数字孪生是基于模型的体系工程.pdf

Pera Corporation Ltd.All rights reserved.数字孪生是基于模型的体系工程安世亚太科技股份有限公司 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.2安世亚太协助企业数字化转型，赋能数字经济发展工业软件支撑正向设计的数字化研发基于正向设计的数字化制造孪生工业孪生城市孪生战场正向设计高端装备新工业品面向服务经济的数字化赋能仿真生态知识生态增材生态打造虚实共智的数字化业态数字孪生工业仿真设计创新精益研发 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.3安世亚太深耕仿真技术26年MBSE需求确认功能分析功能计算需求开发功能分解系统设计物理设计工艺/试制部件验证系统集成系统验证系统确认物理仿真多场仿真多体仿真半实物仿真虚拟现实涉众需求系统验收指标验算指标分析系统仿真功能仿真系统模拟性能仿真仿真技术工艺仿真虚拟制造 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.4安世亚太积极推动数字孪生发展发起成立全球首个数字孪生体联盟创建国内首个数字孪生体实验室发布国内首部数字孪生体白皮书互动实时互传信息数据基于明确机理的计算基于不明确机理的推测多孪生体共享智慧数字孪生体成熟度模型数化先知先觉共智物理世界的数字化建模 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.5积极参与国际和国家标准化工作在各标准化组织中的角色/专业领域工业数据数字孪生智能制造系统工程工业软件增材制造委员ISO工业自动化系统与集成标委会工业数据分委会ISO/TC184/SC4标准审核标准制定标准审核标准审核标准审核委员全国工业自动化系统与集成标委会工业数据分委会SAC/TC184/SC4标准修定标准修定委员全国标委会数字孪生联合工作组（筹）SAC/TC184-TC171/SWG DT（筹）标准制定标准制定参与ISO/IEC信息技术联合技术委员会软件与系统工程分委会ISO/IEC JTC1/SC7标准审核委员全国信标委软件与系统工程分委会SAC/TC28/SC7标准修定参与ISO/IEC信息技术联合技术委员会数字孪生咨询组ISO/IEC JTC 1/AG 11模板评审案例制作委员IEEE智能制造标准委员会IEEE 案例制作案例制作观察员IEEE数字孪生标准工作组IEEE/C/SAB/DR_WG标准制定会员国际系统工程协会标准开发部INCOSE SDD标准审核标准审核参与ISO/ASTM增材制造联合工作组ISO/TC261-ASTM F42专题研讨专题研讨委员全国信标委工业互联网APP标准工作组标准制定召集人全国两化融合标委会制造业数字化仿真管理标准工作组TC573/WG175项标准制定 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.6数字孪生发展成熟度：基础与方向数化互动先知先觉共智安世亚太数字孪生成熟度模型基于基于IOTIOT底座与底座与工业互联网平台工业互联网平台建立生态建立生态安世亚太安世亚太定位定位和和聚焦重点聚焦重点 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.7数字孪生是体系级SoS的虚实映射根据物理设备的数据信息，能够在虚拟空间搭建一个定性分析的虚拟实体和子系统，这类关联并不是单向和静态的，而是关联整个产品生命周期。数字孪生模型由三部分构成：1）物理空间和实体产品2）虚拟空间和虚拟产品3）虚、实之间的数据实时采集传输和模型动态融合互动 数字孪生是综合运用智能感知、计算、数据建模等信息技术，通过软件定义，对物理空间进行描述、诊断、预测和决策，进而实现物理空间与虚拟空间的交互映射，具体体现为，数据是基础、模型是核心、软件实现是载体；数字孪生是体系级思维的体现，实体产品在物理空间中产生互相作用，虚拟产品在虚拟空间中表现为模型的动态融合和互动。数字孪生技术最早在1969年被NASA应用于阿波罗计划中，用于构建航天飞行器的孪生体，反映航天器在轨工作状态，辅助紧急事件的处置。密歇根大学教授Dr.MichaelGrieves Pera Corporation Ltd.All rights reserved.8数字孪生体是什么？物理对象孪生体对象实体功能行为模式关联组成材料结构动力传动转向工艺能耗质量子部件协作对象协作方式设计生产使用运行维护对象业务演化(t)售后服务基础：对象在业务活动中演化的数字化表达T+2T+1T+4T+3扩展：基于业务需要的深层次知识获取与表达用途：自动或人工干预物理对象，更好满足业务目标静态构成行为状态数字孪生体实体快照知识表达精确性扩展数据模型系统仿真传感与数采机理仿真 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.9体系工程SoSE方法来源于美国联合作战系统开发的实践经验总结产生背景规范指导典型应用装备的研制过程通常使用系统工程方法来组织和管理，美国国防部在组织联合作战装备研制过程中发现，传统的系统工程方法遭遇到了管理瓶颈，需要用一种新的概念来描述联合作战系统，这就是体系（System of Systems，SoS），而体系研制的工程过程也应该有相应的体系工程方法与之对应。美国国防部在一些学者研究成果的基础上，结合多个联合作战系统开发的实践经验，于2004年推出了体系的系统工程指南（SystemsEngineering Guide for Systemsof Systems），简称为体系工程指南（SoSE）,并确定作为美军联合作战体系开发的工程指导。该指南提出了在传统系统工程之外的7个核心要素过程。陆军作战指挥系统、空军作战重心（AOC）武器系统、弹道导弹防御系统（BMDS）、空军分布式通用地面系统（DCGS）、国防部情报信息系统（DoDIIS）、未来作战系 统（FCS）、军 事 卫 星 通 信（MILSATCOM）、海军一体化火控-防空（NIFC-CA）系统、太空雷达系统（SR IPO）、战区联合战术网络。Pera Corporation Ltd.All rights reserved.10体系工程SoSE是系统工程SE的更深层次应用体系工程以解决体系的构建与演化问题为目标，其研究对象是体系（超复杂系统），区别于系统工程所针对的简单系统对象，在过程原理上两者间存在本质的差异。体系工程过程存在需求分析循环、设计分析循环与设计验证循环，除此之外，还存在对体系环境与边界的分析。体系环境与边界分析同需求分析循环、设计分析循环和设计验证循环并行进行，体系工程4个方面的过程分析通过体系分析与控制活动进行平衡，通过平衡找到体系设计的合适的方案体系工程源于系统工程，但高于系统工程，是解决系统工程解决不了的体系问题。Pera Corporation Ltd.All rights reserved.11数字孪生业务架构：基于模型的体系工程MBSoSE Pera Corporation Ltd.All rights reserved.12数字孪生体的构建是一个体系的工程组件系统体系物理实体数字孪生体业务目标振动数据电流数据温度数据运行数据.PLC数据SCADA数据故障数据运维数据.ERP数据MES数据SCM数据PLM数据.组件几何模型组件机理模型组件故障诊断模型组件故障预测模型系统能耗分析模型系统故障分析模型系统效能优化模型组件关联分析模型体系运营分析模型体系运营优化模型体系安全分析模型体系盈利分析模型从数据到模型从模型到价值集团、公司层级降低运营成本提升经济效益增加产品服务价值减少备品备件库存综合建模体系建模、数据建模、仿真建模、机理建模、几何建模业务价值映射集团层（公司）级、产线（系统）层级、设备（组件）层级产线、系统层级降低综合能耗提升综合OEE系统故障根因快速追溯降低系统运维时间设备、组件层级设备全寿命周期管理提升故障诊断准确度提升故障预准确提升运维效率 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.13混合建模的方式才能实现数字孪生体的业务目标物理实体业务功能故障模式操作流程特征数据运维规程数字孪生体机理模型几何模型物理模型仿真模型行为模型交互模型数字孪生体的构建结合业务功能、故障模式、运维规程、特征数据、操作流程等多个方面的数据；数字孪生体包含机理模型、几何模型、物理模型、仿真模型、行为模型、交互模型等模型；数字孪生体是物理实体的虚拟映射，不仅能够实时反映其真实各种状态，而且能够有效预测其未来趋势，同时，数字孪生体也能生成反馈控制信号，对真实物理实体进行实时控制。数字孪生体模型构建实时监测及时控制预测性维修优化运维排程 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.14数字孪生产品整体架构CAD数据CAE数据传感器数据数据源CRM数据ERP数据MES数据SCM数据电流电压数据汇聚平台数据聚工具平台边缘智能设备大数据平台大数据组件数据管理组件数据处理组件可视化组件运维组件综合建模平台模型生产管理框架实体模型行为模型交互模型系统模型产线模型设备模型数据探索特征提取数据降维数理统计智能算法模型测试模型评估模型部署模型管理模型运行支撑平台模型运行管理调度框架仿真推演集中调度分布式调度离散事件时序事件评估分析模型运行资源管理模型运行配置管理知识图谱任务管理驱动引擎运行监控失效处理运行构建质量分析设备PHM能耗优化产线优化柔性生产工艺优化生产预测排成优化缺陷分析数字孪生支撑平台数字孪生业务平台总线接口算法模块存储模块计算模块IOT平台设备管理模块数据采集模块数据传输模块安全管理模块安全模块 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.15核心产品：综合建模平台综合建模画布界面功能：支持完整的建模流程，从数据治理到模型构建、模型验证和模型部署工具，内置统计分析、特征处理、深度学习、设备机理模型等成熟的算法组件包；提供可视化的建模过程，降低建模的难度，提供模型自动化打包、部署。特点：结合DoDAF和MBSE，从系统描述的视角通过对实物对象的数字化描述触发模型构建；模型的构建围绕业务需求，结合功能、结构、行为，来构建数字孪生体所需的模型；依据行业属性，根据具体物理特性、工艺特点等选取已有的模型快速构建所需业务模型。综合建模流程 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.16核心产品：模型运行支撑平台模型导入界面模型管理界面模型信息界面功能：通过可视化的界面完成模型导入，模型运行状态监控，进行模型运行资源的监控和调度；模型以服务的方式对外发布，支持模型的导出加密等机制。特点：从数字孪生体所表现出来的包含多个系统的体系层级来重新设计整体架构；具体的数据模型只是数字孪生体不同层级、不同维度的组件，模型之间是可以相互融合、相互作用、相互影响；数据模型能够在平台上按需加载运行、动态配置、动态协同、仿真推演。Pera Corporation Ltd.All rights reserved.17数字孪生体的三维发展范式：空间、时间、成熟度孪生体空间（数字孪生体组成结构）孪生体时间（数字孪生体生命周期）孪生体成熟度（数字孪生体模型标准）设备产线车间工厂城市/行业/领域设计研发生产制造使用运维数化互动先知先觉共智 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.18以工业数字孪生为例：数字孪生贯穿于产品从设计、生产到使用、运维的产品全寿命周期设计研发生产制造测试验证产品使用运维保障报废回收业务：精益化设计数据：CAD、CAE等建模：仿真建模、机理建模业务：智能制造数据：ERP、PLMMES等建模：系统建模、机理建模业务：虚拟化验证数据：设计数据、传感器数据等建模：系统建模、机理建模业务：无忧使用数据：传感器数据、运维数据等建模：系统建模、机理建模业务：预测性运维数据：传感器数据等建模：系统模型、机理建模业务：回收绿色化数据：设计、制造、使用数据等建模：统计建模、数据模型DigitalTwin Pera Corporation Ltd.All rights reserved.19数字孪生涵盖了从部件、装备到企业的各个主要构成层级企业级飞机制造企业航空公司ERP数据MES数据SCM数据.基于公司运营数据，构建多维关联分析模型安全、产量、运维、销售等关键经营维度降低运维成本提升运营效率降低能耗减少库存装备级干线客机、货机；公务机、农业机、林业机、轻型多用途机；运维数据操作数据故障数据.基于设备的机理模型、仿真模型、数据模型进行混合建模构建全寿命周期的健康状态综合评估装备全寿命周期健康评估提升装备OEE装备预测性维修装备效能和运维优化部件级机翼；机身；发动机；起落架；振动传感器电流传感器温度传感器.基于部件的机理模型、仿真模型、数据模型进行混合建模根据故障模式对自身状态定性和定量的精确分析部件全寿命周期管理部件故障预测部件衰退评估部件故障根因分析部件运维优化数字孪生体数据源数字孪生模型构建关键业务目标物理实体数字孪生体数字孪生体物理实体 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.20数字孪生落地对应到人、机、料、法、环、测（5M1E）六个业务维度数字孪生体是物理实体的业务和价值映射；数字孪生体从体系维度将物理实体所关联的人、机、料、法、环、测六个重要因素进行体系化建模，通过更好地实现业务功能体现数字孪生体的真实价值。数字孪生体人机料法环测人员技能评估人员综合评价人员培训计划设备OEE评估设备操作优化设备故障预测库存管理优化备品备件优化供应链优化.工艺排程优化蟾皮质量优化产能提升规划.环境影响评估能耗评估优化绿色节能规划.数字孪生标准数字孪生成熟度标准评测方法.Pera Corporation Ltd.All rights reserved.21数字孪生应用于矿山行业数字孪生矿山不仅包含关键设备有数字孪生采煤机、数字孪生液压支架、数字孪生刮板运输机等，还包含有井上井下人员、设备的备品备件、开采工艺、煤矿地质等关键因素；对于关键设备通过采集这些装备的电流数据、温度数据、振动数据、速度数据、高度数据等，综合采用机理建模、数据建模、仿真建模等建模方法，利用混合建模的方法构建关键装备的数字孪生体；通过关键装备的数字孪生体的构建，支撑采煤机自主导航和驾驶、液压支架智能跟机、刮板运输机的自主调节控制等业务功能，实现智能化开采、智能化流程管理、智能化决策等。数字孪生刮板运输机数字孪生采煤机数字孪生液压支架刮板运输机采煤机液压支架物理实体矿山数字孪生矿山 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.22数字孪生应用于钢铁制造行业炼铁炼钢-连铸加热-热轧-冷却酸洗-冷轧涂镀-热处理能效优化管理跟踪生产过程中水、电、气的消耗情况，结合实际生产过程数据进行关联分析；根据生产安排，预测能耗，并根据实际消耗，进行异常情况的根因分析；对总体能耗进行逐级分析，形成知识库，指导实际生产中能源的调配。设备智能运维对生产过程中重要的设备、例如轧机等进行故障诊断和预测；整合设备的点检规程，优化点巡检流程，提升设备的OEE；自动创建设备健康状况报告，建立维修的知识工程体系，提升MTBF。生产安全管理综合采用智能视频分析等手段，对重点岗位、重点区域、重点人员进行实时监控，避免危险闯入、疲劳工作等情况发生；采用机理建模、机器学习等方法，对大型电机、危险液体、高温气罐等重要设备和危险设备进行有效监控和预警，提升生产的安全。生产产能预测通过构建热轧、冷轧等产线的系统模型，能够对产线的生产情况进行预测，根据生产中发生的故障维修进度等情况，适时调整生产，达成生产目的；能够依据实际生产需求，通过系统模型，评估整体的产能情况，进行综合测算，形成对生产情况的准确评估。数字孪生系统 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.23数字孪生应用于石化行业基于数字孪生系统的数字油田能够将物理空间与虚拟空间进行功能映射，从人、机、料、法、环等诸多环节进行实体投影；在人员方面，能够在虚拟空间构建人员模型，从而有效地进行人员效率改善评估、培训规划效果评估等；在设备方面，能够实现设备故障预测、设备维护规划、设备设计验证、设备状态远程监测、设备可视化与集成等，更好地实现减人、减碳、止损、提质、增效等高质量发展目标。升降模块钻井模块船体模块电气设备 管系模块 数字孪生体模型构建数字孪生体的业务功能实时监测及时控制预测性维修全寿命周期管控设备人员料法环 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.24数字孪生应用于城市规划、建设和管理中国数字孪生城市的发展经过了概念培育期和技术方案架构期，已经于2020年进入建设初期。2020年4月发布的关于推进“上云用数赋智行动培育发展实时方案”中更是将数字孪生与大数据、人工智能、5G等并列，要求“引导各方参与提出数字孪生解决方案”，多个省/市陆续发布了建立数字孪生城市试点项目的政策行动方案；数字孪生城市强调建立一个与物理城市实时交互的虚拟城市，精准映射物理城市运行情况，形成虚实交互格局，以提升、优化城市的综合治理规划水平。Pera Corporation Ltd.All rights reserved.25数字孪生应用于战场：美国国防采办指南提出采用基于数字孪生体的数字工程，完善联合作战需求为了进一步完善联合作战需求，美国国防采办指南中提出，美国国防部需逐步采用基于数字孪生体的数字工程，逐步剖解，成功的把组织架构和系统工程融合在一起。美国国防部一方面邀请学者专家完善数字孪生体理论体系，另外一方面，它设定了数字工程战略五大目标，指导各个军种相关工作。美国数字工程战略的组织架构设置在组织管理方面，美国的数字工程转型工作由国防部抓总，海陆空三军牵头实施，联合工业界和学术界优势力量开展研究和论证工作，并借助先导项目逐步验证和推广，最终实现全面应用。数字工程管理部门具体由美国国防部负责工程和研发的副部长迈克 尔 格 里 芬（Michael D.Griffin）领导；由国防部系统工程司、空军装备科技工程办公室、陆军装备系统工程办公室和海军装备研发测评办公室指导；由国防部系统工程司工程工具和环保办公室的菲洛米娜齐墨尔曼团队负责实施。通 过 与 美 国 国 家 航 空 航 天 局（NASA）、联 邦 航 空 局（FAA）、国土安全局，以及各大高校合作提供外部资源和服务。Pera Corporation Ltd.All rights reserved.26数字孪生应用：现在只是起步，天地广阔、前景无限依据信通院资料，中国物联网行业规模从2013年的4896亿元增长至2020年的1.6万亿元；其中工业物联网约占17%，合2700亿元；2019年，Gartner物联网实施调查显示，13%的实施物联网(IoT)项目的组织已经在使用数字孪生，62%的组织正在建立或计划这样做；到2022年，超过三分之二实施物联网的公司将在生产中部署至少一个数字孪生；工业领域的数字孪生，将在未来几年形成一个超过千亿的市场以工业数字孪生为例基于模型的体系工程和仿真模拟是推动数字孪生深入应用的核心技术驱动力 Pera Corporation Ltd.All rights reserved.