數(shù)字孿生技術(shù)簡介

數(shù)字孿生技術(shù)目錄TOC\o"1-2"\h\u821一、什么是數(shù)字孿生（概念） 228372二、數(shù)字孿生特征 22279三、數(shù)字孿生生命周期 421848四、數(shù)字孿生作用 56312五、數(shù)字孿生開發(fā)流程 622461六、數(shù)字孿生涉及的技術(shù)領(lǐng)域 813984七、數(shù)字孿生涉及的軟件 8一、什么是數(shù)字孿生（概念）數(shù)字孿生(DigitalTwin)是一種基于數(shù)字技術(shù)的概念，它是指對于現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體或系統(tǒng)，通過數(shù)字化的方式建立一個虛擬的、與之相對應(yīng)的數(shù)字化模型，從而實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體或系統(tǒng)的監(jiān)測、仿真、預(yù)測和優(yōu)化等操作。信息鏡像模型(InformationMirroringModel):包括三個部分:真實(shí)世界的物理產(chǎn)品、虛擬世界的虛擬產(chǎn)品、連接虛擬和真實(shí)空間的數(shù)據(jù)和信息。物理產(chǎn)品可以是任何實(shí)際存在的事物，例如機(jī)器、設(shè)備、建筑、城市、生態(tài)系統(tǒng)等。虛擬產(chǎn)品則是基于物理實(shí)體的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行建模，包括幾何形狀、結(jié)構(gòu)、材料、運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等，可以對物理實(shí)體進(jìn)行仿真、預(yù)測、優(yōu)化等操作。以模型和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過多學(xué)科耦合仿真等方法，完成現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體到虛擬世界中的鏡像數(shù)字化模型的精準(zhǔn)映射，并充分利用二者的雙向交互反饋、迭代運(yùn)行，以達(dá)到物理實(shí)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(yù)測，進(jìn)而優(yōu)化實(shí)體對象在其全生命周期中的決策、控制行為，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)體與數(shù)字模型的共享智慧與協(xié)同發(fā)展。二、數(shù)字孿生特征1、多領(lǐng)域綜合的數(shù)字化模型數(shù)字孿生是仿真應(yīng)用的發(fā)展和升級。例如，產(chǎn)品數(shù)字孿生不僅具備傳統(tǒng)產(chǎn)品仿真的特點(diǎn)，從概念模型和設(shè)計(jì)階段著手，先于現(xiàn)實(shí)世界的物理實(shí)體構(gòu)建數(shù)字模型，而且數(shù)字模型與物理實(shí)體共生，貫穿實(shí)體對象的整個生命周期，建立數(shù)字化、單一來源的全生命周期檔案，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全過程追溯，完成物理實(shí)體的細(xì)致、精準(zhǔn)、忠實(shí)的表達(dá)。多領(lǐng)域的知識集成。多個物理系統(tǒng)融合、多學(xué)科、多領(lǐng)域融合。數(shù)字孿生體和物理實(shí)體應(yīng)該是“形神兼似”。數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模方法有助于處理僅僅利用機(jī)理/傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型無法處理的復(fù)雜系統(tǒng)，通過保證幾何、物理、行為、規(guī)則模型與刻畫的實(shí)體對象保持高度的一致性來讓所建立模型盡可能逼近實(shí)體。2、以模型為核心的數(shù)據(jù)采集與組織數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)要素，其來源包括兩部分，一部分是物理實(shí)體對象及其環(huán)境采集而得，另外一部分是各類模型仿真后產(chǎn)生。多種類、全方位、海量動態(tài)數(shù)據(jù)推動實(shí)體/虛擬模型的更新、優(yōu)化與發(fā)展。物理系統(tǒng)的智能感知與全面互聯(lián)互通是物理實(shí)體數(shù)據(jù)的重要來源，是實(shí)現(xiàn)模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)等融合的前提。數(shù)據(jù)的組織以模型為核心。3、雙向映射、動態(tài)交互、實(shí)時連接和迭代優(yōu)化物理系統(tǒng)、數(shù)字模型通過實(shí)時連接，進(jìn)行動態(tài)交互、實(shí)現(xiàn)雙向映射。適合應(yīng)用場景的實(shí)時連接。數(shù)字孿生系統(tǒng)必須能不斷地迭代優(yōu)化，即適應(yīng)內(nèi)外部的快速變化并做出針對性的調(diào)整，能根據(jù)行業(yè)、服務(wù)需求、場景、性能指標(biāo)等不同要求完成系統(tǒng)的拓展、裁剪、重構(gòu)與多層次調(diào)整。這個優(yōu)化首先在數(shù)字空間發(fā)生，同時也同步在物理系統(tǒng)中發(fā)生。4、推演預(yù)測與分析等智能化功能數(shù)字孿生將真實(shí)運(yùn)行物體的實(shí)際情況結(jié)合數(shù)字模型在軟件界面中進(jìn)行直觀呈現(xiàn)，這個是數(shù)字孿生的監(jiān)控功能。數(shù)字孿生系統(tǒng)具備模擬、監(jiān)控、診斷、推演預(yù)測與分析、自主決策、自主管控與執(zhí)行等智能化功能。預(yù)測是數(shù)字孿生的核心價(jià)值所在。動態(tài)預(yù)測的基礎(chǔ)正是系統(tǒng)中全面互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)流、信息流以及所建立的高擬實(shí)性數(shù)字化模型。數(shù)字孿生可看作是一種技術(shù)、方法、過程、思路、框架和途徑。三、數(shù)字孿生生命周期數(shù)字孿生系統(tǒng)是某個產(chǎn)品、某個系統(tǒng)在其生命周期中的一個具象表達(dá)，是一個包括物理實(shí)體、虛擬實(shí)體以及虛實(shí)之間的交互迭代關(guān)系，并最終形成以實(shí)體對象或行為“以實(shí)到虛”全要素層級映射、“以虛控實(shí)”為目標(biāo)的體系，所以稱之為Digitaltwins。根據(jù)數(shù)字孿生體的特征和功能將其生命周期分為三個階段：前期階段——數(shù)字胚胎：是“以虛擬實(shí)”階段。數(shù)字胚胎是在物理實(shí)體對象設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的，數(shù)字胚胎先于物理實(shí)體對象出現(xiàn)，所以用數(shù)字胚胎去表達(dá)尚未實(shí)現(xiàn)的物理對象的設(shè)計(jì)意圖是對物理實(shí)體進(jìn)行理想化和經(jīng)驗(yàn)化的定義。中期階段——數(shù)字化映射體階段：其功能為”以虛映實(shí)”。通過對物理對象的多層級數(shù)字化映射，建立面向物理實(shí)體與行為邏輯的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，孿生數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)驅(qū)動的基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體對象和數(shù)字化映射對象之間的映射，包括模型行為邏輯和運(yùn)行流程，并且這個映射模擬會根據(jù)實(shí)際反饋，隨著物理實(shí)體的變化而自動做出相應(yīng)的變化。第三階段——孿生體智能階段：是數(shù)字孿生體具備智能化的階段，該階段數(shù)字孿生體繼承了前面兩個階段的數(shù)據(jù)和模型，同時借助大數(shù)據(jù)挖掘和智能算法，按照“知識模型-智慧決策-精準(zhǔn)執(zhí)行”的方式精準(zhǔn)控制物理實(shí)體對象，以達(dá)到“以虛控實(shí)”的功能目標(biāo)。四、數(shù)字孿生作用映射：映射是數(shù)字孿生的最低層次，其表現(xiàn)為建立實(shí)體模型的三維模型，并運(yùn)用裝配、動畫等方式模擬零部件的運(yùn)動方式。在實(shí)際運(yùn)用中有許多案例，比如工廠的裝配仿真。通過裝配仿真，工程師能夠更好地了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)等。監(jiān)控與操縱：利用數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和操作，即把實(shí)體模型和虛擬模型連接在一起，通過虛擬模型反映物理對象的變化。比如PTC的數(shù)字孿生方案，能夠在自行車上裝載感應(yīng)器，記錄自行車的實(shí)際情況，例如所受外來壓力、速度以及地理位置改變等。診斷：診斷即當(dāng)設(shè)備發(fā)生異常時，用數(shù)字孿生手段尋找根本原因。監(jiān)控與診斷/預(yù)測的區(qū)別在于監(jiān)控允許調(diào)整控制輸入，并獲得系統(tǒng)響應(yīng)，但過程中不允許改變系統(tǒng)自身的設(shè)計(jì)，而診斷/預(yù)測允許調(diào)整設(shè)計(jì)輸入，判斷系統(tǒng)的影響。預(yù)測：預(yù)測是幫助企業(yè)預(yù)測潛在風(fēng)險(xiǎn)，合理規(guī)劃產(chǎn)品或設(shè)備的維護(hù)。目前在產(chǎn)品的預(yù)測性維修維護(hù)方面有大量應(yīng)用。比如GE為每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振儀，創(chuàng)造一個數(shù)字孿生體，通過這些擬真的數(shù)字化模型，在虛擬空間進(jìn)行調(diào)試、試驗(yàn)，即可知道如何讓機(jī)器效率達(dá)到最高。只需將最優(yōu)方案應(yīng)用于實(shí)體模型上即可。決策：通過大量數(shù)據(jù)的累計(jì)、分析，合理的優(yōu)化預(yù)測。在算法驅(qū)動和技術(shù)驅(qū)動的體系下，幫助決策者，使決策能越來越科學(xué)，而且可以被復(fù)用和持續(xù)迭代。決策決策五、數(shù)字孿生開發(fā)流程1、確定目標(biāo)：明確數(shù)字孿生的目標(biāo)和應(yīng)用場景，確定要開發(fā)的數(shù)字孿生系統(tǒng)的范圍和功能。數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個龐大而復(fù)雜的過程，需要明確目標(biāo)和范圍才能更好地進(jìn)行項(xiàng)目規(guī)劃和實(shí)施。2、數(shù)據(jù)采集：數(shù)字孿生項(xiàng)目需要依靠大量的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)模擬和分析，因此數(shù)據(jù)的收集工作至關(guān)重要。收集與實(shí)際系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括傳感器數(shù)據(jù)、運(yùn)營數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、CAD圖紙等。確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和完整性。構(gòu)建一個實(shí)際模型的數(shù)學(xué)模型。3、數(shù)據(jù)預(yù)處理：對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、缺失值處理、異常值檢測和修正等。確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性。此外，還要關(guān)注數(shù)據(jù)的安全和隱私保護(hù)，采取相應(yīng)的措施防止泄露和濫用。4、建立模型：基于采集到的數(shù)據(jù)，建立物理模型或數(shù)學(xué)模型，模擬實(shí)際系統(tǒng)的行為和特性?？梢允褂脵C(jī)器學(xué)習(xí)算法、物理仿真模型等進(jìn)行建模。數(shù)字孿生模型可以是精確的物理模型，也可以是基于統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)模型。模型的建立需要考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)際運(yùn)行情況，同時要與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。5、模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證：對建立的模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，與實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行比對和驗(yàn)證，確保模型能夠準(zhǔn)確地反映實(shí)際系統(tǒng)的行為。6、數(shù)字孿生系統(tǒng)開發(fā)：基于建立的模型，開發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)的軟件平臺或應(yīng)用。數(shù)字孿生項(xiàng)目的關(guān)鍵在于建立一個完善的數(shù)字孿生平臺，用于模擬、分析和優(yōu)化企業(yè)的各個環(huán)節(jié)和過程。該平臺應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)可視化、實(shí)時數(shù)據(jù)集成模型運(yùn)行和仿真、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和決策支持等功能。同時確保平臺具有高效、穩(wěn)定和安全的特性。7、系統(tǒng)集成與部署：將開發(fā)好的數(shù)字孿生系統(tǒng)集成到實(shí)際系統(tǒng)中，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和傳輸，同時感知和跟蹤真實(shí)物理世界的狀態(tài)，并將數(shù)字孿生系統(tǒng)部署到合適的環(huán)境中。8、模擬和測試：使用數(shù)字孿生來模擬和測試各種實(shí)際情況，包括事故和緊急情況，以提高應(yīng)對突發(fā)事件的能力，可以幫助企業(yè)發(fā)現(xiàn)潛在的問題和瓶頸。通過改變設(shè)計(jì)參數(shù)來測試不同的方案，找到對應(yīng)的解決方案，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，在現(xiàn)實(shí)中實(shí)施驗(yàn)證效果。9、運(yùn)行與監(jiān)控：運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)，并監(jiān)控實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和性能指標(biāo)。根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)和模型預(yù)測結(jié)果，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和決策支持。數(shù)字孿生可用于分析現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的弱點(diǎn)和問題，優(yōu)化運(yùn)行方案，預(yù)測未來的情況和做出決策。10、持續(xù)優(yōu)化：根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行情況和反饋信息，對數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)，提高預(yù)測精度和系統(tǒng)性能。11、迭代更新：根據(jù)實(shí)際需求和變化，對數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行迭代更新，增加新的功能和改進(jìn)現(xiàn)有功能，保持系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展和適應(yīng)性。六、數(shù)字孿生涉及的技術(shù)領(lǐng)域1、數(shù)字建模：用于生成數(shù)字孿生的三維模型，包括物理建模、數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)建模、仿真等。可以使用CAD軟件、三維建模軟件、仿真軟件等。2、數(shù)據(jù)采集：用于采集物理世界中的數(shù)據(jù)，可以使用傳感器、監(jiān)控設(shè)備等。3、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：用于連接物理世界中的設(shè)備和系統(tǒng)，包括傳感器、智能設(shè)備、云計(jì)算等。4、數(shù)據(jù)處理：用于處理采集到的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等。5、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)：用于展示數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)和模型，包括圖表、地圖、動畫等。6、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：用于模擬物理世界中的情境，包括虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、手柄、全息投影等。7、邊緣計(jì)算技術(shù)：用于處理數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)和計(jì)算任務(wù)，包括邊緣服務(wù)器、邊緣設(shè)備等。8、區(qū)塊鏈技術(shù)：用于保證數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)安全性和可信度，包括分布式賬本、智能合約等。9、云計(jì)算技術(shù)：用于存儲和處理數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)和模型，包括云存儲、云計(jì)算、云服務(wù)等。10、人工智能技術(shù)：用于模擬人類的智能行為，包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、自然語言處理等。七、數(shù)字孿生涉及的軟件1、數(shù)字孿生平臺軟件：達(dá)索3DExperience：航空CAD起家，將旗下的產(chǎn)品都統(tǒng)一到平臺上，包括設(shè)計(jì)、仿真、分析工具、協(xié)同環(huán)境、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、大數(shù)據(jù)技術(shù)等。ANSYSTwinBuilder：ANSYS擁有一整套仿真解決方案，包括平臺、物理知識和系統(tǒng)功能，集成多款建模仿真軟件。ANSYS的TwinBuilder是針對數(shù)字孿生的產(chǎn)品軟件包。通過第三方工具集成將各種來源的模型組合到完整的系統(tǒng)中進(jìn)行協(xié)同仿真。微軟AzureDigitalTwins：微軟是數(shù)字孿生的一個新進(jìn)玩家，在2018年發(fā)布了AzureDigitalTwins平臺，可用于全面的數(shù)字模型和空間感知解決方案，可應(yīng)用于任何物理環(huán)境。Azure數(shù)字孿生可提供物理環(huán)境及相關(guān)設(shè)備、傳感器和人員的全面虛擬呈現(xiàn)形式，并全面支持物聯(lián)網(wǎng)和端點(diǎn)設(shè)備之間的雙向通訊，提供開放式的建模語言以及實(shí)時的執(zhí)行環(huán)境。國內(nèi)平臺EasyV：免費(fèi)試用三天，國內(nèi)網(wǎng)站搜索“數(shù)字孿生平臺”直推。翠鳥云：免費(fèi)試用15天，看的“數(shù)字孿生搭建課程”了解。2、數(shù)字孿生建模軟件：GIS建模：適