數(shù)孿生在工業(yè)數(shù)據(jù)建模中的應用

數(shù)字孿生在工業(yè)數(shù)據(jù)建模中的應用摘要：數(shù)字孿生作為對物理世界的模型和數(shù)字化鏡像的過程和方法，其影響力日趨增強。本文從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的角度闡述了數(shù)字孿生技術如何解決工業(yè)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)和建模，重點列舉了數(shù)字孿生在工業(yè)數(shù)據(jù)建模中的垂直應用方向，歸納并分析了數(shù)字孿生的關鍵技術和建設內(nèi)容，本文聚合產(chǎn)業(yè)共識、引領工業(yè)創(chuàng)新、加速應用推廣等方面具有重要意義，為政府和產(chǎn)業(yè)界推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的發(fā)展構建、實踐探索有參考意義。關鍵詞：數(shù)字孿生工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)建模數(shù)字孿生的內(nèi)涵數(shù)字孿生集成了人工智能和機器學習等技術，將數(shù)據(jù)、算法和決策分析結合在一起建立模型，將不同學科、物理量、多尺度及多概算進行集合完成仿真操作，在虛擬空間中映射，監(jiān)控物理對象在虛擬模型中的變化，反應裝備整體生命周期過程，診斷基于人工智能的多維數(shù)據(jù)復雜處理與異常分析[1]。例如數(shù)字孿生用于管道設計、調(diào)度優(yōu)化、管道設備運行維護、管道全生命周期管理，促進真實管道系統(tǒng)與虛擬管道系統(tǒng)的信息交互及融合，實現(xiàn)虛擬管道仿真優(yōu)化結果，指導真實管道建設運營業(yè)務優(yōu)化。數(shù)字孿生利用數(shù)字化來表達物理產(chǎn)品，通過數(shù)字化產(chǎn)品觀察到物理產(chǎn)品可能發(fā)生的變化，未來數(shù)字孿生技術成為工業(yè)產(chǎn)業(yè)中的重點技術。數(shù)字孿生在工業(yè)數(shù)據(jù)建模中的應用方向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模型的沉淀、集成與管理是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺對數(shù)據(jù)挖掘核心能力的體現(xiàn)，信息模型的集成與統(tǒng)一是提升平臺工業(yè)要素管理水平的關鍵，為資產(chǎn)、功能提供統(tǒng)一的語義描述和開發(fā)能力。其中，機理模型、數(shù)據(jù)模型、業(yè)務模型快速在平臺中沉淀，使平臺能為各個不同領域不同場景提供工業(yè)個性服務成為可能。目前，部分研究已開始探索面向數(shù)字孿生的實時互聯(lián)和應用。例如石油領域沉淀采油的大量現(xiàn)代物理學知識，積累數(shù)億小時的油井運行數(shù)據(jù)，在此基礎上不斷訓練分析模型，更好診斷井下和地表異常，優(yōu)化油井運行[2]。機械領域?qū)Ｗ⒂谛D機械、往復機械的振動監(jiān)測，積累了大量燃氣輪機、軸流風機、擠壓造粒機、汽輪機等設備歷史運行數(shù)據(jù)和領域知識，強化設備預測性維護的性能[3]。航空航天，汽車和食品飲料等行業(yè)開發(fā)了缺陷檢測、質(zhì)量管理、績效優(yōu)化、預測性維護、能耗管理、資產(chǎn)和供應鏈等領域的優(yōu)化應用。數(shù)字孿生的關鍵技術和建設內(nèi)容數(shù)字孿生的關鍵技術和必要內(nèi)容的建設需關注四個方面：數(shù)據(jù)來源與傳感、多領域模型搭建、虛擬現(xiàn)實感知和數(shù)據(jù)云服務。1，傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的每個階段都具有不確定性，隨著數(shù)據(jù)的傳播，各環(huán)節(jié)的不確定性不斷傳遞、放大，最終可能極大地影響感知結果的質(zhì)量。因此根據(jù)具體應用場景設計傳感器，使種類、精度、可靠性和工作環(huán)境都匹配并適用，構建快速安全、準確可靠的傳感器網(wǎng)絡，將系統(tǒng)狀態(tài)安全實時傳輸供上層應用。2，工業(yè)數(shù)據(jù)建模與分析能識別工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施過程中的影響因素以及影響因素之間的層次結構關系，是工業(yè)快速迭代、持續(xù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)驅(qū)動的新方式，改進系統(tǒng)優(yōu)化，提高資源配置效率，有助于推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的順利實施。從不同領域、機理層面進行多領域模型的理解和設計。多種特性的融合比特定領域的開發(fā)和熟化使系統(tǒng)方程具有更大的自由度，傳感器數(shù)據(jù)的動態(tài)更新也更加要求準確一致，需同時在時間、空間以及耦合范圍上同步優(yōu)化參數(shù)。3，VR/AR是前沿科技領域當下的熱門，打破虛實鴻溝，是重要智能工具與人機交互方式。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域，VR/AR技術為代表從起初的驗證探索階段進入現(xiàn)實的環(huán)境落地階段，提供遠程協(xié)助、3D可視化、實時診斷與反饋功能，可提高按時交付率、產(chǎn)能利用率、首次修復率、新人培訓效率，減少返工、廢料與不合格率等[4]。。在數(shù)字孿生中，以虛擬映射方式疊加孿生系統(tǒng)，從視覺、聽覺、觸覺等方面提供沉浸式的虛擬現(xiàn)實體驗，實現(xiàn)人際互動。VR/AR技術能夠幫助使應用者通過數(shù)字孿生系統(tǒng)迅速了解和學習系統(tǒng)的構造、特性、變化趨勢、健康狀態(tài)，對啟發(fā)和升級系統(tǒng)提供豐富的選擇。4，工業(yè)數(shù)據(jù)在全流程、全生命周期廣泛應用，還包括算法庫、知識庫、模型庫、參數(shù)庫、專家?guī)旆治龉ぞ邘斓慕?，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)應用支撐體系應為此提供便捷、優(yōu)質(zhì)、低成本的計算服務、存儲服務和網(wǎng)絡資源。在數(shù)字亂上的應用，建議構建安全的私有云，搭建數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)管理體系，為全生命周期的工業(yè)數(shù)據(jù)管理提供讀取和備份服務，使系統(tǒng)具備歷史狀態(tài)回放、結構退化分析、任意時刻模擬等功能。由于數(shù)字孿生對數(shù)據(jù)的實時性有更高的要求，云服務的分布架構、數(shù)據(jù)的存儲方式、檢索的方法建立都需要有針對性的創(chuàng)建和部署。總結隨著5G技術、無人機監(jiān)測、紅外線監(jiān)測、計算機軟硬件技術的不斷優(yōu)化，各國對物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求不斷提高，普遍適應工業(yè)互聯(lián)，并將數(shù)字孿生在工業(yè)數(shù)據(jù)建模中發(fā)揮