數字孿生系統的案例
經緯恒潤高級別智能駕駛業務新產品系列之數字孿生系統
在整個港口水平運輸場景中，經緯恒潤提供了端到端的車、路、網、云、圖全棧式自研解決方案，包含車端自動駕駛、路側車路協同、基于 5G 網絡的遠程遙控駕駛、后臺云端調度、數字孿生、仿真系統、高精地圖等專業模塊，組成了一套完整的智慧港口解決方案。
數字孿生系統作為智慧港口整體解決方案的一個重要組成部分，具備 “回溯既往、掌控當下、預測未來” 的場景效果和應用價值，并且在港口規劃階段、開發測試階段、生產階段等不同階段發揮作用。
數字孿生系統支持建立集裝箱碼頭岸橋、場橋、HAV、碼頭面、堆場、道路、道閘、門架等設備和設施的三維模型，與碼頭操作系統（TOS）、設備控制系統（ECS）、任務調度系統等港口真實信息物理系統進行對接，接收實時生產數據，對集裝箱碼頭實時動態的生產場景和生產運營數據進行可視化，實現對碼頭的生產運營實時監控和分析。
經緯恒潤數字孿生系統可視化
▎ 系統介紹
經緯恒潤數字孿生系統包括三維場景、生產場景可視化、數據看板、數據服務等幾個模塊。
三維場景
數字孿生系統建立了整個集裝箱碼頭的高逼真度三維模型，包括碼頭面、道路、堆場、交通標志、護欄、辦公區域等靜態實體模型，以及岸橋、場橋、車輛、道閘、紅綠燈等動態實體模型。
生產場景可視化
數字孿生系統通過實時接入來自岸橋、場橋、HAV、TOS 的設備狀態數據，堆場狀態以及作業任務數據，驅動三維場景，實現生產過程的動態顯示，并支持堆場箱區貝位布局顯示、車輛狀態標識、車輛規劃路徑、集裝箱任務路徑等用于信息增強的三維輔助信息顯示。
展開 數字孿生體的多態
但本文所講的多態是指數字孿生體的多態，它是指站在系統的角度看，數字孿生體對象與其模型之間所存在的一對多的關系，是服務的多態。
1.數字孿生系統
正如上面所說，簡單地講，數字孿生系統由真實物理系統、數字孿生體和數據交互三部分組成，如下圖所示。數字孿生系統根據在不同領域的應用，如企業、城市、軍事等領域，在系統基本邏輯結構圖的基礎上，進一步細化形成各自的數字孿生系統結構圖，例如對于制造過程，真實物理系統可以進一步細化為人員、工具、材料、流程、環境、設備、產品等要素，數字孿生體建立相對應人員、工具、材料、流程、環境、設備、產品等的數字孿生體，并進一步集合形成制造過程數字孿生體，如下圖所示。
展開 數字孿生技術在沖壓車間的應用探究
數字孿生系統經過與實體層的有機結合，實現對生產加工、過程裝配、產品運輸和物料倉儲等具體生產活動與數字孿生系統的聯動。
數據層
數據層是數字孿生系統的核心，主要由車間數據和數字模型構成。
車間數據主要通過對沖壓車間大范圍、深層次、多種類的海量數據進行采集，以及對異構數據的協議轉換與邊緣計算處理數據而獲得，并對數據進行匯集，形成數字孿生系統的數據庫。
數字模型是對沖壓車間建筑和設備進行真實的三維建模，是對車間實體幾何物理特征的真實寫照。以物理實際為藍本，將各模型進行刻畫，以還原車間的真實狀況。
數字孿生系統通過對車間數據和數字模型進行有機結合，搭建虛擬的數字空間。
應用層
應用層是數字孿生系統的窗口，主要面向用戶進行信息交互，實現虛擬與現實的信息傳遞。通過數字孿生系統使虛擬數字空間與現實生產車間進行實時聯動，實現了多角度的三維實時監控，同時利用虛實交互過程中的大量數據用以實現生產制造過程優化和決策。
數字孿生既可以完成車間現場的數字化重建，使虛擬的數字空間聯動現實生產車間的生產活動，也可以實現車間生產活動在數字空間內的虛擬再現，并支持進行管理分析、優化及決策等功能。
數字孿生系統關鍵要素
通過以上架構搭建的沖壓車間數字孿生系統，可以重構沖壓車間的生產活動。沖壓車間數字孿生系統是通過多技術交叉融合而實現的，其中數據采集、模型構建和生產過程的實時聯動是整個系統的關鍵。
展開 數字孿生之操作系統、算法、仿真模擬解析
目錄
數字孿生之操作系統、算法、仿真模擬解析
（一）數字孿生系統介紹
1-1 數字孿生系統組成
1-2 數字孿生的三個核心要素
（二）數字孿生計算機操作系統
2-1 數字孿生對操作系統有什么要求
2-2 數字孿生系統的實時性、低延遲
2-3 支持數字孿生的操作系統
（三）建模和算法，及仿真軟件
3-1對物理實體建模的關鍵數據來源
3-2 數字孿生主要環節涉及的計算
3-3 數字孿生如何通過算法，創建模型
3-4 數值模擬的常用算法
3-5 建模與仿真軟件工具
3-6對數據過程分析或控制的軟件工具
3-7 數字孿生的仿真模擬計算，對時間要求
3-8 通過仿真模擬/建模，怎么去改變物理實體
3-9 如果仿真模擬計算量太大，怎么加速？
展開 
正式發布 | 我司參與制定《無人機數字孿生系統通用要求》等團體標準
近日，深圳市無人機行業協會正式發布由優飛迪科技（以下簡稱我司）參與制定的《無人機數字孿生系統通用要求》等三項團體標準，并下發了相關通知。
通知部分內容摘錄如下：
“各會員單位：
為促進無人機技術創新，推動低空經濟發展，提升市場競爭力。工業和信息化部電子第五研究所、深圳市無人機行業協會、廣西科技大學、深圳市優飛迪科技有限公司、武漢市安全技術防范行業協會等單位制定的《無人機數字孿生系統通用要求》、《多旋翼無人機飛行控制系統半實物仿真測試方法》、《無人機功能危險分析指南》三項標準已按《深圳市無人機行業協會團體標準管理規定》完成標準制定、征求意見、專家評審程序。
自2023 年6月2日發布，2023 年 10 月1日起施行，現予以公告。”
我司深度參與相關標準制定
自相關標準制定工作啟動以來，我司積極組織技術專家參與標準立項、起草、復審等工作，為標準的制定提供了技術支持與專業建議。相關標準的成功制定對于推動無人機行業的規范化、標準化和長遠發展具有重要意義。
三項團體標準簡介
《無人機數字孿生系統通用要求》
，規定了無人機數字孿生系統的組成結構，及其組成子系統包括數據采集裝置、數據傳輸裝置、無人機數字孿生軟件、計算工作站等通用要求、驗證試驗以及標識、包裝、運輸和貯存要求。
《無人機功能危險分析指南》
，提供了無人機功能、工作模式、環境與方式、失效狀態、功能危險分析表的示例，為開展無人機功能危險分析提供指導。
《多旋翼無人機飛行控制系統半實物仿真測試方法》
，提供了對飛控樣品進行功能性能和安全性的半實物仿真測試方法。
展開 基于仿真的數字孿生系統構建與應用
?基于數據+模型的設備智能運維
結合工業物聯網平臺，實現運行數據、數字孿生模型在同一平臺的交互融合，通過對設備運行數據及數字孿生仿真進行大數據分析，進行預測性分析、規范性分析、運行優化分析，幫助企業實現智能運維、新產品迭代升級等增值服務。基于數據+模型的設備智能運維，以虛擬傳感器的形式更全面地獲取產品狀態數據，能夠更及時地評估產品狀態和故障定位，實現傳統數據分析的飛躍。
技術服務
?數字孿生模型構建
? 建模規范構建
? 多學科系統建模
? 有限元模型降階
? 異構模型集成
? 模型修正與更新
? 虛實交互接口開發
? 模型實時化
?數字孿生應用開發
? 系統指標分解與驗證
? 產品系統性能優化
? 產品故障注入仿真
? 產品虛擬試驗驗證
? 產品狀態監測與健康管理
? 產品全流程研發平臺開發與集成
系列專題
更多關于數字孿生詳細技術以及在具體工程實踐中的應用案例的介紹，敬請關注我司的數字孿生專題。
?概述-基于仿真的數字孿生系統構建與應用
?關鍵技術-機電產品多學科建模與集成
?關鍵技術-三維有限元模型降階與集成
?關鍵技術-復雜模型實時化
?關鍵技術-數字孿生模型的關聯與追溯
?關鍵技術-物理產品與數字模型的虛實交互
?典型應用-系統指標分解與驗證
?典型應用-機電產品設計驗證與優化
?典型應用-機電產品虛擬試驗
?典型應用-機電產品智能運維
展開 空調系統的數字孿生體應用實例上
《基于Flownex的數字孿生體解決方案》是我們最近完成的系列落地方案之一。該方案適用于熱力系統、冷卻系統、通風空調、油氣管網、航空發動機與燃機等應用場景的數字孿生體搭建。本文介紹該解決方案在空調系統數字孿生體中的應用實例，分為上下兩篇，上篇著重介紹空調系統的數化方法和過程，下篇將著重介紹數字對象和物理對象之間的實時動態互動技術。
背景與挑戰
中央空調系統是辦公樓里的耗電大戶，使用數字孿生技術對中央空調系統進行研究，對于節能環保有著非常好的經濟效益和社會效益。
安世亞太總部是一幢五層的獨棟建筑，樓內安裝有多聯機中央空調系統，室外機統一布置在大樓頂層，每臺室外機通過配管連接并拖動某層樓中一半的室內機。室外側采用風冷換熱的形式，室內側采用制冷劑蒸發換熱的形式。
圖：安世亞太總部大樓
圖：多聯機空調系統示意圖
圖：室外機組
圖：室內機組
空調系統數字孿生體的架構
空調系統數字孿生體的架構及關鍵技術如下圖所示。
圖：空調系統數字孿生體的架構
在空調系統數字孿生體的建立中，需要使用CAE仿真分別建立三個物理系統的孿生體，分別是物理制冷循環系統孿生體、物理通風管路系統孿生體和物理室內通風系統孿生體。這三個物理系統孿生體之間的構成和關系如下圖所示。
圖：空調系統中三個物理子系統的孿生體數化過程
空調系統數字孿生體的搭建過程
針對物理制冷系統和通風管路系統，使用Flownex進行數字孿生體的搭建工作。
Flownex具有兩相流動計算功能，能夠計算制冷循環中制冷劑的相變和換熱過程。
展開 智能制造的核心技術之數字孿生（一）
數字孿生的概念 」
全球最具權威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner在2019年十大戰略科技發展趨勢中將數字孿生作為重要技術之一，其對數字孿生的描述為：數字孿生是現實世界實體或系統的數字化體現。
圖1 數字孿生最初概念模型及其術語名詞的前身——PLM的概念化理想
關于數字孿生的定義很多。陶飛教授在自然雜志的評述中認為，數字孿生作為實現虛實之間雙向映射、動態交互、實時連接的關鍵途徑，可將物理實體和系統的屬性、結構、狀態、性能、功能和行為映射到虛擬世界，形成高保真的動態多維／多尺度／多物理量模型，為觀察物理世界、認識物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一種有效手段。
CIMdata推薦的定義是：“數字孿生：是基于物理實體的系統描述，可以實現對跨越整個系統生命周期可信來源的數據、模型和信息進行創建、管理和應用。”此定義簡單，但若沒有真正理解其中的關鍵詞（系統描述，生命周期，可信來源，模型），則可能產生誤解。
「 2. 數字孿生的模型 」
1）數字孿生的概念模型
基于數字孿生的文字定義，圖2給出數字孿生的五維概念模型。
圖2 數字孿生五維概念模型
數字孿生五維概念模型是一個通用的參考架構，能適用不同領域的不同應用對象。其次，它的五維結構能與物聯網、大數據、人工智能等新信息技術集成與融合，滿足信息物理系統集成、信息物理數據融合、虛實雙向連接與交互等需求。再次，孿生數據（DD）集成融合了信息數據與物理數據，滿足信息空間與物理空間的一致性與同步性需求，能提供更加準確、全面的全要素/全流程/全業務數據支持。
展開 數字孿生體究竟是一種什么東西
于是，團標為數字資產這個概念給出了新定義：數字資產是以數字實體形式存在的認知資產；進而為數字資產在數字孿生體概念體系中找到了自己的位置（圖4）。
圖4 數字孿生體概念體系更新版
與上個月《數字孿生體標準化進展年度回顧》中的版本相比，圖4增加了數字孿生體和數字資產的多重繼承關系，并修正了幾處錯誤。
將數字孿生體認定為數字資產（既是數字實體，又是認知資產），以及將DIKW（數據、信息、知識和智慧）體系抽象為認知資產，可見的好處有如下幾條：
通過理清認知資產、無形資產和數字資產之間的關系，豐富了資產管理分類體系。
DIKW的認知資產體系為數字孿生系統架構設計和分析提供了新的視角。
借鑒數字資產領域的技術和應用進展，為建立數字孿生體管理和治理體系提供支撐。例如，區塊鏈技術在數字孿生系統安保子系統的應用。
擺脫英文語義關系束縛，引入業務和架構因素，為數字孿生體建立真正意義上的概念體系本體模型。
將數字孿生體的管理納入系統工程框架（圖5），將系統工程/MBSE是數字孿生體、數字孿生系統和數字線程的頂層框架技術和關鍵技術這句話落到實處。
圖5 安世亞太精益研發三維系統工程模型
正如團標中給出的按時間、空間和目的-手段關系構建的三維分類框架（圖6）是人類認識世界的分類框架，在圖5基礎上抽象出來的系統工程三維參考框架則是人類改造世界的行動框架。這兩個框架將繼續在數字孿生體標準化工作中發揮重要作用。
展開 數字孿生城市中的人群疏散技術
本文基于數字孿生理論（“ 數字孿生是整個生命周期中物理對象或系統的虛擬表示。它使用實時數據和其他來源來進行學習，推理和動態重新校準，以改進決策。” 簡言之，創建一個高度復雜的虛擬模型，該模型與物理事物完全相同（或成對），可以基于實時數據來推演未來，并進而做出改進），對此類問題建立數字化的物理模型，進行探索性研究。
本文基于某地鐵中轉站，采用數字孿生體方法，構建了真實地鐵場景下的數字化孿生系統，通過此系統，可以實時將地鐵車廂內的人員數量與虛擬的數字化孿生模型進行無縫集成和同步，數字孿生模型可在1-2分鐘內快速預測站臺人員的疏散密集程度；基于數值模型的預測結果，數字化孿生系統將自動向站臺工作人員發出合理的圍欄運維策略，避免人群在閘機口擁擠，避免踩踏現象，保護生命安全。
人群導流圍欄
地鐵人群疏散數字孿生體系統的工作方法如下圖所示。
數字孿生模型工作示意圖
首先，搭建實際物理場景的數字孿生化模型：
其次，開發構建實際地鐵人員數量統計系統與數字孿生化模型之間的數據接口；開發數字孿生模型反饋給地鐵中控室運行策略的接口。
最后，在搭建的數字化孿生系統中進行超前（即，列車未到站，人員未下車之前）的預測計算。本文共進行了3種工況的數值計算，對于人員擁堵的工況，進行了人群導流策略控制。
l 工況1，當兩輛列車內乘客人員共100人時：
可以看出，此場景下，當地鐵列車內人員為100人時，任何時刻時地鐵閘機出站口處并未發生人員擁擠的現象，人群可以高效地通過閘機口進行疏散。
展開 直升機動力系統的數字孿生體
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
來源：數字孿生體實驗室原創
作者：孫昊
轉載請注明來源和出處
在如今，為了更好地預測機械零件的壽命，直升機行業已經開始越來越重視數字孿生技術的發展。因為可用于測量飛行期間載荷的傳感器數量有限，所以為了計算機械零件承受的所有載荷，則可以進行模擬仿真以進行補充。對于仿真計算來說，因為直升機動力學系統的復雜性，所以使用多體動力學的形式建立多個子系統的局部模型是有效的方法。本文將介紹某國外直升機主旋翼傾斜盤為研究對象創建數字孿生體的案例。
展開 
數字孿生本質及落地
首先是在人的大腦中進行構思，然后在計算機中通過CAD/CAE/CAM/PLM/ERP/MES等信息化系統進行數字化的設計、分析、加工和管理，經過迭代優化，在物理空間通過機床加工成型，最終裝配與調試成所需產品。
在這個過程中，最初的創想來自意識人體，最重要的過程是在數字虛體中孕育與發生，經過反復仿真和優化，最后以物理實體的形式體現最終價值。
因此，數字孿生價值不僅僅在于虛實兩個空間的映射，也不僅僅是通過仿真實現對物理實體的模擬，更重要的是在數字虛體中對產品結構、制造過程、管理流程等環節進行優化，以最優決策驅動物理實體產生。“形（外觀）象”是數字孿生的外在特征，“神（機理）象”是數字孿生的內在邏輯，而產生“形象”、“神象”的優化迭代是數字孿生的價值根本。如果一套系統只是一味強調或只能做到“形象”，而沒有通過在數字虛體中對物理實體/業務流程進行優化，其價值是有限的，不是一套真正意義上的數字孿生系統。
基于以上分析，筆者將數字孿生總結為以下幾句話：
源于意識人體，孕于數字虛體，生于物理實體。
形式是映射，內涵是仿真，本質是優化。
無優化，不孿生。
注：此處的仿真不僅僅是指通過CAE等工具軟件進行物理實體形態的仿真，還包括PLM/ERP/MES等對研發、生產、管理、服務等業務環節的過程仿真。
展開 優模型：數學模型生成及部署工具
數字孿生的靈魂：數學模型
數字孿生系統是一種利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多物理量、多尺度、多概率的系統仿真過程，通過數字化的方式創建物理實體的虛擬模型。數學模型在數字孿生系統中扮演著至關重要的角色，是整個數字孿生系統的靈魂：
1. 精確映射與實時更新：數學模型能夠確保數字孿生系統與物理實體之間的高度一致性，通過實時數據更新，數字孿生模型能夠反映物理實體的當前狀態和歷史變化。
2. 模擬與預測：利用數學模型，數字孿生系統可以模擬物理實體在不同條件下的行為，預測其在未來的響應，從而為決策提供支持。
3. 優化與改進：數學模型可以幫助分析物理實體的性能，識別潛在的問題和改進點，通過在數字孿生系統中進行優化試驗，可以減少在物理世界中進行更改的風險和成本。
4. 增強決策：數學模型可以處理和分析大量數據，提供深入的洞察力，幫助決策者在復雜系統中做出更明智的決策。
5. 提高效率和降低成本：通過在數字孿生系統中使用數學模型進行模擬和測試，可以減少對物理原型的依賴，從而節省時間、材料和成本。
6. 故障診斷與維護：數學模型可以在數字孿生系統中模擬故障情況，幫助預測潛在的故障點，提前進行維護和修復，減少停機時間。
7. 個性化定制：數學模型可以根據用戶的特定需求，調整數字孿生系統的參數，實現個性化的設計和定制。
8. 支持復雜系統管理：對于復雜的系統，如城市基礎設施或工廠生產線，數學模型可以幫助管理和協調各個組成部分，確保系統運行的高效和穩定。
數字孿生系統數學模型部署的挑戰
在數字孿生系統的構建和部署中，數學模型是實現系統高效、準確運行的基礎。然而，將數學模型有效地部署到數字孿生系統中，面臨著一些挑戰：
1. 數據獲取與整合：數字孿生依賴于大量實時數據的輸入，但獲取這些數據的難度往往被低估。
展開 從兒童車到數字孿生
先說標題的來源，這兩天晚上帶女兒去騎兒童車，某型號的兒童車功能強大，還能變形，能夠變成三輪車，還能變成平衡車，但是女兒無論按照三輪車去騎，還是按照平衡車去騎，總是不舒服，很別扭，所以我就想能否使用數字孿生去解決兒童車這個問題呢（有點殺雞用宰牛刀的感覺）？
由于文章篇幅有限，本文僅僅粗略描述如何建立兒童車的數字孿生原型，以及如何解決上述問題，并不是建立整個數字孿生系統，數字孿生原型是產品研發設計階段，即沒有實際產品的建立數字孿生模型。
兒童車還是其他產品在研發設計過程中主要解決四類問題。具體如下圖：
可以通過數學模型、CAE等技術去驗證兒童車的功能和性能，來滿足我們預測所有期望事件。針對能夠預測的非期望事件，我們可以采用FMEA、FTA等工具與CAE技術相結合，為所有非期望事件提供一個概率及其置信度。如果能夠獲得沒有預測到期望事件，我們可以什么都不用做，只需要開心就可以，那么我們沒有預測到非期望事件呢？就需要采用數字孿生原型來解決該類事件。我們可以采用以下流程：
①建立數字孿生原型
根據上面分析，我們可以建立數字孿生原型，具體如下圖：
②數字孿生原型試驗
將建立好的兒童車數字孿生原型與幼兒人體簡化數字孿生原型、運行環境簡化數字孿生原型相結合，進行兒童車數字孿生原型試驗試驗，評估在幼兒不同尺寸，不同路面的環境下，對兒童車所有可能采用的模型參數進行數值仿真與研究，去分析所有可能導致無法預測大問題，其中幼兒人體數字孿生模型可以僅僅包括軀干、四肢以及部分關節的簡化三維模型，運行環境簡化數字孿生原型，可以僅僅包括水泥路面、地磚路面以及柏油路面等三維模型。
展開 makeTwin：首個數字孿生工業軟件平臺參考架構 | 航空學報CJA
圖6 makeTwin核心功能的交互機制
5）開發了基于makeTwin架構的紡織行業數字孿生應用系統
參考makeTwin架構，研發的紡織車間（CFTS）的數字孿生系統已在企業進行了部署應用。
圖
7 CFTS數字孿生系統主界面
圖
8 紡織車間高保真數字孿生建模
圖
9 裝備故障診斷和預測
6）給出了數字孿生工業軟件架構未來研究方向及建議
文章提出的makeTwin參考架構綜合考慮了軟件平臺的開放性、兼容性、互操作性、可用性和可擴展性，以滿足學術研究人員、開發人員和企業用戶的數字孿生研發和使用需求。然而，makeTwin仍處于從概念到實現的早期階段。makeTwin的體系結構和功能模塊仍需不斷的改進和完善。未來的研究工作主要包括以下4點：
a) makeTwin結構和功能仍需不斷的迭代以形成高可用的工程軟件平臺，同時保證對不同應用領域的適用性。
b) 進一步根據不同行業的特點，繼續研究makeTwin的派生形式，以保證其針對不同行業和應用場景的開發效率。
c) 在更多的應用開發中，對makeTwin進行驗證和改進。
d) 基于makeTwin的研究成果，研發相關標準，以對研究和應用進行規范化指導。
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