2024数字孪生技术与工程实践：第2章数字孪生相关技术和一般架构.pptx

2024数字孪生技术与工程实践

第2章数字孪生相关技术和一般架构

引言数字孪生技术，是从数字模型、数字样机的相关技术发展而来；而对于生产系统的数字孪生，又和虚拟制造这一技术相关。数字孪生不是全新的技术，它具有建模仿真、虚拟制造、数字样机等技术的特征，并在这些技术的基础上进行了发展。数字孪生不是一种单一的技术，而是一系列技术的综合应用。数字孪生为这些技术在智能制造、智能建造和智慧城市等领域的应用提供了全新的、具体的场景，带动了相关技术的进一步发展。2

目录2.1数字孪生的技术基础2.2数字孪生推动力——新兴信息技术2.3数字孪生系统的一般架构3

2.1数字孪生的技术基础4

数字孪生的技术基础数字孪生的技术基础，是指在数字孪生这一概念出现之前，就已经广泛研究和应用的技术。这些技术的发展促使“数字孪生”这一概念的产生，同时，数字孪生技术的出现和发展也会对这些技术产生新的发展需求。这些技术主要包括建模仿真技术、虚拟制造技术和数字样机技术。5

数字孪生的技术基础——建模仿真技术：模型模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。模型大致可以分为三类：（1）物理模型：指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。（2）形式化模型：用某种规范表述方法构建的、对客观事物或过程的一种表达。形式化模型实现了一种客观世界的抽象，便于分析和研究。例如，数学模型，是从一定的功能或结构上进行抽象，用数学的方法来再现原型的功能或结构特征。（3）仿真模型：指根据系统的形式化模型，用仿真语言转化为计算机可以实施的模型。模型的构建，一般都会有一套规范的建模体系，包括模型描述语言、模型描述方法、模型构建方法等。数学就是一种表达客观世界最常用的建模语言。在软件工程里面常用的统一建模语言（UML）也是一种通用的建模体系，支持面向对象的建模方法。6

数字孪生的技术基础——建模仿真技术：数字制造模型在制造行业，数字制造模型是数字制造全生命周期中的一个不可缺少的工具。数字制造全生命周期包括数据处理、数字传输、执行控制、事务管理和决策支持等，它是由一系列有序的模型构成的，这些有序模型通常为：功能模型、信息模型、数据模型、控制模型和决策模型，有序通常指这些模型分别是在数字制造的不同生命周期阶段上建立的。数字制造模型有多种分类方式。从形式上分，有全局结构模型（如制造系统体系结构）、局部结构模型（如FMS模型）、产品结构模型和生产计划调度模型等；从方法上分，有数学解析模型（如状态空间模型）、图示概念模型（如IDEF模型）及图示——解析混合模型（如Petri网模型）等；从功能上分，有结构描述模型、系统分析模型、系统设计实施模型和系统运行管理模型等7

数字孪生的技术基础——建模仿真技术：数字制造模型的主要对象在数字制造中，需要用模型加以描述的对象包括：（1）产品：产品的生命周期需要采用各种产品模型和过程模型来描述；（2）资源：机器设备、资金、各种物料、人、计算设备、各种应用软件等制造系统中的资源，需要用相应模型描述；（3）信息：对数字制造全过程的信息的采集、处理和运用，需要建立适当的信息模型；（4）组织和决策：将数字制造的组织和决策过程模型化是实现优化决策的重要途径；（5）生产过程：将生产过程模型化是实现制造系统生产、调度过程优化的前提。8

数字孪生的技术基础——建模仿真技术：仿真在对一个已经存在或尚不存在但正在开发的系统进行研究的过程中，为了了解系统的内在特性，必须进行一定的试验，由于系统不存在或其他一些原因，无法在原系统上直接进行实验，只能设法构造既能反映系统特征又能符合系统实验要求的系统模型，并在该系统模型上进行实验，以达到了解或设计系统的目的，于是，仿真技术就产生了。模拟（Simulation）即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系统来表示它们的过程。仿真（Emulation）即用另一数据处理系统，主要是用硬件来全部或部分地模仿某一数据处理系统，使得模仿的系统能像被模仿的系统一样接收同样的数据、执行同样的程序，获得同样的结果。习惯上的“计算机仿真”应该是“计算机模拟”。在不引起歧义的情况下，本书用习惯用语“仿真”来表述上述的“模拟”和“仿真”的概念。仿真就是建立系统的模型（数学模型、物理模型或数学—物理效应模型），并在模型上进行实验。仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行实验，并借助于专家经验知识、统计数据和资料对实验结果进行分析研究并做出决策的一门综合性和实验性的学科。9

数字孪生的技术基础——建模仿真技术：仿真模型建模与仿