第2章数字孪生相关技术和一般架构｜附下载

数字孪生的技术基础

数字孪生的技术基础，是指在数字孪生这一概念出现之前，就已经广泛研究和使用的技术。 这些技术的发展促使“数字孪生”这一概念的产生，同时，数字孪生技术的出现和发展也会 对这些技术产生新的发展需求。

这些技术主要包括建模拟真技术、虚拟制造技术和数字样机技术。

1.数字孪生的技术基础——建模拟真技术：模型

模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统的特征与转变法则的一 种定量抽象，是人们熟悉事物的一种手段或工具。模型大致可以分为三类：

（1）物理模型：指不以人的意志为转移的客看存在的实体，如：飞行器研制中的飞行模型；船舶制 造中的船舶模型等。

（2）形式化模型：用某种规范表述方法构建的、对客看事物或过程的一种表达。形式化模型实现了 一种客看世界的抽象，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。

（3）仿真模型：指依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。 p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看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。

2.数字孪生的技术基础——建模拟真技术：数字制造模型

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、执行掌握、事务治理和决策支持等，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、掌握模型和决策模型， 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 运行治理模型等

3.数字孪生的技术基础——建模拟真技术：数字制造模型的主要对象

在数字制造中，需要用模型加以描述的对象包括：

（1）产品：产品的生命周期需要摘用各种产品模型和过程模型来描述；

（2）资源：机器设备、资金、各种物料、人、计算设备、各种使用软件等制造系统中的资源，需要 用相应模型描述；

（3）信息：对数字制造全过程的信息的摘集、处理和运用，需要建立适当的信息模型；

（4）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；

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（5）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。

4.数字孪生的技术基础——建模拟真技术：仿真

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。

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

（2）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拟某一数据处理系统，使得 模拟的系统能像被模拟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” 。在不引起歧义的情状下，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。

仿真是建立在掌握理论、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，并借助于专家体会知识、 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。

5.数字孪生的技术基础——虚拟制造技术

虚拟制造技术（Virtual Manufacturing Technology，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 产治理和资源规划，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。

虚拟制造的特征有：

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

（2）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靠决定了它所面临的 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；

（3）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（Virtual Reality，VR）技术是改良人机交互自然化的普及认可的途径。

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