智能設備數(shù)字孿生應用 課件 13-14、數(shù)字孿生的關鍵技術-建模

智能設備的數(shù)字孿生授課教師：卞化梅關鍵技術：建模關鍵技術：仿真關鍵技術：虛擬現(xiàn)實技術4.14.24.3第四章數(shù)字孿生的關鍵技術關鍵技術：增強現(xiàn)實技術4.4關鍵技術：仿真4.2知識回顧

知識回顧：（1）模型的基本概念（2）建模的基本步驟（3）建模的實現(xiàn)方法（4）模型的構建知識回顧1.模型的基本概念指通過主觀意識借助實體或者虛擬表現(xiàn)，構成客觀闡述形態(tài)結構的一種表達目的的物件。2.建模的基本步驟首先進行模型抽象，然后模型表達、模型構建、最后模型運行。3.建模的實現(xiàn)方法在IT場景中、OT場景中(Modelica建模語言、OPCUA技術)4.模型的構建在數(shù)字孿生中，模型的構建是一個關鍵步驟，它涉及將實際系統(tǒng)轉化為數(shù)字形式并建立相應的模型。4.2關鍵技術：仿真

從20世紀50年代開始，仿真技術逐漸成為了一門新興學科，計算機仿真經(jīng)過了模擬計算機、數(shù)字計算機、混合計算機、全數(shù)字并行處理仿真技術的發(fā)展與演變，相繼出現(xiàn)了模擬仿真、數(shù)字仿真、混合仿真、全數(shù)字并行的仿真技術。仿真的軟件也由數(shù)值計算方法，仿真的語言越來越豐富，直到現(xiàn)在，仿真技術已經(jīng)應用到各個技術領域、各個學科內容和各種工程部門。4.2.1仿真技術概述軍事領域醫(yī)療領域工業(yè)領域4.2關鍵技術：仿真1.仿真技術概念仿真技術是指應用仿真硬件和仿真軟件通過仿真實驗，借助某些數(shù)值計算和問題求解，反映系統(tǒng)行為或過程的仿真模型技術。

第一階段20世紀初已經(jīng)在某些行業(yè)有了應用，如在實驗室中建立水利模型，進行水利學方面的研究第二階段在20世紀40-50年代，仿真技術應用在航空、航天和原子能等領域進行了應用；第三階段在20世紀60年代隨著計算機技術的突飛猛進的發(fā)展，提供了先進的仿真工具，加速了仿真技術的發(fā)展。物理產品的所使用狀態(tài)變化，組件更新等信息，產品性能優(yōu)化的信息都將反饋到數(shù)字孿生體4.2關鍵技術：仿真

2.仿真工具

仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真軟件。仿真硬件仿真軟件仿真硬件仿真工具4.2關鍵技術：仿真

(1)仿真硬件在仿真硬件其中最主要的工具就是計算機。用于仿真的計算機的類型有三種，分別模擬計算機、數(shù)字計算機和混合計算機以及一些專用的物理仿真器。仿真硬件模擬計算機模擬計算機模擬計算機專用的物理仿真器4.2關鍵技術：仿真

數(shù)字計算機還可分為通用數(shù)字計算機和專用數(shù)字計算機，隨著數(shù)字計算機的軟件、接口和終端技術的發(fā)展，人機交互性也較好，目前數(shù)字計算機已成為現(xiàn)代仿真的主要工具。數(shù)字計算機模擬計算機主要用于連續(xù)系統(tǒng)的仿真，在進行模擬仿真時，依據(jù)仿真模型將各運算放大器按要求連接起來，調整其有關的系數(shù)器。它的優(yōu)點人機交互性好，適合于實時仿真。模擬計算機4.2關鍵技術：仿真

混合計算機是把模擬計算機與數(shù)字計算機聯(lián)合在一起應用于系統(tǒng)仿真的計算機系統(tǒng)。充分發(fā)揮模擬計算機的高速度和數(shù)字計算機的高精度、邏輯運算和存儲能力強的優(yōu)點?；旌嫌嬎銠C空間環(huán)境模擬器仿真工具的硬件除了計算機，仿真硬件還包括一些專用的物理仿真器，如運動仿真器、目標仿真器、負載仿真器、環(huán)境仿真器等。4.2關鍵技術：仿真仿真軟件是以仿真服務的仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數(shù)據(jù)庫為核心的仿真軟件系統(tǒng)。仿真軟件的種類很多，涉及到如機械、流體、結構、巖土、土木、隧道、生物、電磁、海洋、優(yōu)化、化工、人體、逆向、建模、智能制造等多學科。2.仿真工具(2)仿真軟件4.2關鍵技術：仿真3.仿真方法

離散事件系統(tǒng)仿真方法連續(xù)系統(tǒng)仿真方法仿真方法仿真方法主要是指建立仿真模型和進行仿真實驗的方法。仿真方法不是一種單項技術，而是一種求解問題的方法。仿真方法是建立系統(tǒng)的數(shù)學模型并將它轉換為適合在計算機上編程的仿真模型，然后對模型進行仿真試驗的方法。仿真方法基本上分為兩大類，分別為連續(xù)系統(tǒng)仿真方法和離散事件系統(tǒng)仿真方法。4.2關鍵技術：仿真

(1)連續(xù)系統(tǒng)仿真方法連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學模型一般采用微分方程進行描述，模型中的變量隨時間連續(xù)變化。根據(jù)仿真時所采用的計算機不同，可分為模擬仿真法、數(shù)字仿真法和混合仿真法三類。(2)離散事件系統(tǒng)仿真方法離散事件系統(tǒng)仿真方法是指離散事件系統(tǒng)的狀態(tài)是在離散時刻發(fā)生的變化，通常用“離散事件”這一術語來表示這樣的變化。問題思考中國行業(yè)的市場規(guī)模如何？4.2關鍵技術：仿真4.計算機仿真技術行業(yè)發(fā)展

中國計算機仿真行業(yè)的市場規(guī)模呈現(xiàn)出穩(wěn)定增長的態(tài)勢，在國家政策支持、技術創(chuàng)新推動、行業(yè)應用拓展等多重因素的影響下，中國計算機仿真行業(yè)將保持較高的增長速度，預計到2023年底，市場規(guī)模將超過2000億元，復合增長率達到12%左右。從尚普咨詢集團數(shù)據(jù)顯示，2022年中國計算機仿真行業(yè)上市企業(yè)TOP10的營收總額約為72億元，占整個行業(yè)營收總額的6.6%。目前，中國計算機仿真行業(yè)整體集中度較低，沒有形成明顯的龍頭企業(yè)。4.2關鍵技術：仿真

(1)計算機仿真行業(yè)細分領域分析對賽車模型壓力進行測試①計算機仿真測試計算機仿真測試是指利用計算機軟件和硬件對各種電子設備、系統(tǒng)或網(wǎng)絡進行性能測試、故障診斷、可靠性評估等的過程，通過計算機仿真測試可以提高測試效率和精度，降低測試成本和風險，提高產品質量和安全性。【案例】賽車模型仿真測試，對典型的F1賽車的地板產生壓力進行測試。問題思考計算機仿真測試分為哪些？4.2關鍵技術：仿真

計算機仿真測試主要包括機電仿真測試、射頻仿真測試、通用測試等。計算機仿真測試機電仿真測試射頻仿真測試通用測試4.2關鍵技術：仿真通用測試是指利用計算機軟件和硬件對各種通用設備或系統(tǒng)進行功能、性能、兼容性等方面的仿真測試，主要應用于電子信息、醫(yī)療器械、教育科研等領域。

射頻仿真測試是指利用計算機軟件和硬件對各種射頻設備或系統(tǒng)進行信號發(fā)射、接收、處理等方面的仿真測試，主要應用于通信、雷達、導航等領域?！景咐扛咚俚腜CB設計中，采用球柵陣列封裝技術。BGA球柵陣列封裝技術機電仿真測試是指利用計算機軟件和硬件對各種機電設備或系統(tǒng)進行動力學、熱力學、電磁學等方面的仿真測試，主要應用于汽車、航空航天、工程機械等領域。【案例】如對電動汽車整車的電性能進行測試。整體電性能測試

數(shù)字孿生的仿真技術

在數(shù)字孿生體系中的仿真技術是一種在線數(shù)字仿真技術表示為確定性規(guī)律和完整機理的模型轉化成軟件的方式來模擬物理世界

（對物理實體建立相對應的虛擬模型，并模擬物理實體在真實環(huán)境下的行為。）在數(shù)字孿生體系中模型要正確，有完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就能基本正確地反映物理世界的特性和參數(shù)，驗證和確認對物理世界或問題理解的正確性和有效性。數(shù)字孿生中的仿真技術更加強調物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的虛實共融和實時交互貫穿了全生命周期是一種高頻次和不斷循環(huán)迭代的仿真過程。4.2關鍵技術：仿真4.2關鍵技術：仿真②仿真模擬訓練

仿真模擬訓練是指利用計算機軟件和硬件構建虛擬環(huán)境和場景，對人員進行技能培訓、知識教育、心理調節(jié)等的過程。仿真模擬訓練主要包括軍事仿真訓練、飛行仿真訓練、駕駛仿真訓練等。仿真模擬訓練軍事仿真訓練飛行仿真訓練駕駛仿真訓練4.2關鍵技術：仿真

軍事仿真訓練是指利用計算機軟件和硬件構建虛擬戰(zhàn)場和作戰(zhàn)環(huán)境，對軍事人員進行戰(zhàn)術技能、戰(zhàn)略思維、心理素質等方面的仿真訓練，主要應用于陸軍、海軍、空軍等部隊。【案例】某武警第二機動總隊某支隊引入VR仿真訓練設備。軍事仿真訓練飛行仿真訓練是指利用計算機軟件和硬件構建虛擬空域和飛行環(huán)境，對飛行人員進行飛行技能、飛行規(guī)則、飛行安全等方面的仿真訓練，主要應用于民航、航空航天等領域。【案例】美國空軍在內華達州的內利斯空軍基地開設了一個5500平方米虛擬測試訓練中心。飛行仿真訓練駕駛仿真訓練是指利用計算機軟件和硬件構建虛擬道路和駕駛環(huán)境，對駕駛人員進行駕駛技能、交通規(guī)則、安全意識等方面的仿真訓練，主要應用于汽車、公交車、地鐵等領域?！景咐科囻{駛仿真汽車駕駛仿真4.2關鍵技術：仿真

③虛擬制造虛擬制造是指利用計算機軟件和硬件對產品設計、工藝流程、生產線布局等進行數(shù)字化建模和優(yōu)化分析的過程虛擬制造主要包括數(shù)字化設計、數(shù)字化加工、數(shù)字化組裝等。虛擬制數(shù)字化設計數(shù)字化加工數(shù)字化組裝4.2關鍵技術：仿真

數(shù)字化設計展廳

數(shù)字化設計是指利用計算機軟件對產品形態(tài)、結構、功能等進行三維建模和參數(shù)化設計的過程?！景咐繑?shù)字化展廳。數(shù)字化加工是指利用計算機軟件對產品加工工藝進行數(shù)學建模和優(yōu)化控制的過程。數(shù)字化加工可以提高加工質量和穩(wěn)定性，實現(xiàn)智能化監(jiān)測和調整，提高加工效率和節(jié)能性。【案例】SMT貼片行業(yè)全面進入自動化SMT貼片自動化數(shù)字化組裝是指利用計算機軟件對產品組裝流程進行邏輯建模和動態(tài)模擬的過程。【案例】西門子醫(yī)療的制造與研發(fā)的智機器人組裝過程機器人組裝問題思考計算機仿真技術發(fā)展趨勢？4.2關鍵技術：仿真

5.計算機仿真技術發(fā)展趨勢計算機仿真技術應用趨勢從傳統(tǒng)的靜態(tài)仿真模型迅速發(fā)展為動態(tài)模型，已應用于航天、船舶、醫(yī)療、安全、服務、教育等各個領域。隨著應用范圍的廣泛，計算機仿真技術也隨著發(fā)展，目前計算機仿真技術的發(fā)展趨勢主要有高性能仿真技術、增強仿真技術、集成仿真技術、可視化仿真技術、智能化仿真技術等。01高性能仿真技術02增強仿真技術03集成仿真技術04可視化仿真技術05智能化仿真技術4.2關鍵技術：仿真

高性能仿真技術隨著計算機仿真技術對存儲、計算等要求越來越高，計算機仿真技術越來越依賴計算機的性能，未來需要更加繁瑣的仿真模型，要求性能越來越高、延遲越來越低，加上大數(shù)據(jù)仿真實施技術，對性能的要求也較高。增強仿真技術增強仿真技術是指以有形環(huán)境為基礎，使用虛擬元素來增強仿真技術，可以實現(xiàn)對更多應用領域的快速處理。其中，基于虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）、真實現(xiàn)實（MR）技術的發(fā)展，使得模型更加重視界面和控制系統(tǒng)的整合和融合，也是未來發(fā)展的趨勢之一。4.2關鍵技術：仿真

集成仿真技術目前計算機仿真技術已發(fā)展為多種模型和方法，并開展了大量的新應用。計算機仿真技術將繼續(xù)在實施綜合應用仿真，以擴大其范圍，改善仿真精度，加速計算能力，增強圖形計算能力，加強決策支持和多尺度仿真等集成方面進程?？梢暬抡婕夹g計算機仿真技術的一個重要組成部分是虛擬圖形，通過虛擬圖形技術，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化和表達，并可以模擬、實時顯示場景或二維、三維地圖，以便更直觀地理解仿真結果。除此，計算機仿真技術已發(fā)展到允許混合仿真（MR），可以實現(xiàn)全景、觸控等新型應用。4.2關鍵技術：仿真

智能化仿真技術計算機仿真技術與人工智能相結合，可以形成仿真分析系統(tǒng)幫助管理者更快、更準確地做出決策。4.2關鍵技術：仿真

數(shù)字孿生的仿真技術

在數(shù)字孿生體系中的仿真技術是一種在線數(shù)字仿真技術表示為確定性規(guī)律和完整機理的模型轉化成軟件的方式來模擬物理世界

（對物理實體建立相對應的虛擬模型，并模擬物理實體在真實環(huán)境下的行為。）在數(shù)字孿生體系中模型要正確，有完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就能基本正確地反映物理世界的特性和參數(shù)，驗證和確認對物理世界或問題理解的正確性和有效性。數(shù)字孿生中的仿真技術更加強調物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的虛實共融和實時交互貫穿了全生命周期是一種高頻次和不斷循環(huán)迭代的仿真過程?；跀?shù)字孿生可對物理對象通過模型進行分析、預測、診斷、訓練等仿真過程，并將仿真結果反饋給物理對象，從而幫助對物理對象進行優(yōu)化和決策。仿真技術是創(chuàng)建和運行數(shù)字孿生體、保證數(shù)字孿生體與對應物理實體實現(xiàn)有效閉環(huán)的核心技術。目前數(shù)字孿生的仿真技術與信息新技術（大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等）相融合，向著數(shù)字化、網(wǎng)絡化、服務化、智能化方向發(fā)展。4.2關鍵技術：仿真數(shù)字孿生中仿真技術與物理對象之間的關系數(shù)字孿生中仿真技術分類（1）按被仿真的對象進行分類4.2關鍵技術：仿真將實際工程的狀態(tài)在模型中進行模擬，通過仿真技術確認工程系統(tǒng)的內在變量對被控對象的影響，如制造過程的仿真。工程系統(tǒng)仿真指對自然場景進行真實模擬，部分自然場景具有不規(guī)則性、動態(tài)性和隨機性，因此對自然場景的實時仿真具有重大的意義。自然系統(tǒng)仿真社會系統(tǒng)仿真生命系統(tǒng)仿真軍事系統(tǒng)仿真復雜社會系統(tǒng)的描述與研究方法，有助于提高決策層對系統(tǒng)運行狀態(tài)的快速掌握以及對各種狀況的及時處理，如人工社會的仿真。以生命系統(tǒng)為研究對象，以生命的某種功能為劃分系統(tǒng)的原則，以定量研究為特點的一種新興學科，如數(shù)字人體。指在軍事仿真方面，有戰(zhàn)爭模擬、作戰(zhàn)演練、裝備使用和維修培訓等應用場景，能節(jié)約經(jīng)費、提高效率、保護環(huán)境、減少傷亡。（2）按仿真粒度進行分類4.2關鍵技術：仿真單元級仿真

指即面向單個部分或領域的仿真，如機械結構仿真、控制仿真、流體仿真、電磁仿真；系統(tǒng)級仿真，面向單一系統(tǒng)整體行為的仿真，如汽車、飛機等產品的全系統(tǒng)仿真。體系級仿真

指面向由多個獨立系統(tǒng)組成的體系系統(tǒng)的仿真，關注體系中各部分之間的關系和體系的涌現(xiàn)行為，如城市交通仿真、體系對抗仿真。（3）按仿真系統(tǒng)架構進行分類

4.2關鍵技術：仿真0102指運行于單臺計算機或單個平臺上的仿真系統(tǒng)，適合中小型的仿真系統(tǒng)，便于設計和管理。集中式仿真指運行于多臺計算機或多個平臺上的仿真系統(tǒng)，常用于大規(guī)模體系級仿真。分布式仿真3.數(shù)字孿生中仿真技術的應用與發(fā)展

目前仿真技術形成了比較完善的理論、方法和技術體系，仿真技術為數(shù)字孿生的發(fā)展與應用提供了堅實的基礎和有力的支撐。（1）數(shù)字孿生中仿真技術的應用①數(shù)字孿生仿真技術應用在交通領域交通安全仿真是基于虛擬現(xiàn)實技術的評價系統(tǒng)，交通安全仿真和評價系統(tǒng)是作為交通管理部門建設和改善交通設施的依據(jù)和分析交通事故的一種方法。4.2關鍵技術：仿真

②數(shù)字孿生仿真技術應用在智能制造領域數(shù)字孿生中的仿真技術目前在智能制造的應用比較廣泛，它是物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等技術相結合的產物，越來越多的制造商們開始借助數(shù)字孿生技術探索智能生產新模式，相繼開發(fā)了虛擬車間、數(shù)字工廠、產品設計、設備管理、車聯(lián)網(wǎng)等新型應用場景。數(shù)字孿生能模擬現(xiàn)實環(huán)境中的行為，孿生數(shù)字便代表了物理世界與虛擬世界的融合。4.2關鍵技術：仿真

③數(shù)字孿生仿真技術應用在教育領域

計算機仿真實驗是計算機多媒體教學中新增加的領域，可