数字孪生是基于模型的体系工程（26页 PPT）

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© Pera 数字孪生是基于模型的体系工程 • 仿真生态 • 知识生态 • 增材生态 打造虚实共智的数字化业态 安世亚太协助企业数字化转型，赋能数字经济发展 2 © Pera Corporation Ltd. All rights reserved. • 工业仿真 • 设计创新 • 精益研发 • 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 基于正向设计的数字化制造 支撑正向设计的数字化研发 工业软件 数字 孪生 系统集成 系统设计 系统模拟 多体仿真 需求开发 指标验算 指标分析 性能仿真 虚拟现实 功能分解 功能计算 功能仿真 半实物仿真 系统验证 安世亚太深耕仿真技术 26 年—— MBSE 3 © Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 系统验收 系统确认 仿真技术 物理设计 多场仿真 需求确认 功能分析 系统仿真 物理仿真 工艺 / 试 制 虚拟制造 工艺仿真 涉众需求 部件验证 © Pera Corporation Ltd. All rights reserved. • 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 安世亚太积极推动数字孪生发展 4 基于不明确机理的推测 基于明确机理的计算 实时互传信息数据 数字孪生体成熟度模型 物理世界的数字化建模 多孪生体共享智慧 先 知 数 化 先 觉 共 智 互 动 © Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 在各标准化组织中的角色 / 专业领域 工业数据 数字孪生 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/WG17 5 项标准制定 积极参与国际和国家标准化工作 5 智 基于 IOT 底座与 工业互联网平台 建立生态 安世亚太定位 和聚焦重点 共智 先觉 先知 互动 数化 数字孪生发展成熟度：基础与方向 6 © Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 安世亚太数字孪生 成熟度模型 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 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。 数字孪生是体系级 SoS 的虚实映射 7 © Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 数字孪生体是什么？ 8 业务 售后服务 运行维护 生产使用 设计 知识表达 实体快照 精确性扩展 w— T+4 T+3 < 状态、行为 > < 状态、行为 > 对象 实体 功能 行为模式 关联 …… 孪生体对象 物理对象 用途： 自动或人工干预物理对象，更好满足业务目标 扩展： 基于业务需要的深层次知识获取与表达 基础： 对象在业务活动中演化的数字化表达 数字孪生体 行为状态 静态构成 子部件 协作对象 协作方式 T+2 T+1 传感与数 采 Pera Corporation Ltd. All 数据模 型 系统仿 真 机理仿 真 演化 (t) 工艺 能耗 质量 组成 材料 结构 动力 传动 转向 rights reserved. © 产生背景 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。 规范指导 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 （ Systems Engineering Guide for Systems of 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。 典型应用 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。 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 9 © Pera Corporation Ltd. All rights reserved. © Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 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。 体系工程 SoSE 是系统工程 SE 的更深层次应用 10 数字孪生业务架构： 基于模型的体系工程 MBSoSE 11 © Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 物理实体 数字孪生体 业务目标 体 系 • ERP 数据 • MES 数据 • SCM 数据 • PLM 数据 • • 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 • …… 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 • …… 系 统 • PLC 数据 • SCADA 数据 • 故障数据 • 运维数据 • • 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 • …… 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 • …… 组 件 • 振动数据 • 电流数据 • 温度数据 • 运行数据 • … .. • 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 • …… 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 • …… 数字孪生体的构建是一个体系的工程 12 综合建模 体系建模、数据建模、仿真建模、机理建模、几何建模 © Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 业务价值映射 集团层（公司）级、产线（系统）层级、设备（组件）层级 从模型到价值 从数据到模型 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. • 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。 混合建模的方式才能实现数字孪生体的业务目标 13 运维规程 物理实体 几何模型 物理模型 交互模型 行为模型 数字孪 生体 特征数据 操作流程 机理模型 仿真模型 故障模式 业务功能 拿 拿 拿 拿 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 … … 数据聚工具平台 数 字孪 生 业务 平 台 数 字孪 生 支撑 平 台 数 据汇 聚 平台 数 据源 数字孪生产品整体架构 14 © Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 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 边缘智能设备 总线接口 算法模块 存储模块 计算模块 安全模块 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 …… CAD 数据 CAE 数据 CRM 数据 ERP 数据 MES 数据 SCM 数据 传感器数据 电流电压 …… 模型运行 资源管理 模型运行 配置管理 知识 图谱 集中 调度 任务 管理 分布 式调 度 失效 处理 评估 分析 运行 构建 仿真 推演 数据 探索 实体 模型 模型运行管理调度框架 设备 模型 …… 模型运行支撑平台 模型生产管理框架 综合建模平台 驱动 引擎 运行 监控 离散 事件 时序 事件 特征 提取 行为 模型 智能 算法 模型 测试 数据 降维 数理 统计 产线 模型 系统 模型 交互 模型 模型 部署 模型 评估 模型 管理 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。 核心产品：综合建模平台 15 © Pera Corporation Ltd. All rights reserved. 综合建模画布界面 综合建模流程 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