數字孿生及車間實踐（簡體書）

本書內容大體可分三個部分：部分研究數字孿生的基本概念、發展歷史、相關工作與應用，及建模方法等；第二部分結合數字孿生五維模型，提出數字孿生車間的概念，並對數字孿生車間構建、運行、迭代優化的關鍵技術，與基於數字孿生的車間設備健康管理、能效分析與優化、動態調度、實時控制、車間信息物理融合等理論方法進行分析與探討；第三部分研究構建數字孿生車間原型系統。

陶飛，北京航空航天大學航教授，研方向包括面向服務的智能製造、製造服務管理、綠色製造及數字孿生驅動的產品設計、製造及服務，在以上方向發表了100多篇學術論文並出版專著5部。

本書是機械工程學會組織編寫的智能製造系列叢書，獲評十三五國家重點圖書出版規劃項目，並且獲得國家出版基金資助。

當前，世界正處於百年未有之大變局，在變局和危機中，各行各業轉型升級的需求十分迫切。數字化轉型和智能化升級已經成為釋放巨大發展動能的關鍵因素，也成了各國關於未來全球發展的共識。黨的十九大提出了“加快建設製造強國，加快發展先進製造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合”。2020年底召開的中央經濟工作會議也指出： “要大力發展數字經濟”。數字孿生契合了我國以信息技術為產業轉型升級賦能的戰略需求，成為應對百年未有之大變局的關鍵因素。數字孿生與各產業的深化融合能夠有力推動各產業的數字化和智能化發展。數字孿生日趨成為各界研究熱點，及眾多企業業務布局的新方向，應用發展前景廣闊。作為改變未來世界的熱門技術之一，數字孿生正從概念階段走向實際應用階段，成了產業變革的強大助力。
基於更加精細、更加動態的模型和更豐富、更多源的數據驅動及虛實閉環交互，數字孿生為觀察物理世界、認識物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一種有效手段。在製造領域，數字孿生逐漸成為了優化整個製造鏈和創新產品的重要手段，將改變整個產品的設計、開發、製造和服務過程，並在供應鏈優化、預測性運維、優化流程與控制等領域發揮重要作用，為實現智能製造提供了一種有效途徑。
車間是製造活動的執行基礎,數字孿生車間是數字孿生在製造中的典型應用。通過建立物理車間的多維、多層級、多領域精準模型，並結合大量車間孿生數據的分析，數字孿生車間可實現對車間當前狀態的評估、對過去發生問題的診斷，以及對未來趨勢的預測，並給予分析的結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持，從而解決了車間智能生產過程中面臨的“描述車間是什麼”“刻畫車間正在做什麼”“預測車間將會發生什麼”的問題。數字孿生車間通過在虛擬環境中對生產全過程進行仿真、優化及重構，能夠有序、協調、可控、高效地生產出高質量的產品，從而限度地提高生產效率。
在本書中，作者系統性地回顧、分析和總結了數字孿生的起源、內涵、學術研究和企業應用現狀。在此基礎上提出了數字孿生五維模型，並基於數字孿生五維模型研究了數字孿生的理論技術體系、工具體系、標準體系以及數字孿生與新一代信息技術的關係。結合數字孿生的理論研究，提出了數字孿生車間的概念，並研究了數字孿生車間中設備故障預測與健康管理、生產過程參數選擇決策方法、車間設備動態調度方法和物料準時配送方法，設計了原型系統，開展了案例研究。
本書總結了作者對數字孿生、數字孿生五維模型及數字孿生車間的研究。全書由3篇，共14章構成，各章內容自成體系，又在邏輯上前後呼應。第1篇包含3章，主要介紹了數字孿生的內涵及研究應用現狀。第1章探討了數字孿生的起源、概念，分析了知名學者、研究機構和企業對數字孿生的理解，總結了數字孿生的理想特徵、應用價值和適用準則； 第2章利用科學文獻計量方法從學術論文、專利、標準、白皮書、學術會議、國內有關科技部門對數字孿生研究資助情況等多個角度綜合分析了數字孿生的學術研究現狀； 第3章總結分析了數字孿生在航空航天、汽車、電力、船舶、醫療、城市、建築、農業、軌道交通、油氣、港口、煤礦、機床等15個領域以及世界著名企業(如西門子、ANSYS、達索、PTC、微軟、空客等)的數字孿生應用實踐。第2篇包含4章，主要闡述了數字孿生的理論研究。第4章闡述了數字孿生五維模型，並結合合作企業的實際應用需求，探索了數字孿生五維模型在衛星工程、船舶、車輛、複雜裝備、醫療、智能城市等10個領域的應用； 第5章闡述了數字孿生與物聯網、大數據、人工智能、5G等新IT的融合，以實現更好的數字孿生功能； 第6章闡述了基於數字孿生五維模型的數字孿生理論方法和關鍵技術； 第7章從五維角度總結數字孿生的工具體系。第3篇包含7章，重點介紹了數字孿生車間的相關研究。第8章介紹了數字孿生車間的提出背景，以及數字孿生車間的概念、運行機制、特點及關鍵技術； 第9章闡述了數字孿生車間中設備的故障預測和健康管理方法及案例； 第10章闡述了數字孿生車間生產過程參數選擇決策方法及案例； 第11章闡述了數字孿生車間設備動態調度方法及案例； 第12章提出了數字孿生車間物料準時配送方法及案例； 第13章和第14章分別介紹了數字孿生車間設備管控系統及數字孿生車間原型系統。

本書提出的相關理論和方法，如數字孿生五維模型、數字孿生理論技術、工具和標準體系、數字孿生車間設備預測和健康管理方法、物料準時配送方法等不僅適用於數字孿生車間的研究和實踐，同樣適用於數字孿生在城市、醫療、航空航天、船舶、汽車等領域的研究與應用。本書可作為機械、製造、計算機、自動化、管理、信息等相關學科的教師、研究生、本科生及研發技術人員的教材和參考書。由於作者水平有限，本書許多內容還有待進一步完善和深入研究，對於書中的疏漏和不足之處，誠望各位讀者批評指正。
本書是在作者所在北京航空航天大學數字孿生研究組已有研究成果的基礎上進行系統性的邏輯梳理、總結和擴展，並進一步提出了新的觀點和見解。本書中對數字孿生發表論文的統計分析，數字孿生的理想特徵，應用準則，應用價值，適用準則，五維模型及十大領域應用，模型構建準則，數字孿生的使能技術、工具體系和標準體系，數字孿生與CPS、大數據及云霧邊的關係，數字孿生車間概念及物料配送方法、數字孿生驅動的設備故障預測、參數選擇決策和車間調度等部分內容曾發表在Nature、《計算機集成製造系統》、Journal of Manufacturing Systems、Engineering、IEEE Access、Procedia CIRP、CIRP Annals—Manufacturing Technology、IEEE Transaction on Industrial Informatics等期刊上。 
本書內容主要是作者所在北京航空航天大學數字孿生研究組，自2016年至2021年間研究成果的梳理、總結和深入。在此，特別感謝北京航空航天大學數字孿生研究組成員張賀、劉蔚然、馬昕、張連超、程穎、左穎、王尚剛、陳雷、肖斌,以及本書作者的其他博士生和碩士生對本書的寶貴貢獻。自2016年以來，他們與陶飛教授一起參與了北京航空航天大學的數字孿生研究。感謝新加坡國立大學Andrew Y.C.Nee教授、瑞典皇家理工學院Lihui Wang教授、澳大利亞新南威爾士大學Ang Liu教授、法國巴黎薩克雷大學Nabil Anwer教授等對北京航空航天大學數字孿生研究工作及本書給予的幫助。
在第2、6、7章中，應特別感謝山東大學胡天亮教授、通用技術集團機床工程研究院有限公司黃祖廣部長、北自所(北京)科技發展股份有限公司徐慧副總經理、北京衛星環境工程研究所易旺民博士等的貢獻。感謝北京衛星環境工程研究所、中國機械工業第六設計研究院有限公司為本書案例研究提供相關素材支撐。
感謝所有參加2017年至2021年5屆數字孿生與智能製造服務會議的參與者。他們幫助推動和發展了數字孿生在中國製造業中的研究和應用。
本書的部分內容得到了來自中國的以下研究項目的資助： 國家重點研發計劃(2020YFB1708400)、國家自然科學基金(NSFC)(52005024，52005026)、香江學者計劃（GYZ3N）。
作者非常感謝清華大學出版社張秋玲編輯、劉楊編輯及其他同志的支持。
後，衷心感謝作者的家人一直以來的愛與鼓勵。
作者2021年8月

第1篇數字孿生內涵及研究應用概況

第1章數字孿生起源及內涵00

1.1哪裡來： 數字孿生的起源00

1.2是什麼： 數字孿生的概念00

1.3新理解： 數字孿生的理想特徵0

1.4緊相關： 數字孿生的相近概念0

1.4.1數字孿生與CPS0

1.4.2數字孿生與虛擬仿真0

1.4.3數字孿生與虛擬樣機0

1.4.4數字孿生與數字線程0

1.4.5數字孿生與數字影子0

1.4.6數字孿生與平行系統0

1.5有何用： 數字孿生的應用價值0

1.6誰可用： 數字孿生的適用準則0

本章小結0

參考文獻0

第2章數字孿生學術研究現狀0

2.1數字孿生國內外學術研究現狀分析0

2.1.1發文量時間分布統計分析0

2.1.2發表論文國家分布統計分析0

2.1.3文獻出版物分布統計分析0

2.1.4發表論文研究機構統計分析 0

2.1.5發表論文研究方向和高頻關鍵詞統計分析0

2.2數字孿生論文引用分析0

2.3數字孿生白皮書0

2.4數字孿生專利發展現狀0

2.5數字孿生標準發展現狀0

2.5.1數字孿生國內標準現狀0

2.5.2數字孿生國際標準現狀0

2.5.3數字孿生標準體系框架0

2.6數字孿生研究演進0

2.7數字孿生與智能製造服務學術會議0

2.8國內有關科技部門對數字孿生研究資助的情況0

本章小結0

參考文獻0

第3章數字孿生工業應用0

3.1數字孿生在各領域中的應用概述0

3.1.1數字孿生 航空航天0

3.1.2數字孿生 汽車0

3.1.3數字孿生 電力0

3.1.4數字孿生 船舶0

3.1.5數字孿生 醫療0

3.1.6數字孿生 城市0

3.1.7數字孿生 建築0

3.1.8數字孿生 農業0

3.1.9數字孿生 軌道交通0

3.1.10數字孿生 油氣0

3.1.11數字孿生 港口0

3.1.12數字孿生 環境治理0

3.1.13數字孿生 機床0

3.1.14數字孿生 煤礦0

3.1.15數字孿生 地球0

3.2數字孿生在產品全生命周期中的應用0

3.2.1數字孿生驅動的產品設計0

3.2.2數字孿生驅動的智能製造0

3.2.3數字孿生驅動的服務0

3.3數字孿生在世界著名企業中的應用實踐0

3.3.1西門子的數字孿生實踐0

3.3.2ANSYS的數字孿生實踐0

3.3.3達索的數字孿生實踐0

3.3.4PTC的數字孿生實踐0

3.3.5微軟的數字孿生實踐0

3.3.6空客的數字孿生實踐0

3.3.7洛克希德·馬丁公司的數字孿生實踐0

3.3.8通用電氣公司的數字孿生實踐0

3.3.9MapleSoft公司的數字孿生實踐0

3.3.10Bentley公司的數字孿生實踐0

本章小結0

參考文獻0

第2篇數字孿生理論技術體系

第4章數字孿生五維模型及理論思考

4.1數字孿生五維模型

4.1.1物理實體

4.1.2虛擬模型

4.1.3孿生數據

4.1.4服務

4.1.5交互連接

4.2數字孿生應用準則

4.3基於數字孿生五維模型的十大領域應用探索

4.3.1數字孿生衛星工程

4.3.2數字孿生船舶全生命周期管控

4.3.3數字孿生車輛抗毀傷評估

4.3.4數字孿生電廠智能管控

4.3.5數字孿生飛機起落架結構優化設計

4.3.6數字孿生複雜裝備故障預測與健康管理

4.3.7數字孿生立體倉庫

4.3.8數字孿生醫療

4.3.9數字孿生架車機

4.3.10數字孿生城市

4.4基於數字孿生五維模型的科學問題思考

本章小結

參考文獻

第5章新一代信息技術使能數字孿生

5.1IT技術發展歷程與新一代信息技術的內涵

5.2數字孿生與新一代信息技術的融合

5.2.1數字孿生與物聯網

5.2.2數字孿生與大數據

5.2.3數字孿生與云霧邊

5.2.4數字孿生與人工智能

5.2.5數字孿生與VR/AR/MR

5.2.6數字孿生與5G

5.2.7數字孿生與區塊鏈

本章小結

參考文獻

第6章數字孿生理論技術體系

6.1數字孿生的功能和技術體系

6.2數字孿生物理感知與控制技術

6.3數字孿生建模技術

6.3.1數字孿生模型構建準則

6.3.2數字孿生模型構建理論體系

6.4數字孿生數據管理技術

6.5數字孿生服務應用技術

6.6數字孿生連接技術

本章小結

參考文獻

第7章數字孿生工具體系

7.1數字孿生中物理實體相關工具

7.2數字孿生中建模相關工具

7.3數字孿生中數據管理工具

7.4數字孿生中服務應用工具

7.5數字孿生中連接相關工具

7.6綜合性工具

本章小結

參考文獻

第3篇數字孿生車間 

第8章數字孿生車間概念

8.1從製造到智造

8.1.1製造的發展歷程

8.1.2智能製造戰略對比

8.1.3智能製造的核心內涵

8.2製造車間的發展歷程

8.3數字化車間的理論及應用研究

8.3.1車間製造物聯

8.3.2車間建模仿真

8.3.3車間虛實交互

8.3.4車間數據融合

8.3.5車間智能服務

8.4數字孿生車間的概念、運行機制及關鍵技術

8.4.1數字孿生車間概念模型

8.4.2數字孿生車間運行機制

8.4.3數字孿生車間的特點

8.4.4數字孿生車間關鍵技術

本章小結

參考文獻

第9章數字孿生車間設備故障預測與健康管理

9.1設備故障預測與健康管理研究概述

9.2設備故障預測與健康管理問題分析

9.3數字孿生增強的設備故障與健康管理方法

9.4數字孿生增強的設備故障預測與健康管理關鍵技術

9.4.1設備數字孿生虛實交互與進化

9.4.2設備數字孿生虛實不一致原因判斷

9.4.3基於孿生數據的設備故障預測與診斷

9.5案例： 復材加工車間熱壓罐設備故障診斷

9.5.1案例描述

9.5.2模型與方法驗證

9.5.3結果分析

本章小結

參考文獻

第10章數字孿生車間生產過程參數選擇決策方法與技術

10.1生產過程參數選擇決策研究概述

10.2生產過程參數選擇決策問題分析

10.3數字孿生驅動的生產過程參數選擇決策方法

10.4數字孿生驅動的生產過程參數選擇決策關鍵技術

10.4.1基於孿生數據的評價指標構建

10.4.2基於虛擬模型仿真的備選方案擬定

10.4.3基於虛實交互的方案實施反饋

10.5案例： 復材加工車間熱壓罐成型工藝過程參數選擇決策

10.5.1案例描述

10.5.2模型與方法驗證

10.5.3結果分析

本章小結

參考文獻

第11章數字孿生車間設備動態調度方法與技術

11.1車間設備動態調度研究概述

11.2車間設備動態調度問題分析

11.3數字孿生驅動的車間設備動態調度方法

11.4數字孿生驅動的車間設備動態調度關鍵技術

11.4.1基於孿生數據的設備可用性預測

11.4.2基於虛實交互的擾動監測

11.4.3基於虛擬模型仿真的方案評估

11.5案例： 液壓閥加工車間設備動態調度

11.5.1案例描述

11.5.2模型與方法驗證

11.5.3結果分析

本章小結

參考文獻

第12章數字孿生車間物料準時配送方法與技術

12.1車間物料配送研究概述

12.1.1物料需求時間預測研究現狀

12.1.2物料配送路徑規劃研究現狀

12.2衛星總裝車間物料配送問題分析

12.3衛星總裝數字孿生車間物料準時配送方法

12.4衛星總裝數字孿生車間物料準時配送關鍵技術

12.4.1物流系統虛擬模型構建

12.4.2物料需求時間預測

12.4.3時間可控的無碰路徑規劃

12.5案例： 衛星總裝數字孿生車間物料準時配送

12.5.1案例描述

12.5.2模型與方法驗證

本章小結

參考文獻

第13章數字孿生車間設備管控系統設計與開發

13.1數字孿生車間設備管控系統設計

13.1.1系統體系結構設計

13.1.2系統總體框架設計

13.1.3系統技術架構設計

13.1.4系統功能組成設計

13.2案例一： 基於數字孿生的數控機床管控系統開發

13.2.1系統整體架構

13.2.2數據庫設計

13.2.3系統功能模塊

13.3案例二： 基於數字孿生的熱壓罐管控系統開發

13.3.1系統整體架構

13.3.2系統功能模塊

13.3.3可視化功能模塊

本章小結

第14章數字孿生車間原型系統與應用案例

14.1數字孿生車間原型系統設計

14.1.1系統架構設計

14.1.2系統功能設計

14.1.3系統實施流程設計

14.2案例一： 數字孿生新能源汽車動力電池生產車間

14.3案例二： 數字孿生衛星總裝車間

本章小結

參考文獻