范圍：

預測設備故障，優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度，自動調(diào)整生產(chǎn)線參數(shù)以提高效率和質(zhì)量，或者在供應鏈管理中進行需求預測和庫存優(yōu)化10.2.4新型信息技術云計算

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云計算提供了一種通過網(wǎng)絡按需獲取計算資源的模式。云計算基礎設施即服務(IaaS)平臺即服務(PaaS)軟件即服務(SaaS)云計算的彈性可擴展性、集中化處理、存儲與共享數(shù)據(jù)的能力，為數(shù)字孿生系統(tǒng)的實施提供了基礎平臺。10.2.4新型信息技術VR/AR/MR戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造17

虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR)和混合現(xiàn)實(MR)技術為用戶提供沉浸式體驗，將虛擬場景和現(xiàn)實世界融合，實現(xiàn)物理、虛擬世界的實時交互。

這些技術在數(shù)字孿生中用于提供更加直觀和交互式的用戶體驗，增強用戶對系統(tǒng)的理解和控制。10.2.4新型信息技術戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1810.2.4新型信息技術物理實體VS虛擬模型智能系統(tǒng)自我學習與感知THANKS10.3數(shù)字孿生技術在

先進成形中的應用戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造目錄CONTENTS10.3.1超塑成形工藝的

數(shù)字孿生系統(tǒng)10.3.2熔模鑄件尺寸控制的

數(shù)字孿生建模關鍵技術10.3.3板帶材生產(chǎn)全流程

數(shù)字孿生系統(tǒng)10.3.1超塑成形工藝的數(shù)字孿生系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造1超塑成形技術熱力氣耦合加載環(huán)境且在閉合模具原理應用戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造2功能層模型層數(shù)據(jù)層物理層收集實際生產(chǎn)中的工藝數(shù)據(jù)通過三維建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動的工藝參數(shù)優(yōu)化模型進行仿真信息傳遞的

樞紐設備的可視化監(jiān)控、工藝交互和產(chǎn)品質(zhì)量管理10.3.1超塑成形工藝的數(shù)字孿生系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造310.3.1超塑成形工藝的數(shù)字孿生系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造4孿生模型模具實體10.3.1超塑成形工藝的數(shù)字孿生系統(tǒng)戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造510.3.1超塑成形工藝的數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)字孿生提升孿生體建模精度超速成型數(shù)字化轉(zhuǎn)型更高發(fā)展戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造610.3.2熔模鑄件尺寸控制的數(shù)字孿生建模關鍵技術熔模鑄造用于制造多因素干擾尺寸偏差與變形問題數(shù)字孿生技術解決戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造710.3.2熔模鑄件尺寸控制的數(shù)字孿生建模關鍵技術戰(zhàn)略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造8蠟模點云鑄件點云CAD模型點云10.3.2熔模鑄件尺寸控制的