数字孪生解决方案

一、背景需求

随着与云计算、大数据、物联网、人工智能等新技术新理念的融合，建模仿真正在进入一个新的发展阶段，向着数字化、网络化、服务化、智能化方向发展。

图1 建模与仿真

数字孪生是建模仿真技术与物联网LOT、虚拟现实VR等技术相结合的产物，在工业互联网浪潮的推动下，在各行各业得到广泛应用。在智能制造领域，通过建立物理系统的数字模型、实时监测系统状态并驱动模型动态更新实现系统行为更准确的描述与预报，从而在线优化决策与反馈控制，数字孪生可应用于复杂装备的设计研发、制造装配和运行维护。

图2 数字孪生

a) 在设计与验证阶段：通过数字孪生技术，可实现设计数据、模型的复用，为下一代装备的设计和改良提供参考价值，缩短装备设计验证周期，满足装备多样性和快速响应研发需求；

b) 在制造与测试阶段：通过数字孪生技术，可以实现生产的数字化规划，实现排产和调度方案动态寻优；制造的数字化监测，实现制造过程异常与潜在问题的及时发现与解决；

c) 在交付与培训阶段：通过数字孪生技术，提供精准的装备数字化模型和数据，实现物理与数字双交付和人员虚拟仿真实训。

d) 在运维与保障阶段：通过数字孪生技术，可以实现运行状态数据精准感知和运行状态及趋势动态预知，从而更早地发现、解决和预防未来可能发生的异常和问题。

e) 在报废与回收阶段：通过数字孪生技术，可以根据固定时限或固定使用次数进行装备报废决策，避免装备因过早报废而浪费资源。

二、 数字孪生关键技术

数字孪生通过用实时监测数据消除模型不确定性，用精确模拟代替真实场景，从而优化实际系统的操作和运维，其实现需要的关键技术包括：

1）数字孪生集成平台

      数字孪生的实现需要发展新的工具平台，集成多物理场仿真、数据管理、大数据分析、动态数据驱动决策等多个功能模块，同时借助虚拟现实VR或增强现实AR等可视化技术，使决策者能够快速准确地了解系统实际状态，从而指导对系统的操作，实现效能更高的控制与优化。

图3 统一的数字底座

     2）复杂系统建模与仿真

      数字孪生体是真实物理实体的数字化镜像，需要在虚拟空间中实现真实物理实体的形态与性能。既要反映真实物理体客观的外在行为，也要呈现内在的，无法观测到的客观行为与特征。因此需要多学科、多物理场、多尺度的高精度建模技术与工具。

图4 多物理场建模仿真

 3）数据采集与实时监测

      数字孪生体需要实时感知物理系统性能状态并收集系统周围环境信息，因此需要传感与监测技术。通过安装在系统结构表面或嵌入结构内部的分布式传感器网络，获取结构状态与载荷变化、操作以及服役环境等信息，实时监测系统在生产、制造、服役以及维护过程。

图5 数据采集监测

 4）数据驱动分析与决策

      实时交互性与动态演化性是数字孪生体的两个重要特性，而动态数据驱动应用系统这种全新的仿真应用模式，能够将模型与物理系统有机的结合起来，在实际服役过程中，利用实时监测的数据动态更新模型，更新后的模型可以得到许多测量无法直接输出的数据，从而驱动更准确地分析系统特性。

图 6 动态数据驱动

5）三维实时动态渲染

     数字孪生系统涉及孪生数据与云端的交互以及孪生数据在云平台下的可视化，现阶段主要通过APP或Web作为交互手段实现数字孪生系统的云化。其中基于Web的方式使得一套系统可在不同的平台下运行，具有天然的跨平台性优势，同时在用户便利性方面也具备一定优势，用户无需安装其他软件应用，只需要通过浏览器就能访问系统，可以随时随地开展工作。采用基于Unity的WebGL完成系统的可视化任务。WebGL作为一种3D绘图标准，通过JavaScript的API呈现3D电脑图形，这种一致性使API可以利用用户设备提供的硬件图形加速，借助系统显卡在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型。将Unity工程发布为WebGL版本可以实现在Web浏览器中嵌入Unity内容，使得浏览器有能力成为部署交互式图形应用程序的平台，用于本地或在线数据创建各种交互式可视化，并允许在用户之间共享可视化结果。

图 7 三维实时渲染

三、行业案例实践

         应用案例一：发动机预测与健康管理系统在发动机运行过程中对关键部件状态进行实时监测，通过机载传感器实时监测信息，借助数字孪生，利用超高保真模型和综合数据相结合的综合分析方法来转换为机载诊断信息和寿命管理信息，通过地面站系统处理后形成故障隔离任务，根据部件寿命消耗的情况和故障隔离处置结果产生备件需求信息、发动机修理更换件信息，并发送至供应保障系统、维修工作人员和基地级大修机构，实现航空发动机的数字化保障。

图8 航空发动机故障诊断与健康管理

   应用案例二：针对某客户厂房环境的实时监测、告警与预测需求，通过传感器对厂房的温度、湿度等环境指标进行监测，并利用曲线走势图、预警列表等可视化报表直观呈现，辅助企业数智化决策。

图9  厂房环境温度实时监测系统