数字孪生技术 课件 第一章 概述.pptx

第一章概述

目录1.1数字孪生内涵1.2数字孪生的应用领域1.3数字孪生的基本原理1.4数字孪生技术1.5数字孪生工具

1数字孪生内涵数字孪生的起源“孪生”的概念源自于1969年美国国家航空航天局的“阿波罗计划”。在该计划中，通过利用与太空航天飞行器完全相同的地面飞行器（孪生体），模拟太空飞行器的工作状态，辅助工程技术人员分析、处理太空中出现的紧急事件。

2002年，美国密歇根大学MichaelGrieves教授在产品全生命周期管理课程中，首次提出了“ConceptualIdealforPLM（ProductLifecycleManagement）”的概念模型，并在后来的文章中定义为“镜像空间模型”，该模型包括了物理空间的实体产品、数字空间的虚拟产品，以及二者间的连接。虽然数字孪生（DigitalTwin）的概念没有被正式提出，但是已经将虚拟产品从设计阶段扩展至制造和运行的全生命周期中，体现了数字孪生的基本思想，它被看做是产品数字孪生概念的雏形。

1数字孪生内涵数字孪生的起源2010年，NASA（美国航空航天局）在未来飞行器数字孪生技术报告中正式提出了数字孪生概念，并被定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”。

2012年，美国国家标准与技术研究院提出了基于模型的定义和企业概念，将数字挛生的内涵延伸至整个产品的制造过程，即创建企业和产品的数字模型，数字模型的仿真分析贯穿整个产品的生命周期。随后数字孪生逐渐应用于航空航天领域，包括机身设计与维修、飞行器能力评估、飞行器故障预测等，数字孪生技术引起了研究人员和工程人员的广泛关注。

1数字孪生内涵数字孪生的发展历程数字孪生概念起源于美国，最初是用于航天意外事件的诊断与预测、空军战斗机维护等，后来美国通用电气公司将其推广至工业生产领域。随着西门子、达索等制造企业开展数字孪生应用技术研究，数字孪生技术逐步扩散至欧洲。

数字孪生技术发展历程是新一代信息技术不断集成融合的过程。由于人工智能、物联网、虚拟现实等技术的不断发展以及元宇宙概念的兴起，数字孪生概念进一步完善，适用范围不断拓宽。回顾数字孪生技术发展历程，大致可以分为以下四个阶段。

数字孪生技术积累期（1980-2000年）：是指CAD、CAE、CAM等计算机建模仿真、计算机辅助工程等技术准备与应用阶段，以模型仿真驱动为特征。1980年以来，随着计算机辅助设计、制造等建模仿真与分析软件在工程设计中的逐步应用，基于计算机的产品数字化设计、仿真、验证和分析是该时期的主要表现形式。

1数字孪生内涵数字孪生的发展历程数字孪生概念提出期（2000-2015年）：是指数字孪生体模型的出现和英文名称的确定阶段，以模型与感知控制驱动为特征。MichaelGrieves教授首次提出“镜像空间模型”，成为数字孪生概念的起源，并将该理念应用于产品全生命周期管理之中。2010年，NASA将数字孪生应用于航天航空领域，之后通用电气、达索、西门子等制造业龙头企业广泛开展数字孪生应用。

数字孪生应用推广期（2015-2020年）：是指向更大范围的应用延伸阶段，以模型、感知、空间位置等多技术融合驱动为特征。随着物联网、BIM技术的成熟与普及，二维GIS技术向三维化、实体化、语义化不断发展，数字孪生技术应用逐渐从封闭空间的小场景，走向更加开放空间的大场景，从数字孪生零件、产品、车间，走向数字孪生楼宇、园区、城市等更大尺度范围。

1数字孪生内涵数字孪生的发展历程数字孪生快速发展期（2020年以后）：是指跨领域技术集成与融合阶段，以模型、位置、感知、交互、AI等技术全面融合驱动为特征。随着数字孪生与大数据、AI等技术进一步融合，数字孪生技术广泛应用于工业互联网、智慧城市建设等领域。近两年，由于元宇宙概念的兴起、AR/VR的发展提速，加速推动数字空间与现实空间的深度融合，数字孪生进入大集成大融合发展阶段。

1数字孪生内涵数字孪生的概念数字孪生的概念在标准化组织、学术界和企业中有不同的表述方式。标准化组织认为，数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。学术界认为，数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据和算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。企业认为，数字孪生是资产和流程的软件表示，用于理解、预测和优化绩效以实现改善的业务成果。

通俗的讲，数字孪生（DigitalTwin）是指通过软件工具和数据分析，创建一个真实物理对象、系统或过程的虚拟数字复制品，所以又称“数字双胞胎”，也被称为“数字映射”“数字镜像”等。它是利用物理模型