船舶数字孪生平台的设计与应用

当前,船舶数字孪生的研究还处于起步阶段,实际应用亦比较少.在构建三维虚拟船舶及其航行环境基础上,通过实时采集船舶运行数据初步搭建了船舶数字孪生体,利用多源感知数据融合技术、航行态势重构技术对船舶航行态势进行分析;在此基础上,基于状态监测数据和相关知识经验建立了设备状态监测专家库和基于孤立森林算法对船舶设备寿命预测进行了...     

基于数字孪生的装备保障关键技术研究综述

随着军队改革的深入和军事装备的发展,合成部队对装备保障的“精确化”要求越来越高,传统的装备保障模式无法适应新的要求,出现了信息利用水平不高、主动预警能力不强、器材需求测算不准等问题。数字孪生技术的出现与发展为解决当前问题提供了有效方法。通过分析装备保障面临的问题,提出了将数字孪生技术应用于装备保障领域,综合分析了国内外关于数字孪生与装备保障关键技术的研究,并进行了应用展望。     

基于数字孪生的高温高压容器寿命预测

为解决高温高压容器剩余寿命在线预测难题,提出一种基于数字孪生的高温高压容器剩余寿命预测模型构建方法。该方法基于实时工况条件,采用ANSYS仿真模型进行耦合仿真,获取高温高压容器一定时域物理场,通过多轴蠕变损伤模型建立高温高压容器剩余寿命预测样本数据集,利用Tent-SSA优化的BP神经网络算法进行训练预测,建立机理模型与机器学习融合驱动的数字孪生高温高压容器寿命预测模型。最后以某型钠冷快堆蒸汽发生器关键部件的管板作为对象,试验结果表明该预测模型总体均方误差由优化前的3.2197E-02降低至7.7449E-03,模型更稳定且鲁棒性强、收敛快。     

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。     

基于数字孪生技术的政务管理范式重构

党的二十大报告指出,要加快推进“数字中国”战略。随着数字政府建设不断深化,进一步推进数字技术与政务管理改革深度结合逐渐成为行政管理学界的研究热点。作为国家治理体系和治理能力现代化建设的关键环节,现代信息技术驱动下的政务管理理论范式和运行模式面临着“数字化”的重要影响。在此背景下,作为能够有效衔接数据对象、工具模型、应用场景的数字孪生技术,不仅能够科学解释政务管理“数字化”范式体系转型的基本特征,同时也为相关制度建设和实践探索提供了有力技术支撑。文章通过探讨将数字孪生技术引入行政管理活动的理论可行性,探索性地提出以数字孪生实现行政活动政务流程数字化改造具体路径,并对实践中如何进一步提升行政机关“数字化”治理能力提出了建议。     

基于数字孪生的航班保障预警系统

为了提高航班和保障车辆的安全性,本文提出了一种基于数字孪生的新型航班保障预警系统架构。数字孪生系统中包括实际机场、赛博空间的仿真模型以及实时数据。系统可以根据当前作业状况,预测保障活动未来会出现的风险情况。文章中详细介绍了航班保障的规则,仿真模型的设计开发,如何实现保障车辆和航班数据的实时采集,以及潜在碰撞风险的预测。为了验证预警逻辑和算法的有效性,在Anylogic平台进行系统开发和仿真实验,实验结果表明本文提出的架构可以对车辆和航班进行提前预警,保障运营安全。     

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.     

基于数字孪生与区块链的智慧农业系统研究

数字孪生与区块链等新一代数字技术正广泛应用于农业领域中,推动现代农业向智慧农业方向快速发展。数字孪生是一项用数字技术创建真实对象的数字等效物的技术,用于在虚拟空间中反映其状态或行为。而区块链与数字孪生的结合将进一步增强孪生数据和应用结果的可信性。将数字孪生用于农业领域,可以帮助农民进行农业生产的远程管理和科学决策。本文分析了数字孪生体在产品生命周期中的作用,介绍了6种不同的数字孪生应用类别,并结合农业生产管理的特点设计了数字孪生系统的实施模型结构。最后,针对具体的金银花采摘应用场景对数字孪生系统的结构进行了更详细的设计。     

基于数字孪生的轨道车辆动力学实践教学探索

为更好地呈现“轨道车辆动力学”的工程实际应用知识,激发学生的科学探索热情,提高实践教学质量,该文提出了一套基于转向架数字孪生体的轨道车辆动力学实践教学系统。该系统包括物理实体（转向架及在线监测系统）、虚拟模型、孪生数据、动态数据交互及教学服务。采用了孪生数据的教学项目能更好地展示车辆动力学性能动态变化,能在教学中培养学生解决实际工程的能力。     

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。     

面向动态边缘网络的数字孪生自适应联合优化部署

在数字孪生赋能的移动边缘计算(Mobile Edge Computing, MEC)网络中,如何实现数字孪生服务器的高效部署是确保数字孪生实时交互性的瓶颈问题。针对该问题,提出一种面向动态边缘网络的数字孪生自适应联合优化部署机制。首先,该机制构建面向动态边缘网络的双层数字孪生模型以实时捕捉MEC网络状态和UE资源利用情况等特征。然后,联合数字孪生交互时延模型、负载均衡模型和能源消耗模型建立数字孪生服务器自适应动态更新部署问题。最后,提出多阶段自适应动态联合部署优化算法,将数字孪生服务器自适应动态更新部署问题分解为数字孪生服务器初始化部署和自适应动态更新部署两阶段优化求解,以实现部署策略随MEC网络的即时系统状态进行自适应动态调整。仿真分析验证了所提出算法在预测精度、交互时延、工作负载和能耗方面的有效性。     

基于HLA的测控通信装备全数字仿真系统设计研究

通过深入研究测量船船载测控通信设备原理及组成,提出了基于HLA技术构建测量船测控通信设备的全数字分布式仿真系统。设计了系统总体框架、信息流程及软硬件平台,并给出了系统运行、数据交互及USB系统仿真等关键技术的实现方法。该仿真系统为岗位训练和设备性能检验提供了接近于测控任务的实际环境,有效降低训练成本,减少装备损耗。     

新一代航空武器装备的故障预测与健康管理技术

故障预测和健康状态管理技术是新一代航空武器装备的先进测试、维修和管理技术,正在成为新一代航空武器装备设计和使用中的一个重要组成部分。论文首先综述了PHM技术的内涵与功能,然后对PHM系统的体系结构及其涉及到的关键技术进行了详细的介绍,最后分析了该技术的发展现状以及对我国国防工业的借鉴意义。     

基于支持向量机故障分类器的参数优化研究

针对基于支持向量机故障分类器的参数优化问题，讨论了以半径-间距上界(RM界)最小化为目标的支持向量机参数优化的原理，提出了一种简化算法．针对梯度下降算法计算复杂和在梯度无法求出时不能实现优化的不足，简化算法不需计算梯度，而是利用固定的迭代步长来实现核函数一个参数的优化．依据简化算法实现了二分类故障分类器的参数优化，并应用于汽轮发电机组的蒸汽激励和轴瓦松动故障的分类器中．测试结果表明，通过参数优化可提高故障分类器的分类能力．     

基于仿真的装甲装备采办协同环境

为实现建模与仿真工具及资源在武器装备采办中跨功能领域、跨采办阶段、跨采办项目的重用,提出了SBA协同环境由下至上四层体系结构,包括基础资源层、网络通信层、仿真支持层、仿真应用层;设计了各功能层的组成及功用,并且指出数据集成、工具集成、过程集成是进一步完善四层体系结构必须考虑的关键问题.在装甲装备SBA协同环境中的应用表明,四层体系结构可以实现仿真资源重用、缩短项目开发周期、降低开发成本、减少采办风险、提高武器系统性能.     

基于边缘拟合和数字孪生的机器人运动控制系统研究

提出一种基于边缘拟合和数字孪生的机器人运动控制系统.通过深度图像和RGB图像获取目标物体信息,并进行边缘提取,通过边缘拟合得到目标的边缘轮廓,根据其轮廓计算目标物体的中心点坐标,从而实现准确的目标识别与定位.采用数字孪生方法对机器人实时运行状态进行同步显示.试验表明该方法对圆形物体的识别与定位具有高准确性和鲁棒性,在数字孪生平台上运行具有可靠性与实时性,有一定的实用价值.     

基于参数化的特种装备专家系统平台开发

基于自顶向下的设计理念，提出一种结构框架模型的概念，通过EXCEL表进行框架模型全尺寸驱动，并在此基础上实现三维数模的生成；同时，利用有限元分析软件的二次开发技术，引入基于参数策略的改进粒子群算法，编写有限元分析程序，实现先进算法理论与工程优化问题的联合求解，完成整机关键部件的参数化工程分析；最后对相关程序高度集成，完成专家系统的平台搭建.用户通过交互界面输入设计参数，即可得到三维参数化数模与有限元分析结果，从而指导实际设计.斗轮堆取料机轮体算例应用表明，该平台对于大型特种装备的产品系列化开发，具有较好的指导意义.     

基于孪生数据的设备健康度评估方法研究

针对自动化生产线设备的健康度量化评估问题,提出了一种孪生数据和物元信息熵相结合的评估方法．构建了设备健康度评估服务系统,通过分析孪生数据的特征,确定了设备故障数据的分布函数,构造了设备多参数评价指标的复合物元,在融合层次分析法和关联熵法确定主、客观权重的基础上,实现了设备健康度的量化评估．最后以断路器自动化生产线设备为对象进行案例分析和实验验证,结果表明所提出的设备健康度量化评估方法评估结果与设备故障数据统计分析的结果一致,所构建的设备健康度评估服务系统有助于科学指导设备的运行和维护．     

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。