智能設(shè)備數(shù)字孿生應(yīng)用 課件 12、數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)-建模

智能設(shè)備的數(shù)字孿生授課教師：卞化梅關(guān)鍵技術(shù)：建模關(guān)鍵技術(shù)：仿真關(guān)鍵技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)4.14.24.3第四章數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)4.4關(guān)鍵技術(shù)：建模4.1●培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的聯(lián)想能力；●培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)的方法與途徑；●思政目標(biāo)：熟悉國(guó)內(nèi)數(shù)字孿生建模平臺(tái)廠家，了解我國(guó)智能出哪些虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輸入輸出設(shè)備。學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)●掌握模型的基本概念和基本步驟；●掌握仿真的基本概念；●掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征、分類(lèi)和原理；●掌握增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用?！衲芮宄５幕静襟E；●能選擇不同場(chǎng)景使用不同的仿真工具；●能區(qū)分虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的類(lèi)別。

能力目標(biāo)素養(yǎng)目標(biāo)知識(shí)回顧知識(shí)回顧：有幾種行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)？知識(shí)回顧（1）基于行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)（2）基于SLA服務(wù)的QoS保障技術(shù)4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模下面兩張圖片是什么？請(qǐng)同學(xué)們討論模型4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模數(shù)字孿生的基礎(chǔ)技術(shù)感知和網(wǎng)絡(luò)，他們是完成數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)。

數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)建模、仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，是完成數(shù)字孿生的物理實(shí)體的信息建模到數(shù)字孿生中，精確模擬物理實(shí)體的各種形態(tài)并進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化，是現(xiàn)實(shí)虛擬系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)建模仿真虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模數(shù)字孿生的建模是將物理世界的對(duì)象數(shù)字化和模型化的過(guò)程。它的主要作用是通過(guò)建模將物理對(duì)象表達(dá)為計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)能識(shí)別的數(shù)字模型，將物理世界或問(wèn)題的理解進(jìn)行簡(jiǎn)化和模型化。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模如何來(lái)理解數(shù)字孿生的建模？

數(shù)字孿生模型構(gòu)建是在數(shù)字空間實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體及過(guò)程的屬性、方法、行為等特性的數(shù)字化建模。模型構(gòu)建可以是“幾何-物理-行為-規(guī)則”多維度的，也可以是“機(jī)械-電氣-液壓”多領(lǐng)域的。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模模型：指通過(guò)主觀意識(shí)借助實(shí)體或者虛擬表現(xiàn)，構(gòu)成客觀闡述形態(tài)結(jié)構(gòu)的一種表達(dá)目的的物件。4.1.1模型的基本概念模型的構(gòu)成：模型構(gòu)成主要分為實(shí)體模型和虛擬模型。實(shí)體模型從表現(xiàn)形式分為靜模、助力模型、動(dòng)模。虛擬模型主要分為虛擬靜態(tài)模型、虛擬動(dòng)態(tài)模型、虛擬幻想模型。實(shí)體模型虛擬模型4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模模型的分類(lèi)

數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型主要是指用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述的一類(lèi)模型，用來(lái)描述系統(tǒng)要素之間以及系統(tǒng)與環(huán)境之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。物理模型也稱(chēng)實(shí)體模型，以實(shí)體或者圖形直觀地表達(dá)對(duì)象特征所得模型成為物理模型，物理模型是根據(jù)一定的規(guī)則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化、描述或按照一定比例放大、縮小而得到的仿制品，一般情況下要求物理模型與實(shí)體高度相似，能夠逼真地描述物理實(shí)體的原型。物理模型主要分為實(shí)物模型和類(lèi)比模型。物理模型4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模

數(shù)字孿生的模型數(shù)字孿生模型是對(duì)實(shí)體產(chǎn)品、生產(chǎn)流程或產(chǎn)品使用的一種智能化和虛擬化的表示（或模型）。智能化是指事物在網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)的支持下，所具有的能動(dòng)地滿足人的各種需求的屬性。數(shù)字孿生的模型主要是指物理模型。問(wèn)題思考●建模的基本步驟是什么？4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模數(shù)字孿生對(duì)物理對(duì)象建模一般需要包含四個(gè)步驟，首先進(jìn)行模型抽象，然后模型表達(dá)、模型構(gòu)建、最后模型運(yùn)行。4.1.2建模的基本步驟4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模其中模型抽象是實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象的特征抽象；模型表達(dá)則是對(duì)抽象后的信息進(jìn)行描述；模型構(gòu)建表示采用模型構(gòu)建工具實(shí)現(xiàn)模型的校驗(yàn)、編排等；模型運(yùn)行指在提供的虛擬環(huán)境中運(yùn)行模型。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模

模型實(shí)現(xiàn)方法主要涉及建模語(yǔ)言和模型開(kāi)發(fā)工具等，其中最為關(guān)鍵的是如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的模型。數(shù)字孿生中建模是根據(jù)不同的使用場(chǎng)景所建模采用技術(shù)群是不一樣的，目前數(shù)字孿生主要使用場(chǎng)景有IT、運(yùn)營(yíng)技術(shù)或操作技術(shù)（OT）、通信技術(shù)（CT）等。4.1.3建模的實(shí)現(xiàn)方法數(shù)學(xué)孿生使用場(chǎng)景ITOTCT問(wèn)題思考場(chǎng)景的建模語(yǔ)言有哪些？問(wèn)題思考

●

在不同領(lǐng)域中采用不同領(lǐng)域的技術(shù)群，在數(shù)字孿生中常見(jiàn)建模語(yǔ)言方面主要有AutomationML、Modelica、SysML、UML、XML等。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模在IT領(lǐng)域中建模主要集中為兩個(gè)場(chǎng)景，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備建模和數(shù)字孿生城市建模，在物理網(wǎng)設(shè)備建模中主要由大的平臺(tái)廠家在進(jìn)行推薦，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的平臺(tái)呈現(xiàn)，在描述層面，大多采用json、xml等語(yǔ)言進(jìn)行描述，自定義架構(gòu)，并采用MQTT，COAP等應(yīng)用傳輸協(xié)議進(jìn)行虛實(shí)系統(tǒng)交互。1.在IT場(chǎng)景中建模的實(shí)現(xiàn)方法4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模如：阿里云IoT是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域推出的一站式物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

如：百度AIoT平臺(tái)它可以支持各種硬件終端接入，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和可視化分析，同時(shí)還提供智慧家居、智能醫(yī)療等多種行業(yè)解決方案。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模如：騰訊云IoT，它提供了多種協(xié)議接入，支持大數(shù)據(jù)分析以及機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，能夠幫助快速開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。如：中移物聯(lián)網(wǎng)圍繞“聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)的支撐者、專(zhuān)用模組和芯片的提供者、物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用產(chǎn)品的推動(dòng)者”的戰(zhàn)略定位。問(wèn)題思考國(guó)內(nèi)有哪些建模平臺(tái)？問(wèn)題思考●騰訊磨坊、模多克、琢刻、動(dòng)動(dòng)三維、3DPunk4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模2.OT場(chǎng)景中建模的實(shí)現(xiàn)方法OT領(lǐng)域主要指的是運(yùn)營(yíng)技術(shù)或操作技術(shù)，在OT領(lǐng)域建模主要集中在復(fù)雜裝備，對(duì)于OT領(lǐng)域的復(fù)雜裝備和場(chǎng)景的建模，需要融合機(jī)械、電氣、液壓等不同領(lǐng)域知識(shí)。在工業(yè)業(yè)務(wù)的場(chǎng)景下，生產(chǎn)線上存在比較多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，與IT的數(shù)據(jù)相比，這一類(lèi)數(shù)據(jù)體量比較大，但他們的格式相對(duì)來(lái)說(shuō)比較統(tǒng)一。在OT工業(yè)場(chǎng)景中，建模使用的主要是Modelica建模語(yǔ)言。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模（1）Modelica建模語(yǔ)言

技術(shù)特點(diǎn)：Modelica是一種開(kāi)放的以方程為基礎(chǔ)的語(yǔ)言，適用于大規(guī)模復(fù)雜異構(gòu)物理建模；它是面向?qū)ο?、結(jié)構(gòu)化的數(shù)學(xué)（物理）建模語(yǔ)言；它是陳述式建模（非因果建模）是基于物理方程描述物理行為，無(wú)需明確方程的因果關(guān)系或數(shù)據(jù)流向；它完全掌握模型數(shù)據(jù)原理，基于系統(tǒng)數(shù)學(xué)方程的模型構(gòu)建，用戶(hù)在建模過(guò)程中可以完全掌握其原理；它的代碼是完全可見(jiàn)，底層代碼完全可見(jiàn)，開(kāi)放性好。問(wèn)題思考Modelica建模語(yǔ)言主要的適用場(chǎng)景有哪些？問(wèn)題思考由于Modelica是跨越不同領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物理系統(tǒng)的建模，主要運(yùn)用在機(jī)械、控制、電磁、電子、電力、熱、液壓及面型對(duì)象的組件模型構(gòu)建，目前工業(yè)界的三大工業(yè)建模工具都支持Modelica建模語(yǔ)言。越來(lái)越多的行業(yè)開(kāi)始使用Modelica語(yǔ)言進(jìn)行模型開(kāi)發(fā)，尤其是汽車(chē)領(lǐng)域，例如：Audi，BMW，Daimler，F(xiàn)ord，Toyota，VW等世界知名公司都在使用Modelica來(lái)開(kāi)發(fā)節(jié)能汽車(chē)、改善車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)等。Modelica適用場(chǎng)景廣泛4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模構(gòu)建簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)模型將輸入量為力改為位移

如：構(gòu)建簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)模型，將圖中力作為輸入量，在建模過(guò)程中可以將輸入改為位移。2.OT場(chǎng)景中建模的實(shí)現(xiàn)方法4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模如：用Modelica基礎(chǔ)庫(kù)中的狀態(tài)機(jī)控制水箱模型狀態(tài)機(jī)控制水箱模型4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模4.1.3建模的實(shí)現(xiàn)方法（2）OPCUA技術(shù)OPC是為了便于自動(dòng)化行業(yè)不同廠家的設(shè)備和應(yīng)用程序能相互的交互數(shù)據(jù)，而定義的一個(gè)統(tǒng)一的接口函數(shù)，也叫OPC協(xié)議規(guī)范。OPC就是用于軟件與設(shè)備之間的交換數(shù)據(jù)。工作原理：它采用現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是基于Web服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上的；它使用“面向?qū)ο蟆钡姆绞絹?lái)描述設(shè)備與系統(tǒng)之間的通信，每個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)都可以抽象出一個(gè)對(duì)象，對(duì)象有其自有的屬性、方法和事件，通過(guò)讀寫(xiě)這些對(duì)象的屬性、調(diào)用方法及監(jiān)聽(tīng)事件，設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與系統(tǒng)之間就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和控制操作。問(wèn)題思考OPCUA技術(shù)主要用到哪些場(chǎng)景中？問(wèn)題思考●

工業(yè)自動(dòng)化：OPCUA在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換和通信。通過(guò)使用OPCUA，不同廠商的設(shè)備和系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)互操作性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控、控制和優(yōu)化?！裎锫?lián)網(wǎng)（IoT）：OPCUA作為物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議之一，在物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中具有重要作用。OPCUA提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的、安全的和可靠的通信機(jī)制，使得不同設(shè)備和系統(tǒng)之間能夠進(jìn)行無(wú)縫的數(shù)據(jù)交換和集成。

除此之外，OPCUA還應(yīng)用于能源管理和智能建筑，以及物流和供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域，為不同設(shè)備和系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和集成提供了標(biāo)準(zhǔn)化、安全和可靠的通信機(jī)制。4.1關(guān)鍵技術(shù)：建模4.1.4模型的融合在數(shù)字孿生體系中，根據(jù)不同層面的建模進(jìn)行分類(lèi)，將模型構(gòu)建主要分為幾何模型構(gòu)建、信息模型構(gòu)建、機(jī)理模型構(gòu)建等類(lèi)