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。     

并行DSP系统软件调试器设计与实现

针对数字信号处理器(DSP)构成的专用并行处理系统的软件调试存在较多困难这一问题,提出了系统级调试的概念,在层次化总线硬件架构模型的基础上,讨论了系统软件调试的基本方法和任务,并采取层次化数据结构、静态符号表自动生成、可扩展底层接口等关键技术实现了一种专用多DSP系统调试工具.分析表明,此调试工具大大减轻了实时信号处理软件的调试工作量.     

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.     

基于数字孪生的物流配送调度优化

为了实现对物流配送过程的远程运维,达到真正的物流配送实时状态透明化,提出基于数字孪生(digital twins,DT)的物流配送调度系统.基于数字孪生基本概念,构建了物流配送数字孪生五维结构模型及数字孪生驱动下的物流配送系统整体框架.考虑到实际配送中物资常常无法按时送达,建立带有软时间窗的数学模型,并设计相应的算法内核对数学模型进行求解.最后,结合实例利用Plant Simulation仿真软件建立与现实物流配送完全映射的3D模型,借助配送过程实时数据,实现对物理空间的精确模拟和优化仿真.通过与传统物流配送优化仿真方法对比,验证了基于数字孪生的物流配送调度优化方法能够有效解决配送过程中由车况或路况出现的扰动所带来的影响,实现更优的物流配送.     

数字孪生驱动的大数据制造服务模式

 大数据、数字孪生等新技术引发了人们对制造模式的新思考，结合《中国制造2025》中制造业服务化重要内容，提出一种数字孪生驱动的大数据制造服务新模式。从智能制造与数字孪生、制造服务模式方面综述了国内外相关研究进展；提出了一个数字孪生驱动的大数据制造模式开放式体系架构及其运作逻辑；从数字孪生驱动的2个世界及其描述、数字孪生与大数据的结合、大数据制造服务模式中模型建立与优化3个方面对大数据制造服务模式使能技术进行了研究。该制造服务模式对促进中国传统制造企业转型升级和提升新国际竞争环境下综合竞争力具有理论和现实意义。     

面向离散制造的混杂数控自治系统设计

研究离散制造中混杂数控生产线的智能化控制问题.引入智能感知、智能决策与智能执行等智能制造技术,构建生产线数控设备的联网协同机制,实现类似流程制造中自动化生产及无人值守的自治控制.基于信息物理融合系统(cyber physical systems,CPS)设计混杂数控自治系统(autonomous system for hybrid NC,ASHNC),提出具体架构与分层模型.采用WPF技术开发原型系统,并且在多个知名企业所构建的数控生产线中得到应用.实际效果验证了系统的可行性.     

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。     

煤矿智能掘进机器人数字孪生系统研究及应用

针对煤矿井下巷道掘进过程中环境复杂多变,存在掘进效率低下、智能化程度不高等问题,论文提出了一种基于数字孪生技术的煤矿井下智能掘进机器人监控技术。在数字孪生体技术通用参考框架的指导下搭建了智能掘进数字孪生系统参考框架,分析了面向掘进的数字孪生系统成熟度模型,通过对智能掘进机器人系统及其组件进行数字孪生实例化设计,实现智能掘进机器人群掘-支-运平行作业协同控制。为了适应陕北地区的复杂地质条件,设计了盾体式临时支护+横轴式掘进机的智能掘进机器人并介绍了其各组成部分工作原理。设计了智能掘进机器人数字孪生系统控制架构,详细描述了其数据感知模型。并以小保当矿业有限公司智能掘进机器人系统为应用案例,展示了智能掘进机器人数字孪生系统的研究和应用情况。研究显示该系统可适应复杂地质条件下多机器人掘-支-运平行作业协同控制,结合虚拟现实有效整合多源数据,可实现多机器人掘进过程的智能感知与远程控制,有效提升巷道掘进的智能化水平,保障巷道掘进效率和成型质量。     

平行制造与工业5.0:从虚拟制造到智能制造

 以虚拟制造为基础,提出一种智能制造的新范式--平行制造。它融合了社会物理信息系统（cyber-physical-social-systems,CPSS）和工业智联网的概念,综合物理系统、信息系统和社会系统的复杂性,以ACP（artificial systems,人工系统）、计算实验（computational experiments）、平行执行（parallel execution）方法为理论指导,结合工业智联网技术、软件定义技术和知识自动化技术,构建了平行演化、闭环反馈、协同优化的智能制造体系。该系统由3部分组成：软件定义的过程与工厂确定其描述智能、计算实验优化建立其预测智能、虚实互动的平行执行构建其引导智能。通过描述、预测和引导智能的全方位综合利用,实现数字化与透明化的制造企业智能化体系。     

Component-based Control Software Design for Flexible Manufacturing System

A new method that designs and implements thecomponent-based distributed & hierarchical flexiblemanufacturing control software is described with acomponent concept in this paper. The proposed methodtakes aim at improving the flexibility and reliability ofthe control system On the basis of describing theconcepts of component-based software and thedistributed object technology, the architecture of the     

Services oriented architecture of foundation data platform of digital city

Digital city, a large complex system, is comprised many subsystem of different fields. It involves common field data, flexible field processes, seamless intra-organization and inter-organization collaborations, and increasing connectivity and interoperability between distributed or decentralized systems. All above these are involved Foundation Data of Digital city. To promote the sustainable development of Digital City, this paper investigates to the construction of Foundation Data Platform (FDP) from the view of the architecture. The paper introduces the conceptions, characteristics and underlying problems of the FDP, and discusses the key issues of the architecture paradigms what FDP might adopted via comparing Object-Oriented Architecture (OOA), Component-Based Architecture (CBA), and Service-based Architecture (SBA). The Process Embedded Service-Oriented Architecture (SOA), one of the recent SOA Application Architecture is introduced. The results indicate that the Process Embedded SOA could promote the sustainable development of Digital City and accommodate the dynamic development environments of different fields which constantly changes requirements.     

Services oriented architecture of foundation data platform of digital city

Digital city, a large complex system, is comprised many subsystem of different fields. It involves common field data, flexible field processes, seamless intra-organization and inter-organization collaborations, and increasing connectivity and interoperability between distributed or decentralized systems. All above these are involved Foundation Data of Digital city. To promote the sustainable development of Digital City, this paper investigates to the construction of Foundation Data Platform {FDP） from the view of the architecture. The paper introduces the concep- tions, characteristics and underlying problems of the FDP, and discusses the key issues of the architecture paradigms what FDP might adopted via comparing Object-Oriented Architecture {OOA）, Component-Based Architecture （CBA） , and Service-based Architecture （SBA）. The Process Embedded Service-Oriented Architecture （SOA）, one of the recent SOA Application Architecture is introduced. The results indicate that the Process Embedded SOA could promote the sustainable development of Digital City and accommodate the dynamic development environments of different fields which constantly changes requirements.     

基于CIM的变电站设备数据库模型探讨

分析了公共信息模型的特征,提出了一种基于IEC61970标准的CIM模型与关系数据库的一种映射方法,使之能符合当前主流数据库并实现电力软件互操作的目的.为了使CIM更加符合设备管理软件的需要,以山西某220 kV变电站的设备管理系统建立为背景,对CIM进行了扩展,并以二次设备为例,阐述了扩展的过程.该方法使得软件系统的数据库表能完全遵循IEC61970标准,具有良好的兼容性.     

一个模型转换的验证框架

模型驱动体系结构（Model Driven Architecture，MDA）是OMG为充分利用基于UML的建模技术并分离软件系统的抽象描述和具体事项而提出的。模型转换对MDA的成功至关重要，但对于同传统软件开发过程中的测试部分同等重要的模型转换中的验证和有效性确认（V＆V），目前的研究比较少。为此，尝试提供一个基于MDA上下文的模型转换性能的验证框架。该框架用于验证原模型包涵的性质，检查源模型与／或目标模型的各个元素是否通过模型转换规则实现了语义等价。同时，采用EMFAPI开发了一个用来分析Tefkat语言描述的模型转换规则的verifier原型系统，并通过实例验证了其有效性。     

模型驱动体系结构MDA及xUML规范在其语境中的探讨

介绍OMG提出的模型驱动体系结构MDA ,它将与实现技术无关的模型和基于特定技术的模型分离 ,并通过模型间的变换 ,使系统能适应技术的发展 ,解决系统在不同中间件平台的集成、互操作性、可移植性等问题 ,提高生产力 ,保证程序质量 .并对在MDA语境中的xUML作进一步的讨论     

计算机辅助可重组制造系统集成设计框架

为解决目前缺乏能够结合我国制造业现状的具体实施与应用的可重组制造系统计算机辅助系统平台问题,提出了基于面向对象开放式架构、模块化技术方法的可重组制造系统集成设计框架.分析了集成框架的规划问题,给出了体系结构.建立了集成框架的系统功能模块,并就实现每个模块所采用的关键技术进行详细阐述.依据该设计思想,结合某汽车零部件制造企业开发了集工艺分析描述、布局规划、生产调度、仿真优化、成线监控和资源管理为一体的集成系统.     

基于SOA的网络教学资源系统集成

传统的网络教学资源系统由于在平台、开发工具和系统上是紧耦合的,这导致了各种网络教学资源系统的分散和独立。而面向服务的SOA具有松耦合性,与平台、语言无关性等特点,可以快速、有效地整合网络教学资源系统。分析、探讨了网络教学资源系统的工作现状、SOA的概念和体系结构,提出了基于SOA的网络教学资源系统集成框架,并给出了一个成功的网络教学资源系统集成案例,实现了网络教学资源系统的集成和软件复用。     

基于COM／DCOM和消息驱动的企业可重构信息系统

当前对CORBA（Commom Object Request Broker Architecture)、DCOM（Distributed Compo-nendt Object Model)以及代理技术在企业信息系统重构中的应用和研究是个热点,笔者基于COM（Com-ponent Object Model)/DCOM技术基础上,提出了建立消息管理/分配机制的中间控制单元,通过消息驱动实现企业信息系统重构的实现方法;对于中小企业的信息系统重构可以产生比较好的实用效果。