數字孿生
關注創建者：安世亞太 創建時間：2019-12-12
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通往數字孿生之路——如何高效、快速搭建數字孿生的平臺方案
通往數字孿生之路——如何高效、快速搭建數字孿生的平臺方案 適用人群：主要是面向對數字孿生、智能制造等前沿技術領域感興趣的各行業設計、仿真工程師。 通往數字孿生之路——如何高效、快速搭建數字孿生的平臺方案【已結束】 直播時間：2020-04-14 19:30 數字孿生（Digital Twin）是當前很熱門的概念，普遍被認為是智能制造以及工業4.0的核心技術。
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系列網絡研討會:產品開發和運營的數字孿生
產品開發和運營的數字孿生
當數字孿生與仿真、高性能計算（HPC）和人工智能（AI）功能融合部署時，通過預測系統行為、使用運營數據以及在所有產品生命周期階段為決策提供信息，數字孿生可提供前所未有的價值，確保技術投資獲得巨大回報。 什么是數字孿生？ 我們將數字孿生定義為資產的虛擬表示，通過仿真、HPC 和 AI 的融合來預測和優化系統結果。
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數字孿生的實例教程
數字孿生當前還處于應用的初級階段，期望本文相關工作能為進一步認識數字孿生，開展數字孿生學術研究和交流，推廣落地應用提供一些參考。
02
文章主要工作
1、數字孿生成熟度評價需求分析
數字孿生作為實現信息物理融合的有效手段，受到國內外學術界、政府部門和相關領域人士的廣泛關注與高度重視。近年來，作者團隊圍繞數字孿生五維模型、數字孿生模型構建理論、數字孿生多尺度建模方法、數字孿生模型評價指標體系、數字孿生數據、數字孿生服務、數字孿生標準體系、數字孿生使能技術與工具等開展了探索性理論研究工作, 并聚焦數字孿生車間、數字孿生裝備、數字孿生衛星等開展了一系列應用實踐工作。然而，在與國內外學者、政府部門和相關領域企業交流探討的過程中，發現存在以下共性疑問和困惑：
（1）如何判斷是不是數字孿生？
（2）如何評判現有數字孿生能否滿足應用需求？
（3）若不滿足應用需求如何優化提升？
上述問題可歸結為缺少針對數字孿生范疇和發展階段的系統性描述和評價方法，而成熟度模型是對目標系統的概念范疇、發展過程和階段性目標的系統性描述，同時，它還具有評價目標系統現階段發展水平和能力程度的功能。因此，本文從落地應用的角度出發，研究提出了一套數字孿生成熟度模型，并設計了一套數字孿生成熟度評價應用流程。
2、數字孿生成熟度等級
統計分析現有數字孿生相關理論研究和應用實踐，依據其功能和用途主要可分為以下幾類：①基于數字孿生的物理實體設計驗證與等效分析；②基于數字孿生的物理實體運行過程可視化監測；③基于數字孿生的物理實體遠程運維管控；④基于數字孿生的診斷與預測；⑤基于數字孿生的智能決策和優化；⑥基于數字孿生的物理實體全生命周期跟蹤、回溯與管理。
展開 致力于數字孿生體技術的研究與發展
通過解決方案和工程化應用造福人類
數字孿生體是現有或將有的物理實體對象的數字模型，通過實測、仿真和數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態，通過優化和指令來調控物理實體對象的行為，通過相關數字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關方在物理實體對象生命周期內的決策。
通過數字孿生體模型，可以實現全面監控系統的關鍵參數，分析系統在非常規條件下的各種性能，如惡劣工作環境、存在加工誤差、沖擊載荷工況等。利用數字孿生體模型進行虛擬化測試，縮短了測試和分析的時間，降低了測試和分析的成本，并可以根據虛擬化測試結果優化試驗參數。因此建立機械產品關鍵零部件（如連桿）的數字孿生體模型，就具有十分重要的意義。
圖1為實現連桿數字孿生體模型的技術路線，主要分為載荷識別、模型降階和數字孿生體模型部署三部分。本文主要介紹了利用ANSYS Twin Builder和ANSYS Deployer軟件建立連桿數字孿生體模型并部署。在ANSYS Twin Builder中，集成了連桿載荷識別ROM和應力/變形場的Static ROM兩個降階模型，運行調試后編譯生成twin模型，并輸出twin文件。在ANSYS Deployer中，建立連桿數字孿生體模型并編譯輸出的twin文件和輸入應變csv文件，生成用于實時計算的可執行SDK文件夾。
展開 2010年,美國國家航空航天局（NASA）在《建模、仿真、信息技術和處理》和《材料、結構、機械系統和制造》兩份技術路線圖中開始直接使用“數字孿生(Digital Twin)”這一名稱。
近年來，學術和企業界對數字孿生的研究熱度不減，愈發深入，國際標準ISO23247（待發布）對數字孿生制造進行明確定義，界定了生產場景下的數字孿生。
縱觀數字孿生的發展歷程，伴隨著相關技術的迭代，數字孿生的內涵也不斷豐富：從簡單的對一個產品、一臺設備、一條生產線等的數字孿生演進到更為復雜的對一個企業組織、一座城市的數字孿生，英國和德國甚至提出“數字國家”這種更為宏觀的概念。
目前，學界和工業界對數字孿生概念的表述雖有差異，但正趨于達成共識：
數字孿生是以特定目的為導向對物理世界現實對象的數字化表達。這一對象不僅包括產品、設備、建筑物等“實物”，也包括企業組織、城市等“實體”。通過對物理對象構建數字孿生模型，實現物理對象和數字孿生模型的雙向映射。
展開 上述問題可歸結為缺少針對數字孿生范疇和發展階段的系統性描述和評價方法，而成熟度模型是對目標系統的概念范疇、發展過程和階段性目標的系統性描述，同時，它還具有評價目標系統現階段發展水平和能力程度的功能。因此，本文從落地應用的角度出發，研究提出了一套數字孿生成熟度模型，并設計了一套數字孿生成熟度評價應用流程。
2、數字孿生成熟度等級
統計分析現有數字孿生相關理論研究和應用實踐，依據其功能和用途主要可分為以下幾類：①基于數字孿生的物理實體設計驗證與等效分析；②基于數字孿生的物理實體運行過程可視化監測；③基于數字孿生的物理實體遠程運維管控；④基于數字孿生的診斷與預測；⑤基于數字孿生的智能決策和優化；⑥基于數字孿生的物理實體全生命周期跟蹤、回溯與管理。通過對上述各類數字孿生研究和應用進行共性分析發現，物理實體、數字孿生模型和兩者間的連接與交互組成了數字孿生的“最小概念”。在此基礎上，基于作者團隊前期提出的數字孿生五維模型，從物理實體（PE）、數字孿生模型（DM）、數字孿生數據（DD）、連接交互（CI）和功能服務（FS）五個維度出發，根據連接交互方式與自動化程度的不同，以數字孿生所能提供的功能服務為主線，將數字孿生分為六個成熟度等級，如圖1所示。其中，物理空間中的物理實體與信息空間中的數字孿生模型通過兩者間的連接進行交互，數字孿生數據則蘊含數字孿生的所有信息，貫穿當前-未來、物理空間-信息空間、物理實體-數字孿生模型-連接交互-功能服務。
展開 ，最后形成員工的綜合性特征，建立員工的數理化模型，在數字孿生體設計開發中，又逐步衍生泛化出崗位A數字孿生體、崗位B數字孿生體、……，有可能進一步泛化到人員A數字孿生體、人員B數字孿生體、……，并在制造過程數字孿生體中進行實例化的應用，如下圖所示：
圖 4 數字孿生體的抽象與泛化
對于一個企業的制造過程數字孿生體來講，人員數字孿生體如此，工具、材料、設備、產品、流程無不如此，在制造過程數字孿生體中，總是存在若干個代表不同真實物理實體，經過賦予個性化特征，又源于同一機理模型和父類數字孿生體的數字孿生體。
整個制造過程的數字孿生體構成一個龐大的數字孿生體群，加之代表在各子數字孿生體形成系統過程所涌現的新特征的數字孿生體，形成完整的制造過程的數字孿生體。對于上級的數字孿生體，可以認為下層的數字孿生體對上層的提供一種服務，即數字孿生體即服務（DT as a Service）。
3.數字孿生體系統的組織構型
對于像制造過程數字孿生體這樣的復雜系統數字孿生體來講，其中各組成部分的子數據孿生體，既要與真實物理實體相對應，形成數字孿生對，又與其它數字孿生體相互作用，形成一個群落，借用美國國防部建模與仿真辦公室的仿真系統名詞，可以叫“聯邦”，如下圖所示。
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現負責新思科技電子數字孿生（eDT）產品線的支持工作。
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