基于数字孪生的掘锚一体机实时状态映射

数字孪生是一种实现复杂装备在物理世界与信息世界互联融合的新兴技术,在复杂装备模拟仿真、监控分析、诊断预测、优化控制等方面有着广阔的应用前景.本文以掘锚一体机为对象,对复杂装备数字孪生运动与建模分析、数据传递及双向映射开展了研究.在数字孪生行为一致性方面,基于历史物理仿真数据库与实时驱动数据,实现了掘锚一体机运动学快速仿真分析.同时,提出了掘锚一体机数字孪生几何模型库构建技术,通过有限状态机、快速布尔运算等方法实现了掘锚一体机状态镜像映射,以及运动过程中服役环境实时仿真.此外,在实时状态映射方面,提出了掘锚一体机数字孪生虚实映射技术,通过在线采集与传递孪生数据,实现了基于异步传输的信息实时传递.对于掘锚一体机整机抬升、进给、挖掘、煤渣拢料等运动过程,数据处理平均延迟时间小于10-2 ms,运动学插值处理数据误差小于3％,开发的掘锚一体机数字孪生仿真帧率达到74.3帧/s,实现了融合服役环境的掘锚一体机实时状态映射与作业流程实时在线监测.     

数字孪生的新边界——面向多感知的模型构建方法

作为网络物理空间CPS(cyber-physical space)建设的重要支撑技术之一,数字孪生已应用在航空航天、智能制造、智慧城市、智慧医疗、智慧教育等多领域,但其在实践过程中也出现了一些问题。例如:数字孪生概念泛化,导致理解偏差从而造成产学研用目标不一致、实践结果不受目标用户认同;具体实施缺乏通用有效方法,导致难以形成普遍性实践案例和公认的典型案例。为解决这些问题,需对数字孪生概念边界进行约束,并对数字孪生方法边界进行延伸,形成数字孪生的新边界,促进形成共识,增加实施方法,更好地推动其发展。在概念上,物理实体是一种具备多种性质的物质集合体,具有复杂性、真实性、即时性的特点,可随外界条件变化按照客观规律进行动态演化。在将物理实体映射到数字孪生的研究中,极易扩张概念范围,如将动态演化过程模拟——仿真、外界条件——数据、甚至对象——物理实体等全部包含在内。如此一来,数字孪生概念将失其核心,不利于在学界就其形成共识。在方法上,基于对多场景下相关应用的详细调研分析,现有数字孪生研究往往越过对物理实体的感知过程,直接依托原有专业领域的模型或模型构建方法而进行。这种方法在取得一些进展的同时,也显现出一定的局限性。首先,已有模型多聚焦于细分领域,在领域间无法通用;其次,已有模型中既少有同时体现数字孪生模型高保真、多尺度、多物理场的特点,更罕有涉及对应全生命周期信息流动的内容,直接套用无法保证数字孪生的有效实现;再次,从已有认知的高度直接进入建模过程可能导致成本过高,如世界公认的美军典型案例ADT计划,建设时间以10年计,投入人力物力巨大,这进一步阻碍了产业界进入数字孪生实践。为应对这些挑战,在概念边界方面,提出了数字孪生应回归其数字化模型的本质,以模型为中心进行有效约束,从而促使产学研用各方的理解达成一致。在方法边界的延伸方面,提出了一种面向多感知的数字孪生模型构建方法,即按照人类对物理世界的一般认识过程,先经由各种感知方法对特征获得感性认识,而后经各种认知过程进一步形成理性认识,由浅入深、由易到难、由简到繁地来进行数字孪生的实践。首先,通过视觉、听觉、触觉和动力感知、嗅/味觉、与反映条件变化的控制数据相结合等多感知方法,建立物理实体的数字孪生初始模型,在模型建立之初就聚焦于物理实体的复杂性和真实性,充分体现数字孪生模型的特点,有效增强模型的实用性和通用性;其次,将初始模型逐步与已有认知的知识框架进行匹配,并使用从物理实体处返回的控制数据进行不断迭代,将物理实体在特定外界条件变化下的各种性质变化、实时/近实时反应、对其有影响的各种客观规律、行为逻辑等信息按照研究领域的实际需要逐步加入到数字孪生模型中,有效控制模型规模和成本,逐步实现全生命周期的信息流动;再次,将优化成型的数字孪生模型进一步用于理论和实际研究中,如仿真、规划、优化、决策等,促进各项研究的发展;最后,展望了面向多感知数字孪生模型在计算机图像扫描领域、文化遗产保护领域、医疗和教育领域及某些特殊领域的应用前景。     

基于单像的三维几何信息量测

为快速获取城市规则建筑物的三维几何信息,以经典摄影测量原理为基础,研究并实践了单像立体量测方法。结果表明:对获取的城市大倾角、高分辨率单张影像,通过该方法,结合城市规则建筑物已有的二维地理信息(如建筑物底座某一边的实际长度),可量测出城市规则建筑物的三维几何信息。实验证明其精度可行,对三维数字城市建设具有一定的参考价值。     

电网运营知识体系中数字孪生技术展望和思考

数字孪生（Digital Twin,DT）技术通过利用电网运行中的信息数据流.虚拟电网来实时感知和监测物理实体电网运行状态,进而对电网的运管调控制定出超前虚拟预测决策.在数字化时代,数字孪生技术为智能电网运营发展提供了一种新途径和新思路.阐述了数字孪生技术的内涵与特征,以及电网运营系统结构框架,并在此基础上,梳理了数字孪生电网运营知识体系框架,阐述了数字孪生电网运营系统的关键技术.从运营管理层角度分析了数字孪生技术在电网企业可实现的典型应用,为数字孪生技术在电网运营体系的建设提供理论支撑.     

数字城市地理信息公共平台中三维场景的建立

主要阐述了数字城市地理信息公共平台建设中三维场景实现的技术和方法,通过对于不同的数据处理方式、建模方法和流程,以及对不同三维地理信息系统软件的三维场景建立方法的了解和对比,总结出了一套完整、可行的实现流程与方法.     

基于数字孪生模型的数控铣床状态监测系统

设计了一种基于数字孪生技术的数控铣床状态监测和分析系统。该系统由物理信息采集系统和基于数字孪生的实时监测软件两部分组成。物理信息采集系统通过传感器和网络化数控系统技术,对数控铣床运行状态数据进行实时监测和采集。应用数字孪生技术将物理世界的状态反映到数字化的虚拟机床模型中,从而对机床运行状态进行在线监测。实验表明,该系统能够采集数控铣床运行过程的多种物理信息数据,实时更新数字化虚拟机床模型的状态,为加工优化、故障诊断、预测性维护等提供了支撑。     

基于模型的数字孪生的认知突破与方法论创新

在新一代信息技术快速发展和广泛应用的背景下，数字孪生技术下的虚拟孪生模型，相较于以往的模型呈现出前所未有的特征与优势：能够实现对物理原型的多维多时空尺度刻画，能够基于算法和数据双驱动实现与物理原型之间的精准映射与虚实融合，能够在物理原型的全生命周期内实现动态重构与自主孪生。在“数字孪生五维模型”基础上描绘了一幅“基于模型的数字孪生图解”以对数字孪生模型的构建、运作与应用进行具体分析。数字孪生模型方法的应用是对人类以往认识世界方法的最新突破，由此也带来了人们认知方式与思维模式的转变。基于模型的数字孪生正是在“需求思维、模型思维、协同思维”的指导下，不断进行着模型构建与协同合作新方法的尝试，以期通过技术实现造福于人类社会。     

基于数字孪生的数控机床虚实交互监控系统设计

针对传统的监控技术和虚拟仿真技术无法直观体现数控机床实际运行状态的问题,结合新一代信息技术和数字孪生理念,设计了基于数字孪生技术的数控机床虚实交互监控系统.以某型号数控机床为例,首先通过Portal软件对系统架构和相关功能进行设计,在此基础上将传感器采集的信息通过PLC和以太网传输到系统中进行模拟量转换;然后通过OPC-DA将系统中的数字孪生数据与数字孪生体相连接,实现信息的接收和传输,完成虚实结合;最后采用该方法对机床的振动信号进行实时监控和远程控制面板的设计.实验结果表明,利用数控机床虚实交互监控系统和数字孪生体对加工过程进行双重监控可以更加有效、直观地体现机床的实际运行状态,并且利用虚实交互监控系统对数字孪生体进行虚拟控制可以进一步扩展数字孪生技术的应用领域.     

基于数字孪生的航天结构件制造车间建模研究

针对航天结构件制造车间物理空间与信息空间缺乏实时交互的问题,提出了基于数字孪生的车间建模框架,通过关注车间内产品、资源和工艺三个方面,分别对产品数字化定义、基于数字孪生的资源建模和工艺信息的数字化定义等问题进行了研究分析。以企业航天结构件制造车间为案例,展开数字孪生技术在制造车间的应用验证,通过对案例结果的对比与分析,验证了数字孪生制造车间可有效地提高生产效率。     

浅谈倾斜摄影测量技术在数字城市建设中的应用

人们所生活的世界是一个三维空间,如今伴随着测绘地理信息技术的逐渐发展和国家对数字城市、智慧城市建设的具体需求,越来越多的人开始了解三维数字技术,知道其为我国经济与科技发展所提供的帮助有多大。所以,倾斜摄影三维影像获得以及倾斜实景三维模型数据被社会各个领域所重视。目前,三维数字城市模型可以全方位地展现出城市的景观,可以轻松还原出城市以往的面貌,为城市的规划、建设以及民众出行带来便利。     

铝电解数字孪生体构建及应用研究

智能制造与传统铝电解技术的深度融合,引领着铝电解行业可持续发展,但是当前铝电解实体装备与数据模型缺乏有效映射,阻碍了铝电解行业智慧转型的步伐。因此,本文将数字孪生技术与铝电解生产技术有机结合,开展铝电解数字孪生体整体架构设计、关键技术研发及应用研究,构建物理实体、虚拟模型、孪生数据、智能决策服务及虚拟-现实交互连接五维模型。铝电解物理实体划分为电解厂、电解车间及电解设备三个层级,通过三维场景数字化建模、离线物理场建模及动态仿真数学建模,映射与之对应的虚拟模型。使用交互连接技术进行物理实体与虚拟模型实时同步孪生数据,部署铝电解数字孪生体原型系统,实现铝电解生产环节虚实映射,为铝电解行业数字化、智能化转型提供了先进思路与技术方法。     

产品MBD数据集三维标注的自动校验与实现

针对目前商用CAD软件中MBD功能三维标注缺乏正确性校验问题,基于OpenCASCADE几何造型内核研究了三维尺寸标注与标注有效性检查的问题.通过提取被标注对象的几何特征,结合信息标注规则,判断用户标注内容与标注对象间的匹配性,进而判断标注的正确性,增加了系统三维尺寸标注的智能性.设计了分层数据结构存储标注信息,并将标注信息与形体要素相关联,避免了三维标注中重复标注的现象,也为后续的产品虚拟装配、加工制造以及产品服役中产品语义信息的自动化提取提供可能.将标注信息以XML格式储存,便于信息的传输和访问,为进一步研究产品的数字孪生技术打下良好的基础.     

数字城市建设中DEM数据的采集与建立

数字城市又称作信息城市,是指运用计算机技术、全球定位系统、遥感遥测、互联网等技术,对城市的地理、经济、人口、资源等进行三维描述,把城市的全部内容在网络上进行数字化虚拟实现.DEM数据的采集和建立是数字城市建设的基础信息之一,是建设数字城市的三维景观和构建数字城市工程设计的基础信息.该文讲述数字城市建设中DEM数据的采集和建立.     

数字孪生的模型、问题与进展研究

近年来,关于数字孪生的研究方兴未艾。数字孪生作为一个新的范式或者方法体现出了巨大的潜力,但是,这一概念的内涵和范围尚不确定,尤其是对数字孪生模型概念的界定很不清晰。根据模式类别可以将其分为通用模型和专用模型,其中专用模型仍是当前的研究热点,研究内容主要体现为对具体项目使用数字孪生方法进行建模,也包括对专用模型进行开发。这些具体项目除了传统制造业所涉及的零件测量和质量控制,增材制造,设计和工作过程,以及系统管理外,还包括在生物医药、石油工程领域的应用等。开发专用模型的工具和技术呈现多元化,有通用工业软件、专用工业软件、仿真平台和自研二次开发工具等等。数字孪生通用模型的研究对象不针对某一具体项目,而是研究如何将模型受控元素表示为一组通用的对象以及这些对象之间的关系,从而在不同的环境之间为受控元素的管理和通信提供一种一致的方法。数字孪生通用模型的研究主要分为概念研究和通用模型的实现方法,两者的研究热度相当。其中概念研究从宏观角度的产品生命周期管理,到描述系统行为,如一般系统行为和系统重新配置,再到具体工作流,如设计方法、产品构型管理、制造系统、制造过程等,研究内容较为发散,尚没有出现特别突出的热点。关于数字孪生通用模型实现方面,主要研究了建模语言的构建、模型开发方法的探索、具体工具的使用、元模型理念的植入和模型算法的探索。数字孪生模型是数字孪生研究的核心领域之一,其未来的研究重点是如何将不断涌现的各不相同的数字孪生体的外部特征和内在属性归纳为可集成、可交互、可扩展的模型,便于更高效地实现信息在物理世界和数字世界之间流动,从而实现数字孪生的普遍应用,继而支持CPS(网络物理空间)和CPPS(网络物理生产系统)的建设。因此,数字孪生模型研究下一步需要解决的问题是如何对接标准参考架构,如德国提出的工业4.0参考架构模型RAMI4.0和中国的智能制造系统架构IMSA等;关于数字孪生模型需要建立统一的描述方法并确立一致的结论,以规范各自独立发展建立起来的模型,从而改善模型的互操作性和可扩展性,否则,随着系统规模的扩大模型效能会显著下降;中国数字孪生模型的研究急需国产专业工业软件和建模软件的支持,以便中国学者深入开展更加符合国情的深入研究。     

面向低碳的车间生产过程数字孪生建模

智能制造关键技术的不断突破及其在制造业的快速应用极大地改造着传统车间的生产模式．现代企业的生产方式逐渐朝着集成化、复杂化和智能化方向发展,给车间生产过程低碳运行目标带来挑战．为了提高车间生产过程能耗管理的质量与实时性,提出了一种面向车间能耗管理的数字孪生建模方法．基于物理生产车间的生产资源与车间布局方案搭建虚拟生产车间,通过物理与虚拟车间设备运动信息的交互为几何模型添加运动关系,并结合生产节拍建立车间运动规律的数字孪生模型;采集单机物理生产设备随加工参数变化的能耗数据,使用BP神经网络建立多设备的能耗模型,基于获取物理与虚拟车间实时交互的能耗数据建立车间能量流动规律的数字孪生模型．最终实现包含动态能耗信息的车间生产过程数字孪生建模．同时基于该数字孪生模型提出了一种面向车间生产过程的能耗优化方法,结合刀具寿命、机器人运动平稳性、生产时间等多源评价指标建立多目标优化函数,获取数字孪生模型中的动态能耗数据并应用蜂群算法实现对车间低碳生产需求下的多设备加工参数协同优化．最后以给定工件的生产过程为例,对所提数字孪生建模方法和建模效果进行验证,实验结果表明借助该数字孪生模型环境下的生产过程优化方案...     

基于ADS40的三维数据测量技术研究

移动通信网络规划和优化所需的三维地理信息数据一般从数字地形图中提取,再以外业测量补充,周期长、效率低,只能满足变化程度不大,且房屋稀少的区域,不适用于大中型城市。该文探讨基于ADS40数字航摄技术,快速获取移动通信网络规划与优化计算所需三维地理信息数据的技术方法和流程。     

城市DSM的获取技术与应用

城市数字表面模型(DSM)是城市三维模型的展示,它可为数字城市提供重要的基础地理信息数据。探讨了基于航空摄影测量和三维激光扫描数据获取DSM的技术方法,分析比较了两种数据源的优缺点,介绍了DSM在城市发展中的应用。     

支撑地理信息在线服务的运维系统的设计与实现

针对于目前地理信息在线服务系统普遍独立,管理环节还比较薄弱的现状,本论文提出了建立地理信息在线服务的运行维护管理系统的必要性,在研究身份认证、权限访问控制以及日志挖掘等技术的基础上设计并实现了地理信息在线服务的运行维护系统。本系统已经在多个城市的数字城市地理信息公共平台建设中得到应用,并得到一致认可与好评。     

地理信息公共平台建设的技术探讨

地理信息公共平台是促进地理信息资源广泛应用的主要技术手段,也是数字省区与数字城市空间框架建设的核心内容.该文介绍了平台的概念和总体框架,分析了平台的关键技术,同时探讨了平台建设的总体技术思路.     

基于数字孪生技术的异质交通流安全性研究

针对由智能网联车和普通车构成的异质交通流, 通过分析不同异质交通流稳定性方法的优劣, 用数字孪生技术构建城市异质交通流模型, 借助仿真测试工具, 探讨复杂异质交通流的安全性和稳定性问题。在构建的模型基础上, 结合数字孪生的运行机制, 揭示数字孪生物理实体和虚拟空间的运行机理。采用数字孪生技术搭建丰富的测试环境, 运用无人驾驶开发软件PanoSim, 对异质交通流模型进行测试。测试结果表明, 用数字孪生技术在有限资源条件下构建的虚拟复杂驾驶场景能够有效地解决异质交通流安全性问题。