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数字孪生技术及应用展望
1.数字孪生技术概念
数字孪生(Digital Twin):是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
数字孪生作为一种在信息世界刻画物理世界、仿真物理世界、优化物理世界、可视化物理世界的重要技术,为实现上述目标和趋势提供了有效途径。
数字孪生概念是美国工业互联网联盟(IIC,Industrial Internet Consortium)推出的,德国工业4.0推出了信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems)概念。但是,目前国内对数字孪生(DT)的概论体系和应用研究要比信息物理系统CPS热度更高。数字孪生概论图如下:
图1、数字孪生概论图
2. 数字孪生的发展现状
目前共有来自美国、中国、德国等40多个国家,超过160家机构的500多位研究人员开展了数字孪生理论与应用研究,并有相关研究成果发表,同时西门子公司、特斯拉公司、ANSYS公司、通用电气公司等全球知名企业开展了数字孪生在相关领域的落地应用实践。
如在制造领域,以德国西门子公司为代表的企业研究了将数字孪生技术应用于产品的设计、生产、制造、运营、服务、回收等全生命周期过程。国内北航数字孪生小组在2017年提出了数字孪生车间的概念,阐述了数字孪生车间的关键技术,探索了数字孪生与大数据、云计算、人机交互、信息物理系统等技术的关系,开展了数字孪生在设计、制造、服务领域的应用研究,并与国内12家单位共同发起了数字孪生会议。在航空航天领域,美国国家航空航天局(NASA)、洛克希德·马丁公司、美国空军研究实验室等开展了数字孪生在飞行器结构优化、状态监测、寿命预测与健康管理等方面的应用研究。在交通领域,特斯拉公司、DNV GL船级社公司、SNC-兰万灵公司(SNC-LAVALIN)等研究了数字孪生在汽车、船舶、火车等领域的应用。此外,在电力、医疗、智慧城市等领域均有相关企业和科研单位开展数字孪生的应用。
与此同时,国内北航数字孪生小组提出了数字孪生五维模型,并和相关企业共同探讨了数字孪生五维模型在卫星/空间通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机、复杂机电装备、立体仓库、医疗、制造车间、智慧城市10个领域的落地应用探索。
3. 数字孪生五维模型数字孪生技术可以抽象为五维模型,即物理实体、虚拟实体、孪生数据、连接、服务五个维度,参见下图数字孪生五维模型图。具体包含以下几个方面:
图2数字孪生五维模型图
①物理实体是数字孪生五维模型的构成基础,由于物理实体实时状态感知与多物理尺度特征向虚拟层面的映射(信息上传)、物理实体接收并执行来自虚拟层面的反向控制指令(控制反馈)缺乏标准指导,不同开发人员不清楚物理实体需要感知哪些状态?映射哪些属性特征?反向控制哪些行为?导致物理实体接口形式不统一、技术层级不明确、功能边界不清晰;
②虚拟实体是物理实体在数字空间的真实、客观、完整的映射,是孪生数据的载体,由于其描述方式、建模方法、组合规则、运行机制、验证策略等缺乏标准指导,导致不同人员开发的虚拟实体描述层级一致性差、格式兼容性低、组合机制适配性弱,因而可用性低、难以集成;
③孪生数据是数字孪生的核心驱动力,为虚拟实体与物理实体融合提供准确全面的信息源,由于孪生数据的表示、分类、预处理、存储、使用、测试等缺乏标准指导,导致数据分类不统一、数据格式不兼容,因而通用性差、互操作困难、数据融合困难;
④连接实现物理实体、虚拟实体、孪生数据和服务之间的互联互通,由于其连接方式、信息传输、交互机制、测试方法等缺乏标准指导,导致输入输出难以兼容、交互机制难以匹配、虚拟运行难以协同;
⑤服务是数字孪生功能高效行使的媒介,由于其描述方法、开发要求、运行管理、测试评价等缺乏标准指导,导致不同人员开发的服务兼容性差、互操作性低。
4.数字孪生技术的标准体系架构由数字孪生技术的五维模型可知,数字孪生技术的标准化还需建设和完善。数字孪生的标准体系架构分为基础共性标准、关键技术标准、工具/平台标准、测评标准、安全标准、行业应用标准六个方面。具体如下:
①数字孪生基础共性标准:包括术语标准、参考架构标准、适用准则三部分,关注数字孪生的概念定义、参考框架、适用条件与要求,为整个标准体系提供支撑作用。
②数字孪生关键技术标准:包括物理实体标准、虚拟实体标准、孪生数据标准、连接与集成标准、服务标准五部分,用于规范数字孪生关键技术的研究与实施,保证数字孪生实施中的关键技术的有效性,破除协作开发和模块互换性的技术壁垒。
③数字孪生工具/平台标准:包括工具标准和平台标准两部分,用于规范软硬件工具/平台的功能、性能、开发、集成等技术要求。
④数字孪生测评标准:包括测评导则、测评过程标准、测评指标标准、测评用例标准四部分,用于规范数字孪生体系的测试要求与评价方法。
⑤数字孪生安全标准:包括物理系统安全要求、功能安全要求、信息安全要求三部分,用于规范数字孪生体系中的人员安全操作、各类信息的安全存储、管理与使用等技术要求。
⑥数字孪生行业应用标准:考虑数字孪生在不同行业/领域、不同场景应用的技术差异性,在基础共性标准、关键技术标准、工具/平台标准、测评标准、安全标准的基础上,对数字孪生在机床、车间、卫星、发动机、工程机械装备、城市、船舶、医疗等具体行业应用的落地进行规范。
5.数字孪生技术在港口行业的应用展望随着大数据、云计算、BIM/3D、VR/AR、人工智能、5G等高可靠高带宽通信、信息安全、边缘计算、传感器等技术的迅速发展,万物互联的时代必将到来。不久的将来每一个实体如人、动植物、设备、工厂和城市,都会对应一个数字孪生体。试想一下,以后病人足不出户在家里就可以找医生看病,医生在任何地方对照其数字孪生体进行诊断并为其治疗。
数字孪生技术目前在高端制造业得到较为广泛的应用,港机制造商势必会利用数字孪生技术进行各种港机的设计、生产和维护,实现产品生命周期的透明化,全生命周期的健康监测和维护。对于港口行业用户势必要采用数字孪生这一新技术,实现管理作业现场的透明化,实现港口的生产和安全数字管控,实时可视展示整个码头的生产和安全态势。
我司为港口行业定制开发的IP设备智能管理系统,在今后产品演进中应瞄准和跟踪数字孪生这一新技术在智能制造中的应用,为用户提供可视化全生命周期的智能运维解决方案。
参考文献:

1.http://www.innobase.cn/p=1658数字孪生体(Digital Twin)是谁提出的?

2.计算机集成制造系统 “数字孪生技术标准体系架构”陶飞等,2019年10月。


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