数字孪生技术与应用李国琛湖南计算机与互联网书籍

   本书详细介绍了数字孪生的概念与发展历史，数字孪生的关键应用技术和难点，数字孪生的模型，数
字孪生目前在航天航空、T业、资源开采、城市建设、物质文化遗产数字化建设、教育等方面的应用，以
及数字孪生在实际应用过程中存在的问题、数字孪生的意义等。
   本书对数字孪生技术的研究及其广泛应用具有重要指导意义，本书可供广大数字孪生相关知识探索者
阅读，也可供数字孪生技术应用者参考。

第一编数字孪生的介绍
第1章绪论003
1．1数字孪生的概念003
1．2数字孪生概念的发展历程004
1．3数字孪生在产品生命周期不同阶段的表现形态005
1．4数字孪生的基本组成007
第2章数字孪生关键应用技术与难点008
2．1数字孪生关键应用技术008
2．2关键技术与难点010
第3章数字孪生的模型01l
3．1数字孪生模型0ll
3．2数字孪生五维模型013
3．3数字孪生能力模型017
3．4数字孪生模型研究存在的问题018
3．5数字孪生模型未来研究展望019
第二编数字孪生的应用
第4章数字孪生与航天航空023
4．1航天器数字孪生体023
4．2基于数字孪生的航天器系统工程的特点028
4．3航天控制系统基于数字孪生的智慧设计仿真039
4．4数字孪生技术在航空产品寿命预测中的应用046
4．5数字孪生与火箭起飞安全系统049
第5章数字孪生与工业062
5．1数字孪生与工业互联网062
5．2数字孪生与工业制造065
5．3车间生产过程数字孪生系统构建及应用077
5．4结合价值流程图和数字孪生技术的工厂设计096
5．5数字孪生驱动的工业同区‘‘产一运一存”联动106
5．6数字孪生技术与供应链管理1 16
第6章数字孪生与资源开采122
6．1基于数字孪生的综采工作面122
6．2数字孪生与管道设计130
6．3数字孪生与在役油气管道设计132
第7章数字孪生与城市建设139
7．1数字孪生城市的内涵139
7．2智慧城市140
7．3数字孪生城市的特征、架构与关键技术144
7．4数字孪生城市的应用146
7．5数字孪生城市实例——雄安新区149
7 6数字孪生与城市服务154
第8章数字孪生与物质文化遗产数字化建设156
8．1数字孪生理论在物质文化遗产数字化建设中的理论融合分析156
8．2数字孪生技术在物质文化遗产数字化建设中的应用研究157
第9章数字孪生与教育164
9．1教育信息化2．0：新时代学校发展的机遇与挑战164
9．2从智慧校园迈向“智能+”新样态165
9．3数字孪生与“知点云”166
第1 0章数字孪生技术在其他方面的应用169
10．1数字孪生与军事169
10．2数字孪生与医疗170
第三编数字孪生的意义
第1 1章实际应用过程中存在的问题、意义、展望175
11．1数字孪生在实际应用过程中的不足175
11．2数字孪生的意义177
11．3数字孪生的应用前景178
参考文献180

数字孪生，是一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，它面向产品全生命周期过程，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，提供更加实时、高效、智能的服务。在最近两年十大战略性科技发展趋势中，数字孪生技术被视作重要技术之一。以数字孪生为核心的产业、组织和产品正如雨后春笋般诞生、成长，并逐渐成熟。数字孪生战略将为企业提供强有力的竞争力，对数字孪生技术的深入研究与应用已成为必然趋势。

数字孪生概念的首次提出已有将近二十年历史，关于数字孪生技术及其应用的研究近年来取得了广泛快速的发展。但目前，针对数字孪生主题的系统性书籍还很少，本书系统全面地介绍了数字孪生的技术及其应用。

本书主要介绍了数字孪生概念、发展历史、基本组成，数字孪生的关键应用技术与难点，数字孪生模型，数字孪生目前在航天航空、工业、资源开采、城市建设、物质文化遗产数字化建设、教育、军事、医疗等方面的应用，数字孪生在实际应用过程中存在的问题、意义、展望等。

本书可供广大数字孪生相关知识探索者阅读，也可供数字孪生技术应用者参考，希望本书能够对数字孪生技术的研究工作及其广泛应用提供助力。

鉴于数字孪生技术的不断发展以及作者水平有限，书中难免出现偏颇和错误之处，敬请广大读者不吝赐教，批评指正。

李国琛

2020年1 1月

1．1数字孪生的概念

随着云计算、物联网、大数据等互联网技术(internet technology，IT)，以及人工智能等智能技术的持续发展和深化应用，各行各业贯彻加快建设制造强同，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合。国防军工企业进入以智慧(或智能)为标志的数字化转型阶段。数字化转型将通过数字技术与l_T业技术的融合来推动产品设计、工艺、制造、测试、交付、运维全环节的产品研制创新，通过数字技术与管理技术的融合来推动计划、进度、经费、合同、人员、财务、资源、交付、服务和市场全链条的企业管理创新。数字孪生作为重要的支撑理论和技术得到更多关注与认可。

数字孪生概念在发展历程中随着认识深化经历了三个主要阶段。

1．1．1数字梓机概念

数字样机是数字孪生的最初形态。数字样机概念是对机械产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述。通过这种描述反映产品对象的几何属性，以及产品的功能和性能特性。在产业实践中，数字样机首先在设计阶段被定义为数字化产品定义(digital prodt-ctdefini!．ion，DPD)，通过DPD来表达产品的设计信息，构建表征物理客体的数字化模型。此时的DPD因限定于产品定义阶段，所以对物理客体的全生命周期信息表达不全面，尤其是制造阶段和服务阶段的定义表达与应用管理问题日益突出。

1．1．2狭文的数字孪生概念

因DPD存在对产品全生命周期信息表述不全面的问题，美国密歇根大学的MichaelGrieves教授于2003年提出数字孪生的概念。此时的数字孪生统称为狭义数字孪生，其定义对象就是产品及产品全生命周期的数字，数字孪生是对实体对象或过程的数字化表征。Michael Gricves将数字孪生定位为一套从微观原子级到宏观几何级全面描述潜在生产或者实际制造产品的虚拟信息结构¨0。由此可以看出数字孪生的概念首次在定义对象中明确为产品，在定义内容方面，从产品的设计阶段扩展到产品全生命周期。通过数字样机的概念延伸和扩展，实现对物理产品全生命周期信息的数字化描述，并有效管控产品全生命周期的数据信息㈦。1．1．3广文的数字孪生概念广义的数字孪生在定义对象方面进行了较大延伸，从产品扩展到产品之外的更广泛领域。数字孪生，也叫作数字镜像、数字双胞胎、数字映射。数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力臼’。数字孪生在面向产品全生命周期过程中，作为一种充分利用数据、模型、智能并集成多学科的技术，发挥着连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，提供更加实时、高效、智能的服务。G。rt。。，公司在2018年和2019年十大战略性科技发展趋势中将数字孪生作为时下重要技术之一，其对数字孪生描述为：数字孪生是现实世界实体或系统的数字化表现。南此可见，数字孪生成为任一信息系统或数字化系统的总称。

数字孪生是现实世界中物理实体的配对虚拟体(映射)。这个物理实体(或资产)。】以是一个设备或产品、生产线、流程、物理系统，也可以是一个组织。数字孪生的概念是通过三维图形软件构建的“软体”映射现实中的物体来实现的。这种映射通常是一个多维动态的数字映射，它依赖安装在物体上的传感器或模拟数据来洞察和呈现物体的实时状态，同时也将承载指令的数据回馈到物体，最终导致状态变化。可以说，数字孪生是现实世界和数字虚拟世界沟通的桥梁。

一个描述钟摆轨迹的方程式通过编程形成的模型，它是一个钟摆的数字孪生吗?不是。因为它只描述了钟摆的理想模型(例如真空无阻力)，却没有记录它的真实运动情况。只有把钟摆在空气中的运动状态、风的干扰、齿轮的损耗等情况通过传感器和数据馈送实时输入到模型后，这个描述钟摆的模型，才真正成了钟摆的数字孪生。

G。rt。。。公司认为，一个数字孪生概念至少需要四个要素：数字模型、关联数据、身份识别和实时监测功能。数字孪生体现了软件、硬件和物联网回馈的机制。运行实体的数据是数字孪生的营养液输送线。反过来，很多模拟或指令信息可以从数字孪生输送到实体，以达到诊断或者预防的目的。这是一个双向进化的过程。1．2数字孪生概念的发展历程

如图卜1所示，数字孪生的理念可追溯到1969年，而其明确的概念则普遍认为是在2003年由美国密歇根大学的Michael Grieves教授提出的，当时被称为“与物理产品等价的虚拟数字化表达”，但由于当时技术和认知上的局限，数字孪生的概念并没有得到重视”。。数字孪生在2003--2005年被称为“镜像的空间模型”，在2006--2010年被称为“信息镜像模型”。美国空军研究实验室与NASA在201 1年开展合作，提出了飞行器的数字孪生体概念，数字孪生才有了明确的定义。2012年，NASA发布“建模、仿真、信息技术和处理，，路线图，数字孪生概念正式进入公众视野。2013年，美国空军发布《全球地平线》顶层科技规划文件，将数字线索和数字孪生并列视为“改变游戏规则”的颠覆性机遇，并从2014年起组织洛马、波音、诺格、通用电气、普惠等公司开展了一系列应用研究项目。就此，数字孪生理论与技术体系初步建立，美国国防部、NASA、西门子公司等开始接受汶一概念并对外推广‘引。......