基于数字孪生的新型计算机集成信息系统研究与探索.pdf
《基于数字孪生的新型计算机集成信息系统研究与探索.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于数字孪生的新型计算机集成信息系统研究与探索.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、现代电子技术Modern Electronics TechniqueSep.2023Vol.46 No.182023年9月15日第46卷第18期0 引 言数字孪生12的概念在 2011年由密歇根大学的教授Michael Grieves 提 出,起 始 命 名 为 信 息 镜 像 模 型(Information Mirroring Model),而 后 演 变 为 数 字 孪生34。2012 年 美 国 空 军 研 究 实 验 室 与 美 国 航 天 局NASA 提出了构建未来飞行器的数字孪生体。数字孪生体是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据,集成多学科、多尺度的仿真过程,其作为虚拟空间
2、中对实体产品的镜像,反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程56。陶飞等人提出了数字孪生具体实现的五维模型78,并且将数字孪生应用到工业生产制造、数字装备等910方面。其中,基于数字孪生的新一代计算机集成信息系统应当包括物理实体模型、虚拟数字模型、数据动态传输、物理引擎驱动、虚实交互融合、数据智能处理以及迭代演化规则等,为实际工程应用提供系统性支撑。文献1112中陶飞等提出了数字孪生车间的概念,DOI:10.16652/j.issn.1004373x.2023.18.015引用格式:吕楠,王琪冰,陆佳炜,等.基于数字孪生的新型计算机集成信息系统研究与探索J.现代电子技术,2023,46(18)
3、:7784.基于数字孪生的新型计算机集成信息系统研究与探索吕 楠,王琪冰,陆佳炜,肖 刚(中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)摘 要:随着数字孪生理论的不断发展,数字孪生技术已被广泛用于智能制造、智慧城市、复杂设备等领域。数字孪生具有的特性使其最有可能成为下一代计算机集成信息系统的核心。文中对基于数字孪生的新一代计算机集成信息系统的内涵、理论发展、技术优势、功能及关键实现技术等五方面内容进行阐述。数字孪生技术的核心本质在于其实现了真实意义上的人机交互、虚实交互和动态交互,并有效地解决了当前的数据稀疏、实验条件局限、生产效率低、信息扁平、缺少系统性支撑等问题。文中给出一个具
4、体的应用案例,利用数字孪生完成智能化的计算机集成信息系统构建,并用于解决目前自动扶梯场景安全监测的难点。关键词:数字孪生;计算机集成信息系统;物理引擎驱动;虚拟实验平台;数据驱动;虚实交互融合;人工智能算法;机器学习中图分类号:TN91934;TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1004373X(2023)18007708Research and exploration of new computer integrated information system based on digital twinL Nan,WANG Qibing,LU Jiawei,XIAO Gang(Colle
5、ge of Metrology&Measurement Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)Abstract:With the continuous development of digital twin theory,digital twin technology has been widely used in intelligent manufacturing,smart city,complex equipment and other fields.The characteristics of digita
6、l twin make it the most likely to become the core of the next generation computer integrated information system.The connotation,theoretical development,technical advantages,functions and key implementation technologies of the new generation computer integrated information system based on digital twi
7、n technology are elaborated.The core essence of digital twin technology is that it realizes humanmachine interaction,virtualreal interaction and dynamic interaction in the true sense,and effectively solves the current problems of data sparseness,limited experimental conditions,low production efficie
8、ncy,flat information and lack of systematic support.A specific application case is given.The digital twin is used to complete the intelligent computer integrated information system and solve the difficulties of safety monitoring in current escalator scenarios.Keywords:digital twin;computer integrate
9、d information system;physics engine driver;virtual experimental platform;data driven;virtual and real interaction integration;artificial intelligence algorithms;machine learning收稿日期:20230209 修回日期:20230303基金项目:国家自然科学基金项目(61976193)7777现代电子技术2023年第46卷为实现信息物理系统(CPS)提供了清晰的思路、方法和实现途径,而且为虚拟模型探讨和模拟未知世界提供了新的
10、理念和工具。A.Bilberg等基于数字孪生实现人与机器由物理空间到虚拟空间的实时映射和动态交互,实现了面向装配系统的工业应用13。O.Demirel等提出了一种基于仿真的计算设计方法,利用人体工程学设计原则在建模平台上实现了数字人体闭环系统的构建14。V.Havard 等提出将数字孪生的精确模拟能力与 VR 技术相结合的交互式设计理念,建立了协同仿真与通信的体系结构15。王成山、王静远等提出一种基于综合能源的数字孪生智慧城市建设方案,通过城市综合能源的系统规划、运行、控制以及与城市多领域协同交互,展望了未来智慧城市的发展与应用1617。数字孪生带来了新的信息技术革命,第一代的信息技术是以计算
11、机相互连接的互联网,主要应用是社交与网络服务;第二代的信息技术是物联网万物互联,将物联网应用到各行各业的生产与服务中。随着研究深入,数字孪生技术被广泛应用于复杂设备、智能制造、智慧城市、医疗、交通、能源、航空及军事等领域,基于数字孪生的计算机集成信息系统有望成为新一代信息技术1820。该系统具备的特性有交互性、动态性、演化性、智能性等,交互性包括智能对象及其智能行为建模、人机交互智能化与孪生体的交互;动态性为虚拟对象/物理世界与真实对象/虚拟空间的多模态数据互通与融合;演变性是虚拟对象随着物理形态和状态的变化,以及虚拟对象根据一定的变化规律自行演化,进而实现基于现实又超越现实。1 基于数字孪生
12、的计算机集成信息系统的内涵基 于 数 字 孪 生 的 新 型 计 算 机 集 成 信 息 系 统(Computer Integration Information System based on Digital Twins,DTCIIS)将基于现有硬件条件,通过数据的传输通信获取物理空间的有效信息,构建基于人机环境的数字孪生空间;对于不同数据信息类型采用不同的处理方式,建立能够表达物理世界的三维模型、机理模型、混合模型;物理引擎由孪生数据驱动,经过三维渲染及可视化技术实现物理世界数字空间的动态交互;通过机器学习、人工智能学习算法实现预测、决策、测试、验证、优化等,完成数字空间到物理世界的反馈,
13、实现物理世界到数字空间的闭环。DTCIIS可广泛应用于实际的智能制造、军事航天、智慧城市、能源电力等领域,图 1所示为DTCIIS的架构设计。1.1 理论发展与意义数字孪生的理论源于 Michael Grieves 教授提出的数字“双胞胎”,经历过美国空军用于飞机的维护、美国航天局 NASA的航天器的镜像仿真、中国北航课题组提出工业生产线的信息物理系统(CPS)21。数字孪生理论不断发展,其应用的领域越来越多,这表明数字孪生的出现满足了目前技术变革与发展的需求,在现有基础上集成了应用于解决现实问题、满足实际需求的前沿技术。随着传感测量技术和信息通信技术的不断发展,及硬件计算能力的不断提高,数字
14、孪生具备了向空间规模的系统扩展,通过多源数据的汇集融合,利用人工智能算法实现对数据的高效处理,在物理引擎中实现对现实世界的高逼真建模,以数据驱动虚拟对象与现实同步。数字孪生根据不同领域的需求,在大规模复杂系统层面协同优化,促成了 DTCIIS 的出现。对于新的 DTCIIS来说,会出现多物理系统的耦合、多时间维度的动态关联、多空间的信息交互、非线性和不确定的复杂集成系统。这也说明 DTCIIS复杂程度更高,拥有的功能更强大。在数字孪生的空间中,不仅是虚拟与实际相互同步,虚拟对象也拥有更多的功能、可玩性与研究性,来实现现实世界有局限和破坏的实验、可重复性利用和可移植性操作等,从虚拟反向指导现实物
15、理世界。1.2 技术特性与挑战新的数字孪生计算机集成信息系统的核心三要素为模型、数据与规则,即Core=Model,Data,Rule,如图2所示。模型为计算机集成信息系统的表征对象,如人、机器与环境;数据为实际物理对象与数字化空间虚拟对象的双向交互数据;规则为物理世界的运行规律与逻辑,通过数据连接物理实体与数字对象实现映射,由物理空间的运行规律和逻辑描述数字空间的要素对象运行。实现DTCIIS需要集成多学科、多尺度理论技术,如数据的获取需要利用传感器采集物理世界的各种数据,将各类数据传输到系统平台需要通信传输技术,对数据的进一步处理需要人工智能算法,由处理后的数据驱动数字空间对象的运行需要物
16、理引擎,物理引擎中驱动数字空间虚拟模型需要遵循物理世界的运行机理与逻辑。图 3所示为基于数字孪生的计算机集成信息系统的实现技术流程。DTCIIS具有的技术优势是数字化、智能化、交互性、移植性与拓展性,在 DTCIIS中可以集成众多前沿理论技术,通过数字孪生(DT)实现整个流程的系统集成与技术整合。DTCIIS的技术优势具体如下:1)数字化是实现数字孪生的基础。通过数字孪生将物理空间与数字空间双向连接,将物理世界的研究对象映射到数字空间,按照物理世界的规则、原理和逻辑建立机理机制,将研究对象具有的属性、状态、要素与内在关系等信息转换成数字化信息表达在数字空间。78第18期2)智能化是数字孪生迭代
17、演化的基础。数字孪生系统具有生命体的特征,在数字孪生中能够感知外在信息,处理外界信息,集成人工智能的算法具有更强信息处理、分析、预测、决策等能力,持续地学习物理世界信息并反馈到数字空间中,使得数字生命体不断迭代演化。3)交互性是数字孪生中物理世界与数字空间虚实交互的基础。数字空间中的对象由实时传输的数据驱动与物理世界的实体同步运行,最重要的是可以在数字空间中模拟出物理世界的高风险行为,达到在数字空间中对实际复杂系统的可行性分析。4)移植性是数字孪生中最重要的优势之一。数字空间的虚拟数字资源可复制性利用,强大的移植能力使得 DTCIIS减少了冗余的工作,使得研究者与使用者更加关注自己的需求,提高
18、了整体的使用效率。5)拓展性是 DTCIIS的重要优点。高度的拓展性保障了计算机集成信息系统具有的丰富功能,通过调用丰富的软硬件资源实现拓展功能,满足了个性定制图1 DTCIIS的架构设计吕 楠,等:基于数字孪生的新型计算机集成信息系统研究与探索79现代电子技术2023年第46卷的功能需求。图2 基于数字孪生的计算机集成信息系统三要素DTCIIS实现的硬件载体中,主流的计算机硬件处理能力由 CPU 与 GPU 决定。随着开源架构的兴起,硬件处理的功能化和模块化需求逐渐成为主流,形成定制化和半定制化趋势。根据实际需求选择对应处理器,能够节约成本,避免计算能力的浪费,通过分布式计算与云计算的方式可
19、进一步满足实际需求。如:侧重视觉计算则增加具有强大图像处理能力的图像处理单元(ISP);用于人工智能处理的加速处理器(APU)侧重信息通信传输,则增加处理器的数据吞吐与快速信息纠错能力等。DTCIIS利用硬件模块化和定制化的优势,将个性化需求与子系统集成相结合,完成对DTCIIS的构建。图3 基于数字孪生的计算机集成信息系统的实现技术流程目前面临的最大挑战是国内缺少成熟的工业三维渲染软件,缺少配套的工业仿真软件,硬件模块化与高度定制化缺少技术积累。这些关键技术是实现基于数字孪生的新型计算机集成信息系统的重要组成部分。优势在于:国内数字孪生的起步较早而且快速地应用到了工业生产领域和城市管理等领域
20、2224,国内的工业领域产业齐全,DTCIIS的使用场景已经积累了大量的理论与技术基础。2 基于数字孪生的计算机集成信息系统的功能基于数字孪生的计算机集成信息系统的功能对于社会的生产生活具有重要的意义25,主要表现在:人机安全监测解决了人与机器设备的动态交互、高效生产;设备健康管理解决了设备组件的系统性关联故障与数据稀疏问题;虚拟实验平台实现了数字空间与物理世界的研究对象的等效性,且解决了物理世界中实验条件局限问题;综合化管理平台集成了具有一定功能的子系统模块,提升了智能化水平和生产效率。2.1 人机安全监测人机安全监测2628是工业生产的重要组成部分,安全高效的生产对于人与机器设备具有重要的
21、意义。人机动态交互、双向协调是未来智能制造领域的发展方向,当前缺少对人机安全协调生产的研究,而 DTCIIS在人机安全监测领域能够实现安全高效生产。DTCIIS在实现人机安全监测方面,首先构建出人机数字孪生虚拟场景,利用计算机视觉技术实现对人的姿态行为识别,将人的姿态行为映射到数字空间中,驱动虚拟数字人物运动;再由现场通信总线获取机器设备的运行数据,用于驱动数字空间中机器模型运动。这样的目的在于:控制虚拟人物模拟危险行为去操作、使用机器,将虚拟姿态行为信息反馈到现实中去训练人物行为识别的算法,测试虚拟机器的危险状态指标;通过添加验证数据驱动机器设备运转,调节人机的动态变化,根据不同的任务量验证
22、实际生产计划方案的可行性。2.2 设备健康管理设备健康管理广泛应用于工业生产制造、军事、航天等领域2931,DTCIIS在设备健康管理(PHM)方面相比于传统的 PHM 所具有的优势是系统性和集群性,能够根据设备的实时运行数据与历史数据,在故障的前期或者潜伏期发现故障、处理故障3233。该系统由传感器对80第18期设备的运行状态监测驱动数字空间的设备组件运动,实现对设备组件的动力学分析、故障仿真等;通过建立设备组件的机理模型,不断迭代优化,在数字孪生空间中反映出设备的易损耗部件、易故障组件及组件之间的相互影响关系34。对于批量化设备生产,利用 DTCIIS的移植性优势移植到不同的复杂工程中,能
23、够形成设备集群化管理,提高工作效率。2.3 虚拟实验平台数字虚拟化实验是目前数字孪生中最具优势的方面,基于现实又超越现实使得 DTCIIS有重要的研究价值35。实际生产生活中常有各类安全事故的发生,这给人们的生命财产安全带来了巨大威胁,而 DTCIIS具有虚拟验证功能,能实现物理世界中重大事件模拟验证。传统的工程验证基本是基于仿真的可行性验证,大多是在工程实施之前,缺少连续性、动态性与周期性。在重大的工程项目中,构建 DTCIIS去模拟物理世界中无法执行或者实验代价较高的破坏性实验,可以通过数字孪生的实现对物理世界的反馈,进一步指导实际的研究与工程项目。在生产制造领域,利用数字孪生的虚拟实验平
24、台极大地提升了生产效率。对实际的生产制造环境建立DTCIIS,通过对生产制造的各个环节、要素监测,不断对生产环节进行优化,在 DTCIIS中反复验证改进方案的有效性,模拟出实际生产的方案,实践优化方案将DTCIIS与实际的生产制造流程同步,将 DTCIIS中出现的问题与故障反馈到现实生产环节,同时需要将实际生产制造的实际问题反馈到 DTCIIS,分析出现的原因以及解决的办法。2.4 综合管理平台综合管理平台是 DTCIIS的信息化、数字化集成的体现。在综合管理平台中集成了众多子系统,各个子系统既可以独立运行又可以集成具有复杂功能的综合系统3637。例如在智慧城市的 DTCIIS 中,可以接入城
25、市的能源、水力、人口、气象、地理、消防、交通等子系统3840,利用数字孪生的多源数据构建虚拟验证环境,基于人员分布、历史数据、发展态势、设备状态等为城市的管理建设提供决策依据,为城市资源调度提供保障。3 基于数字孪生的计算机集成信息系统的关键技术数字孪生是集成了多学科、多尺度的复杂系统性工程,融合了传感、通信、仿真、控制、机器学习、人工智能及三维渲染等关键技术。高精度、高逼真的建模技术深度还原了物理实体的信息,是数字孪生实现的基础;数据驱动决定了虚拟现实的交互性,是数字空间研究对象迭代演化的前提;机器学习与人工智能是处理大量数据,实现预测、分类、决策的重要处理手段;三维渲染技术是实现可视化的保
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 数字 孪生 新型 计算机 集成 信息系统 研究 探索
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。