目錄DIRECTORY第一章數(shù)字孿生概述FOUR目標(biāo)規(guī)劃1.1數(shù)字孿生起源FOUR目標(biāo)規(guī)劃1.2數(shù)字孿生概念FOUR目標(biāo)規(guī)劃1.3數(shù)字孿生國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀FOUR目標(biāo)規(guī)劃1.4數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)了解數(shù)字孿生產(chǎn)生的背景，包括第四次工業(yè)革命各國的制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。了解物理孿生的概念、在大型復(fù)雜裝備開發(fā)中的作用及與數(shù)字孿生的區(qū)別。了解數(shù)字孿生在各國的政策支持情況，以及國際和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化組織在數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化工作中的進(jìn)展。了解數(shù)字孿生在制造、裝備、建造、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用場景。理解數(shù)字孿生的多種定義，重點(diǎn)理解本書所采用的李培根院士對數(shù)字孿生的定義。理解數(shù)字孿生在產(chǎn)品全生命周期和生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用方式及價(jià)值。理解數(shù)字孿生裝備的構(gòu)成、智能特征和能力，以及在機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用案例。掌握能夠清晰闡述數(shù)字孿生的起源、概念，準(zhǔn)確區(qū)分相關(guān)概念。掌握數(shù)字孿生的相關(guān)技術(shù)，能分析其在實(shí)際應(yīng)用中的作用和局限。掌握深入理解數(shù)字孿生在各行業(yè)的應(yīng)用模式，可結(jié)合具體案例進(jìn)行說明。本章學(xué)習(xí)目標(biāo)本章思維導(dǎo)圖

背景：計(jì)算機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、工業(yè)軟件、數(shù)控機(jī)床、增材制造、虛擬現(xiàn)實(shí)、智慧物流、大數(shù)據(jù)驅(qū)動、人工智能、云計(jì)算及數(shù)字精益等技術(shù)的飛速發(fā)展，制造業(yè)與數(shù)字化技術(shù)的融合日益加深。應(yīng)用：助力數(shù)控機(jī)床、航空航天、高速列車、海工裝備及軍事裝備等高端裝備制造領(lǐng)域，由大批量制造模式向多品種小批量的制造模式轉(zhuǎn)變。1.1數(shù)字孿生起源數(shù)字孿生作為新興的技術(shù)近年來獲得了各行業(yè)的持續(xù)關(guān)注，與各行業(yè)不斷融合，有力推動著各行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展進(jìn)程。其思想是在虛擬數(shù)字空間構(gòu)建與物理實(shí)體的數(shù)字化映射，對其幾何屬性、物理規(guī)律、行為規(guī)則等進(jìn)行全方面、多維度、多物理量的動態(tài)監(jiān)控、模擬、診斷與預(yù)測，以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的全生命周期管控和優(yōu)化。第四次工業(yè)革命的悄然興起，使得美國、德國、英國、日本等工業(yè)強(qiáng)國相繼部署了制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，我國也于2015年推出了“中國智造2025”的戰(zhàn)略規(guī)劃。從內(nèi)容上，各國戰(zhàn)略規(guī)劃和實(shí)施方案不盡相同，但其重點(diǎn)和核心均落在智能制造上。1.1.1 數(shù)字孿生產(chǎn)生的背景國家（地區(qū)）戰(zhàn)略計(jì)劃提出時(shí)間主要內(nèi)容歐盟歐盟20202010年實(shí)現(xiàn)智能增長、可持續(xù)增長和包容性增長美國先進(jìn)制造2012年加速“在工業(yè)化”和“制造業(yè)回歸”德國工業(yè)4.02013年智能+網(wǎng)絡(luò)化，發(fā)展CPS智能工廠英國工業(yè)20502013年未來制造業(yè)是“服務(wù)+再制造”法國未來工業(yè)計(jì)劃2015年工業(yè)工具現(xiàn)代化、數(shù)字技術(shù)改造經(jīng)濟(jì)日本新機(jī)器人2015年推進(jìn)機(jī)器人技術(shù)在其他領(lǐng)域落地，鞏固“機(jī)器人大國”地位中國中國制造20252015年重塑制造業(yè)技術(shù)體系、生產(chǎn)模式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)和價(jià)值鏈，實(shí)現(xiàn)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化、協(xié)同化融合發(fā)展，推進(jìn)制造業(yè)升級表1-1各國的智能制造戰(zhàn)略模型是生產(chǎn)制造活動中的重要要素，在不同歷史階段和不同技術(shù)背景下，呈現(xiàn)出不同形式，發(fā)揮了不同作用。鑄造中的“失蠟法”、“消失?！保瑱C(jī)加工中的“靠模法”，進(jìn)行醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“雙胞胎”，復(fù)雜設(shè)備的“物理樣機(jī)”等都屬于物理孿生的范疇。而大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)后，同一類型的產(chǎn)品無論從外觀、性能各方面均一模一樣，也就是說物理孿生不管是自然界還是人類社會都是普遍存在的。但這些孿生體之間的多個獨(dú)立個體之間卻鮮有信息、數(shù)據(jù)及控制指令的交互，只是“形”上面的孿生。1.1.2 物理孿生與數(shù)字孿生圖1-1陜飛運(yùn)20地面物理樣機(jī)及力學(xué)試驗(yàn)現(xiàn)場物理孿生體尤其是物理樣機(jī)在大型復(fù)雜裝備開發(fā)過程中起到至關(guān)重要的作用。一款飛機(jī)從設(shè)計(jì)到試飛最后交付，除了要做大量的飛行試驗(yàn)外，利用各尺度、復(fù)雜度的物理樣機(jī)進(jìn)行動靜態(tài)飛行模擬是飛機(jī)開發(fā)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)。數(shù)字孿生體是運(yùn)用數(shù)字化建模、仿真、通訊、控制等手段，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建物理實(shí)體的數(shù)字化映射。能真實(shí)的地反應(yīng)反映在其全生命周期中的各種表現(xiàn)，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)防診斷等技術(shù)對其可能存在的問題進(jìn)行提前干預(yù)，以確保其平穩(wěn)運(yùn)行。同時(shí)利用數(shù)字采集技術(shù)，對其設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維過程中的多種參數(shù)變量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地的采集與分析，以優(yōu)化各階段性能、降低其技術(shù)和財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備利用率。圖1-2航天器信息鏡像模型（InformationMirroringModel）2003年，美國密歇根大學(xué)MichaelGrieves教授提出“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”概念，是數(shù)字孿生較為原始的表達(dá)。2010年，NASA提出了航天器數(shù)字孿生的概念和功能。2011年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的PamelaA.Kobryn和EricJ.Tuegel首次明確提出了數(shù)字孿生這個詞匯。1.2數(shù)字孿生概念在研究領(lǐng)域，數(shù)字孿生的研究論文每年呈指數(shù)級增長，研究者分布在全世界各主要國家的高校和科研機(jī)構(gòu)，并取得了很多研究成果和進(jìn)展。在應(yīng)用領(lǐng)域，各大工業(yè)軟件的巨頭，如西門子公司、PTC公司、達(dá)索公司等，以及知名實(shí)業(yè)公司，如空客集團(tuán)、波音公司、特斯拉公司等都在積極實(shí)踐數(shù)字孿生。雖然數(shù)字孿生得到了業(yè)界廣泛關(guān)注和研究，但其概念和內(nèi)涵上卻并沒有一個統(tǒng)一的定義。隨著數(shù)字孿生研究和實(shí)踐的不斷推進(jìn)，人們賦予數(shù)字孿生各種定義。下面列舉幾個比較有代表性的定義。MichaelGrieves教授認(rèn)為“數(shù)字孿生是一組虛擬信息結(jié)構(gòu)，可從微觀原子級別到宏觀幾何級別全面描述潛在的或?qū)嶋H的物理制成品。在最佳狀態(tài)下，可以通過數(shù)字孿生獲得任何物理制成品的信息?！蓖瑫r(shí)，MichaelGrieves教授將數(shù)字孿生可以解決的問題分成了兩類：一是可預(yù)測的行為(PredictedBehavior)；二是不可預(yù)測的行為(UnpredictedBehavior)。隨后又進(jìn)一步將行為分為期望值（Desirable）和非期望值(Undesirable)。圖1-3系統(tǒng)行為分類系統(tǒng)行為分類可得到4類結(jié)果：1）預(yù)計(jì)得到的期望結(jié)果；2）預(yù)計(jì)得到的非期望結(jié)果；3）未預(yù)料到的期望結(jié)果；4）未預(yù)料到的非期望結(jié)果。李培根院士認(rèn)為：數(shù)字孿生是“物理生命體”的數(shù)字化描述?！拔锢砩w”是指“孕育”過程（即實(shí)體的設(shè)計(jì)開發(fā)過程）和服役過程（運(yùn)行、使用)中的物理實(shí)體（如產(chǎn)品或裝備），數(shù)字孿生體是“物理生命體”在其服役和孕育過程中的數(shù)字化模型。數(shù)字孿生不能只是物理實(shí)體的鏡像，而是與物理實(shí)體共生。數(shù)字孿生支持從創(chuàng)新概念開始到得到真正產(chǎn)品的過程。該概念從通用角度對數(shù)字孿生進(jìn)行了定義，內(nèi)容完整且易于理解，本書采用了這一定義。在本書中，“數(shù)字孿生”是這項(xiàng)技術(shù)的統(tǒng)稱。“數(shù)字孿生體”特指某物理實(shí)體在數(shù)字空間的數(shù)字化映射，與物理實(shí)體相對應(yīng)?！皵?shù)字孿生系統(tǒng)”是指構(gòu)成數(shù)字孿生應(yīng)用的包括物理實(shí)體、數(shù)字孿生體以及必要的互聯(lián)模型的整個系統(tǒng)。1.3 數(shù)字孿生國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀當(dāng)前，數(shù)字孿生已經(jīng)成為全球信息技術(shù)發(fā)展的新焦點(diǎn)，備受各行業(yè)關(guān)注。目前數(shù)字生技術(shù)發(fā)展已上升到國家策略層面，成為不少國家數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級的有力抓手。如美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟將數(shù)字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心和關(guān)鍵，德國工業(yè)4.0參考架構(gòu)將數(shù)字孿生作為重要內(nèi)容等。很多工業(yè)軟件巨頭也提出了相關(guān)的發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)解決方案。數(shù)字孿生的提法最早出現(xiàn)在美國，美國也是最早開展數(shù)字孿生研究與應(yīng)用的國家。美國是以NASA、AFRL等為代表的研究機(jī)構(gòu)主要將數(shù)字孿生應(yīng)用于航空航天的健康監(jiān)測、運(yùn)行維護(hù)、壽命預(yù)測等方面。德國提出工業(yè)4.0后，一直在論證和尋求能讓其落地的使能技術(shù)。數(shù)字孿生相對其他概念更易落地實(shí)施，德國工業(yè)4.0參考框架將數(shù)字孿生作為重要內(nèi)容。英國發(fā)布了《英國國家數(shù)字孿生體原則》，闡述了構(gòu)建國家數(shù)字孿生體的價(jià)值、標(biāo)準(zhǔn)、原則及路線圖。新加坡搭建了“虛擬新加坡”平臺，用于城市規(guī)劃、維護(hù)和災(zāi)害預(yù)警等。法國高規(guī)格推進(jìn)數(shù)字孿生巴黎建設(shè)，數(shù)字孿生技術(shù)助力巴黎奧運(yùn)會和巴黎圣母院重建。1.3.1 各國政策及發(fā)展情況我國政府相繼發(fā)布了數(shù)字孿生相關(guān)的政策文件。發(fā)布時(shí)間部門名稱主要內(nèi)容2021年12月中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會《“十四五”國家信息化規(guī)劃》推進(jìn)城市數(shù)據(jù)資源體系和數(shù)據(jù)大腦建設(shè)，打造互聯(lián)、開放、賦能的智慧中樞，完善城市信息模型平臺和運(yùn)行管理服務(wù)平臺，探索建設(shè)數(shù)字孿生城市。2022年6月國務(wù)院《關(guān)于加強(qiáng)數(shù)字政府建設(shè)的指導(dǎo)意見》加快推進(jìn)城市運(yùn)行“一網(wǎng)統(tǒng)管”，探索城市信息模型、數(shù)字孿生等新技術(shù)運(yùn)用，提升城市治理科學(xué)化、精細(xì)化、智能化水平。2023年2月國務(wù)院《數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃》完善自然資源三維立體“一張圖”和國土空間基礎(chǔ)信息平臺，構(gòu)建以數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵牡闹腔鬯w系。2023年4月工業(yè)和信息化部、文化和旅游部《關(guān)于加強(qiáng)5G+智慧旅游協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展的通知》推動5G與物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生、機(jī)器人等技術(shù)和產(chǎn)品的有效融合，滿足游客在旅游全過程智慧體驗(yàn)。2023年9月工業(yè)和信息化部、教育部等《元宇宙產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展三年行動計(jì)劃（2023—2025年）》推動人、機(jī)器、數(shù)據(jù)等關(guān)鍵要素的融合，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的產(chǎn)線數(shù)字孿生體。打造工業(yè)元宇宙虛擬裝配空間，推動零配件輔助裝配。2022年10月，國家市場監(jiān)督管理總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布了國內(nèi)第一個數(shù)字孿生相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)——GB/T41723-2022《自動化系統(tǒng)與集成復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)字孿生體系架構(gòu)》。2023年12月，由中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭制定的GB/T43441.1-2023《信息技術(shù)數(shù)字孿生第1部分：通用要求》國家標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。IEEE（電氣電子工程師學(xué)會）研究了智能工廠物理實(shí)體的數(shù)字化表征和連接線要求相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2023年11月，ISO/IECJTC1/SC41物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生分技術(shù)委員會發(fā)布公告，ISO/IEC30173:2023《數(shù)字孿生概念和術(shù)語》（ISO/IEC30173:2023Digitaltwin-Conceptsandterminology）國際標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。由于數(shù)字孿生的概念很好地契合了工業(yè)向智能化發(fā)展的趨勢，使其引起了制造領(lǐng)域中眾多數(shù)字化行業(yè)巨頭的關(guān)注。主要針對數(shù)字孿生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程、運(yùn)行維護(hù)與回收管理等產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用開展了軟硬件數(shù)字系統(tǒng)及應(yīng)用的開發(fā)。目前數(shù)字孿生的概念被傳播到越來越多的領(lǐng)域中，并開始逐漸走進(jìn)人們的生活。如今，不僅在軍工、航空航天、制造領(lǐng)域，在電力、汽車、船舶、醫(yī)療、城市管理等領(lǐng)域均有數(shù)字孿生的相關(guān)報(bào)道與應(yīng)用需求，并且持續(xù)有更多不同領(lǐng)域的專家、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)加入到數(shù)字孿生應(yīng)用的探索中。1.3.2 數(shù)字孿生主流廠商及方案在西門子（Siemens）的數(shù)字孿生應(yīng)用模型中，產(chǎn)品數(shù)字孿生（ProductDigitalTwin）、生產(chǎn)數(shù)字孿生（ProductionDigitalTwin）和性能數(shù)字孿生（PerformanceDigitalTwin）形成了一個完整的解決方案體系，并將西門子現(xiàn)有的產(chǎn)品及系統(tǒng)包攬其中，如Teamcenter、NX、Simcenter、TIA博途平臺、MindSphere云平臺等。達(dá)索系統(tǒng)（DassaultSystèmes）的數(shù)字孿生解決方案主要依托于3D體驗(yàn)平臺——3DEXPERIENCE，將CATIA、BIOVIA、SOLIDWORKS、SIMULIA、DELMIA等11款工業(yè)軟件集成到一個統(tǒng)一的數(shù)字化創(chuàng)新環(huán)境中，可提供一個貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、交付、運(yùn)營等整個業(yè)務(wù)流程的完整解決方案。平臺將技術(shù)和功能集成到統(tǒng)一的數(shù)字化開發(fā)環(huán)境中以開發(fā)數(shù)字孿生應(yīng)用。利用3DEXPERIENCE平臺構(gòu)建的某數(shù)據(jù)中心孿生體各構(gòu)成要素如圖1-4所示。圖1-4利用3DEXPERIENCE平臺構(gòu)建的某數(shù)據(jù)中心數(shù)字孿生體各構(gòu)成要素

PTC的數(shù)字孿生解決方案是基于PTC的數(shù)字主線和數(shù)字孿生平臺，由CreoCAD數(shù)字設(shè)計(jì)平臺、WindchillPLM數(shù)字主線平臺、Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺、ServigisticsSLM服務(wù)生命周期管理平臺、IntegrityALM軟件生命周期管理平臺、ThingWorx物聯(lián)網(wǎng)與分析平臺等數(shù)字技術(shù)產(chǎn)品形成了整合的解決方案，打通了需求、采購、質(zhì)量與管控、市場營銷、制造工廠、售后和召回等產(chǎn)品生命周期涉及的所有業(yè)務(wù)部門，形成了完整的數(shù)字主線，幫助用戶創(chuàng)建其業(yè)務(wù)的數(shù)字和實(shí)體之間的閉環(huán)。基于PTC數(shù)字孿生平臺數(shù)字孿生的產(chǎn)品研制及運(yùn)營模式如圖1-5所示。圖1-5基于PTC數(shù)字孿生的產(chǎn)品研制及運(yùn)營模式AnsysTwinBuilder是Ansys數(shù)字孿生軟件包，能協(xié)助工程師快速構(gòu)建、驗(yàn)證和部署物理產(chǎn)品的數(shù)字化表達(dá)。該方案為開放式，可集成任何物聯(lián)網(wǎng)平臺，能夠在運(yùn)行中持續(xù)監(jiān)控各類設(shè)備。Ansys還與其他領(lǐng)域眾多合作伙伴合作打造數(shù)字孿生生態(tài)，使仿真技術(shù)擴(kuò)展到各個領(lǐng)域，包括產(chǎn)品健康管理、遠(yuǎn)程診斷、智能維護(hù)和共享服務(wù)等應(yīng)用。AnsysTwinBuilder功能組成如圖1-6所示。圖1-6AnsysTwinBuilder功能組成GE（通用電氣）收集了大量資產(chǎn)數(shù)據(jù)（航空發(fā)動機(jī)等），通過大數(shù)據(jù)技術(shù)能預(yù)測故障并確定故障發(fā)生的原因。GE利用CloudFoundry開源框架構(gòu)建通用PAAS（平臺即服務(wù)）平臺，具有較強(qiáng)的競爭力。建立了眾多的工業(yè)資產(chǎn)高保真數(shù)字孿生模型，如齒輪和發(fā)動機(jī)數(shù)字孿生模型。GEDigital的電網(wǎng)數(shù)字孿生案例如圖1-7所示。圖1-7GEDigital的電網(wǎng)數(shù)字孿生案例微軟的數(shù)字孿生解決方案是一系列與數(shù)字孿生相關(guān)的服務(wù)組合，是作為一個整體的Azure數(shù)字孿生服務(wù)集，包括AzureIoT、AzureDigitalTwins、AzureFunctions等工具。微軟所推出的數(shù)字孿生解決方案，是一個能夠與各種數(shù)字化平臺技術(shù)集成，構(gòu)建跨行業(yè)、且端到端就緒的數(shù)字孿生解決方案的開放平臺服務(wù)。該解決方案可從智能制造、智能樓宇等行業(yè)“復(fù)用”到醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、教育、能源等行業(yè)，由此賦能并加速各行各業(yè)的企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。微軟數(shù)字孿生服務(wù)過程如圖1-9所示。圖1-9微軟數(shù)字孿生服務(wù)過程邁思信息所開發(fā)的數(shù)字孿生軟件MesWorkDataFactory能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)仿真、虛擬調(diào)試、數(shù)字孿生可視化和產(chǎn)品云運(yùn)維等功能。通過物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)據(jù)通訊、三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體工廠和孿生虛擬工廠雙向?qū)崟r(shí)映射。物理工廠設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與孿生工廠實(shí)時(shí)同步。平臺應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的仿真優(yōu)化、虛擬調(diào)試；實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)字孿生可視化；實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理環(huán)節(jié)的設(shè)備刀具、主軸等關(guān)鍵部件預(yù)防性維護(hù)、壽命管理?？蓪?shí)現(xiàn)對機(jī)加工車間、裝配車間的生產(chǎn)管控智能化升級，包括：生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)、智能排產(chǎn)、工藝防錯、報(bào)工、設(shè)備管理、物料管理、質(zhì)量追溯、AGV自動化物流等生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)管，通過大屏幕看板可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)現(xiàn)場狀況，訂單執(zhí)行情況、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，可通過直觀的數(shù)據(jù)圖統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)透明，有針對性突破管理瓶頸。捷匠科技自研了捷匠鈑金工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，平臺專注于構(gòu)建鈑金行業(yè)新生態(tài)，鏈接行業(yè)需求方、供給方及服務(wù)方等各類資源，優(yōu)化資源配置與高效協(xié)同，減少行業(yè)內(nèi)耗，同時(shí)為鈑金制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、創(chuàng)新升級提供全面解決方案。其開發(fā)的FDSIM數(shù)字孿生平臺具有工藝過程仿真、虛擬調(diào)試、數(shù)據(jù)駕駛艙等功能。平臺采用面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷耄瑢⒛Ｐ臀募譃槎鄠€維度，例如網(wǎng)格模型、邏輯模型、數(shù)據(jù)模型、分析模型。平臺資源主要分為組件庫、零部件庫、貼圖庫和材質(zhì)庫。從團(tuán)隊(duì)角度來看，資源又分為系統(tǒng)庫、個人庫和團(tuán)隊(duì)庫。平臺形成了特定行業(yè)的資源庫，例如批量制造行業(yè)、離散制造行業(yè)、連續(xù)制造行業(yè)等?？蓪?shí)現(xiàn)機(jī)器人、AGV、機(jī)床、伺服、PLC單獨(dú)編程及它們之間聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)雙向控制。FDSIM平臺所構(gòu)建的數(shù)字孿生應(yīng)用的架構(gòu)如圖1-11所示。圖1-11FDSIM平臺數(shù)字孿生應(yīng)用架構(gòu)數(shù)字孿生作為連接物理世界與虛擬世界的核心技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)依賴于多種技術(shù)的協(xié)同整合。而數(shù)字孿生技術(shù)從數(shù)字模型、數(shù)字樣機(jī)相關(guān)技術(shù)發(fā)展而來。對于生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生，又和虛擬制造技術(shù)相關(guān)。數(shù)字孿生的高速發(fā)展也會對相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生新的發(fā)展需要。1.4 數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)模型是對現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述，是對系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認(rèn)識事物的一種手段或工具。模型大致可以分為三類：1.物理模型：指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實(shí)體，如飛行器研制中的飛行模型，船舶制造中的船舶模型等。2.形式化模型：用某種規(guī)范表述方法構(gòu)建的、對客觀事物或過程的一種表達(dá)。形式化模型實(shí)現(xiàn)了一種客觀世界的抽象，便于分析和研究。例如，數(shù)學(xué)模型，是從一定的功能或結(jié)構(gòu)上進(jìn)行抽象，用數(shù)學(xué)的方法來再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。3.仿真模型：指根據(jù)系統(tǒng)的形式化模型，用仿真語言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以實(shí)施的模型。1.4.1 建模仿真技術(shù)在數(shù)字制造中，需要用模型加以描述的對象包括：1.產(chǎn)品：產(chǎn)品的生命周期需要采用各種產(chǎn)品模型和過程模型來描述。2.資源：機(jī)器設(shè)備、資金、各種物料、人、計(jì)算設(shè)備、各種應(yīng)用軟件等制造系統(tǒng)中的資源，需要用相應(yīng)模型描述。3.信息：對數(shù)字制造全過程的信息的采集、處理和運(yùn)用，需要建立適當(dāng)?shù)男畔⒛Ｐ汀?.組織和決策：將數(shù)字制造的組織和決策過程模型化是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化決策的重要途徑。5.生產(chǎn)過程：將生產(chǎn)過程模型化是實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)生產(chǎn)、調(diào)度過程優(yōu)化的前提。數(shù)字制造建模就是運(yùn)用適當(dāng)?shù)慕７椒▽?shù)字制造全生命周期的各個對象、過程等抽象地表達(dá)出來，并通過研究其結(jié)構(gòu)和特性，進(jìn)行分析、綜合、仿真及優(yōu)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真建模已經(jīng)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中獲得了巨大成功。生產(chǎn)系統(tǒng)各層次對應(yīng)的仿真建模應(yīng)用如圖1-12所示。圖1-12生產(chǎn)系統(tǒng)各層次對應(yīng)的仿真建模應(yīng)用1.數(shù)據(jù)采集與感知技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）：通過傳感器、RFID、智能設(shè)備實(shí)時(shí)采集物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)（如溫度、壓力、位置等）。5G/6G通信：提供低延遲、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，支持海量設(shè)備連接與實(shí)時(shí)同步。邊緣計(jì)算：在數(shù)據(jù)源頭附近進(jìn)行初步處理，減少云端負(fù)擔(dān)并提升響應(yīng)速度。2.數(shù)據(jù)管理與分析技術(shù)大數(shù)據(jù)平臺：存儲與處理海量異構(gòu)數(shù)據(jù)（如Hadoop、Spark）。人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)：用于數(shù)據(jù)模式識別、異常檢測、預(yù)測性維護(hù)（如深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)）。流數(shù)據(jù)處理：實(shí)時(shí)處理動態(tài)數(shù)據(jù)流（如ApacheKafka、Flink）。3.建模與仿真技術(shù)3D建模與CAD/BIM：構(gòu)建物理實(shí)體的高精度幾何模型（如AutoCAD、Revit）。物理引擎與多物理場仿真：模擬物理行為（如ANSYS、MATLABSimulink）。數(shù)字線程（DigitalThread）：貫穿產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)流整合，實(shí)現(xiàn)跨階段協(xié)同。1.4.2 信息技術(shù)4.可視化與交互技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）：提供沉浸式操作界面（如Unity、UnrealEngine）。實(shí)時(shí)渲染技術(shù)：動態(tài)生成高保真可視化效果（如NVIDIAOmniverse）。人機(jī)交互（HCI）：通過自然語言、手勢等增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。5.計(jì)算與平臺技術(shù)云計(jì)算與分布式系統(tǒng)：提供彈性計(jì)算資源（如AWS、Azure）。高性能計(jì)算（HPC）：處理復(fù)雜仿真與優(yōu)化問題（如量子計(jì)算支持）。6.安全與可信技術(shù)數(shù)據(jù)安全：加密傳輸、隱私保護(hù)（如區(qū)塊鏈技術(shù)）。網(wǎng)絡(luò)安全：防御網(wǎng)絡(luò)攻擊（如零信任架構(gòu)）。模型安全：防止虛擬模型被篡改或?yàn)E用。7.標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性開放標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議：如ISO23247（數(shù)字孿生制造標(biāo)準(zhǔn)）、OPCUA（工業(yè)通信）。系統(tǒng)集成中間件：實(shí)現(xiàn)跨平臺數(shù)據(jù)互通（如API網(wǎng)關(guān)、ETL工具）。8.應(yīng)用場景相關(guān)技術(shù)智慧城市：結(jié)合GIS（地理信息系統(tǒng)）、交通仿真、能源管理。醫(yī)療健康：生物傳感器、個性化醫(yī)療模型。智能制造：工業(yè)機(jī)器人、自動化控制系統(tǒng)（如PLC、SCADA）。以上技術(shù)是數(shù)字孿生重要使能技術(shù)，但在發(fā)展過程中還存在諸多問題，如：動態(tài)模型校準(zhǔn)即實(shí)時(shí)更新模型以匹配物理實(shí)體變化；跨領(lǐng)域融合如AIoT（AI+IoT）、數(shù)字孿生與元宇宙結(jié)合；倫理與合規(guī)問題如數(shù)據(jù)所有權(quán)、模型透明度等問題?；谀Ｐ秃蛿?shù)據(jù)融合，數(shù)字生所體現(xiàn)出的監(jiān)控、仿真、預(yù)測、優(yōu)化和控制等功能，與當(dāng)前各行業(yè)所強(qiáng)調(diào)的數(shù)字化、智能化發(fā)展需求密切相關(guān)。基于動態(tài)的模型和豐富多源的數(shù)據(jù)驅(qū)動，數(shù)字孿生在設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化、運(yùn)行監(jiān)控、預(yù)測性維護(hù)、供應(yīng)鏈優(yōu)化等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。數(shù)字孿生已被應(yīng)用于了工業(yè)生產(chǎn)、智慧城市、孿生醫(yī)療、航空航天、交通等多個領(lǐng)域。2020年，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院聯(lián)合多家單位出版了《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》。書中列舉了智能制造、智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智慧健康等六個數(shù)字孿生應(yīng)用領(lǐng)域。數(shù)字孿生典型應(yīng)用場景如圖1-13所示。1.5 數(shù)字孿生應(yīng)用場景圖-13數(shù)字孿生典型應(yīng)用場景1. 數(shù)字孿生制造制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體產(chǎn)業(yè)，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要推進(jìn)力。制造行業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用可以分成產(chǎn)品數(shù)字孿生和生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生。產(chǎn)品數(shù)字孿生的應(yīng)用覆蓋產(chǎn)品全生命周期，表現(xiàn)在以下幾方面：（1） 仿真映射：仿真可對產(chǎn)品的可制造性進(jìn)行分析，提升產(chǎn)品工藝有效性，縮短上市時(shí)間。（2） 監(jiān)控操縱：通過數(shù)字孿生虛實(shí)映射，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品有效監(jiān)控和遠(yuǎn)程操控。（3） 診斷分析：基于產(chǎn)品運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算模型對產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行診斷。（4） 預(yù)測優(yōu)化：利用產(chǎn)品數(shù)字孿生體進(jìn)行維護(hù)預(yù)測和優(yōu)化方案分析。2. 數(shù)字孿生裝備工程裝備、制造裝備、醫(yī)療裝備等各類裝備是加快國家基礎(chǔ)建設(shè)，提升國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和保障醫(yī)療健康的重要基礎(chǔ)。在新環(huán)境、新趨勢、新背景下，如何充分融合新一代信息技術(shù)，助力裝備數(shù)智化升級，實(shí)現(xiàn)裝備軟硬系統(tǒng)的自主可控，是實(shí)現(xiàn)裝備高質(zhì)量發(fā)展，推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合發(fā)展的關(guān)鍵。數(shù)字孿生裝備的組成如圖1-14所示。圖1-14數(shù)字孿生裝備組成4. 數(shù)字孿生交通交通數(shù)字孿生技術(shù)通過創(chuàng)建交通運(yùn)輸場景中各類物理實(shí)體的虛擬副本及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)合歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型，實(shí)現(xiàn)對交通場景的全生命周期或全要素運(yùn)行過程的描述、診斷、預(yù)測、決策和控制。這種技術(shù)手段不僅打破了物理空間與數(shù)字空間的界限，還為交通管理和決策提供了全新的視角和工具。數(shù)字孿生交通的特征包括四個方面：精準(zhǔn)映射、虛實(shí)交互、數(shù)字操控、智能干預(yù)。數(shù)字孿生不等同于數(shù)字仿真。與數(shù)字孿生相比，數(shù)字仿真軟件數(shù)據(jù)的精確匹配和實(shí)時(shí)性都存在偏差，它只能依托歷史數(shù)據(jù)去做分析和推測，而無法準(zhǔn)確地和物理世界相關(guān)聯(lián)進(jìn)行及時(shí)的研判分析。數(shù)字孿生則通過與物理世界建立底層關(guān)聯(lián)，將物理世界動態(tài)實(shí)時(shí)地映射到虛擬世界中，依據(jù)當(dāng)前物理實(shí)際態(tài)勢和行為做出行為演變的預(yù)測，數(shù)字孿生體與物理世界具有高度的契合性、一致性。上港集團(tuán)以“數(shù)字港口”建設(shè)為抓手，在洋山四期自動化碼頭率先推出數(shù)字孿生系統(tǒng)。多維度、全流程的超大型自動化集裝箱碼頭數(shù)字孿生平臺實(shí)現(xiàn)了地理信息和碼頭設(shè)備精細(xì)三維建模，實(shí)現(xiàn)了道路、堆場、集裝箱、岸橋、場橋、AGV等設(shè)施設(shè)備的高精度建模。同時(shí)，還原岸橋、場橋、AGV三大設(shè)備的超精度行為和規(guī)則建模，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行的高精度擬真。洋山四期數(shù)智平臺截圖如圖1-20所示，該系統(tǒng)可對岸橋及AGV集裝箱作業(yè)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控。圖1-21洋山四期數(shù)智平臺截圖除了上述數(shù)字孿生應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)還廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、電力傳輸、海工裝備制造、智慧醫(yī)療、數(shù)字城市、智慧農(nóng)業(yè)、油氣傳輸、環(huán)境治理、數(shù)字地球等行業(yè)。本書內(nèi)容聚焦于數(shù)字孿生在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，包含對工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)字孿生建模、基于物聯(lián)構(gòu)建數(shù)字孿生體，以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算、搭建工業(yè)場景應(yīng)用等內(nèi)容。

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致謝目錄DIRECTORY第二章數(shù)字孿生與智能制造FOUR目標(biāo)規(guī)劃2.1數(shù)字化與智能制造FOUR目標(biāo)規(guī)劃2.2數(shù)字孿生模型FOUR目標(biāo)規(guī)劃2.3智能制造中的數(shù)字孿生FOUR目標(biāo)規(guī)劃2.4精益生產(chǎn)中的數(shù)字孿生FOUR目標(biāo)規(guī)劃2.5數(shù)字孿生工廠了解智能制造概念以及其主要應(yīng)用領(lǐng)域與場景。了解數(shù)字孿生模型的分類以及各種模型特點(diǎn)和在數(shù)字孿生系統(tǒng)中的作用。了解精益生產(chǎn)概念以及精益數(shù)字孿生的未來發(fā)展趨勢。理解智能制造的內(nèi)涵，重點(diǎn)理解針對不同水平的企業(yè)如何實(shí)現(xiàn)智能制造的發(fā)展路徑。理解智能產(chǎn)線與車間的數(shù)字化應(yīng)用，特別注意數(shù)字孿生在企業(yè)數(shù)字化中扮演的角色。理解精益是數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)之一這一表述。理解數(shù)字孿生工廠組成及其與傳統(tǒng)工廠的差別。掌握智能產(chǎn)線及車間的組成，能為不同行業(yè)、不同水平的企業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)字孿生基本架構(gòu)。掌握數(shù)字孿生的相關(guān)技術(shù)，能分析其在實(shí)際應(yīng)用中的作用和局限。掌握數(shù)字孿生模型的主流建模方法及數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)的組成及相關(guān)應(yīng)用。本章學(xué)習(xí)目標(biāo)本章思維導(dǎo)圖周濟(jì)、李培根等院士在《走向新一代智能制造》一文中綜合了智能制造相關(guān)范式，結(jié)合信息化與制造業(yè)在不同階段的融合特征，總結(jié)、歸納和提升出三個智能制造的基本范式演進(jìn)如圖2-1所示。也就是，數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能制造（新一代智能制造）。圖2-1智能制造的三個基本范式演進(jìn)2.1數(shù)字化與智能制造我國制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的機(jī)遇與挑戰(zhàn)示意圖如圖2-2所示。在企業(yè)轉(zhuǎn)型升級過程中，以數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、5G通訊技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VisualReality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，AR）以及混合現(xiàn)實(shí)（MixedReality，MR）等為代表的信息與通信技術(shù)（InformationandCommunicationTechnology，ICT）和以增材制造、激光加工、高端智能裝備、自動產(chǎn)線及機(jī)器人等為代表的先進(jìn)制造技術(shù)與裝備（AdvancedManufacturingTechnologyandEquipment，AMTE）是兩大關(guān)鍵動力因素。而來自市場的個性化需求、產(chǎn)品質(zhì)量及全生命周期追溯、附加增值服務(wù)、短交貨期等要求，以及不斷上漲的人力、環(huán)保、勞動保護(hù)、全球市場的不確定性等外部環(huán)境的變化是壓力的主要因素。2.1.1 制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級機(jī)遇與舉措圖2-2中國制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的機(jī)遇與挑戰(zhàn)示意圖智能制造是一種基于先進(jìn)制造技術(shù)和信息技術(shù)深度融合的新型制造模式。其核心在于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)的集成應(yīng)用，旨在通過實(shí)時(shí)感知、分析、決策和執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)流程、產(chǎn)品和服務(wù)的智能化、柔性化和高效化。隨著信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。智能制造作為制造業(yè)的升級轉(zhuǎn)型方向，成為制造業(yè)發(fā)展的必然選擇。目前獲得較為廣泛認(rèn)可的是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NationalInstituteofStandardandTechnology，NIST）提出的定義，即“智能制造是一個可以實(shí)時(shí)響應(yīng)，以滿足工廠、供應(yīng)鏈和客戶時(shí)刻變化的需求和條件的，全集成、協(xié)作式的制造系統(tǒng)”。2.1.2 智能制造概念及核心應(yīng)用工業(yè)和信息化部聯(lián)合財(cái)政部發(fā)布了《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020）》，將智能制造定義為“基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式”。與傳統(tǒng)制造相比，智能制造基于信息化系統(tǒng)、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對生產(chǎn)情況進(jìn)行深度分析和可視化展出，可以提高效率、減少差錯、減低降低成本，并實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)、大數(shù)據(jù)分析決策、生產(chǎn)智能控制等。智能制造應(yīng)用場景如圖2-3所示。圖2-3智能制造應(yīng)用場景相比于傳統(tǒng)產(chǎn)線，智能產(chǎn)線具有以下特點(diǎn)：在生產(chǎn)和裝配的過程中，能夠通過傳感器或無線射頻識別技術(shù)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過電子看板顯示實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài)。能夠通過機(jī)器視覺和多種傳感器進(jìn)行質(zhì)量檢測，自動剔除不合格品，并對采集的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行SPC分析，找出質(zhì)量問題的成因。支持多種相似產(chǎn)品的混線生產(chǎn)和裝配，靈活調(diào)整工藝，適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)模式。具有柔性，如果生產(chǎn)線上有設(shè)備出現(xiàn)故障，能夠調(diào)整到其他設(shè)備生產(chǎn)。針對人工操作的工位，能夠給予智能提示等。2.1.3 智能產(chǎn)線與車間智能車間是自動化與信息化深度融合的制造車間。它繼承了自動化車間、數(shù)字化車間的基本特征。與數(shù)字化車間和數(shù)字孿生車間相比，智能化車間更加強(qiáng)調(diào)能夠在關(guān)鍵環(huán)節(jié)具備自主感知、學(xué)習(xí)、分析、決策、通信與協(xié)調(diào)控制能力，能夠動態(tài)適應(yīng)環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能決策，且決策結(jié)果能夠通過在線或離線方式優(yōu)化車間活動。智能化車間的基本特征如圖2-6所示。從總體效果看，智能化車間具備如下五大特征：響應(yīng)敏捷、高生產(chǎn)率、高質(zhì)量產(chǎn)出、可持續(xù)性、良好的人體功效。從技術(shù)角度看，智能化車間應(yīng)具備如下特征：全面數(shù)字化、車間互聯(lián)化、自動化程度高、關(guān)鍵環(huán)節(jié)智能化、高效的人機(jī)協(xié)同。從數(shù)據(jù)集成角度看，智能化車間應(yīng)具備如下特征：設(shè)計(jì)與制造集成、車間縱向集成（信息層與物理層深度融合）和生產(chǎn)業(yè)務(wù)集成。圖2-6智能化車間的基本特征數(shù)字孿生模型是數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方式，它以數(shù)字化方式在虛擬空間呈現(xiàn)物理對象，即以數(shù)字化方式為物理對象創(chuàng)建虛擬模型，模擬其在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為特征，它是一個應(yīng)用于整個產(chǎn)品生命周期的數(shù)據(jù)、模型及分析工具的集成系統(tǒng)。對于制造企業(yè)來說，它能夠整合生產(chǎn)中的制造流程，實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)材料、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)計(jì)劃、制造執(zhí)行到使用維護(hù)的全過程數(shù)字化。2.2 數(shù)字孿生模型通過集成設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，它可幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)全流程可視化、規(guī)劃細(xì)節(jié)、規(guī)避問題、閉合環(huán)路、優(yōu)化整個系統(tǒng)。從產(chǎn)品的角度理解數(shù)字孿生模型，產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生模型、制造過程的數(shù)字孿生模型以及生產(chǎn)產(chǎn)品的工廠數(shù)字孿生模型構(gòu)成了產(chǎn)品從定義、設(shè)計(jì)、制造的全流程數(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生模型建模流程如圖2-7所示。圖2-7數(shù)字孿生模型建模流程以全生命周期的角度分析產(chǎn)品數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)組成、實(shí)現(xiàn)方式、作用及目標(biāo)，產(chǎn)品數(shù)字孿生體的結(jié)構(gòu)體系其結(jié)構(gòu)如圖2-8所示，。從設(shè)計(jì)、工藝、制造、服務(wù)、回收5個方面構(gòu)建五維產(chǎn)品數(shù)字孿生模型，構(gòu)建由底層至頂層，頂層又反饋至底層的閉環(huán)模型。圖2-8產(chǎn)品數(shù)字孿生體的結(jié)構(gòu)體系2.2.1 產(chǎn)品數(shù)字孿生模型產(chǎn)品數(shù)字孿生體的實(shí)現(xiàn)方法有如下特點(diǎn)：（1）面向產(chǎn)品全生命周期，采用單一數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)物理空間和信息空間的雙向連接。（2）產(chǎn)品檔案要確保產(chǎn)品所有的物料都可以追溯（例如實(shí)做物料），也要能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)（例如實(shí)測尺寸、實(shí)測加工/裝配誤差、實(shí)測變形）、技術(shù)狀態(tài)（例如技術(shù)指標(biāo)實(shí)測值、實(shí)做工藝等）的追溯。（3）在產(chǎn)品制造完成后的服務(wù)階段，仍要實(shí)現(xiàn)與物理產(chǎn)品的互聯(lián)互通，從而實(shí)現(xiàn)對物理產(chǎn)品的監(jiān)控、追蹤、行為預(yù)測及控制、健康預(yù)測與管理等，最終形成一個閉環(huán)的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理。制造數(shù)字孿生模型是在美國國防部提出的信息鏡像模型（InformationMirroringModel）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，利用制造數(shù)字孿生技術(shù)可對航空航天飛行器進(jìn)行健康維護(hù)與保障。實(shí)現(xiàn)過程是：需要先在虛擬空間中構(gòu)建真實(shí)飛行器各零部件的模型，并通過在真實(shí)飛行器上布置各類傳感器，實(shí)現(xiàn)飛行器各類數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)模型狀態(tài)與真實(shí)狀態(tài)完全同步，這樣在飛行器每次飛行后，根據(jù)飛行器結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有情況和過往載荷，及時(shí)分析與評估飛行器是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等。2.2.2 制造數(shù)字孿生模型信息鏡像模型如圖2-10所示，它是數(shù)字孿生模型的概念模型，包括3個部分：（1）真實(shí)世界的物理產(chǎn)品。（2）虛擬世界的虛擬產(chǎn)品。（3）連接虛擬和真實(shí)空間的數(shù)據(jù)和信息。圖2-10信息鏡像模型數(shù)據(jù)信息在眾多的數(shù)字孿生模型中，北京航空航天大學(xué)陶飛等人提出的數(shù)字孿生五位模型是其中的代表。數(shù)字孿生五維模型如式(2.1)所示：

(2.1)式中，PE表示物理實(shí)體；VE表示虛擬模型(VE)；Ss表示服務(wù)；DD表示孿生數(shù)據(jù)，CN表示交互連接，即各組成部分間的連接。根據(jù)式(2.1)，數(shù)字孿生五維模型結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。圖2-11數(shù)字孿生五維模型結(jié)構(gòu)智能制造是工業(yè)4.0/5.0的核心，是推動實(shí)現(xiàn)高效、靈活、綠色、智能的生產(chǎn)方式的主要推動力。數(shù)字孿生技術(shù)作為智能制造的關(guān)鍵使能技術(shù)之一，通過構(gòu)建物理設(shè)備與虛擬模型之間的實(shí)時(shí)映射和同步，為制造業(yè)的智能化、高效化提供有力支持，推動制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。2021年工業(yè)和信息化部等八部門聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中給出了智能制造技術(shù)、智能工廠建設(shè)、行業(yè)智能化改造、智能制造裝備創(chuàng)新發(fā)展、工業(yè)軟件突破提升、智能制造標(biāo)準(zhǔn)制定六個亟待解決的關(guān)鍵問題。2.3 智能制造中的數(shù)字孿生智能制造數(shù)字孿生概念模型是在數(shù)字空間實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體及過程的屬性、方法、行為等特性的數(shù)字化建模，是對實(shí)體對象外部形態(tài)、內(nèi)部機(jī)理和運(yùn)行關(guān)系等的整體抽象描述。概念模型主要應(yīng)滿足如下要求：1.持續(xù)迭代更新。概念模型應(yīng)能根據(jù)物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)和反饋信息持續(xù)更新迭代，保持與物理實(shí)體的同步。2.虛實(shí)交互映射。虛擬空間既能實(shí)時(shí)反映制造過程物理空間狀態(tài)，更應(yīng)能通過數(shù)據(jù)融合、分析、優(yōu)化、控制物理空間的運(yùn)行。3.多源數(shù)據(jù)驅(qū)動。制造過程涉及數(shù)據(jù)類型眾多，應(yīng)能融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，以提高概念模型的準(zhǔn)確性。4.自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整。概念模型能根據(jù)不同應(yīng)用場景支持自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)設(shè)置，以提高概念模型在不同環(huán)境下的適用性。5.迭代優(yōu)化決策。結(jié)合虛擬仿真與數(shù)據(jù)分析，支持迭代優(yōu)化決策，輔助實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化。2.3.1 智能制造數(shù)字孿生模型和架構(gòu)智能制造數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)如圖2-12所示，物理層涉及制造領(lǐng)域人員、設(shè)備、物料、工藝、環(huán)境等生產(chǎn)要素。不同制造領(lǐng)域的物理實(shí)體有所不同。例如，鋼鐵冶煉加工企業(yè)，物理實(shí)體有冶煉高爐、礦石、各類成品鋼材、冶煉控制系統(tǒng)等；船舶制造企業(yè)，物理實(shí)體有船臺、船舶分段、焊接設(shè)備等。圖2-12智能制造數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)建模是根據(jù)物理對象或系統(tǒng)的構(gòu)成要素、運(yùn)動規(guī)律、約束條件和物理特性等，建立形式化的與物理實(shí)體相對應(yīng)的虛擬數(shù)字孿生實(shí)體模型，反映物理實(shí)體的外觀、內(nèi)部的特性、結(jié)構(gòu)和行為。具體在智能制造領(lǐng)域，建模技術(shù)是針對制造中的載體(如數(shù)控機(jī)床)、制造過程(如加工過程中的熱、力等)和被加工對象(如被制造的飛機(jī))等，應(yīng)用機(jī)械、物理、力學(xué)、計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)等知識，對建模對象的一種近似表達(dá)。建模的主要過程包括制造數(shù)據(jù)采集與集成、模型創(chuàng)建、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步、閉環(huán)反饋和持續(xù)學(xué)習(xí)、可視化用戶交互和數(shù)據(jù)安全保護(hù)等。2.3.2 智能制造數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)數(shù)字孿生仿真技術(shù)是建模的延續(xù)。創(chuàng)建和運(yùn)行數(shù)字孿生實(shí)體，在虛擬實(shí)體環(huán)境中模擬和分析物理實(shí)體的行為，保證數(shù)字孿生體與對應(yīng)物理實(shí)體實(shí)現(xiàn)有效閉環(huán)。智能制造領(lǐng)域的仿真技術(shù)主要有：產(chǎn)品仿真：如系統(tǒng)仿真、多體仿真、物理場仿真、虛擬實(shí)驗(yàn)等；制造仿真：如工藝仿真、裝配仿真、數(shù)控加工仿真等；生產(chǎn)仿真：離散制造工廠仿真、流程制造仿真等。2.3.3 仿真與數(shù)據(jù)分析技術(shù)數(shù)據(jù)分析技術(shù)是實(shí)現(xiàn)對數(shù)字孿生實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析的關(guān)鍵技術(shù)，通過數(shù)據(jù)分析，提取有價(jià)值的信息，以進(jìn)行決策制定和物理實(shí)體運(yùn)行控制和優(yōu)化，如運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整、故障預(yù)測和預(yù)防、性能優(yōu)化等。以機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)，是數(shù)字孿生數(shù)據(jù)分析技術(shù)的重要方向，可以提升數(shù)字孿生實(shí)體的智能水平、預(yù)測能力和自主決策能力，在智能制造數(shù)字孿生領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著智能制造的深入推進(jìn)，目前以“人－網(wǎng)絡(luò)－物理”系統(tǒng)為技術(shù)機(jī)制，貫穿于產(chǎn)品全生命周期的新一代智能制造正加速發(fā)展著，旨在進(jìn)一步融合先進(jìn)制造技術(shù)和智能技術(shù)，降低浪費(fèi)，減少環(huán)境與資源的約束，并提升制造業(yè)的個性化與智能化水平。智能制造旨在利用信息技術(shù)提升制造系統(tǒng)的效率，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和使用中體現(xiàn)的質(zhì)量并降低制造成本。這與精益生產(chǎn)所倡導(dǎo)的“兩高一低”完美契合。新一代智能制造的發(fā)展離不開新技術(shù)和生產(chǎn)現(xiàn)場管理體系的融入。2.4 精益生產(chǎn)中的數(shù)字孿生精益生產(chǎn)（LeanProduction，LP）是一種以最大限度地提高價(jià)值、最小化浪費(fèi)和提高生產(chǎn)效率為目標(biāo)的生產(chǎn)管理方法。它起源于日本的豐田生產(chǎn)方式（ToyotaProductionSystem，TPS），后來被廣泛引入到全球各行業(yè)中。精益生產(chǎn)的核心原則是盡可能減少浪費(fèi)，包括時(shí)間浪費(fèi)、物料浪費(fèi)和人力浪費(fèi)。通過不斷優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而提升企業(yè)競爭力。2.4.1 精益生產(chǎn)概述精益生產(chǎn)精髓在于消除浪費(fèi)，企業(yè)“七種大浪費(fèi)”分別是：（1）運(yùn)輸浪費(fèi)（TransportationWaste）（2）庫存浪費(fèi)（InventoryWaste）（3）動作浪費(fèi)（MotionWaste）（4）等待浪費(fèi)（WaitingWaste）（5）過度生產(chǎn)浪費(fèi)（OverproductionWaste）（6）加工過度浪費(fèi)（Over-processingWaste）浪費(fèi)（7）缺陷浪費(fèi)（DefectsWaste）精益生產(chǎn)中的企業(yè)“七種大浪費(fèi)”如圖2-13所示。圖2-13企業(yè)“七大浪費(fèi)”精益生產(chǎn)活動的開展以客戶滿意和利潤最大化為目標(biāo)，涵蓋消除浪費(fèi)、降低成本、柔性生產(chǎn)、尊重人性、JIT準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)等多個方面。精益生產(chǎn)實(shí)施體系如圖2-14所示。圖2-14精益生產(chǎn)實(shí)施體系數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界交互融合的有效手段，是當(dāng)前解決智能制造瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)之一。精益數(shù)字孿生體是以精益生產(chǎn)思想為指導(dǎo)，精益生產(chǎn)方法工具為基礎(chǔ)條件，采用數(shù)字孿生技術(shù)對智能制造系統(tǒng)進(jìn)行仿真、監(jiān)控、評估、預(yù)測、優(yōu)化和控制，面向企業(yè)全價(jià)值鏈和全生命周期流程管理，助力智能制造整體提升的一種數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用新范式。精益生產(chǎn)為數(shù)字孿生提供管理理論和方法工具支持，數(shù)字孿生技術(shù)也能為精益生產(chǎn)提供數(shù)字化手段，促進(jìn)精益生產(chǎn)升級創(chuàng)新，二者共同服務(wù)于智能制造系統(tǒng)全生命周期。2.4.2 精益數(shù)字孿生天津工業(yè)大學(xué)劉亮等人提出了一個精益全價(jià)值鏈視角下以全生命周期管理為核心的“精益—創(chuàng)造—構(gòu)造—支持—再造”五維設(shè)計(jì)模型架構(gòu)如圖2-15所示。圖2-15精益數(shù)字孿生體五維設(shè)計(jì)模型架構(gòu)工廠是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，參考產(chǎn)品生命周期理論，可以分析得到工廠的生命周期過程，大體可分為設(shè)計(jì)規(guī)劃階段、工程建設(shè)階段、運(yùn)行維護(hù)階段，工廠的生命周期過程圖如圖2-16所示。圖2-16工廠的生命周期過程圖2.5 數(shù)字孿生工廠

2.5.1 傳統(tǒng)工廠生命周期工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)是工廠建設(shè)最基礎(chǔ)的工作，主要包括建筑設(shè)計(jì)和布局規(guī)劃。廠房建筑是工廠制造系統(tǒng)的重要組成部分，廠房設(shè)計(jì)的安全性和合理性是生產(chǎn)制造順利進(jìn)行的前提。布局規(guī)劃是制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，不合理的布局會降低有效空間利用率且會導(dǎo)致物流成本上升，甚至帶來安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。好的布局方案能減少甚至消除對工作者的身體傷害，使其帶來安全、健康和舒適的工作環(huán)境，進(jìn)而能提升其工作效率并提升產(chǎn)品品質(zhì)。而工廠布局需滿足多種約束條件，將合理選定的設(shè)備科學(xué)地?cái)[放到指定空間中，從而達(dá)成設(shè)計(jì)所要求的優(yōu)化目標(biāo)。數(shù)字化工廠（DigitalFactory，DF）一次一詞最早出現(xiàn)在1998年的ComputersinManufacturing大會上，與會的多個廠家展示了數(shù)字化仿真系統(tǒng)，加速了數(shù)字化工廠的到來。其核心思想是在物理工廠還沒有建設(shè)之前，通過建立數(shù)字化工廠，來構(gòu)建一個虛擬的、數(shù)字化的工廠模型，用于對未來工廠的運(yùn)行進(jìn)行仿真和分析，從而提高工廠未來運(yùn)行的質(zhì)量和效率。數(shù)字化工廠是支撐工業(yè)4.0現(xiàn)有的最重要國際標(biāo)準(zhǔn)之一。GB/Z32235.1-2024對“數(shù)字化工廠”的定義為：工廠通用模型，用于表示基本元素、自動化資產(chǎn)，及其行為和關(guān)系。該通用模型可用于任何實(shí)際工廠。從該標(biāo)準(zhǔn)的定義看，其更多是針對工廠運(yùn)維階段的數(shù)字化監(jiān)控和管理優(yōu)化，是通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)將工廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在數(shù)據(jù)空間利用數(shù)字化模型進(jìn)行管控和優(yōu)化的一個技術(shù)方法。2.5.2 數(shù)字化工廠概念與規(guī)劃伴隨著產(chǎn)品生命周期縮短及更新?lián)Q代加快的市場需求，數(shù)字化制造及數(shù)字化工廠應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字化工廠通過構(gòu)建產(chǎn)線、車間、工廠的數(shù)字化模型，以產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝模型和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評估和優(yōu)化。一方面對產(chǎn)品進(jìn)行可制造性分析和優(yōu)化，一方面也進(jìn)行生產(chǎn)制造系統(tǒng)的優(yōu)化。設(shè)計(jì)/制造技術(shù)發(fā)展路徑如圖2-17所示。圖2-17設(shè)計(jì)/制造技術(shù)發(fā)展路徑數(shù)字化工廠（DigitalFactory，DF）一次一詞最早出現(xiàn)在1998年的ComputersinManufacturing大會上，與會的多個廠家展示了數(shù)字化仿真系統(tǒng)，加速了數(shù)字化工廠的到來。其核心思想是在物理工廠還沒有建設(shè)之前，通過建立數(shù)字化工廠，來構(gòu)建一個虛擬的、數(shù)字化的工廠模型，用于對未來工廠的運(yùn)行進(jìn)行仿真和分析，從而提高工廠未來運(yùn)行的質(zhì)量和效率。數(shù)字化工廠是支撐工業(yè)4.0現(xiàn)有的最重要國際標(biāo)準(zhǔn)之一。GB/Z32235.1-2024對“數(shù)字化工廠”的定義為：工廠通用模型，用于表示基本元素、自動化資產(chǎn)，及其行為和關(guān)系。該通用模型可用于任何實(shí)際工廠。從該標(biāo)準(zhǔn)的定義看，其更多是針對工廠運(yùn)維階段的數(shù)字化監(jiān)控和管理優(yōu)化，是通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)將工廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在數(shù)據(jù)空間利用數(shù)字化模型進(jìn)行管控和優(yōu)化的一個技術(shù)方法。2.5.3 數(shù)字孿生工廠構(gòu)建數(shù)字孿生工廠具有智慧互聯(lián)功能，可實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個性化定制、服務(wù)化延伸、數(shù)字化管理等功能?；谀硵?shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建平臺的智能化生產(chǎn)模式如圖2-18所示。圖2-18基于某數(shù)字孿生平臺的智能化生產(chǎn)模式

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致謝目錄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)建模可以采用多種方式，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?？梢苑譃槠脚_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?，并為企業(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)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其實(shí)施是一個漫長的過程，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、MWorks、SimulationX等可以支持系統(tǒng)建模和仿真。數(shù)字孿生涉及由不同公司發(fā)明或開發(fā)的多種技術(shù)和工具。關(guān)于這些技術(shù)和工具，存在不同的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。為了使這些技術(shù)和工具能夠協(xié)同工作，數(shù)據(jù)和模型應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化并以通用格式、協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)提供。只有通過通用格式、協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，這些技術(shù)和工具才可以共同實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)。

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致謝目錄DIRECTORY第四章數(shù)字孿生軟件MesWorkDataFactory應(yīng)用FOUR目標(biāo)規(guī)劃4.1概述FOUR目標(biāo)規(guī)劃4.5實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備布局規(guī)劃FOUR目標(biāo)規(guī)劃4.3功能介紹FOUR目標(biāo)規(guī)劃4.4實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備庫管理FOUR目標(biāo)規(guī)劃4.2搭建環(huán)境FOUR目標(biāo)規(guī)劃4.6實(shí)現(xiàn)工藝仿真學(xué)習(xí)目標(biāo)了解數(shù)字孿生軟件MesWorkDataFactory技術(shù)優(yōu)勢及典型應(yīng)用案例。了解軟件安裝流程及軟硬件配置要求。了解軟件界面布局（如工具欄、3D視圖區(qū)、操作樹等）。理解數(shù)字孿生軟件MesWorkDataFactory的核心功能與應(yīng)用場景。理解智能設(shè)備庫管理與布局規(guī)劃流程。理解數(shù)字孿生的技術(shù)特征（虛實(shí)映射、實(shí)時(shí)同步等），并實(shí)現(xiàn)信號綁定（如PLC連接、顯示隱藏信號、伺服信號等）。掌握MesWorkDataFactory在智能制造中的核心作用，包括虛實(shí)協(xié)同、虛擬調(diào)試、工藝仿真等。掌握MesWorkDataFactory的環(huán)境搭建與基礎(chǔ)操作，能夠獨(dú)立完成項(xiàng)目創(chuàng)建、打開、合并等基礎(chǔ)操作。

掌握關(guān)鍵工具的功能，如位置控制器、碰撞檢測、模型導(dǎo)入導(dǎo)出等。

掌握導(dǎo)入和管理設(shè)備模型（如機(jī)器人、機(jī)床等）。

掌握通過二維布局圖規(guī)劃設(shè)備位置的方法，并能優(yōu)化空間布局。

掌握創(chuàng)建和編輯三種工藝（線性流工藝、機(jī)器人工藝、設(shè)備工藝）的基本操作。本章思維導(dǎo)圖

4.1MesWorkDataFactory概述MesWorkDataFactory是大連邁思（國家級高新技術(shù)企業(yè)）首創(chuàng)的新一代工業(yè)軟件，創(chuàng)新性地將自主研發(fā)的虛擬調(diào)試技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于智能制造解決方案中，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的虛實(shí)協(xié)同實(shí)時(shí)互動。三維模型與工藝參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、生產(chǎn)能力參數(shù)等融合在一起，使孿生模型與真實(shí)設(shè)備一對一雙向映射，成為數(shù)字產(chǎn)品。具有設(shè)計(jì)仿真、干涉檢查，節(jié)拍分析、虛擬調(diào)試、數(shù)字孿生、遠(yuǎn)程運(yùn)維等功能。平臺居國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)地位，具有一定的技術(shù)壁壘。系統(tǒng)從底層自主研發(fā)，具有完全知識產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)自主可控和國產(chǎn)化替代，解決工業(yè)軟件“卡脖子”問題。助力制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期管理和精益化生產(chǎn)，達(dá)到提質(zhì)降本增效的目的。

4.2搭建MesWorkDataFactory環(huán)境獲取安裝文件包，在文件包中運(yùn)行P_Main_MesWorkDataFactory.exe，即可正常使用本軟件。為了能流暢地使用軟件相關(guān)功能，還需進(jìn)行必要的軟件性能環(huán)境搭建。以下步驟的操作主要是為了調(diào)用電腦獨(dú)立顯卡的性能，使軟件更順暢地運(yùn)行。第一步：在電腦左下角輸入框輸入“圖形設(shè)置”進(jìn)入圖形設(shè)置頁面。第二步：“應(yīng)用的自定義選項(xiàng)”中添加應(yīng)用選擇“桌面應(yīng)用”并點(diǎn)擊“瀏覽”。第三步：在“MesWorkDataFactory”文件夾下找到“x64文件夾”。雙擊進(jìn)入文件夾后選中Cef開頭程序，點(diǎn)擊添加。第四步：在列表中找到并點(diǎn)擊Cef程序，點(diǎn)擊“選項(xiàng)”。第五步：選中“高性能”，點(diǎn)擊保存后完成。第六步：列表中找到以Cef開頭的程序，如果下方顯示高性能，說明已經(jīng)設(shè)置成功。4.3 MesWorkDataFactory功能介紹4.3.2軟件界面介紹1.軟件啟動后，最上面是工具欄。有“主頁”，“智能設(shè)備”，“設(shè)備仿真”，“傳感器”，“邏輯塊”，“工作模式”，“幫助”七個選項(xiàng)卡2.中間區(qū)域是3D視圖區(qū)域，用于展示模型，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵可對模型位置進(jìn)行移動，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵可對模型視角進(jìn)行切換，滑動滾輪可放大或者縮小視圖。3D視頻區(qū)域上的工具欄是懸浮工具欄3.3d視圖區(qū)左側(cè)六個按鈕4.操作樹區(qū)域5.資源樹區(qū)域6.場景設(shè)置4.4 MesWorkDataFactory功能介紹4.3.1創(chuàng)建和打開項(xiàng)目1.創(chuàng)建項(xiàng)目第一步：雙擊快捷啟動圖標(biāo)啟動MesWorkDataFactory，軟件啟動后的界面如圖所示。第二步：在桌面新建一個文件夾用于存放項(xiàng)目的空文件夾。第三步：首先點(diǎn)擊“選擇或創(chuàng)建項(xiàng)目文件夾”，其次找到并選中第二步中創(chuàng)建好的文件夾。然后點(diǎn)擊“確定”，最后點(diǎn)擊“創(chuàng)建新的項(xiàng)目”。2.打開項(xiàng)目第一步：雙擊快捷啟動圖標(biāo)啟動MesWorkDataFactory。第二步：軟件啟動后，首先選中項(xiàng)目列表中的項(xiàng)目，然后點(diǎn)擊“打開已經(jīng)存在的項(xiàng)目”即可。3.合并項(xiàng)目此功能一般用于項(xiàng)目較大，需要多位工程師分工來完成項(xiàng)目這種情況。假設(shè)工程師A負(fù)責(zé)項(xiàng)目中的第一部分，工程師B負(fù)責(zé)項(xiàng)目中的第二部分，當(dāng)兩位工程師都完成了其負(fù)責(zé)的部分，此時(shí)使用此功能把第一部分和第二部分合并到一個空文件夾中即完成了整個項(xiàng)目的工作。首先勾選“是否啟用”按鈕。再點(diǎn)擊“三個點(diǎn)”按鈕找到用于存放項(xiàng)目一和二合并結(jié)果的空文件夾。然后右鍵項(xiàng)目一點(diǎn)擊項(xiàng)目合并。之后右鍵項(xiàng)目二點(diǎn)擊項(xiàng)目合并。最后點(diǎn)擊“合并項(xiàng)目”按鈕。此時(shí)項(xiàng)目一和項(xiàng)目二就都被合并到項(xiàng)目三中了。4.4用MesWorkDataFactory實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備庫管理4.4.1導(dǎo)入導(dǎo)出模型4.4用MesWorkDataFactory實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備庫管理4.4.2場景工具欄場景工具欄用來對場景內(nèi)的模型操作，工具欄如圖。包括放置控制器、選擇等級、選擇布局點(diǎn)、選擇模型點(diǎn)、附加、測量等。4.5用MesWorkDataFactory實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備布局規(guī)劃

在做智能虛擬工廠規(guī)劃時(shí)，智能設(shè)備布局規(guī)劃功能具有非常重要的意義。智能設(shè)備布局規(guī)劃功能可以包括以下幾個方面：1.布局圖導(dǎo)入。2.調(diào)整設(shè)備布局。3.模擬與優(yōu)化：利用仿真軟件和技術(shù)，對設(shè)備布局進(jìn)行模擬和優(yōu)化，以提高布局的合理性和有效性。4.可視化展示：通過數(shù)字化建模和可視化技術(shù)，將設(shè)備布局以三維模型的方式展示出來，方便規(guī)劃和調(diào)整。4.6用MesWorkDataFactory實(shí)現(xiàn)工藝仿真

線性流工藝非常重要，在做仿真時(shí)，除了機(jī)器人動作不需要使用線性流工藝做，其他設(shè)備運(yùn)動的表達(dá)基本上都是通過線性流工藝來完成的。1.創(chuàng)建線性流工藝的基礎(chǔ)操作。2.仿真工藝運(yùn)動狀態(tài)功能欄介紹。3.事件標(biāo)簽編輯器的基礎(chǔ)操作4.事件標(biāo)簽編輯器介紹4.6.1線性流工藝4.6用MesWorkDataFactory實(shí)現(xiàn)工藝仿真1.機(jī)器人運(yùn)動學(xué)定義基礎(chǔ)操作。2.導(dǎo)入定義完成的機(jī)器人3.安裝夾爪4.創(chuàng)建機(jī)器人工藝的基礎(chǔ)操作4.6.2機(jī)器人工藝4.6用MesWorkDataFactory實(shí)現(xiàn)工藝仿真

新建設(shè)備操作主要用于設(shè)備姿態(tài)間的工藝聯(lián)動，反應(yīng)外部設(shè)備實(shí)際位置，比如說機(jī)床多軸聯(lián)動就可以使用設(shè)備工藝來做仿真，就不需要做很多個線性流工藝來描述動作了。1.創(chuàng)建設(shè)備的運(yùn)動學(xué)關(guān)系2.創(chuàng)建設(shè)備姿態(tài)3.新建設(shè)備操作