数字孪生技术与工程实践 第2章 数字孪生相关技术和一般架构优质PPT.pptx

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模型大致可以分为三类：

物理模型：

指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：

飞行器研制中的飞行模型；

船舶制造中的船舶模型等。

形式化模型：

用某种规范表述方法构建的、对客观事物或过程的一种表达。

形式化模型实现了一种客观世界的抽象，便于分析和研究。

例如，数学模型，是从一定的功能或结构上进行抽象，用数学的方法来再现原型的功能或结构特征。

仿真模型：

指根据系统的形式化模型，用仿真语言转化为计算机可以实施的模型。

模型的构建，一般都会有一套规范的建模体系，包括模型描述语言、模型描述方法、模型构建方法等。

数学就是一种表达客观世界最常用的建模语言。

在软件工程里面常用的统一建模语言（UML）也是一种通用的建模体系，支持面向对象的建模方法。

数字制造模型,7,在制造行业，数字制造模型是数字制造全生命周期中的一个不可缺少的工具。

数字制造全生命周期包括数据处理、数字传输、执行控制、事务管理和决策支持等，它是由一系列有序的模型构成的，这些有序模型通常为：

功能模型、信息模型、数据模型、控制模型和决策模型，有序通常指这些模型分别是在数字制造的不同生命周期阶段上建立的。

数字制造模型有多种分类方式。

从形式上分，有全局结构模型（如制造系统体系结构）、局部结构模型（如FMS模型）、产品结构模型和生产计划调度模型等；

从方法上分，有数学解析模型（如状态空间模型）、图示概念模型（如IDEF模型）及图示解析混合模型（如Petri网模型）等；

从功能上分，有结构描述模型、系统分析模型、系统设计实施模型和系统运行管理模型等,数字孪生技术与工程实践,数字孪生的技术基础建模仿真技术：

数字制造模型的主要对象,8,在数字制造中，需要用模型加以描述的对象包括：

产品：

产品的生命周期需要采用各种产品模型和过程模型来描述；

资源：

机器设备、资金、各种物料、人、计算设备、各种应用软件等制造系统中的资源，需要用相应模型描述；

信息：

对数字制造全过程的信息的采集、处理和运用，需要建立适当的信息模型；

组织和决策：

将数字制造的组织和决策过程模型化是实现优化决策的重要途径；

生产过程：

将生产过程模型化是实现制造系统生产、调度过程优化的前提。

仿真,9,在对一个已经存在或尚不存在但正在开发的系统进行研究的过程中，为了了解系统的内在特性，必须进行一定的试验，由于系统不存在或其他一些原因，无法在原系统上直接进行实验，只能设法构造既能反映系统特征又能符合系统实验要求的系统模型，并在该系统模型上进行实验，以达到了解或设计系统的目的，于是，仿真技术就产生了。

模拟（Simulation）即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系统来表示它们的过程。

仿真（Emulation）即用另一数据处理系统，主要是用硬件来全部或部分地模仿某一数据处理系统，使得模仿的系统能像被模仿的系统一样接收同样的数据、执行同样的程序，获得同样的结果。

习惯上的“计算机仿真”应该是“计算机模拟”。

在不引起歧义的情况下，本书用习惯用语“仿真”来表述上述的“模拟”和“仿真”的概念。

仿真就是建立系统的模型（数学模型、物理模型或数学物理效应模型），并在模型上进行实验。

仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行实验，并借助于专家经验知识、统计数据和资料对实验结果进行分析研究并做出决策的一门综合性和实验性的学科。

仿真模型,10,建模与仿真是指构造现实世界实际系统的模型和在计算机上进行仿真的复杂活动，它主要包括实际系统、模型和计算机三个基本部分，同时考虑三个基本部分之间的关系，即建模关系和仿真关系。

建模关系是通过对实际系统观测和检测，在忽略次要因素及不可监测变量的基础上，用规范表述方法（如数学的方法）进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。

仿真关系主要研究计算机程序的实现与模型之间的关系，其程序能为计算机所接受并在计算机上运行。

仿真研究就是把构建好的形式化模型（如数学模型）放在计算机上运行求解。

数学模型是人类用数学语言描述客观事物的一种表达，它不能直接在计算机上进行运算。

需要把数学模型转换成计算机可以理解的模型，即按照计算机语言和计算机运算的特点（或者说按照一定的算法）进行重新构造模型，这个过程被称为仿真建模。

根据仿真模型利用计算机语言编写程序了，再把编写好的程序在计算机上运算求解，并用数字或图形等方式表示计算结果，这就是计算机仿真的基本过程。

建模和仿真的一般过程,建模与仿真分别代表了两个不同的过程，建模是指根据被仿真的对象或系统的结构构成要素、运动规律、约束条件和物理特性等，建立其形式化模型的过程，仿真则是利用计算机建立、校验、运行实际系统的模型，以得到模型的行为特征，从而分析研究该系统的过程。

整个过程有两个抽象和转换的过程：

其一是从物理系统到形式化模型（如数学模型），这个是物理空间到信息空间的一个抽象其二是形式化模型（如数学模型）到计算机仿真模型的转换，这个过程是为了保障仿真能顺利开展,11,数字孪生技术与工程实践,数字孪生的技术基础建模仿真技术：

建模仿真方法,在选择建模方法时，应该考虑被讨论的系统的特征，以及所要跟踪问题的性质。

常用的仿真建模方法包括静态动态建模方法、连续离散建模、随机确定性建模方法以及面向对象和多智能体仿真建模方法。

每一种建模方法都适用于其特定的抽象层级范围。

系统动力学建模适合较高的抽象层级，其在决策建模中已经得到了典型应用；

离散事件建模支持中层和偏下层的抽象层级；

基于智能体建模适合于多抽象层级的模型，既可以实现较低抽样层级的物理对象细节建模，也可以实现公司和政府等较高抽象层级的建模。

仿真建模方法的选择要基于所需模拟的系统和建模的目标来决定。

制造系统各个层次对应的仿真建模应用,12,数字孪生技术与工程实践,数字孪生的技术基础虚拟制造技术,13,虚拟制造技术（VirtualManufacturingTechnology，VMT）是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品全生命周期的模拟仿真，从设计、加工和装配、检验、使用到回收，无需进行物理样品的制造，从产品的设计阶段开始就能够模拟出产品性能和制造流程，通过该种方式来优化产品的设计质量和制造流程，优化生产管理和资源规划，最小化产品的开发周期以及开发成本，最优化制造产品的设计质量，最高化企业的生产效率，从而形成企业强大的市场竞争力。

虚拟制造的特点有：

模型化：

虚拟制造以模型为核心，本质上还是属于仿真技术，离不开对模型的依赖，涉及到的模型有产品模型、过程模型、活动模型和资源模型；

集成化：

虚拟制造以模型信息集成为根本，虚拟制造对单项仿真技术的依赖决定了它所面临的是众多的适应各单项仿真技术的异构模型，如何合理地集成这些模型就成为虚拟制造成功的基础；

拟实化：

虚拟制造以拟实仿真为特色，主要指仿真结果的高可信度，以及人与这个虚拟制造环境交互的自然化。

虚拟现实（VirtualReality，VR）技术是改善人机交互自然化的普遍认可的途径。

数字孪生技术与工程实践,数字孪生的技术基础虚拟制造技术：

虚拟制造的分类,14,根据虚拟制造所涉及的工程活动类型不同，虚拟制造分成三类，即以设计为核心的虚拟制造（Design-centeredVM）、以生产为核心的虚拟制造（Production-centeredVM）和以控制为核心的虚拟制造（Control-centeredVM）。

这种划分结果也反映了虚拟制造的功能结构。

设计性虚拟制造：

把制造信息引入到产品设计全过程，强调以统一制造信息模型为基础，对数字化产品模型进行仿真、分析与优化，从而在设计阶段就可以对所设计的零件甚至整机进行可制造性分析，包括加工工艺分析、铸造热力学分析、运动学分析、动力学分析、可装配性分析等。

为用户提供全部制造过程所需要的设计信息和制造信息以及相应的修改功能，并向用户提出产品设计修改建议。

生产性虚拟制造：

在生产过程模型中融入仿真技术，是在企业资源（如设备、人力、原材料等）的约束条件下，实现制造方案的快速评价以及加工过程和生产过程的优化。

它对产品的可生产性进行分析与评价，对制造资源和环境进行优化组合，通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策。

它贯穿于产品制造的全过程，包括与产品有关的工艺、夹具、设备、计划以及企业等。

控制性虚拟制造：

为了实现虚拟制造的组织、调度与控制策略的优化以及人工现实环境下虚拟制造过程中的人机智能交互与协同，需要对全系统的控制模型及现实加工过程进行仿真，这就是以控制为中心的虚拟制造。

数字孪生技术与工程实践,数字孪生的技术基础数字样机技术,15,数字样机（Digitalmock-up，DMU）技术兴起于20世纪90年代。

数字样机技术是以CAD/CAE/DFx（DesignforX，是一种面向产品生命周期的设计理念，其中“X”代表产品生命周期中某一环节，如装配、安装、维护等）技术为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，融合计算机图形技术、仿真技术以及虚拟现实技术，将多学科的产品设计开发和分析过程集中到一起，使产品的设计者、制造者和使用者在产品设计研制的早期就可以直观形象地对产品数字原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，为产品的研发提供了全新的数字化设计方法。

数字化样机技术从设计及制造的角度出发，借助于计算机技术对产品的各项参数进行设计、分析、仿真与优化，达到替代或精简物理样机的目的。

数字孪生技术与工程实践,数字孪生的技术基础数字样机技术：

相关技术,16,几何形体的计算机辅助设计（CAD）技术。

用于机械系统的几何建模，或者用来展现机械系统的仿真分析结果。

计算机辅助工程（CAE）技术，主要是有限元分析（FEA）技术。

模拟各种工况的软件编程技术。

控制系统设计与分析技术。

优化分析技术。

数字样机的分类,17,按照实现功能的不同可分为结构数字样机、功能数字样机和结构与功能综合数字样机。

结构虚拟样机主要用来评价产品的外观、形状和装配。

新产品设计首先表现出来的就是产品的外观形状是否满意，其次，零部件能否按要求顺利安装，能否满足配合要求，这些都是在产品的虚拟样机中得到检验和评价的。

功能虚拟样机主要用于验证产品的工作原理，如机构运动学仿真和动力学仿真。

新产品在满足了外观形状的要求以后，就要检验产品整