数字孪生模型构建理论及应用

👉本文转载自计算机集成制造系统编辑部《数字孪生模型构建理论及应用|CIMS封面文章》 ■ 文章信息： 陶飞, 张贺，戚庆林，等. 数字孪生模型构建理论及应用[J]. 计算机集成制造系统, 2021, 27(1): 1-15. ■ 原文链接： http://www.cims-journal.cn/CN/10.13196/j.cims.2021.01.001

论文题目：数字孪生模型构建理论及应用

**论文作者：**陶飞，张贺，戚庆林，徐俊，孙铮，胡天亮，刘晓军，刘庭煜，关俊涛，陈畅宇，孟凡伟，张辰源，李志远，魏永利，朱铭浩，肖斌

**作者单位：**国家重点研发计划项目组（2020YFB1708400）——北京航空航天大学，西安交通大学，山东大学，东南大学，机械工业第六设计研究院有限公司，北京卫星环境工程研究所

摘要：

数字孪生作为实现数字化转型和促进智能化升级的重要使能途径，一直备受各行各业关注，已从理论研究走向了实际应用阶段。数字孪生是以多维虚拟模型和融合数据双驱动，通过虚实闭环交互，来实现监控、仿真、预测、优化等实际功能服务和应用需求，其中数字孪生模型构建是实现数字孪生落地应用的前提。针对如何构建数字孪生模型问题，本文首先提出了数字孪生模型“四化四可八用”构建准则。基于所提出的构建准则，从**“建-组-融-验-校-管”六个方面探索建立了一套数字孪生模型构建理论体系。并基于所提出的数字孪生模型构建准则和理论体系，结合文章作者团队承担的国家重点研发计划项目“基于数字孪生的智能生产过程精确建模理论与方法”，以数字孪生车间为例，从车间要素实体建模**、生产过程动态建模、生产系统仿真建模三个方面对数字孪生车间模型构建理论与技术开展了研究和实践。相关工作期望能为数字孪生构建和进一步落地应用提供理论参考。

文章主要工作：

1、数字孪生模型“四化四可八用”构建准则 文章作者团队前期提出了数字孪生五维模型，包括物理实体、虚拟模型、服务、孪生数据以及它们之间的连接交互。本文所研究的数字孪生模型是指数字孪生五维模型中的虚拟模型部分，其主要功能是对物理实体或复杂系统全要素进行多维、多时空尺度和多领域描述与刻画。

图1 数字孪生模型构建准则：**“四化四可八用”**为使数字孪生模型构建过程有据可依，本文提出了一套数字孪生模型“四化四可八用”构建准则，如图1所示。该准则以满足实际业务需求和解决具体问题为导向，以“八用”（可用、通用、速用、易用、联用、合用、活用、好用）为目标，提出数字孪生模型“四化”（精准化、标准化、轻量化、可视化）的要求，以及在其运行和操作过程中的“四可”(可交互、可融合、可重构、可进化）需求。具体内容见全文。

2、数字孪生模型构建理论体系数字孪生模型是现实世界实体或系统的数字化表现，可用于理解、预测、优化和控制真实实体或系统，因此，数字孪生模型的构建是实现模型驱动的基础。数字孪生模型构建是在数字空间实现物理实体及过程的属性、方法、行为等特性的数字化建模。模型构建可以是“几何-物理-行为-规则”多维度的，也可以是“机械-电气-液压”多领域的。从工作粒度或层级来看，数字孪生模型不仅是基础单元模型建模，还需从空间维度上通过模型组装实现更复杂对象模型的构建，从多领域多学科角度模型融合以实现复杂物理对象各领域特征的全面刻画。为保证数字孪生模型的正确有效，需对构建以及组装或融合后的模型进行验证来检验模型描述以及刻画物理对象的状态或特征是否正确。若模型验证结果不满足需求，则需通过模型校正使模型更加逼近物理对象的实际运行或使用状态，保证模型的精确度。此外，为便于数字孪生模型的增、删、改、查和用户使用等操作以及模型验证或校正信息的使用，模型管理也是必要的。

图2 数字孪生模型构建理论体系：“建-组-融-验-校-管”因此，本文提出了一套包括模型构建、模型组装、模型融合、模型验证、模型修正、模型管理在内的数字孪生模型构建理论体系，如图2所示。具体内容见全文。

3、数字孪生车间模型构建针对车间模型构建过程中存在的要素模型不完备、过程数据未融合、生产系统仿真不精准等问题，依据本文提出的数字孪生模型“四化四可八用”构建原则，在文章作者团队前期数字孪生车间关键技术和数字孪生使能技术研究工作基础上，本文进一步研究提出了数字孪生车间模型构建理论与技术体系，如图3所示。

图3 数字孪生车间模型构建理论与技术体系此外，本文针对数字孪生车间要素实体建模、生产过程动态建模、生产系统仿真建模进行了具体的分析与研究，具体内容见全文。

致谢：****

本文是在国家重点研发计划项目“基于数字孪生的生产线精确建模理论与方法（2020YFB1708400）”相关申报和近期研究工作基础上总结完成的。本文相关内容于2020年10月31日在西安召开的“第四届数字孪生与智能制造服务学术会议”上进行了题为“数字孪生研究应用现状及思考——现状、概念、挑战”的大会报告交流。除本文所列作者外，本项目承担单位北京航空航天大学的程江峰，西安交通大学的杨汉博、鲁旭峰、马梓玮，山东大学的沈卫东、位世云、孟麒，东南大学的岳士超、黄佳圣、施佳宏，北京卫星环境工程研究所的易旺民、孟少华，机械工业第六设计研究院有限公司的沈小威，也参与了本项目申报和本文写作讨论，在此一并表示感谢。非常感谢清华大学范文慧教授对本文相关内容提出的宝贵建议。