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。     

面向低碳的船舶航行数字孪生模型框架研究

数字孪生技术赋能船舶与海上设施领域是国内重点发展战略规划,碳达峰是当前国际重大议题。为解决面向低碳的船舶航行过程数字孪生模型缺乏精准化设计这一问题,文章提出了一种以最小化碳排放为目标,综合考虑船舶综合电力系统、能量管理系统和故障预测系统,建立数字孪生模型的框架,并针对能量管理过程建立面向低碳的船舶航行多目标数学模型,以期对船舶航行的碳排放进行监控与优化控制。     

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。     

数字孪生驱动下永磁同步电机滑模变结构一体化解耦控制

提出数字孪生驱动下永磁同步电机（PMSM）滑模变结构一体化解耦控制方法,改善永磁同步电机控制能力。构建基于数字孪生技术的永磁同步电机控制结构,通过设备层采集实际永磁同步电机运行数据及环境数据,作为数字孪生驱动数据来源,孪生建模层依据获取永磁同步电机数据,构建永磁同步电机的数字孪生驱动模型以及虚拟场景,经虚拟模型与虚拟场景耦合后,在虚拟场景中还原永磁同步电机运行状态;在孪生控制层中设计精确线性化解耦控制方法,并构建速度、电流一体化滑膜解耦控制器,在虚拟环境中通过解决永磁同步电机速度与电流之间的非线性耦合问题,完成实体电机解耦控制;同时数字孪生控制结构各层之间通过孪生数据传输实现数据交换与指令下发,实现有效的电机控制。经实验验证：经该方法控制后,永磁同步电机可在负载突加与突卸状态下保持平稳的电流与转矩,同时还可以迅速调整电机转速,使电机保持在理想状态下运行。     

基于数字孪生技术的牵引电机低转矩脉动虚拟控制方法研究

针对牵引电机存在的高转矩脉动问题，研究了基于数字孪生技术的牵引电机低转矩脉动虚拟控制方法：设备层获取物理实体牵引电机运行数据后，经通信接口将数据传输至数据层存储；软件层调用数据层中的数据，采用Unity 3D软件完成牵引电机由物理实体到虚拟的数字孪生，构建牵引电机虚拟机三维模型，并通过显示层虚拟仿真平台展示虚拟模型及相关数据，操控者从虚拟仿真平台观察、分析虚拟模型及相关数据后，利用连续型定子磁链轨迹的控制方法，在牵引电机转速增加的情况下，通过连续转换定子磁链轨迹来降低牵引电机的转矩脉动，完成牵引电机的低转矩脉动虚拟控制。试验结果表明：构建的牵引电机虚拟机模型与物理机实体结构相同，仿真度较高，可利用以虚控实，降低牵引电机的转矩脉动，消除转矩失控的情况，保障牵引电机的安全运行。     

孪生数据驱动的绿色切削工艺优选决策

为了快速优选低碳且具有环境友好性的绿色切削工艺,提出了一种孪生数据驱动的绿色工艺优选决策方法。首先,建立了数字孪生驱动的切削加工工艺优选决策流程;其次,以加工质量、加工时间、加工成本、资源消耗、环境影响为一级评价指标,建立了绿色切削工艺优选评价指标体系;再次,采用网络层次分析法对评价指标进行权重计算,并基于概率犹豫模糊理想值法及孪生数据对备选的绿色切削工艺进行优选决策;最后,以某航空企业的叶片加工工艺优选为例进行实例验证。结果表明：该方法能够充分利用数字孪生车间的仿真预测、历史数据挖掘、实时采集等功能,以孪生数据的形式为工艺评价提供全面的数据源;同时所建立的评价决策模型实用性较强,符合现实的切削工艺优选决策场景,模型求解方法鲁棒性好。     

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。     

基于犹豫模糊语言的数字孪生车间质量评价

为量化评价数字孪生车间的建设质量,提出了一种基于犹豫模糊语言的综合评价模型。首先构建了数字孪生车间质量评价的指标体系,采用OWA(ordered weighted averaging)算子对评价指标进行了权重计算;接着,针对在数字孪生车间质量评价过程中决策者无法准确用单一数值进行指标评价的不确定性问题,基于犹豫模糊语言建立了数字孪生车间的质量评价模型;最后,以结构件数字孪生车间为例进行了实例验证。实例应用表明,所建立的质量评价模型实用性较强,能有效提升评价结果的可靠性与柔性。可见,所述评价模型为数字孪生车间质量的量化评价提供了新的思路。     

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.     

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。     

铜冶炼行业电解车间智能信息化综合管理平台设计

本文针对铜冶炼行业电解车间信息化、智能化建设的重大应用需求,充分研究车间生产管理的流程和机制,面向实时数据库、关系数据库构建多源异构数据平台,解决不同数据源的互联互通问题;基于VR技术,实现车间全景3D数字可视化及虚拟仿真,设计具有较强柔性化的综合展示及交互系统实现车间各业务模块,研究具有组态化的生产管理驾驶舱,构建全局的数据可视化大屏;最终将系统有机整合为电解车间智能信息化综合管理平台,在智能电解车间的建设中发挥实用效果.     

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.     

基于数字孪生技术的危化品车辆运输路径优化方法

针对危化品物流管控成本高、安全隐患检测困难、不确定因素较多等特点,基于数字孪生技术,建立孪生数据驱动下的危化品物流配送系统整体框架,实现对驾驶员疲劳状态及车辆故障预警等参数的实时监测。根据物理参数实现对危化品车辆调度物理空间的精准模拟与迭代优化。构建单一配送中心,带有时间窗约束的路径优化模型,以配送总成本最小为目标函数,结合孪生数据动态调整客户服务时间,采用遗传算法内核利用MATLAB求解数学模型。该方法有效解决了危化品物流调度过程中由于动态不安全因素对危化品运输成本带来的波动。     

海工产品虚拟工厂的信息建模、集成与可视化

针对海工产品设计和生产运行阶段,提出了基于建筑信息模型(BIM)的虚拟工厂建模方法,该虚拟工厂不仅包括建筑要素,还包括了设备要素、车间控制要素(几何、物理和功能)的综合数字化表达,将几何实体模型、物理属性、规则等建筑和语义信息有机地融合在一起,可以实现制造系统的建模、仿真和评估(MSE).设计了一种融合BIM的虚拟工厂集成方法,并实现了原型系统,用来可视化基于BIM的海工虚拟工厂.     

摩托车零部件企业集成化车间生产管理系统集成框架及实现技术

针对摩托车零部件制造企业车间生产过程与市场、设计、计划、供应、外协和配送等环节间信息交互和业务协作能力急需提升的需求,构建了一种包括系统内部集成、向上与产品设计和计划管理系统集成、向下与底层设备和操作工人集成、向外与外协加工和供应链管理系统集成的摩托车零部件制造企业集成化车间生产管理系统集成框架,并对基于面向服务架构的系统集成实现方案、基于可扩展标记语言的系统间数据集成与共享机制、基于多功能交互式信息终端的车间层信息实时交互技术等系统集成实现的关键技术进行了研究。该系统已成功应用于某摩托车零部件企业,取得了良好的应用效果。     

基于VRML的虚拟模型构建和网络开发

介绍VRML建模的常规方法，比较现行建模方法的特点，总结基于语义的描述建模方法，详述模型开发过程中的建模、转换、装饰、动画和交互等关键技术，并通过实例展示运动车床的虚拟模型和网络虚拟模型室.     

基于装配的多机器人虚拟生产平台的系统建模

作为虚拟生产平台建立的重要组成部分之一 ,生产系统的建模对于多机器人虚拟生产环境的作业控制至关重要。基于系统具有并发性、柔性和不确定性的特点 ,提出了一个生产系统分块式有效 Petri网建模方法 ,保证了所生成的整体生产系统模型的有效性 ,可直接用于系统作业的控制 ,并且具有错误恢复能力 ,建模方法的有效扩充性也为深入地细化研究系统的某个加工单元和系统的扩展提供了可能。采用 C/ C++语言 ,基于 GL 图形库实现了平台的建立并给出了实例     

安徽师范大学三维虚拟校园系统建设研究

随着虚拟现实和三维地理信息系统技术的日趋成熟,三维虚拟校园建设已成为数字校园建设的新热点.本文结合安徽师范大学三维虚拟校园建设的实际需求,分析了三维虚拟校园建设的主要内容和系统实现的总体框架,探讨了数据源的获取和处理、建模软件的选取和应用、三维模型的建立和优化等校园三维建模的技术细节,并研究了模型的快速加载与实时漫游、二三维动态交互、基于插件技术的集成应用框架等系统实现的关键技术.根据本文提出的建设方案和技术方法,采用3DMAX建模软件制作了安徽师范大学三维校园模型,并在VisualStudio 2008平台下,基于OpenGL和.NET类库,采用插件式技术编程实现了安徽师范大学三维虚拟校园原型系统,系统在运行效率、独立性、真实感和可扩展性等方面取得了较好的效果.