目錄DIRECTORY第三章 數(shù)字孿生技術(shù)與工具FOUR目標(biāo)規(guī)劃3.1數(shù)字孿生物理實(shí)體技術(shù)與工具FOUR目標(biāo)規(guī)劃3.2數(shù)字孿生建模技術(shù)與工具FOUR目標(biāo)規(guī)劃3.3數(shù)字孿生數(shù)據(jù)管理技術(shù)與工具FOUR目標(biāo)規(guī)劃3.4數(shù)字孿生服務(wù)應(yīng)用技術(shù)與工具FOUR目標(biāo)規(guī)劃3.5數(shù)字孿生連接技術(shù)與工具了解數(shù)字孿生中物理實(shí)體相關(guān)工具,即認(rèn)識和改造物理世界的工具。了解主流的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)管理工具及其適用對象。了解數(shù)字孿生應(yīng)用中的平臺服務(wù)、診斷和預(yù)測服務(wù)、優(yōu)化服務(wù)和仿真服務(wù)等工具。理解數(shù)據(jù)建模的目的，即對各類異源數(shù)據(jù)使用數(shù)理和計(jì)算機(jī)等方法來構(gòu)建模型。掌握一種以上的正向和逆向構(gòu)建物理實(shí)體幾何三維模型的方法。本章學(xué)習(xí)目標(biāo)本章思維導(dǎo)圖數(shù)字孿生中物理實(shí)體相關(guān)工具可以分為認(rèn)識物理世界的工具和改造物理世界的工具。1.認(rèn)識物理世界的工具認(rèn)識物理世界的客觀規(guī)律是數(shù)字化的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)是數(shù)字孿生的主要驅(qū)動力。當(dāng)物理實(shí)體連接到數(shù)據(jù)傳感和采集系統(tǒng)時(shí)，數(shù)字孿生系統(tǒng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為優(yōu)化的流程和業(yè)務(wù)輸出。例如，阿里云物聯(lián)網(wǎng)提供了安全可靠的設(shè)備感知能力，從而能夠快速訪問多協(xié)議、多平臺、多區(qū)域設(shè)備。3.1 數(shù)字孿生物理實(shí)體技術(shù)與工具2.改造物理世界的工具改造物理世界的工具可以使基于反饋信息的物理實(shí)體更高效、更安全地運(yùn)行。反饋信息是對虛擬世界中感知到的物理實(shí)體狀態(tài)信息的分析和處理的結(jié)果。數(shù)字孿生主要通過控制反饋操作來調(diào)整物理世界。認(rèn)識和改造物理世界的軟件工具如圖3-1所示。圖3-1認(rèn)識和改造物理世界的軟件工具數(shù)字孿生領(lǐng)域，數(shù)據(jù)建模是指將現(xiàn)實(shí)世界中的物理系統(tǒng)或過程轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式的模型。這個(gè)過程包括收集、整理和分析相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后使用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等方法來構(gòu)建模型。數(shù)據(jù)建模的目的是為了更好地理解和預(yù)測物理系統(tǒng)的行為。通過將現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，可以更好地分析和優(yōu)化系統(tǒng)的性能、進(jìn)行故障診斷和預(yù)測、進(jìn)行虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)等。數(shù)據(jù)建模通過對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，可以建立起對物理系統(tǒng)行為的準(zhǔn)確模擬，并提供對系統(tǒng)未來發(fā)展的預(yù)測能力。3.2 數(shù)字孿生建模技術(shù)與工具數(shù)據(jù)建模在數(shù)字孿生中扮演著至關(guān)重要的角色，它對數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用和效果具有重要影響。以下是數(shù)據(jù)建模對數(shù)字孿生的作用：1. 精確建?，F(xiàn)實(shí)世界2. 預(yù)測和優(yōu)化能力3. 虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)4. 故障診斷和維修支持?jǐn)?shù)據(jù)建?？梢圆捎枚喾N方式，具體選擇哪種方式取決于數(shù)據(jù)的特性、建模的目的以及可用的工具和技術(shù)。以下是幾種常見的數(shù)據(jù)建模方式：1.統(tǒng)計(jì)建模：統(tǒng)計(jì)建模是使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和分析的過程。2.機(jī)器學(xué)習(xí)：機(jī)器學(xué)習(xí)是一種通過訓(xùn)練算法來自動識別和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)模式的方法。3.物理建模：物理建模是將物理系統(tǒng)的行為和特性轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型的過程。4.數(shù)據(jù)挖掘：數(shù)據(jù)挖掘是從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱藏模式、關(guān)聯(lián)和趨勢的過程。數(shù)據(jù)是信息的載體，也是數(shù)字孿生的關(guān)鍵驅(qū)動。數(shù)字孿生中數(shù)據(jù)管理工具如圖3-2所示。包括數(shù)據(jù)采集工具、數(shù)據(jù)傳輸工具、數(shù)據(jù)存儲工具、數(shù)據(jù)處理工具、數(shù)據(jù)融合工具和數(shù)據(jù)可視化工具。圖3-2數(shù)字孿生中的數(shù)據(jù)管理工具3.3 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)管理技術(shù)與工具1.數(shù)據(jù)采集工具數(shù)據(jù)采集工具可以通過合理放置傳感器來獲取完整、穩(wěn)定和有效的數(shù)據(jù)。2.數(shù)據(jù)傳輸工具數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康氖窃诖_保數(shù)據(jù)信息不丟失或不損壞的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，并最大程度地保持?jǐn)?shù)據(jù)的真實(shí)性。3.數(shù)據(jù)存儲工具數(shù)據(jù)存儲是后續(xù)操作的保證，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類和保存，并通過有效的讀寫機(jī)制實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)調(diào)用。4.數(shù)據(jù)處理工具數(shù)據(jù)處理是消除干擾和矛盾的信息，使數(shù)據(jù)可供有效使用。5.數(shù)據(jù)融合工具數(shù)據(jù)融合是集成、過濾、關(guān)聯(lián)和綜合已處理的數(shù)據(jù)，以幫助進(jìn)行判斷、計(jì)劃、驗(yàn)證和診斷。6.數(shù)據(jù)可視化工具數(shù)據(jù)可視化為人員提供直觀、清晰的數(shù)據(jù)信息，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速捕獲目標(biāo)信息。數(shù)字孿生中的服務(wù)應(yīng)用工具如圖3-3所示。可以分為平臺服務(wù)工具、診斷和預(yù)測服務(wù)工具優(yōu)化服務(wù)工具、仿真服務(wù)工具等。圖3-3數(shù)字孿生中的服務(wù)應(yīng)用工具3.4 數(shù)字孿生服務(wù)應(yīng)用技術(shù)與工具1.平臺服務(wù)工具平臺服務(wù)工具集成了諸如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)。例如ThingWorx平臺可以將數(shù)字孿生模型連接到正在運(yùn)行的產(chǎn)品以顯示傳感器數(shù)據(jù)，并通過Web應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析并給出結(jié)果。ThingWorx平臺可以提供工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、大數(shù)據(jù)分析和其他服務(wù)。西門子MindSphere平臺可以通過安全通道將傳感器、控制器和各種信息系統(tǒng)收集的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆浦校槠髽I(yè)提供大數(shù)據(jù)分析和挖掘、工業(yè)App和增值服務(wù)。2.診斷和預(yù)測服務(wù)工具診斷和預(yù)測服務(wù)工具可以通過分析和處理孿生數(shù)據(jù)來提供設(shè)備的智能預(yù)測維護(hù)策略并減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間等。例如，ANSYS仿真平臺可以幫助客戶自己設(shè)計(jì)與IoT連接的資產(chǎn)，并分析這些智能設(shè)備產(chǎn)生的運(yùn)營數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以進(jìn)行故障排除和預(yù)測性維護(hù)。與數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法(機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)識別等)集成后，Matlab可用于確定剩余使用壽命，從而在最合適的時(shí)間為設(shè)備提供服務(wù)或更換零部件。例如，為石油開發(fā)和加工行業(yè)提供產(chǎn)品和服務(wù)的大型服務(wù)公司BakerHughes，已經(jīng)開發(fā)了基于Matlab的預(yù)測性維護(hù)警報(bào)系統(tǒng)。3.優(yōu)化服務(wù)工具使用傳感器數(shù)據(jù)以及能源成本或性能之類的孿生數(shù)據(jù)可以觸發(fā)優(yōu)化服務(wù)工具，以運(yùn)行數(shù)百或數(shù)千個(gè)假設(shè)分析，對當(dāng)前系統(tǒng)的準(zhǔn)備情況進(jìn)行評估或進(jìn)行必要的調(diào)整?？梢詢?yōu)化或控制系統(tǒng)操作，從而降低風(fēng)險(xiǎn)、成本和能耗并提高系統(tǒng)效率。例如，西門子的PlantSimulation軟件可以優(yōu)化生產(chǎn)線調(diào)度和工廠布局。在數(shù)字孿生電網(wǎng)中，Simulink從電網(wǎng)接收測量數(shù)據(jù)，然后運(yùn)行數(shù)千個(gè)仿真方案，以確定電力儲備是否足夠以及電網(wǎng)控制器是否需要調(diào)整。4.仿真服務(wù)工具先進(jìn)的仿真工具不僅可以執(zhí)行診斷并確定維護(hù)的最佳方案，而且還可以收集信息以完善下一代設(shè)計(jì)。例如，在CNC機(jī)床的設(shè)計(jì)中如果缺乏適當(dāng)?shù)腇EM（FiniteElementMethod）仿真分析機(jī)床就會發(fā)生振動故障。而通過加強(qiáng)材料來提高強(qiáng)度并減少振動會使機(jī)床的成本提高。在有限元軟件ANSYS中進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)仿真分析，然后輔助適當(dāng)?shù)脑u估功能，并考慮性能和成本，可以滿足數(shù)控機(jī)床的精益設(shè)計(jì)要求。數(shù)字孿生中的連接工具用于連接物理世界和虛擬世界，以及連接數(shù)字孿生的不同部分。數(shù)字孿生的核心是在物理和虛擬世界之間映射，并打破物理和虛擬現(xiàn)實(shí)之間的界限。例如，PTCThingWorx可以充當(dāng)傳感器和數(shù)字模型之間的網(wǎng)關(guān)以將各種智能設(shè)備連接到IoT生態(tài)系統(tǒng)。MindSphere是西門子提供的基于云的開放式IoT操作系統(tǒng)，用于連接產(chǎn)品、工廠、系統(tǒng)和機(jī)器。MindSphere使用高級分析功能來啟用物聯(lián)網(wǎng)生成的大量數(shù)據(jù)。CiscoJasper的Jasper控制中心可以使用NB-IoT技術(shù)更好地管理連接的設(shè)備。JasperControlCenter持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)狀況、設(shè)備行為和IoT服務(wù)狀態(tài)，以通過實(shí)時(shí)診斷和主動監(jiān)視連接狀態(tài)來確保高服務(wù)可靠性。3.5 數(shù)字孿生連接技術(shù)與工具數(shù)字孿生中的連接意味著物理實(shí)體、數(shù)據(jù)中心、服務(wù)和虛擬模型之間的通信、交互和信息交換。這些信息交互有助于問題診斷，可以通過每種物理資產(chǎn)的特性確定其合理的維護(hù)計(jì)劃。數(shù)字孿生連接相關(guān)工具如圖3-4所示。圖3-4數(shù)字孿生連接相關(guān)工具數(shù)字孿生系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其實(shí)施是一個(gè)漫長的過程，需要多種技術(shù)和工具才能協(xié)同工作。例如，復(fù)制一臺風(fēng)力渦輪機(jī)需要監(jiān)視變速箱、發(fā)電機(jī)、葉片、軸承、軸、塔架和功率轉(zhuǎn)換器的各種數(shù)據(jù)(例如振動信號、聲學(xué)信號、電信號等)以及環(huán)境條件(例如風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度和壓力)。此外，數(shù)字孿生還包括實(shí)物資產(chǎn)的虛擬表示，需要構(gòu)建許多模型來復(fù)制風(fēng)力渦輪機(jī)，包括幾何模型、功能模型、行為模型、規(guī)則模型、有限元分析模型、故障診斷模型、壽命預(yù)測模型等。以上所有這些都需要一種啟用技術(shù)和工具。例如，來自風(fēng)力渦輪機(jī)的各種信號的數(shù)據(jù)收集需要傳感器技術(shù)；數(shù)據(jù)傳輸、存儲、處理和融合可以使用5G、NewSQL、邊緣云架構(gòu)和人工智能技術(shù)等；可以通過諸如SolidWorks、UG、AutoCAD、CATIA等工具構(gòu)建幾何模型；有限元分析模型可以在ANSYS、MARC、ADINA等中運(yùn)行；Dymola、