「 1. 數(shù)字孿生衛(wèi)星工程 」

近年來，基于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)引起了各界高度關(guān)注，形成了全球性的發(fā)展熱潮。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目因其星座規(guī)模大、建設(shè)周期短、項(xiàng)目流程長(zhǎng)、投入成本高的特點(diǎn)，對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的研制、應(yīng)用、管理水平提出了全新的要求。為適應(yīng)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)面對(duì)的技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、工程需求的挑戰(zhàn)，提升衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化水平，本書作者團(tuán)隊(duì)將數(shù)字孿生技術(shù)引入衛(wèi)星工程中，參照數(shù)字孿生五維模型，與衛(wèi)星工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵場(chǎng)景、關(guān)鍵對(duì)象緊密結(jié)合，提出了數(shù)字孿生衛(wèi)星工程的概念^[1]，如圖1所示，基于模型與數(shù)據(jù)對(duì)物理空間的衛(wèi)星工程進(jìn)行實(shí)時(shí)的模擬、監(jiān)控、反映，并借助算法、管理方法、專家知識(shí)、軟件等對(duì)衛(wèi)星工程進(jìn)行分析、評(píng)估同步，進(jìn)而輔助衛(wèi)星工程各階段管控與協(xié)同。

圖1 數(shù)字孿生衛(wèi)星工程概念內(nèi)涵^[1]

「 2. 數(shù)字孿生船舶全生命周期管控 」

面對(duì)全球制造業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)趨勢(shì)，設(shè)計(jì)能力落后、運(yùn)維管控?cái)?shù)字化水平低、配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后等問題仍制約著船舶行業(yè)的發(fā)展。如圖2所示，將數(shù)字孿生技術(shù)與船舶工業(yè)結(jié)合，參照數(shù)字孿生五維模型，開展基于數(shù)字孿生的船舶設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維、使用等全生命周期一體化管控，是解決上述問題的有效手段。^[2]

圖2 數(shù)字孿生船舶全生命周期管控^[2]

「 3. 數(shù)字孿生車輛抗毀傷評(píng)估 」

車輛作為人類最主要的交通工具，是一個(gè)涵蓋材料科學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制科學(xué)等多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)。在多樣化的工作條件下，車輛的殼體材料、內(nèi)部構(gòu)造、零部件以及功能等在工作過程中均可能出現(xiàn)異常狀況。不同的毀傷源（例如碰撞、粉塵、外部攻擊等）會(huì)對(duì)車輛造成不同程度的影響,因此需要對(duì)車輛進(jìn)行抗毀傷性能評(píng)估?，F(xiàn)階段對(duì)其毀傷評(píng)估一般采用物理模擬毀傷的方式，但是這種方式費(fèi)用高且精度低、置信度差。參照數(shù)字孿生五維模型，本文提出一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的車輛抗毀傷評(píng)估方法，從材料、結(jié)構(gòu)、部件及功能等多維度對(duì)車輛的抗毀傷性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。^[2]該系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生車輛抗毀傷性能評(píng)估^[2]

「 4. 數(shù)字孿生電廠智能管控 」

火力發(fā)電是目前我國最主要的發(fā)電方式。由于火力發(fā)電廠需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，并且工作環(huán)境復(fù)雜、溫度高、粉塵多，電廠設(shè)備不可避免地會(huì)發(fā)生故障，因此實(shí)現(xiàn)電廠設(shè)備健康平穩(wěn)地運(yùn)行從而保證電力的穩(wěn)定供給及電力系統(tǒng)的可靠與安全具有至關(guān)重要的意義。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，北京必可測(cè)科技股份有限公司開發(fā)了基于數(shù)字孿生的電廠智能管控系統(tǒng)，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)了汽輪發(fā)電機(jī)組軸系可視化智能實(shí)時(shí)監(jiān)控、可視化大型轉(zhuǎn)機(jī)在線精密診斷、地下管網(wǎng)可視化管理以及可視化三維作業(yè)指導(dǎo)等應(yīng)用服務(wù)。^[2]

圖4 基于數(shù)字孿生的電廠智能管控系統(tǒng)^[2]

「 5. 數(shù)字孿生飛機(jī)起落架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 」

飛機(jī)總體設(shè)計(jì)是飛機(jī)研制的根基，現(xiàn)階段的飛機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)仍存在變量耦合度高、數(shù)據(jù)缺乏、指標(biāo)獲取困難等問題。作為飛機(jī)重要的承力與操縱性部件，起落架承受著靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的高負(fù)載，周而復(fù)始的工作更會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)起落架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)飛機(jī)的安全與可靠性有著重要意義。^[3，4]如圖5所示，北航團(tuán)隊(duì)與沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)合作，以飛機(jī)起落架為例，參照數(shù)字孿生五維模型，探索了基于數(shù)字孿生的起落架載荷預(yù)測(cè)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

圖5 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)起落架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)^[2]

「 6. 數(shù)字孿生復(fù)雜機(jī)電裝備故障預(yù)測(cè)與健康管理 」

復(fù)雜機(jī)電裝備具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行周期長(zhǎng)、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)電裝備的失效預(yù)測(cè)、故障診斷、維修維護(hù)，保證復(fù)雜機(jī)電裝備的高效、可靠、安全運(yùn)行，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)極為重要。故障預(yù)測(cè)與健康管理（prognostics and health management，PHM）技術(shù)可利用各類傳感器及數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)、維修決策等進(jìn)行綜合考慮與集成，從而提升設(shè)備的使用壽命與可靠性。然而，現(xiàn)階段PHM技術(shù)存在模型不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)不全面、虛實(shí)交互不充分等問題，這些問題的根本是缺乏信息物理的深度融合。

因此，北航數(shù)字孿生技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)將數(shù)字孿生五維模型引入PHM中，提出了基于數(shù)字孿生的PHM方法。^[5]該方法首先對(duì)物理實(shí)體建立數(shù)字孿生五維模型并校準(zhǔn)；然后基于模型與交互數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，對(duì)物理實(shí)體參數(shù)與虛擬仿真參數(shù)的一致性進(jìn)行判斷；根據(jù)二者的一致/不一致性，可分別對(duì)漸發(fā)性與突發(fā)性故障進(jìn)行預(yù)測(cè)與識(shí)別；最后，根據(jù)故障原因及動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證進(jìn)行維修策略的設(shè)計(jì)。該方法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的健康管理上進(jìn)行了應(yīng)用探討，如圖6所示。首先，可在物理風(fēng)機(jī)的齒輪箱、電機(jī)、主軸、軸承等關(guān)鍵零部件上部署相關(guān)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)?；诓杉膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)的歷史數(shù)據(jù)及領(lǐng)域知識(shí)等可對(duì)虛擬風(fēng)機(jī)的幾何－物理－行為－規(guī)則多維虛擬模型進(jìn)行構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理風(fēng)機(jī)的虛擬映射?；谖锢盹L(fēng)機(jī)與虛擬風(fēng)機(jī)的同步運(yùn)行與交互，可通過物理與仿真狀態(tài)交互與對(duì)比、物理與仿真數(shù)據(jù)融合分析，以及虛擬模型驗(yàn)證分別實(shí)現(xiàn)面向物理風(fēng)機(jī)的狀態(tài)檢測(cè)、故障預(yù)測(cè)、及維修策略設(shè)計(jì)等功能。這些功能可封裝成服務(wù)，并以應(yīng)用軟件的形式提供給用戶。

圖6 基于數(shù)字孿生的風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障預(yù)測(cè)^[5]

基于數(shù)字孿生五維模型的PHM方法可利用連續(xù)的虛實(shí)交互、信息物理融合數(shù)據(jù)，以及虛擬模型仿真驗(yàn)證增強(qiáng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)測(cè)過程中的信息物理融合，從而提升PHM方法的準(zhǔn)確性與有效性。

「 7. 數(shù)字孿生立體倉庫 」

自動(dòng)化立體倉庫是一種利用高層立體貨架來實(shí)現(xiàn)貨物的高效自動(dòng)存取的倉庫，由存儲(chǔ)貨架、出入庫設(shè)備、信息管控系統(tǒng)組成，集倉儲(chǔ)技術(shù)、精準(zhǔn)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)于一身，是現(xiàn)代物流系統(tǒng)的重要組成部分。但目前用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的立體倉庫仍然存在著出入庫調(diào)度效率低、倉庫利用率低、吞吐量有待提高等問題。如圖7所示，基于數(shù)字孿生五維模型可為立體倉庫的再設(shè)計(jì)優(yōu)化、遠(yuǎn)程運(yùn)維以及共享倉庫等問題提供有效解決方案。^[2]

圖7 數(shù)字孿生立體倉庫^[2]

「 8. 數(shù)字孿生醫(yī)療 」

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到健康的重要。然而，疾病“預(yù)防缺”、患者“看病難”、醫(yī)生“任務(wù)重”、手術(shù)“風(fēng)險(xiǎn)大”等問題依然困擾著醫(yī)療服務(wù)的發(fā)展。數(shù)字孿生技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用使其成為了改變醫(yī)療行業(yè)現(xiàn)狀的有效切入點(diǎn)。^[6]

未來，每個(gè)人都將擁有自己的數(shù)字孿生。如圖8所示，結(jié)合醫(yī)療設(shè)備數(shù)字孿生（如，手術(shù)床、監(jiān)護(hù)儀、治療儀等）與醫(yī)療輔助設(shè)備數(shù)字孿生（如，人體外骨骼、輪椅、心臟支架等），數(shù)字孿生將會(huì)成為個(gè)人健康管理、健康醫(yī)療服務(wù)的新平臺(tái)和新實(shí)驗(yàn)手段。

圖8 數(shù)字孿生醫(yī)療^[2]

「 9. 數(shù)字孿生駕車機(jī) 」

數(shù)字孿生技術(shù)的“虛擬實(shí)體與物理實(shí)體高保真同步”“虛擬實(shí)體與物理實(shí)體交互與優(yōu) 化”“基于虛擬實(shí)體的仿真預(yù)測(cè)”等能力與特性，為復(fù)雜設(shè)備的健康管理、故障診斷與預(yù)警提供了一種有效的解決方式。因此，作者團(tuán)隊(duì)將數(shù)字孿生應(yīng)用到架車機(jī)中，依托現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采 集與分析，提供架車機(jī)故障分析、壽命預(yù)測(cè)、遠(yuǎn)程管理等增值服務(wù)。 

基于數(shù)字孿生五維模型的理論基礎(chǔ)，固定式架車機(jī)的數(shù)字孿生如圖9所示。 

圖9 固定式架車機(jī)數(shù)字孿生

基于數(shù)字孿生架車機(jī)五維模型，作者團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于數(shù)字孿生的架車機(jī)故障診斷與設(shè) 備健康管理平臺(tái)，如圖10所示，主要功能包括架車機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)三維可視化展示、升降高 度數(shù)據(jù)展示、限位狀態(tài)展示、車輛編組設(shè)定、故障報(bào)警數(shù)據(jù)展示及記錄、歷史數(shù)據(jù)分析、機(jī) 理模型分析、故障類型及時(shí)間預(yù)測(cè)、設(shè)備健康管理等。 

圖10 基于數(shù)字孿生的架車機(jī)故障診斷與設(shè)備健康管理平臺(tái) 

「 10. 數(shù)字孿生城市 」

城市是一個(gè)開放龐大的復(fù)雜系統(tǒng)，具有人口密度大，基礎(chǔ)設(shè)施密集，子系統(tǒng)耦合等特點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)城市各類數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，圍繞城市的頂層設(shè)計(jì)、規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營、安全、民生等多方面對(duì)城市進(jìn)行高效管理，是現(xiàn)代城市建設(shè)的核心。如圖11所示，借助數(shù)字孿生技術(shù)，參照數(shù)字孿生五維模型，構(gòu)建數(shù)字孿生城市，將極大改變城市面貌，重塑城市基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)城市管理決策協(xié)同化和智能化，確保城市安全、有序運(yùn)行。^[2]

圖11 數(shù)字孿生城市^[2]

參考文獻(xiàn)

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數(shù)字孿生與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研修班

4月7-8日 ● 武漢