数字孪生介绍.docx

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1、数字挛生介绍1数字季生的一般定义数字挛生是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段构建一个在数字 世界中一模一样的实体，借此来实现对物理实体的理解、分析和优化。从更加专业的角度来说，数字李生集成了人工智能(Al)和机器学习(ML)等技 术，将数据、算法和决策分析结合在一起建立模拟，即物理对象的虚拟映射， 以期在问题发生之前先发现问题，监控物理对象在虚拟模型中的变化，诊断基 于人工智能的多维数据复杂处理与异常分析，并预测潜在风险，合理有效地规 划或对相关设备进行维护。数字挛生是形成物理世界中某一生产流程的模型及其在数字世界中的数字 化镜像的过程和方法。数字李生有五大驱动要素一一物理世界的传感器、

2、数 据、集成、分析和驱动器，以及持续更新的数字李生应用程序。图1数字学生是在数字世界对物理世界的映射生产流程中配置的传感器可以发出信号，数字挛生可通过信号获取与实际 流程相关的运营和环境数据。传感器提供的实际运营和环境数据将在聚合后与 企业数据合并，企业数据包括物料清单、企业系统和设计规范等，其他类型的 数据包括工程图纸、外部数据源及客户投诉记录等。传感器通过集成技术（包括边缘、通信接口和安全）达成物理世界与数字世界 之间的数据传输。数字挛生利用分析技术开展算法模拟和可视化程序，进而分 析数据、提供洞见，建立物理实体和流程的准实时数字化模型，数字挛生能够 识别不同层面偏离理想状态的异常情况。若

3、确定应当采取行动，则数字挛生将 在人工干预的情况下通过促动器展开实际行动，推进实际流程的开展。当然， 在实际操作中，流程（或物理实体）及其数字虚拟镜像明显比简单的模型或结构 要复杂得多。图2是数字李生的概念框架。2数字季生与数字纽带伴随着数字挛生的发展，美国空军研究实验室和美国国家航空航天局同时 提出了数字纽带（Digital Thread,也译为数字主线、数字线程、数字线、数字链 等）的概念。数字纽带是种可扩展、可配置的企业级分析框架，在整个系统的生命周期 中，通过提供访问、整合及将不同的、分散的数据转换为可操作信息的能力来 通知决策制定者。通过分析和对比数字挛生和数字纽带的定义可以发现，数

4、字 挛生体是对象、模型和数据，而数字纽带是方法、通道、链接和接口，数字挛生体的相关信息是通过数字纽带进行交换、处理的。以产品设计和制造过程为例，产品数字李生体与数字纽带的关系如图3所示。图3融合了产品数字挛生体和数字纽带的应用示例仿真分析模型的参数可以传递至产品定义的全三维模型，再传递至数字化 生产线加工/装配成真实的物理产品，继而通过在线的数字化检验/测量系统反 映到产品定义模型中，进而反馈到仿真分析模型中。通过数字纽带实现了产品全生命周期各阶段的模型和关键数据双向交互， 使产品全生命周期各阶段的模型保持一致性，最终实现闭环的产品全生命周期 数据管理和模型管理。3数字季生关键技术说明基于数字

5、挛生的智能制造系统如图4所示。11QMS序”理系蜕SCM:供应偿憧理图4基于数字挛生的智能制造系统数字挛生的概念最早由密歇根大学的Michael Grieves博士于2002年提出 （最初的名称为Conceptual Ideal for PLM），至今有超过15年的历史。Michael Grieves与NASA长期合作。在航天领域，航天器的研发和运营必须依赖于数字化技术：在研发阶段， 需要降低物理样机的成本；在运营阶段，需要对航天器进行远程状态监控和故 障监测。这也是后来NASA把数字化双胞胎（即数字挛生）作为关键技术的原因。 图5展示了数字挛生技术在装备行业的应用。图5数字挛生技术在装备行业

6、的应用数字挛生技术帮助企业在实际投入生产之前即能在虚拟环境中优化、仿真 和测试，在生产过程中也可同步优化整个企业流程，最终实现高效的柔性生 产、实现快速创新上市，锻造企业持久竞争力。数字挛生技术是制造企业迈向 “工业4.0战略目标的关键技术，通过掌握产品信息及其生命周期过程的数字思 路将所有阶段（产品创意、设计、制造规划、生产和使用）衔接起来，并连接到 可以理解这些信息并对其做出反应的生产智能设备。数字李生将各专业技术集成为一个数据模型，并将PLM （产品生命周期管 理软件）、MOM （生产运营系统）和TIA （全集成自动化）集成在统一的数据平台 下，也可以根据需要将供应商纳入平台，实现价值链

7、数据的整合，业务领域包 括“产品数字李生”生产数字挛生和设备数字李生（图6）。- 产品ift计-工艺技虚拟世界产品横鞭.工厂懵更 ,资a.工艺筑构物理世界产品敢字学生 设计数字样机1千方检查2射面壮温3双计造度及示4大架IIUl示物理产品1产油实物2产SI试睑3产期性恁生产工艺布胤生产车间产线性健泳怙 及改遍方法工艺规划和优化1装配工艺仿A 2人机工程仿Jl31W布局仿A 4机11人仿真工艺可行住校告 何板去生产工艺Yfl 伊、2物14微运3工史费与使用 4AIrt生产数字学生 工艺生产Bt字窣生Mift数字化双胞胎数据总线L虚拟工艺参数和实际工艺参数比对2产线优化和实际计划比对产品制造图6数

8、字学生技术在装备行业的应用在产品的设计阶段，利用数字李生可以提高设计的准确性，并验证产品在 真实环境中的性能。这个阶段的数字挛生的关键能力包含：数字模型设计，使 用CAD工具开发出满足技术规格的产品虚拟原型，精确地记录产品的各种物理 参数，以可视化的方式展示出来，并通过一系列验证手段来检验设计的精准程 度一一模拟和仿真，通过一系列可重复、可变参数、可加速的仿真实验，来验 证产品在不同外部环境下的性能和表现，在设计阶段就可验证产品的适应性。 产品数字挛生将在需求驱动下，建立基于模型的系统工程产品研发模式，实现 需求定义-系统仿真-功能设计-逻辑设计-物理设计设计仿真实物试验”全过程闭 环管理，从

9、细化领域将包含如下几个方面（图7）：产品Si字季生图7数字学生技术在装备行业的应用一一产品数字挛生在产品的制造阶段，生产数字李生的主要目的是确保产品可以被高效、高 质量和低成本地生产，它所要设计、仿真和验证的对象主要是生产系统，包括 制造工艺、制造设备、制造车间、管理控制系统等。利用数字挛生可以加快产 品导入的时间，提高产品设计的质量，降低产品的生产成本和提高产品的交付 速度。产品生产阶段的数字挛生是一个高度协同的过程，通过数字化手段构建起 来的虚拟生产线，将产品本身的数字挛生同生产设备、生产过程等其他形态的 数字李生高度集成起来，具体实现如下功能（图8）：图8数字挛生技术在装备行业的应用一一

10、生产数字挛生工芝0州定义（BO内箜产It字季生关键指标监控和过程能力评估。通过采集生产线上的各种生产设备的实时 运行数据，实现全部生产过程的可视化监控，并且通过经验或者机器学习建立 关键设备参数、检验指标的监控策略，对出现违背策略的异常情况进行及时处 理和调整，实现稳定并不断优化的生产过程。作为客户的设备资产，产品在运 行过程中将设备运行信息实时传送到云端，以进行设备运行优化、可预测性维 护与保养，并通过设备运行信息对产品设计、工艺和制造迭代优化（图9）。设仔字家生国务运行优化可测性燃炉、Mt修与傻养 I Ifti十、工艺与制幽医代优化图9数字字生技术在装备行业的应用一一设备数字挛生通过工业物

11、联网技术实现设备连接云端、行业云端算法库以及行业应用APP,以西门子MindSPhere平台为例说明运营数字化双胞胎的架构（图10）。该架 构包含： 连接层MMdCOnnect：支持开放的设备连接标准，如OPCUA,实现西 门子与第三方产品的即插即用，并对数据传输进行安全加密。平台层MMdSPhere：为客户个性化APP的开发提供开放式接口，并提 供多种云基础设施，如SAP、AWSMicrosoft Azure,并提供公有云、 私有云及现场部署。应用层MmdAPPs：应用来自西门子与合作伙伴的APP,或由企业自主 开发的APP,以获取设备透明度与深度分析报告。预测性服务可将大 数据转变为智能数据。数字化技术的发展可让企业洞察机器与工厂的 状况，从而在实际问题发生之前，对异常和偏离阈值的情况迅速做出 响应。/ M/IIa)快球应闲开发 QPlMandMESCrnHxksl图10数字挛生和物联网技术在装备行业的应用