数字孪生是基于模型的体系工程

安世亚太 数字孪生是基于模型的体系工程 ©PeraCorporationLtd.Allrightsreserved. 安世亚太科技股份有限公司 基于正向设计的数字化制造 •正向设计 •高端装备 •新工业品 数字孪生 工业软件 面向服务经济的数字化赋能 •仿真生态 •知识生态 安世亚太 •增材生态 •孪生工业 •孪生城市 •孪生战场 打造虚实共智的数字化业态 •工业仿真 •设计创新 •精益研发 支撑正向设计的数字化研发 涉众需求需求开发 需求确认功能分析指标验算指标分析 系统仿真性能仿真 物理仿真虚拟现实 系统验收系统确认 安世亚太 功能分解 功能计算仿功真能技仿真术半实物仿真 系统验证 系统设计 系统模拟 多体仿真 系统集成 物理设计 多场仿真 部件验证 工艺仿真工艺/试虚制拟制造 •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 数字孪生体成熟度模型 共 先智 先觉 互知 化 数动多孪生体共享智慧 基于不明确机理的推测 •发布国内首部数字孪生体白皮书 物理世界的数字化建模 基于明确机理的计算 安世亚太 实时互传信息数据 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 委员 全国工业自动化系统与集成标委会工业数据分委会 委员全国标委会数字孪生联合工作组（筹） 安世亚太 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 委员全国信标委软件与系统工程分委会 参与 ISO/IEC信息技术联合 技术委员会数字孪生咨询组 委员IEEE智能制造标准委员会 ISO/TC184/SC4 SAC/TC184/SC4SAC/TC184-TC171/SWGDT （筹） ISO/IECJTC1/SC7SAC/TC28/SC7ISO/IECJTC1/AG11IEEE 标准审核标准修定 标准制定 标准制定 模板评审 案例制作 案例制作 标准审核 标准制定 案例制作 标准审核 标准审核标准修定 标准审核标准修定 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 INCOSESDD 标准审核 标准审核 参与ISO/ASTM增材制造联合工作组 ISO/TC261-ASTMF42 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 安世亚太定位 和聚焦重点 基于IOT底座与工业互联网平台建立生态 先知 先觉 共智 安世亚太 数化 互动 安世亚太数字孪生成熟度模型 •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； 安世亚太 •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 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 数字孪生体是什么？ 8 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 物理对象孪生体对象 安世亚太 业务基础：对象在业务活动中演化的数字化表达 ……演化(t) 售后服务 运行维护生产使用 T+1 T+2 T+3 T+4 …… <状态、行为> 数字孪生体 知识表达 实体快照 数据模型系统仿真 静态构成 行为状态 <状态、行为> 设计实体功能行为模式关联……对象 精确性扩展 机理仿真 传感与数采 组成动力 材料传动 结构转向 工艺子部件 能耗协作对象 质量协作方式 …………………… ©PeraCorporationLtd.Allrightsreserved. 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（SRIPO）、战区联合战术网络。 典型应用 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（SystemsEngineeringGuideforSystemsofSystems），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。 规范指导 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 （SystemofSystems，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。 产生背景 安世亚太 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。 安世亚太 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 安世亚太 从数据到模型 从模型到价值 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 体系建模、数据建模、仿真建模、机理建模、几何建模 集团层（公司）级、产线（系统）层级、设备（组件）层级 安世亚太 综合建模 业务价值映射 •…… •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； 业务功能 安世亚太 •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。 运维规程 故障模式 物理实体 特征数据 操作流程 机理模型 交互模型 几何模型 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 •…… 数字孪 生体 行为模型 物理模型 仿真模型 …… 缺陷分析 排成优化 生产预测 工艺优化 柔性生产 产线优化 能耗优化 设备PHM 质量分析 数字孪生业务平台 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 模型生产管理框架 实体行为交互……模型模型模型 系统模型 产线模型 设备模型 …… 数字孪生支撑平台 综合建模平台 模型运行支撑平台 数据处理组件 运维组件 …… 安世亚太 模型运行资源管理 知识图谱 任务管理 驱动引擎 运行监控 失效处理 运行构建 模型运行配置管理 模型运行管理调度框架 集中调度 分布式调 度 离散事件 时序事件 评估分析 仿真推演 数据汇聚平台 数据聚工具平台 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 大数据平台 大数据组件 数据管理组件 可视化组件 设备管理模块 IOT平台 数据采集模块 数据传输模块 安全管理模块 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 …… 数据源 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； 安世亚太 •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。 综合建模流程综合建模画布界面 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； 安世亚太 •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。 模型导入界面模型管理界面模型信息界面 孪生体成熟度 （数字孪生体模型标准） 安世亚太 孪生体时间 共智（数字孪生体生命周期） 先觉 孪生体空间 （数字孪生体组成结构） 城市/行业/领域 工厂车间 先知 互动 数化 产线设备 使用运维生产制造 设计研发 业务：精益化设计数据：CAD、CAE等 建模：仿真建模、机理建模 报废回收 设计研发生产制造测试验证 安世亚太 业务：智能制造 数据：ERP、PLM\MES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 DigitalTwin 运维保障产品使用 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 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：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 数字孪生体 数据源 数字孪生模型构建 关键业务目标 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； 安世亚太 •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 物理实体 数字孪生体 部件级 •机翼； •机身； •发动机； •起落架； •……