数字孪生:跨界赋能于多领域智能的新应用.pdf
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1、数字孪生:跨界赋能于多领域智能的新应用刘芳1,刘琪2,黄美晨1,常丽娟1,王晓晖1,赵玲1,田枫11(东北石油大学计算机与信息技术学院,大庆163318)2(东北石油大学电气信息与工程学院,大庆163318)通信作者:黄美晨,E-mail:摘要:随着大数据、5G、人工智能、CPS、云计算、物联网技术的发展与交叉融合,使得世界朝着数字化、智能化方向发展.数字孪生是以物理实体为原型建立多维虚拟模型,通过安装在物理本体上的传感器实时反馈数据,并结合以往的历史数据和人工智能技术,最后利用软件分析并呈现.由于数字孪生技术能与多个先进理念,如:工业4.0、航空航天、智慧城市、智慧医疗等良好的融合并应用,这
2、使其成为多个行业的热门研究方向与主要驱动技术,在各行各业都有很大的发展空间.本文首先阐述了数字孪生技术的基本概念,梳理了数字孪生技术的发展脉络,进一步理清了数字孪生技术与 CPS 技术之间的关系,并介绍了数字孪生技术的研究现状.其次,介绍了数字孪生的关键技术即多维多尺度建模,孪生数据管理和虚拟呈现.最后,探讨了数字孪生技术在智慧工厂领域、智慧城市领域、孪生医疗领域、航空航天领域的应用发展和方向,并从方案、特点、关键技术等角度介绍了本研究团队在智慧工厂领域对原稳加热炉设备的数字孪生应用案例.关键词:数字孪生;虚拟呈现;多维多尺度建模;智慧工厂;智慧城市引用格式:刘芳,刘琪,黄美晨,常丽娟,王晓晖
3、,赵玲,田枫.数字孪生:跨界赋能于多领域智能的新应用.计算机系统应用,2023,32(8):3141.http:/www.c-s- Twin:New Application of Transboundary Empowerment to Industrial IntelligenceLIUFang1,LIUQi2,HUANGMei-Chen1,CHANGLI-Juan1,WANGXiao-Hui1,ZHAOLing1,TIANFeng11(SchoolofComputer&InformationTechnology,NortheastPetroleumUniversity,Daqing1633
4、18,China)2(SchoolofElectrical&InformationEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)Abstract:Withthedevelopmentandcross-integrationofbigdata,5G,artificialintelligence,CPS,cloudcomputing,andInternetofThingstechnologies,theworldisdevelopinginthedirectionofdigitizationandintelligence.D
5、igitaltwinistobuildamultidimensionalvirtualmodelbasedonthephysicalentity.Thesensorinstalledonthephysicalentityfeedsbackthedatainrealtime,combinestheprevioushistoricaldataandartificialintelligencetechnology,andfinallyanalyzesandpresentsthemwithsoftware.Becausedigitaltwintechnologycanbewellintegratedw
6、ithandappliedinmanyadvancedconcepts,suchasindustry4.0,aerospace,smartcity,andsmartmedical,ithasbecomeapopularresearchdirectionandmaindrivingtechnologyinmanyindustriesandhasgreatdevelopmentspaceinallwalksoflife.Thisstudyfirstlyexpoundsonthebasicconceptofdigitaltwintechnology,sortsoutthedevelopmentofd
7、igitaltwintechnology,furtherclarifiestherelationshipbetweendigitaltwintechnologyandCPStechnology,andintroducestheresearchstatusofdigitaltwintechnology.Secondly,itintroducesthekeytechnologiesofthedigitaltwin,namelymultidimensionalandmulti-scalemodeling,twindatamanagement,andvirtualpresentation.Finall
8、y,theapplicationanddevelopmentdirectionofdigital计算机系统应用ISSN1003-3254,CODENCSAOBNE-mail:ComputerSystems&Applications,2023,32(8):3141doi:10.15888/ki.csa.009191http:/www.c-s-中国科学院软件研究所版权所有.Tel:+86-10-62661041基金项目:国家自然科学基金(61502094);黑龙江省省属本科高校基本科研业务费(东北石油大学优秀中青年科研创新团队)(KYCXTD201903);黑龙江省高等教育教学改革研究项目(SIG
9、Y20190098);黑龙江省哲学社会科学基金(22EDE389);黑龙江省教育科学规划重点课题(GJB142113);黑龙江省省属本科高校基本科研业务费(东北石油大学引导性创新基金)(2020YDL-11)收稿时间:2022-11-17;修改时间:2023-01-19;采用时间:2023-03-14;csa 在线出版时间:2023-06-30CNKI 网络首发时间:2023-07-03SpecialIssue专论综述31twintechnologyinsmartfactory,smartcity,twinmedical,andaerospacefieldsarediscussed,andth
10、edigitaltwinapplicationcasesoftheoriginalstableheatingfurnaceequipmentconductedinthesmartfactoryfieldbytheresearchteaminthisstudyareintroducedfromtheperspectivesofscheme,characteristics,andkeytechnologies.Key words:digitaltwin;virtualpresentation;multidimensionalmulti-scalemodeling;smartfactory;smar
11、tcity随着新一代信息技术和通信技术的快速发展,世界朝着数字化、智能化方向发展.在智慧工厂、智慧城市、航天航空和生物医药等领域,有许多高度集成化的复杂设备如飞机、智能机床、火箭卫星、医疗设备等.这些设备的设计、研制、测试、运营、维护等全生命周期长,发生故障和性能退化概率增加,因此,针对复杂设备的故障检测和状态检测广受关注.数字孪生技术的出现缩短了设备的全生命周期,同时,实时检测设备状态,进行故障诊断,保证设备安全运行.美国国家航天局和空军实验室一起提出未来飞行器的数字孪生范例1,这个数字孪生体是由多物理场、多尺度、多概念的高保真物理模型、飞行器历史数据以及传感器实时数据构成的虚拟模型,来完成
12、飞行器的健康状况检测、任务可行性预测和剩余寿命估测.数字孪生技术已迅速成为了学术界和企业工作者的研究热点,各国也在大力推进制造业智能化转型.本文首先介绍了数字孪生的基本概念;其次介绍了 CPS,数字孪生与 CPS 的关系,相同点与不同点;然后阐述了数字孪生的发展历程与研究现状;接下来介绍了数字孪生实现的关键技术,包括多维多尺度建模,孪生数据管理与虚拟呈现;然后阐述了数字孪生分别在智慧工厂领域、智慧城市领域、孪生医疗领域、航空航天领域的发展和方向,并从方案、特点、关键技术等角度介绍了本研究团队在智慧工厂领域对原稳加热炉设备的数字孪生应用案例.1数字孪生定义与现状 1.1 基本概念数字孪生又称为数
13、字双胞胎,是指物理实体一对一映射到数字空间的动态虚拟模型,通过信息化平台监控物理实体的运行状态、诊断其健康状态、模拟其变化过程、预测其剩余使用寿命等,以数字化模型来模拟物理实体在现实世界的状态和行为,并且可以通过预定义接口发出指令调整物理实体的行为.数字孪生的物理实体可以是多层次的,物理实体主要分为单元级、系统级和复杂系统级.例如零部件看作单元级,由零部件组合成发动机控制系统的系统级,再由各系统组成航天器系统为复杂系统级,实现各系统间协作运行,再数字化,建立数字孪生模型.数字孪生的建立来自于物理本体的多维虚拟模型.数字孪生在建模方面,主要关注物理实体的物理行为、材料测定、量化误差研究,使模型参
14、数更加准确.数字孪生数据反馈也是多要素的,依赖于压力、温度、角度、速度等传感器.数字孪生利用人工智能技术,以传感器反馈数据和大量历史数据为材料,不断迭代优化模型,实现多空间尺度的模型构建.CPS 是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统,通过 3C(computation、communication、control)技术的有机融合与深度协作,实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务2.数字孪生是CPS3继续发展而诞生的,它也是 CPS 技术发展进程中所需要的条件4.CPS 集成了计算、存储和通信功能,也能实时高效的监测和控制物理实体对象.CPS 的基本构成:智能连接、数据分析、网络连
15、接、认知与决策、执行5.CPS 系统同样由物理实体上的传感器采集数据;数据分析将所采集数据转化为能理解的信息;网络是 CPS 运行的核心,通过网络连接汇聚各个线路信息;认知与决策利用已有经验和人工智能学习结果做出正确处理方案;执行是通过执行层实现虚拟模型到物理实体的反馈控制.虽然两者都强调物理实体、虚拟系统以及虚实之间的交互,但数字孪生更关注物理实体和虚拟模型的实时运行映射,而 CPS 则更关注系统的信息采集、处理和反馈控制.CPS 系统可视作数字孪生的更高层级,而数字孪生可看作 CPS 系统构成的一部分.1.2 研究现状2003 年,由 Grieves 教授提出“镜像空间模型”,这一模型没有
16、引起充分关注.后来 2005 年 Grieves 教授提出数字孪生概念,它是包括了虚拟模型、物理实体和两者之间连接的三维模型,此模型能实现物理产品计 算 机 系 统 应 用http:/www.c-s-2023年第32卷第8期32专论综述SpecialIssue的数字化表达,实现产品全生命周期数据的有效管理6,7.2010 年,美国国家航天局(NASA)利用数字孪生概念对飞行系统进行全面诊断和预测,来保证飞行系统的安全操作.范德堡大学的 Li 等人8提出了面向机翼健康监测数字孪生的动态贝叶斯网络,以预测裂纹增长的概率.2015 年,西门子公司9将数字孪生技术由复杂高端的飞行器军事领域推广到一般工
17、业制造领域,以提高机器生产的质量和效率.美国通用电气公司基于自己的云平台 Predix 构建数字孪生体,来实现对发动机的实时监控、及时检查和预测性维护10.国内对于数字孪生的研究起步较晚,多以高校为主.北京航空航天大学的陶飞等人在 2017 年提出了数字孪生车间的概念,探讨了车间信息世界和物理世界的链接,并系统阐述了数字孪生车间的基本组成和运行原理11.2018年陶飞等人提出数字孪生驱动的 6 条应用准则和14 类应用,引导学者们进一步思考如何将数字孪生理论落地12.此外,如图 1 所示,为陶飞等人 2019 年提出的数字孪生五维概念模型13,将数字孪生应用分为物理实体、虚拟实体、服务、孪生数
18、据、连接这 5 个维度,为数字孪生模型在 10 大领域的落地方案提供参考.数字孪生技术发展脉络,如图 2 所示.在此期间,庄存波等人2提出数字孪生技术有助于解决产品全生命周期中数据管理问题,建立了产品数字孪生体的体系结构,并结合产品生产的各个实施阶段提出了产品数字孪生体的概念.丁华等人14将深度学习应用到数字孪生领域,基于高逼真度的孪生仿真模型,实现采煤机在线可视化,完成采煤机健康状态检测和关键零件剩余寿命预测.武颖等人15为了解决复杂产品装配的时效性、预测性差等问题,构建由物理车间、虚拟车间和车间生产管理系统三者协同工作的孪生模型,同时结合 Markov 方法,实现装配过程质量数据的采集、分
19、析、反馈以及预测,通过搭建质量管控平台,以实例验证了其准确性.本文对数字孪生发展过程中的重要文献进行调研并梳理如表 1所示.服务连接连接连接连接连接连接物理实体虚拟实体孪生数据图 1数字孪生五维概念模型Grieves 教授7提出数字孪生概念,它是包括了虚拟模型、物理实体和两者之间连接的三维模型,此模型能实现物理产品的数字化表达,实现产品全生命周期数据的有效管理.由 Grieves 教授6提出“镜像空间模型”这一模型没有引起充分关注.2003 年2005 年2010 年2015 年2017 年2018 年2019 年美国国家航天局(NASA)利用数字孪生概念对飞行系统进行全面诊断和预测,来保证飞
20、行系统的安全操作.陶飞等人11提出数字孪生车间的概念,详细介绍了数字孪生车间的关键技术、运行机制、特点、系统组成,并探讨了车间信息世界和物理世界的交互与共融.陶飞等人13提出数字孪生五维概念模型,将数字孪生应用分为物理实体、虚拟实体、服务、孪生数据、连接5 个维度,为数字孪生模型在 10 大领域的落西门子公司将数字孪生技术由复杂高端的飞行器军事领域推广到一般工业制造领域,以提高机器生产的质量和效率9.陶飞等人12分析了数字孪生在企业应用上的进度,提出数字季生驱动的 6 条应用准则,探索了数字孪生驱动的14类应用设想与实施过程中所需突破的关键问题与技术.地方案提供参考.图 2数字孪生发展脉络20
21、23年第32卷第8期http:/www.c-s-计 算 机 系 统 应 用SpecialIssue专论综述33表 1数字孪生技术发展过程中的重要文献序号时间作者文献名称研究内容12003年Grieves6Product lifecycle management:The newparadigmforenterprises提出“镜像空间模型”22005年Grieves7ProductlifecyclemanagementDrivingthenextgenerationofleanthinking提出数字孪生概念32014年Li等人8AdynamicBayesiannetworkapproachfo
22、rdigitaltwin提出了面向机翼健康监测数字孪生的动态贝叶斯网络42015年西门子公司9西门子推出MindSphere开放工业云将数字孪生技术由复杂高端的飞行器军事领域推广到一般工业制造领域52015年何江10工业互联网架构实例分析以GE公司Predix为例基于云平台Predix构建数字孪生体,来实现对发动机的实时监控、及时检查和预测性维护62017年陶飞等人11数字孪生车间一种未来车间运行新模式北京航空航天大学的陶飞等人在2017年提出了数字孪生车间的概念,探讨了车间信息世界和物理世界的链接,并系统阐述了数字孪生车间的基本组成和运行原理72017年庄存波等人2产品数字孪生体的内涵、体系
23、结构及其发展趋势提出数字孪生技术有助于解决产品全生命周期中数据管理问题,建立了产品数字孪生体的体系结构,并结合产品生产的各个实施阶段提出了产品数字孪生体的概念82018年陶飞等人12数字孪生及其应用探索提出数字孪生驱动的6条应用准则和14类应用,引导学者们进一步思考如何将数字孪生理论落地92019年陶飞等人13数字孪生五维模型及十大领域应用提出数字孪生五维概念模型102019年武颖等人15基于数字孪生技术的复杂产品装配过程质量管控方法构建由实体车间、仿真车间和车间生产管理系统三者协同工作的孪生车间模型,同时结合Markov方法,实现装配过程质量数据的采集、分析、反馈以及预测112020年丁华等
24、人14数字孪生与深度学习融合驱动的采煤机健康状态预测将深度学习应用到数字孪生领域,基于高逼真度的孪生仿真模型,实现采煤机在线可视化,完成采煤机健康状态检测和关键零件剩余寿命预测2数字孪生关键技术 2.1 多维多尺度建模数字孪生应用的首要步骤就是要创建数字孪生模型.Grieves 教授最先提出一种数字孪生模型,即包括仿真、实体、连接的三维模型6,此虚拟模型能实现物理产品的数字化表达.但随着数字孪生技术逐步由航天飞行器领域走向各个民用行业,而各个行业对于数字孪生的应用对象和业务诉求不同,创建数字孪生模型遇到了很大的挑战.此外,传统成熟建模技术主要关注物理实体的几何和物理维度,缺少从深层次的行为、机
25、理、规则层面进行融合设计,而且缺少从不同时间尺度和不同空间尺度来刻画物理实体的功能.数字孪生建模要实现多维多尺度的高保真建模,多维多尺度建模可看作从空间维、时间维、质量维等多维度来刻画物理实体的几何、属性、行为等特征.多尺度建模包括从不同空间尺度来数字化物理实体,从 3D 空间、不同层级(单元级、系统级、复杂系统级)来模拟物理实体,以及从时间尺度刻画物理实体的复现推演、实时动态、未来预测过程.构建多维多尺度模型,是数字孪生技术发展的趋势.陶飞等人提出数字孪生五维模型满足动态多维多尺度模型的要求,将数字孪生应用分为物理实体、虚拟实体、服务、孪生数据、连接这 5 个维度13,其中虚拟实体就包括几何
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