發(fā)布時(shí)間：2021-07-16 10:52

　　數(shù)字孿生以數(shù)字化的形式對(duì)生產(chǎn)的全過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真實(shí)現(xiàn),覆蓋了產(chǎn)品的全生命周期和全價(jià)值鏈,對(duì)推動(dòng)智能制造等領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義。概述數(shù)字孿生概念的起源、梳理技術(shù)發(fā)展歷程和相關(guān)技術(shù)體系;簡(jiǎn)述數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造產(chǎn)品生命周期、生產(chǎn)生命周期的應(yīng)用,并總結(jié)分析了其在智慧城市建設(shè)方面的主要應(yīng)用特點(diǎn)。以智能制造和智慧城市發(fā)展為例,分析了相關(guān)應(yīng)用面臨的主要網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn),并嘗試給出了數(shù)字孿生技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全保障方案,為推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)和應(yīng)用的安全發(fā)展提供參考。 

【文章來源】：系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào). 2019,31(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

數(shù)字孿生發(fā)展歷程Fig.1DevelopmentofDigitalTwins

相關(guān)技術(shù)基于工業(yè)界及學(xué)術(shù)界對(duì)數(shù)字孿生的定義，工四100術(shù)語編寫組對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行了較為全面的概括，將數(shù)字孿生技術(shù)定義為：是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程[8]。這一理解得到較為廣泛的認(rèn)同。根據(jù)其定義，數(shù)字孿生的技術(shù)體系必須支撐虛擬空間、物理空間以及雙向的信息流動(dòng)等要素，并在其全生命周期發(fā)揮作用。從虛實(shí)空間映射以及協(xié)同角度出發(fā)，西門子公司給出了如圖2所示的應(yīng)用方案。在虛擬空間，需要具備對(duì)基礎(chǔ)設(shè)備、產(chǎn)品系統(tǒng)、生產(chǎn)環(huán)境等進(jìn)行多層次的仿真和建模能力。在物理空間，需要具備完整的生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理能力、全集成自動(dòng)化系統(tǒng)工程能力以及基于云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生分析和服務(wù)能力。同時(shí)，在連接和協(xié)同方面，需要具備虛擬空間和物理空間的信息集成和閉環(huán)反饋能力[12-14]。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)的全周期出發(fā)，數(shù)字孿生技術(shù)在各個(gè)階段均發(fā)揮了重要作用。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，模型定義(MBD)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的高效表達(dá)、模型輕量化技術(shù)優(yōu)化了模型的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、仿真及優(yōu)化技術(shù)使產(chǎn)品數(shù)字孿生模型與物理產(chǎn)品的功能和特點(diǎn)更加接近[15-16]。在產(chǎn)品制造階段，數(shù)字孿生技術(shù)通過于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等發(fā)生多級(jí)互聯(lián)，與人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、高性能計(jì)算等信息技術(shù)進(jìn)行協(xié)同，在復(fù)雜動(dòng)態(tài)空間的多源構(gòu)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成展示、產(chǎn)品生產(chǎn)監(jiān)督和質(zhì)量管理、智能分析決策等方面均發(fā)揮了重要作用。在產(chǎn)品服務(wù)階段，數(shù)字孿生綜合利用傳感技術(shù)、追溯技術(shù)、仿真技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，在產(chǎn)品狀態(tài)跟蹤監(jiān)控、故障預(yù)警和定位分析等方面

步加速了智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)融合。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)于2016-02發(fā)布了《智能制造系統(tǒng)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系》的報(bào)告，提出了智能制造的3個(gè)維度，即產(chǎn)品生命周期維度、生產(chǎn)生命周期維度及商業(yè)周期維度[18-20]。作為智能制造中的一個(gè)基本要素，數(shù)字孿生技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)空間中復(fù)現(xiàn)了產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)，并使產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字空間模型和物理空間模型處于實(shí)時(shí)交互中，二者之間能夠及時(shí)地掌握彼此的動(dòng)態(tài)變化并實(shí)時(shí)地做出響應(yīng)，其在產(chǎn)品生命周期與生產(chǎn)生命周期2個(gè)維度都有較好的應(yīng)用。如圖3所示，數(shù)字孿生技術(shù)貫穿于產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段，通過數(shù)字孿生體與產(chǎn)品實(shí)體持續(xù)的信息交互，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程監(jiān)控、動(dòng)態(tài)控制與優(yōu)化、產(chǎn)品維護(hù)、產(chǎn)品升級(jí)等，達(dá)到虛實(shí)融合，在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)對(duì)物理產(chǎn)品在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的形成過程和行為的模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)和控制。圖3數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用Fig.3ApplicationofDigitalTwinstechnologyinproductlifecycle如在應(yīng)用層面，NASA、美國(guó)空軍等依托數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的故障檢測(cè)、處置和航天器的壽命預(yù)測(cè)；洛馬公司將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于F-35飛機(jī)的生產(chǎn)過程，提升其生產(chǎn)效率；達(dá)索公司在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段引入數(shù)字孿生3D體驗(yàn)平臺(tái)，不斷改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型；此外，我國(guó)學(xué)者在產(chǎn)品數(shù)字孿生體的具體的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)施方法、全三維研制模型下的產(chǎn)品構(gòu)型管理等方面也提出了一定的思路和技術(shù)解決方案[21-22]。在生產(chǎn)生命周期層面，根據(jù)NIST《智能制造系統(tǒng)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系》報(bào)告，典型的生產(chǎn)生命周期分為流程設(shè)計(jì)、修建、調(diào)試、運(yùn)維以及退役和回收5個(gè)階段。數(shù)字孿生技術(shù)面向其生產(chǎn)的全面生命

【參考文獻(xiàn)】：
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