1. Zusammenfassung auf Chinesisch
Als wichtige Basistechnologie zur Realisierung fortschrittlicher Konzepte wie Digitalisierung, Intelligenz und Service ziehen digitale Zwillinge derzeit die Aufmerksamkeit von Wissenschaft und Industrie auf sich. Das Modell ist die Grundlage und der Kern des digitalen Zwillings, und das traditionelle dreidimensionale Modell des digitalen Zwillings kann die aktuellen Anforderungen an die Technologieentwicklung und Anwendung nicht erfüllen. Basierend auf dem vorgeschlagenen fünfdimensionalen Strukturmodell digitaler Zwillinge stellt dieses Papier sechs Grundprinzipien digitaler Zwillinge vor, die von digitalen Zwillingen aus der Perspektive praktischer Anwendungsanforderungen angetrieben werden, und verwendet den Standardsystemrahmen für digitale Zwillinge, um die Technologie digitaler Zwillinge effektiv anzuwenden . Gleichzeitig ist die Digital-Twin-Technologie in allen Lebensbereichen weit verbreitet.In diesem Artikel wird kurz die Anwendung der Digital-Twin-Technologie erläutert, die in sechs heißen Bereichen eingesetzt wird: Luft- und Raumfahrt, Smart Manufacturing, Smart City, Smart Water Conservancy, Smart Grid und Transport . . .
Schlüsselwörter : digitaler Zwilling; fünfdimensionales Strukturmodell; Standard-Systemframework; Anwendung digitaler Zwillinge
2. Zusammenfassung in englischer Sprache
Als wichtige Basistechnologie für die Realisierung fortschrittlicher Konzepte wie Digitalisierung, Intelligenz und Service zieht der digitale Zwilling derzeit viel Aufmerksamkeit von Wissenschaft und Industrie auf sich. Das Modell ist die Grundlage und der Kern des digitalen Zwillings, und das traditionelle 3D-Modell des digitalen Zwillings kann den aktuellen Stand der Technologieentwicklung und der Anwendungsanforderungen nicht mehr erfüllen. Basierend auf dem vorgeschlagenen fünfdimensionalen Strukturmodell des digitalen Zwillings stellt dieses Papier die sechs grundlegenden Richtlinien des digitalen Zwillings-gesteuerten digitalen Zwillings vor und verwendet den Rahmen des Standardsystems des digitalen Zwillings, um die Anwendung der digitalen Zwillingstechnologie vor Ort effektiv zu steuern Bewerbungsvoraussetzungen. Die Digital-Twin-Technologie ist in verschiedenen Branchen weit verbreitet,
Schlüsselwörter : digitaler Zwilling; fünfdimensionales Strukturmodell; Standardsystemrahmen; digitale Zwillingsanwendung
3. Einführung
Das konzeptionelle Modell des digitalen Zwillings erschien erstmals im Jahr 2003. Es wurde von Professor Grieves im Studiengang Product Lifecycle Management (PLM) der University of Michigan in den USA vorgeschlagen und hieß damals „Mirror Space Model“ [ 1] und später Es wird auch als „Informationsspiegelmodell“ und „digitaler Zwilling“ [2] bezeichnet.
In den letzten Jahren wurde die Digital-Twin-Technologie von Wissenschaftlern im In- und Ausland stark in Betracht gezogen und spielt eine wichtige Rolle in der Produktentwicklung und Fertigungssteuerung. Laut Statistik haben bisher mehr als 500 Forscher aus mehr als 160 Institutionen in mehr als 40 Ländern, darunter die Vereinigten Staaten, China und Deutschland, Theorie- und Anwendungsforschung zum digitalen Zwilling durchgeführt und relevante Forschungsergebnisse veröffentlicht Gleichzeitig haben Siemens, Tesla La Company, ANSYS Company, General Electric Company und andere weltbekannte Unternehmen die Anwendungspraxis digitaler Zwillinge in verwandten Bereichen durchgeführt [3].
Im Ausland wurde die Digital-Twin-Technologie in den Anfängen hauptsächlich im Militär- und Luftfahrtbereich eingesetzt. 2010 führte die National Aeronautics and Space Administration (NASA) erstmals das Konzept der digitalen Zwillinge in die Raumfahrt-Technologie-Roadmap ein [4] und beabsichtigte, mit digitalen Zwillingen die umfassenden Diagnose- und Vorhersagefunktionen des Flugsystems zu realisieren, so um die Realisierung des Systems über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten und weiterhin sicher zu betreiben. Das U.S. Air Force Research Laboratory (AFRL) führte 2011 das Konzeptmodell zur Verwendung der Digital-Twin-Technologie zur Vorhersage der Lebensdauer von Flugzeugstrukturen ein [5] und erweiterte es schrittweise auf die Forschung zur Zustandsbewertung von Flugzeugzellen, indem es ein Modell erstellte, das Materialien und Herstellungsspezifikationen umfasst , Steuerung, Surrealistische Computermodelle des Rumpfes über den gesamten Lebenszyklus mit Informationen wie Bauprozess und Wartung, kombiniert mit historischen Flugüberwachungsdaten, um virtuelle Flüge durchzuführen, um die maximal zulässige Belastung zu bewerten, um Lufttüchtigkeit und Sicherheit zu gewährleisten und dadurch die Belastung zu reduzieren Wartung über den gesamten Lebenszyklus, Erhöhung der Flugzeugverfügbarkeit.
Durch die Förderung von Unternehmen wie GE und Siemens hat sich die Digital-Twin-Technologie in den letzten Jahren auch im Bereich der industriellen Fertigung rasant entwickelt. GE baut Assets, Systeme und digitale Zwillinge auf Cluster-Ebene basierend auf der Predix-Plattform.Hersteller und Betreiber können digitale Zwillinge verwenden, um den gesamten Lebenszyklus von Assets zu charakterisieren, um die Leistung jedes Assets besser zu verstehen, vorherzusagen und zu optimieren[6 ] . Die Siemens AG hat das Konzept des „digitalen Zwillings“ vorgestellt und engagiert sich dafür, Fertigungsunternehmen beim Aufbau eines Produktionssystemmodells zu unterstützen, das Fertigungsprozesse in den Informationsraum integriert, und die Digitalisierung des gesamten Prozesses vom Produktdesign bis zur physischen Fertigungsausführung zu realisieren Leerzeichen [7]. ANSYS schlägt vor, ANSYS Twin Builder zu verwenden, um digitale Zwillinge zu erstellen und sich schnell mit der Plattform des industriellen Internets der Dinge (IIoT) zu verbinden, um Benutzern bei der Diagnose von Fehlern zu helfen, den idealen Wartungsplan zu bestimmen und Kosten aufgrund ungeplanter Ausfallzeiten zu reduzieren und die Leistung jedes Assets zu optimieren und valide Daten generieren, um seine Produkte der nächsten Generation zu verbessern [8].
Die heimische Forschung zur Digital-Twin-Technologie ist relativ spät, aber viele Wissenschaftler haben in den letzten Jahren viel geforscht. Die Beijing University of Aeronautics and Astronautics [9] übernahm die Führung bei der Integration der Digital-Twin-Technologie in die Fertigungswerkstatt, führte Forschungen zu ihrem Betriebsmodus, der Modellkonstruktionstheorie und Anwendungserkundung für die Digital-Twin-Werkstatt durch und erarbeitete ihre Systemarchitektur und ihren Betrieb Modus und Schlüsseltechnologien zur Umsetzung dar. Gleichzeitig werden Theorie und Umsetzungsmethode der physikalischen Informationsfusion im Workshop diskutiert und das Digital-Twin-Modellbaukriterium „vier Modernisierungen und vier Usability“ vorgeschlagen. Liu Juan et al [10] schlugen für den Anwendungsengpass der Online-Prognose in der Produktionswerkstatt ein echtzeitdatengetriebenes Online-Prognoseverfahren vor, das Echtzeitdaten mit den Eingabemerkmalen, der Musterproduktion und der darauf basierend konstruierten Ereignisverarbeitungslogik kombiniert auf der Betriebslogik des Ereignisplanungsverfahrens.Die Beziehung zwischen den dreien wird verwendet, um das Online-Vorhersagesystemder kontinuierlichen transienten Simulation zu realisieren. Liu Zhifeng et al. [11] schlugen eine Planungs-Cloud-Plattform basierend auf der Digital-Twin-Technologie vor, um dynamische Störungen aus mehreren Quellen vorherzusagen und zu diagnostizieren, indem sie den Echtzeitstatus von Produkten überwachen und Big-Data-Analysetechnologie verwenden, um das dynamische Störungsproblem in der zu lösen Teile Herstellungsprozess. Und am Beispiel einer teilintelligenten Fertigungswerkstatt wird demonstriert, dass die teilintelligente Fertigung in Kombination mit digitaler Zwillingstechnologie die zukünftige Entwicklungsrichtung ist.
In Bezug auf die Theorie fassten Zhuang Cunbo ua [12] die grundlegende Konnotation von digitalen Produktzwillingen in der intelligenten Fertigung zusammen, schlugen die Architektur von digitalen Produktzwillingen vor und erklärten, dass digitale Produktzwillinge in der Phase des Produktdesigns und der Herstellung verwendet werden können und Leistungsstufe Art der Umsetzung. Das von Tao Fei et al. [13] vorgeschlagene fünfdimensionale Strukturmodell für digitale Zwillinge entwarf sechs Grundprinzipien für die Anwendung von Treibern für digitale Zwillinge, diskutierte die Verschmelzung von Physik und Information in der Technologie digitaler Zwillinge und überlegte, wie die Informationen zu realisieren sind Welt und der physischen Welt dar. Die interaktive Kartierung von ist ein allgemeiner technischer Engpass im In- und Ausland.
Als aufstrebende intelligente Technologie hat die digitale Zwillingstechnologie drei Phasen durchlaufen: Vorhersage-Vorhersage, Wartung-Vorhersage, Wartung-Service. , bis hin zur Kombination physischer Informationssysteme zur Untersuchung komplexer Systemvorhersagen und -wartungen und der Entwicklung des gegenwärtigen Menschen -Computerinteraktionserfahrungsplattform zur Realisierung der Entwicklung von Vorhersage-, Wartungs- und Servicefunktionen. Die Anwendung der digitalen Zwillingstechnologie in der Produktprognose, Produktwartung, Produktservice usw. ist immer ausgereifter geworden und bietet eine klare Vorstellung von intelligenter Fertigung. In Zukunft wird alles auf der Welt seinen digitalen Zwilling haben und durch das Internet der Dinge miteinander verbunden sein, um eine enorme Wertschöpfung zu erzielen.
Der Aufbau dieses Papiers ist wie folgt. Im ersten Abschnitt werden die grundlegende Definition des digitalen Zwillings und des fünfdimensionalen Strukturmodells sowie die Anwendungskriterien des fünfdimensionalen Modells des digitalen Zwillings erläutert, im zweiten Abschnitt wird das Standardsystem-Framework des digitalen Zwillings vorgestellt und im dritten Abschnitt stellt die Digital-Twin-Technologie dar. Die Hauptanwendungsgebiete von DT, Abschnitt 4 fasst die Digital-Twin-Technologie zusammen und macht Vorschläge für die Zukunft.
4. Definition und Modell des digitalen Zwillings
4.1 Definition digitaler Zwilling
Digitaler Zwilling (Digital Twin) besteht darin, mit Hilfe von Daten ein virtuelles Modell einer physischen Einheit digital zu erstellen, um das Verhalten der physischen Einheit in der realen Umgebung durch virtuelles und reales interaktives Feedback, Datenfusionsanalyse und Entscheidungsfindung zu simulieren iterative Optimierung usw., um die neuen Fähigkeiten der physikalischen Einheit zu erhöhen oder zu erweitern. Als eine Technologie, die Modelle, Daten und Intelligenz voll ausschöpft und mehrere Disziplinen integriert, sind digitale Zwillinge auf den gesamten Lebenszyklus von Produkten ausgerichtet und übernehmen die Rolle einer Brücke und Verbindung zwischen der physischen Welt und der Informationswelt Effizientere und intelligentere Dienste in Echtzeit.
Die Essenz des digitalen Zwillings stellt die integrierte Anwendung auf der Grundlage des Internets der Dinge, Sensoren, Modelle, Daten, Kartierung und Simulation multidisziplinärer Technologien dar. Das Kernproblem ist die Verwaltung des gesamten Lebenszyklus von Geräten. Der digitale Zwilling wurde ursprünglich auf der Grundlage des Lebenszyklusmanagement-Szenarios für Geräte vorgeschlagen und konzentrierte sich auf die Digitalisierung physischer Geräte. Um dieses Konzept weiter zu verallgemeinern, können wir alle Elemente der physischen Welt wie Personen, Objekte und Ereignisse digitalisieren und eine entsprechende virtuelle Welt eins zu eins im Cyberspace nachbilden. Die physische Welt und die virtuelle Welt koexistieren, virtuell und echte Mischung, und alles kann digital sein. Das schematische Diagramm des Konzepts des digitalen Zwillings ist in Abbildung 1 dargestellt:
4.2 Fünfdimensionales Modell des digitalen Zwillings
(1) Die physische Entität (PE) ist die Grundlage des fünfdimensionalen Modells des digitalen Zwillings, das hauptsächlich die verschiedenen Funktionen jedes Subsystems umfasst, die gemeinsam den Betrieb der Ausrüstung und der Sensoren unterstützen, um Ausrüstungs- und Umgebungsdaten zu sammeln. Eine genaue Analyse und effektive Wartung physischer Entitäten sind die Voraussetzungen für die Etablierung eines digitalen Zwillingsmodells.
(2) Virtuelle Entitäten (VE) umfassen geometrische Modelle, physikalische Modelle, Verhaltensmodelle und Regelmodelle, die die physische Praxis aus mehreren Zeitskalen und mehreren räumlichen Skalen beschreiben und charakterisieren und eine vollständige Abbildung physischer Entitäten bilden. VR- und AR-Technologien können verwendet werden, um die Virtual-Reality-Überlagerung und Fusionsanzeige von virtuellen Entitäten und physischen Entitäten zu realisieren und die Immersion, Authentizität und Interaktivität virtueller Entitäten zu verbessern.
(3) Service (Ss) Serviceorientiertes Paketieren verschiedener Daten, Modelle, Algorithmen, Simulationen, Ergebnisse usw., die für verschiedene Bereiche, verschiedene Benutzerebenen und verschiedene Unternehmen im Anwendungsprozess des digitalen Zwillings benötigt und von Anwendungssoftware bereitgestellt werden oder mobile Endgeräte Es wird den Benutzern in Form einer App zur Verfügung gestellt, um den Komfort und die Nutzung von Diensten auf Abruf zu realisieren.
(4) Zwillingsdaten (DD) sind der Treiber digitaler Zwillinge, die Informationsdaten und physische Daten integrieren, die Konsistenz- und Synchronisierungsanforderungen des Informationsraums und des physischen Raums erfüllen und genauere und umfassendere All-Factor/Full-Prozesse bereitstellen können / Vollständige Unterstützung von Geschäftsdaten.
(5) Verbindung (CN) Das Verbindungsmodell umfasst eine Verbindung, um es physischen Einheiten, virtuellen Einheiten und Diensten zu ermöglichen, Interaktion, Konsistenz und Synchronisation während des Betriebs aufrechtzuerhalten, und eine Verbindung, um zu ermöglichen, dass von physischen Einheiten, virtuellen Einheiten und Diensten erzeugte Daten gespeichert werden in Zwillingsdaten in Echtzeit, und um Zwillingsdaten zu ermöglichen, kann der Betrieb der drei vorangetrieben werden.
4.3 Anwendungskriterien getrieben durch digitale Zwillinge
Analysieren Sie auf der Grundlage des oben erwähnten fünfdimensionalen Strukturmodells des digitalen Zwillings zur Realisierung der vom digitalen Zwilling angetriebenen Anwendung zunächst die Eigenschaften der physischen Entität entsprechend dem Anwendungsobjekt und den Anforderungen, erstellen Sie dann ein virtuelles Modell und bauen Sie eine Verbindung auf um die Interaktion von virtuellen und realen Informationsdaten zu realisieren und die Verschmelzung und Analyse der Zwillingsdaten zu verwenden. Schließlich werden den Benutzern verschiedene Dienstanwendungen bereitgestellt. Um die Anwendung digitaler Zwillinge zu fördern, können Anwendungen, die von digitalen Zwillingen gesteuert werden, den folgenden Richtlinien folgen:
(1) Cyber-physische Fusion ist der Eckpfeiler. Die intelligente Wahrnehmung und Verbindung physikalischer Elemente, die Konstruktion virtueller Modelle, die Fusion von Zwillingsdaten, die Realisierung von Verbindung und Interaktion sowie die Generierung von Anwendungsdiensten sind untrennbar mit der cyber-physischen Fusion verbunden. Gleichzeitig durchzieht die cyber-physische Integration alle Phasen des Produktlebenszyklus und ist die Grundlage jeder Anwendung. Ohne die Verschmelzung von Information und Physik ist die Anwendung digitaler Zwillinge daher ein Luftschloss.
(2) Das multidimensionale virtuelle Modell ist der Motor. Das mehrdimensionale virtuelle Modell stellt die Kernkomponente zur Realisierung verschiedener Funktionen wie Produktdesign, Fertigung, Fehlervorhersage und Gesundheitsmanagement dar. Angetrieben von Daten verwandelt das mehrdimensionale virtuelle Modell Anwendungsfunktionen von der Theorie in die Realität und ist das „Herz“ der Digitalisierung Zwillingsanwendungen. Ohne ein mehrdimensionales virtuelles Modell haben digitale Zwillingsanwendungen daher keinen Kern.
(3) Zwillingsdaten sind der Treiber. Zwillingsdaten sind das Kernelement digitaler Zwillinge. Sie stammen aus physischen Entitäten, virtuellen Modellen und Servicesystemen. Gleichzeitig werden sie nach der Fusionsverarbeitung in verschiedene Teile integriert, um den Betrieb jedes Teils zu fördern. Sie sind das „Blut“. " von Digital-Twin-Anwendungen. Daher verliert die Anwendung des digitalen Zwillings ohne multiple Fusionsdaten ihre Leistungsquelle.
(4) Dynamische interaktive Echtzeitverbindungen sind Arterien. Dynamische interaktive Echtzeitverbindungen verbinden physische Entitäten, virtuelle Modelle und Servicesysteme zu einem organischen Ganzen und ermöglichen den Austausch und die Übertragung von Informationen und Daten zwischen verschiedenen Teilen, die das „Gefäß“ von Digital-Twin-Anwendungen bilden. Ohne die interaktive Verbindung zwischen den verschiedenen Komponenten, so wie der menschliche Körper die Arterie abschneidet, verliert die Anwendung des digitalen Zwillings ihre Vitalität.
(5) Dienstanwendung ist der Zweck. Der Service bietet Nutzern Funktionen wie intelligente Anwendungen, präzises Management und zuverlässigen Betrieb und Wartung, die von Digital-Twin-Anwendungen in der komfortabelsten Form generiert werden, und ermöglicht den Nutzern gleichzeitig die intuitivste Interaktion, die den „fünf Sinnen“ entspricht Anwendungen für digitale Zwillinge. Daher ist die Implementierung digitaler Zwillingsanwendungen ohne Serviceanwendungen sinnlos.
(6) Die physikalische Einheit aller Elemente ist der Träger. Ob interaktive Einbindung von vollfaktoriellen physikalischen Ressourcen oder Simulationsrechnung mehrdimensionaler virtueller Modelle oder Datenanalyse und -verarbeitung, sie alle basieren auf vollfaktoriellen physikalischen Entitäten und treiben gleichzeitig physische Entitäten an Der Betrieb verschiedener Teile, die die Realisierung digitaler Zwillinge ermöglichen, ist das „Gerüst“ der Anwendung digitaler Zwillinge. Daher ist eine digitale Zwillingsanwendung ohne eine physische Entität ein Baum ohne Wurzeln.
5. Standardsystemrahmen für digitale Zwillinge
5.1 Tatsächliche Anforderungen an digitale Zwillinge
In jahrelanger theoretischer Forschung und Anwendungspraxis von Digitalen Zwillingen wurden folgende Probleme festgestellt: ① Es fehlen Verweise auf digitale Zwillinge-bezogene Begriffe, Systemarchitektur, anwendbare Standards und andere Standards, was dazu führt, dass unterschiedliche Benutzer von unterschiedlichen Anwendungsdimensionen ausgehen und technische Anforderungen. Zwillinge haben unterschiedliche Verständnisse und Verständnisse, die zu Problemen wie Kommunikationsschwierigkeiten, Integrationsschwierigkeiten und Zusammenarbeitsschwierigkeiten im Prozess der Erforschung und Anwendung digitaler Zwillinge führen. Während der Implementierung von Schlüsseltechnologien für digitale Zwillinge können Probleme wie Schwierigkeiten in Integration zwischen Modellen, zwischen Daten, zwischen Modellen und Daten und zwischen Systemen, schlechte Konsistenz, geringe Kompatibilität und schwierige Interoperabilität haben zur Bildung neuer isolierter Inseln geführt ③ Mangel an anwendbaren Richtlinien und Implementierungsanforderungen Verweise auf Standards wie Tools, Plattformen usw. bei der Implementierung digitaler Zwillinge in verwandten Branchen/Bereichen können Benutzer oder Unternehmen bei der Verwendung digitaler Zwillinge leicht verwirren. Relevante Standards wie Bewertung, Sicherheit und Verwaltung digitaler Zwillinge sind erforderlich, um Referenzen und Leitlinien für die Bewertung und sichere Verwendung digitaler Zwillinge bereitzustellen.
5.2 Standardsystemrahmen für digitale Zwillinge
Gemäß der oben genannten Bedarfsanalyse für das Standardsystem des digitalen Zwillings unter umfassender Berücksichtigung der Rationalität, Vollständigkeit, Systematik und Benutzbarkeit des Standardsystems wird das in Abbildung 3 dargestellte Rahmenwerk des Standardsystems des digitalen Zwillings konzipiert [15], ausgehend von die grundlegenden gemeinsamen Standards und die wichtigsten technischen Standards, Tool-/Plattformstandards, Bewertungsstandards, Sicherheitsstandards und Industrieanwendungsstandards, um Standardanleitungen in sechs Aspekten bereitzustellen.
(1) Grundlegende gemeinsame Standards für digitale Zwillinge. Einschließlich Terminologiestandards, Referenzarchitekturstandards und anwendbarer Kriterien konzentriert es sich auf die Konzeptdefinition, den Referenzrahmen, die anwendbaren Bedingungen und Anforderungen digitaler Zwillinge und bietet Unterstützung für das gesamte Standardsystem.
(2) Wichtige technische Standards für digitale Zwillinge. Einschließlich Standards für physische Entitäten, Standards für virtuelle Entitäten, Zwillingsdatenstandards, Verbindungs- und Integrationsstandards und Servicestandards wird es verwendet, um die Erforschung und Implementierung von Schlüsseltechnologien für digitale Zwillinge zu leiten, die Effektivität von Schlüsseltechnologien bei der Implementierung digitaler Zwillinge sicherzustellen und zu beseitigen kollaborative Entwicklung und technische Hindernisse für die Austauschbarkeit von Modulen.
(3) Standards für digitale Zwillingswerkzeuge/Plattformen. Einschließlich Tool-Standards und Plattform-Standards wird es verwendet, um die technischen Anforderungen von Software- und Hardware-Tools/Plattformen wie Funktionen, Leistung, Entwicklung und Integration zu standardisieren.
(4) Bewertungskriterien für digitale Zwillinge. Es umfasst 4 Teile: Bewertungsrichtlinien, Bewertungsprozessstandards, Bewertungsindexstandards und Bewertungsanwendungsfallstandards, die verwendet werden, um die Testanforderungen und Bewertungsmethoden des digitalen Zwillingssystems zu standardisieren.
(5) Sicherheitsstandards für digitale Zwillinge. Einschließlich physischer Systemsicherheitsanforderungen, funktionaler Sicherheitsanforderungen und Informationssicherheitsanforderungen wird es verwendet, um technische Anforderungen wie Personalsicherheitsvorgänge im digitalen Zwillingssystem, sichere Speicherung, Verwaltung und Verwendung verschiedener Informationen zu standardisieren.
Branchenstandard für digitale Zwillinge. Unter Berücksichtigung der technischen Unterschiede digitaler Zwillinge in verschiedenen Branchen/Bereichen und verschiedenen Szenarien, auf der Grundlage gemeinsamer Grundnormen, wichtiger technischer Normen, Werkzeug-/Plattformnormen, Bewertungsnormen und Sicherheitsnormen, digitaler Zwillinge in Werkzeugmaschinen, Werkstätten, Satelliten, Standardisieren Sie die Implementierung von Anwendungen in bestimmten Branchen wie Motoren, Baumaschinen und -geräten, Städten, Schiffen und medizinischer Versorgung.
6. Anwendung der Digital-Twin-Technologie
Die Digital-Twin-Technologie durchbricht die Lücke zwischen der physischen Welt und der digitalen Welt, realisiert die Integration von Virtuellem und Realem in physischen Informationssystemen und wurde in vertikalen Branchen wie Smart Manufacturing, Smart Construction, Smart Medical Care und Smart weit verbreitet Städte, die zu intelligentem Betrieb und Wartung, virtueller Inbetriebnahme, Fehlerdiagnose, Risikovorhersage, Entscheidungshilfe, Systemoptimierung und vielen anderen Anwendungswerten führen, sind zu einem wichtigen Ausgangspunkt geworden, um Unternehmen bei der digitalen Transformation zu unterstützen, die Produktionseffizienz zu verbessern und zu fördern die Entwicklung der digitalen Wirtschaft.
Wie in Abbildung 4 dargestellt, hat der aktuelle digitale Zwilling die Aufmerksamkeit von mehr als zehn Branchen auf sich gezogen und Anwendungspraktiken durchgeführt. Neben dem ersten Einsatz in der Luft- und Raumfahrt wurde die Digital-Twin-Technologie in den letzten Jahren auch in den Bereichen Smart Manufacturing, Smart City, Smart Water Conservancy, Smart Grid, Transport, Automobil, Medizin, Bauwesen und anderen Bereichen eingesetzt und hat sich gezeigt großes Anwendungspotential. Im Folgenden werden einige dieser Bereiche kurz vorgestellt.
6.1 Luft- und Raumfahrt basierend auf digitalem Zwilling
In der Luft- und Raumfahrt haben digitale Zwillinge ein großes Anwendungspotenzial: ① für die Konstruktion und Entwicklung von Flugzeugen. Durch die Erstellung eines digitalen Zwillings des Flugzeugs können virtuelle digitale Tests und Verifizierungen an jeder Komponente durchgeführt werden, bevor sie tatsächlich verarbeitet werden, und Konstruktionsfehler können rechtzeitig gefunden und geändert werden, wodurch die hohen Kosten und langen Zyklen vermieden werden, die durch wiederholte iterative Konstruktionen verursacht werden. Dassault Aviation [16] verwendete die 3DExperience-Plattform (eine virtuelle Entwicklungs- und Simulationsplattform, die auf dem Konzept digitaler Zwillinge basiert), um den Designprozess der Kampfjets der „Rafale“-Serie und der Business-Jets der „Falcon“-Serie zu verbessern und Verschwendung zu reduzieren 25%, die erste Qualitätsverbesserung um mehr als 15% erhöht, ②Verwendet bei der Herstellung und Montage von Flugzeugen. Bei der tatsächlichen Produktion verschiedener Teile des Flugzeugs kann der digitale Zwilling des Flugzeugs und seiner entsprechenden Produktionslinie erstellt werden, um seinen Verarbeitungsstatus zu verfolgen und Ausfallzeiten durch rationale Ressourcenzuweisung zu reduzieren, wodurch die Produktionseffizienz verbessert und die Produktionskosten gesenkt werden. Lockheed Martin wendet digitale Zwillinge auf den Herstellungsprozess des Kampfflugzeugs F-35 an und erwartet, die Produktionsgeschwindigkeit der F-35 durch Echtzeit-Feedback von Fertigungsdaten weiter zu steigern Jedes Flugzeug wurde auf 17 Monate verkürzt, während die Produktionskosten von 94,6 Millionen US-Dollar pro Flugzeug bis 2020 auf 85 Millionen US-Dollar gesenkt wurden. Darüber hinaus verwendete Northrop Grumman [17] digitale Zwillinge, um den minderwertigen Produktverarbeitungsprozess in der Produktion der F-35-Flugzeugzelle zu verbessern, und verkürzte die Entscheidungszeit für Verarbeitungsfehler im F-35-Einlass um 33 %; ③Verwendet für den Betrieb und die Wartung des Luftfahrzeugs. Mithilfe des digitalen Zwillings des Flugzeugs kann der Schadenszustand der Struktur in Echtzeit überwacht werden, kombiniert mit intelligenten Algorithmen, um die dynamische Aktualisierung des Modells zu realisieren, die Vorhersagefähigkeit der verbleibenden Lebensdauer zu verbessern und dann den Missionswechsel zu steuern Planen, Optimieren der Wartungsplanung und Verbessern der Managementeffizienz.
In Zukunft wird die Digital-Twin-Technologie in der Lage sein, die Intelligenz verschiedener Luft- und Raumfahrtfahrzeuge wie Smart Engines, Smart Aircraft und Smart Space Stations zu fördern. Durch die von den Sensoren gesammelten Informationen des Flugzeugs selbst und der Umgebung kann es sein eigenes Zustandsbewusstsein, Umweltbewusstsein und Situationsbewusstsein realisieren, zukünftige Missionspfade selbstständig planen und Selbstwartung durchführen, wodurch eine höhere Mission erreicht werden kann Erfolgsquote, längere Lebensdauer und niedrigere Betriebskosten Niedrige Ziele.
Die Anwendung digitaler Zwillinge in der Luft- und Raumfahrt steht derzeit noch vor einigen Herausforderungen: ①Digitale Zwillinge sind ein umfassendes technisches System, das mehrere Bereiche umfasst, was bereits die Schwierigkeit seiner Implementierung zeigt: Die technischen Rahmenbedingungen digitaler Zwillinge und die Definition der Modellstruktur von digitale Zwillinge sind noch unausgereift, wie man Wissensargumentation und -entdeckung auf der Grundlage digitaler Zwillinge durchführt, um das ultimative Ziel der Intelligenz zu erreichen, muss noch untersucht werden; ② In Bezug auf die Schlüsseltechnologien digitaler Zwillinge, Fehlerdiagnose auf der Grundlage von Big Data und dynamische Modellierung von Komplexen Systeme unter Unsicherheit, Online-Echtzeitanalyse und mathematische Berechnungsmethoden, geeignet für Luft- und Raumfahrtumgebungen, extreme Bedingungen, geringes Gewicht und verteilte Sensorüberwachungstechnologie sind aktuelle Forschungsschwerpunkte; ③ Auf der Ebene der digitalen Zwillingswerkzeuge muss noch weiterentwickelt werden und die Entwicklung autonomer digitaler Zwillinge verbessern Führen Sie die Integrationsplattform aus.
6.2 Intelligente Fertigung auf Basis des digitalen Zwillings
Als potenzieller Weg zur Realisierung der interaktiven Integration der physischen Welt und der Informationswelt in der intelligenten Fertigung wird die Digital-Twin-Technologie schrittweise auf alle Aspekte des Produktlebenszyklus angewendet, nämlich Produktdesign, industrielle Produktion und Fertigungsdienstleistungen.Produktionseffizienz und Vorhersage Wartung von Geräten sind von großer Bedeutung.
(1) Anwendung der digitalen Zwillingstechnologie im Produktdesign. Das Produktdesign ist ein wichtiges Glied im Produktlebenszyklus und der erste Schritt bei der Anwendung der Digital-Twin-Technologie auf die intelligente Fertigung [18]. Personalisiertes Produktdesign im großen Maßstab ist zum idealen Designziel von Unternehmen geworden. Herkömmliche Designmethoden haben im Allgemeinen Probleme wie ungenaue Anforderungen und schwierige Zusammenarbeit beim Design, und der Produktionszyklus für Prototypversuche ist lang und kostspielig, und seine Leistung kann nicht rechtzeitig rückgemeldet und überprüft werden, was die Produktinnovation und Marktentwicklung von Unternehmen ernsthaft beeinträchtigt. Aus diesem Grund wird die Digital-Twin-Technologie sukzessive eingeführt. Die Digital-Twin-Technologie ermöglicht es Designern, die Leistung eines virtuellen Produkts in verschiedenen Umgebungen zu vergleichen, um sicherzustellen, dass Inkonsistenzen zwischen dem tatsächlichen Verhalten des Produktionsprodukts und den gewünschten tatsächlichen Werten minimiert werden. Gleichzeitig können digitale Zwillinge den Designzyklus beschleunigen, indem langwierige Tests zur Bewertung virtueller Produkte vermieden werden.
Tao Fei ua [19] schlugen ein Produktdesign-Framework (Digital Twin Driven Product Design Framework, DTPD) vor, das auf der Digital-Twin-Technologie basiert. Das Framework konzentriert sich auf die Verbindung physischer Produkte mit virtuellen Produkten und ist hauptsächlich auf das iterative Optimierungsdesign bestehender Produkte anwendbar.Die meisten der ausgewählten Designmethoden, aus denen DTPD besteht, haben sich als nützlicher für die Neugestaltung bestehender Produkte erwiesen. SCHLEICHB et al.[20] schlugen ein umfassendes Referenzmodell vor, das auf dem Konzept der Oberflächenmodellform als digitaler Zwilling des physischen Produkts für das Management geometrischer Variationen während des Konstruktions- und Fertigungsprozesses basiert. STARR et al. [21] schlugen eine neue architekturmodulare Entwurfsmethode für cyber-physische Produktionssysteme (CPPS) auf der Grundlage digitaler Zwillinge vor, durch die Integration bestehender Produktionsressourcen und neuer CPS-Einheiten in Konstruktionswerkzeugmodule können Anlagenhersteller virtuelle Prototypen verwenden, um zu erstellen, verifizieren und optimieren Sie die Architektur von CPPS.
(2) Anwendung der Digital-Twin-Technologie in der industriellen Produktion. Der industrielle Produktionsprozess stellt eine sehr komplexe Systemtechnik dar. Die Digital-Twin-Technologie kann die physische Ausrüstung in der physischen Welt mit der virtuellen Ausrüstung in der Informationswelt verbinden, die virtuelle Ausrüstung kann die Produktionssituation der physischen Ausrüstung in Echtzeit abbilden und steuern eigentlichen Produktionsprozess. , wodurch die Flexibilität des Produktionssystems erhöht, die Produktionseffizienz und Produktqualität verbessert und der Energie- und Materialverbrauch reduziert werden.
Zhao Haoran et al. [22] schlugen eine 3D-visualisierte Echtzeit-Überwachungsmethode für digitale Zwillingswerkstätten vor, untersuchten den datengesteuerten virtuellen Werkstattbetriebsmodus auf der Grundlage der Modellierung der Werkstattbetriebslogik, realisierten die dynamische Überwachung des gesamten Prozesses und aller Elemente davon der Werkstatt, entworfen und ein prototypisches System entwickelt und an Beispielen verifiziert. KNAPPGL et al. [23] erstellten ein digitales Zwillingsmodell des additiven Herstellungsprozesses, um Temperaturfeld und Geschwindigkeitsfeld, Abkühlgeschwindigkeit, Erstarrungsparameter und Sedimentgeometrie vorherzusagen und dadurch die Anzahl der Versuche zur Anpassung von Prozessvariablen zu reduzieren.Die experimentellen Ergebnisse zeigen dass das Modell die zeitlichen und räumlichen Änderungen metallurgischer Parameter, die die Struktur und Leistung von Teilen beeinflussen, genau vorhersagen kann. CORONADOPDU et al.[24] schlugen eine Gerätedatenerfassungsmethode basierend auf dem MES- und MTConnect-Protokoll vor und verwendeten sie zur Produktionssteuerung und -optimierung.
(3) Anwendung der Digital-Twin-Technologie in Fertigungsdienstleistungen. Während des Produktionsprozesses von Produkten werden massive heterogene Daten aus mehreren Quellen generiert, die mit der Digital-Twin-Technologie in Echtzeit analysiert und verarbeitet werden können, um umfassendere und wertvollere Informationen zu erhalten und Fehlervorhersage- und Gesundheitsmanagementdienste für Produktionsanlagen bereitzustellen . Gleichzeitig technische Beratung und Management-Entscheidungsfindungsdienste für das Personal bereitzustellen.
Ding Hua et al. [25] schlugen eine Methode zur Vorhersage des Gesundheitszustands von Kohlescherern vor, die durch die Fusion digitaler Zwillinge und Deep Learning angetrieben wird.Basierend auf mehreren physikalischen Parametern im physischen Raum, ein Lebensvorhersagemodell für Schlüsselteile digitaler Zwillinge und Deep Learning wurde entwickelt, um den Gesundheitszustand von Kohleschermaschinen zu erkennen.Echtzeit-Statusvisualisierung und Vorhersage der verbleibenden Lebensdauer von Schlüsselkomponenten bieten Entscheidungshilfen für die vorausschauende Wartung von Kohleschermaschinen. Zhang Xuhui et al. [26] schlugen ein Gesamtmodell der Hilfswartungsführung für elektromechanische Geräte auf der Grundlage von digitalen Zwillingen und gemischter Realität vor und verifizierten seine Schlüsseltechnologien, die die virtuell-reale Fusion, die Zwei-Wege-Abbildung und die Simulation der physischen Wartung lösten Raum und virtueller Wartungsraum Die Frühwarnung realisiert einen datengesteuerten MR-Fehler-Wartungsleitprozess für Geräteausfälle und bietet technischen Support für das Wartungspersonal vor Ort. ZAKRAJSEK AJ et al.[27] schlugen ein auf digitalen Zwillingen basierendes Landeabnutzungsmodell für Flugzeugreifen vor, um die Verteilungsausfallwahrscheinlichkeit von Sinkrate, Gierwinkel, Reifenzustand und Landegeschwindigkeit zu bestimmen. Experimentelle Ergebnisse zeigen die potenziellen Vorteile des Modells für die Entscheidungsfindung bei Flugzeugmissionen, Kosteneinsparungen und die Überwachung des Reifenzustands während der Landung. KRAFT J et al.[28] schlugen ein digitales Zwillingsmodell eines aktiven Motors vor, das aus einem mehrstufigen Modell des Motors und seiner Komponenten zur Degradations- und Fehleranalyse sowie zur Vorhersage des Lebensdauerverbrauchs von Schlüsselkomponenten besteht.
Derzeit konzentrieren sich die meisten Anwendungen der Digital-Twin-Technologie in der intelligenten Fertigung weltweit auf Fehlervorhersage und Gesundheitsmanagement, und ein kleiner Teil konzentriert sich auf die virtuelle Inbetriebnahme, Produktionsplanung und Energiemanagement in Bezug auf Fertigungswerkstätten gewisse Lücke in der Beschreibung der realen physikalischen Welt. Gleichzeitig fehlen Werkzeuge zur effektiven Bewertung digitaler Zwillingsmodelle.
6.3 Smart City auf Basis digitaler Zwillinge
Die Digital-Twin-Technologie hat das 3.0-Zeitalter beim Bau von Smart Cities erreicht, und die Digital Twin City stellt bereits einen vorläufigen Systemrahmen dar. Nachfolgend drei Beispiele für Anwendungsszenarien.
(1) Hangzhou „Urban Brain“. Derzeit hat die Stadt Hangzhou das Pilotprojekt „Urban Brain“ gestartet, das eine Fläche von mehr als 50.000 Quadratkilometern umfasst. Durch das Stadtgehirn, um Ampeln automatisch einzusetzen, verwenden Sie intelligente Geräte, um Ampeln an 1300 Kreuzungen zu steuern, um Verkehrsvideos von 4500 Straßen zu erkennen, laden Sie die dabei erzeugten Straßendaten in das „Stadtgehirn“ hoch, und das „Stadtgehirn“ reagiert sofort und plant eine Straße Die Route, die Patienten in kürzester Zeit ans Ziel bringen kann, hat die Effizienz der Rettung mit Krankenwagen erheblich verbessert, die Zeit für die Ankunft von Krankenwagen am Einsatzort verdoppelt und Patienten effektiv eskortiert. Gleichzeitig wurde im Pilotgebiet durch die Verwendung des „urbanen Gehirns“ zur Realisierung der intelligenten Konfiguration von Ampeln die Verkehrszeit in diesem Gebiet um 15,3 % verkürzt[29].
(2) "Intelligente Xiong'an"-Planung. Unter der Leitung von Wu Hequan, Akademiker der Chinesischen Akademie für Ingenieurwissenschaften, und Liu Duo, Präsident der Chinesischen Akademie für Informations- und Kommunikationstechnologie, hat das Institut für Industrie und Planung der Chinesischen Akademie für Informations- und Kommunikationstechnologie den Gesamtrahmen entworfen von "Smart Xiong'an" [30], das die Realisierung regionaler Interintegration und Interaktion, synchrone Planung und Konstruktion mit der gleichen Geschwindigkeit im gesamten Prozess erfordert, Durchführung der Interaktion zwischen den beiden Orten, Schaffung einer digitalen Zwillingsstadt, und erreichen Sie eine intelligente Entscheidungsfindung und Visualisierung von Dateninformationen. Die "Xiong'an Planning Outline" schlägt im Bereich des intelligenten Stadtmanagements vor: "Bestehen Sie auf der gleichzeitigen Planung und dem Bau von digitalen und realen Städten, treiben Sie das Layout der intelligenten Infrastruktur moderat voran und bauen Sie eine weltweit führende digitale Stadt". „Ein Big-Data-Asset-Management-System einrichten und verbessern, um eine weltweit führende digitale Stadt mit Deep-Learning-Fähigkeiten zu schaffen“ und andere Konstruktionsinhalte [30].
(3) DIGITALER ZWILLING DER STADT NEWCASTLE. In Großbritannien erstellten Doktoranden der Newcastle University in Zusammenarbeit mit Northumbrian Water einen digitalen Zwilling der Stadt, um der Stadt Newcastle zu helfen, besser auf Notfälle und Katastrophen zu reagieren [31]. Die zuständigen Wasserversorgungsunternehmen können das Modell verwenden, um Simulationen von Ereignissen wie explodierenden Pipelines, Starkregen oder schweren Überschwemmungen zu erstellen und die Auswirkungen auf den städtischen Wohnungsbau und menschliche Aktivitäten in den nächsten 24 Stunden vorherzusagen. Chris Kilsby, Professor für Hydrologie und Klimawandel an der School of Engineering der Newcastle University, sagte in einem Interview mit dem Guardian: „Digitale Zwillinge werden es Städten nicht nur ermöglichen, in Echtzeit auf solche abnormalen Wetterereignisse zu reagieren, sondern auch unzählige potenzielle Risiken testen. Notfälle der Zukunft.“ In solchen Situationen wird der digitale Zwilling der Stadt eine sehr wichtige Rolle spielen, der uns sagt, welche Gebäude überflutet werden, welche Infrastruktur geschlossen wird und welche Krankenhäuser möglicherweise betroffen sind.
Der Bau von Smart Cities befindet sich noch im Stadium theoretischer Experimente, und es gibt nur eine Handvoll Regionen, die Smart Cities mit digitalen Zwillingen wirklich realisiert haben. Obwohl diese Arbeit im ganzen Land aktiv gefördert wird, bevorzugen die meisten Gebiete immer noch den Aufbau von Breitbandnetzen, IDC- und IOT-Infrastrukturen und haben das aufkommende Konzept der intelligenten Städte nicht eingeführt. Fachleute haben die Durchführbarkeit und Zuverlässigkeit des neuen Paradigmas für digitale Zwillingsstädte praktisch erkundet und bewertet, und es gab erfolgreiche Benchmarking-Fälle. Es wird davon ausgegangen, dass in naher Zukunft der Bau von Smart Cities mit digitalen Zwillingen ausgereift sein und schnell vorangetrieben werden wird.
6.4 Smarter Wasserschutz auf Basis des digitalen Zwillings
Als einer der sechs Umsetzungspfade zur Förderung der qualitativ hochwertigen Entwicklung der Wasserversorgung in der neuen Phase setzt Smart Water Conservancy Construction auf Digitalisierung, Vernetzung und Intelligenz und setzt auf digitale Szenarien, intelligente Simulation und präzise Entscheidungen. als Weg, um Berechnungen und Algorithmen umfassend zu fördern hochwertige Entwicklung der Wasserwirtschaft in der neuen Phase. Smart Water Conservancy ist eine neue Generation von Informationstechnologie wie Cloud Computing, Internet der Dinge, Big Data, mobiles Internet und künstliche Intelligenz, um eine gründliche Wahrnehmung von Wasserschutzobjekten und Wasserschutzaktivitäten, umfassende Vernetzung, intelligente Anwendungen und allgegenwärtige Dienste durchzuführen , Informationsaustausch und Förderung der Wasserwirtschaftsplanung Die Intelligentisierung von Ingenieurbau, Betriebsmanagement und sozialen Diensten wird das neue Konzept und das neue Modell der Modernisierung des Wasserverwaltungssystems und der Verwaltungskapazitäten vorantreiben.
Intelligente Wasserwirtschaft ist das bedeutendste Symbol für die qualitativ hochwertige Entwicklung der Wasserwirtschaft in der neuen Phase.Die Wasserscheide des digitalen Zwillings ist der Kern und Schlüssel der intelligenten Wasserwirtschaft, und das Wasserwirtschaftsprojekt des digitalen Zwillings ist eine wichtige Aufgabe für den Bau von digitalen Zwillingswassereinzugsgebieten. Nachfolgend sind zwei Beispiele für Anwendungsszenarien aufgeführt.
(1) Die umfassende Anwendung von Ningbo Smart Water Conservancy Overall Smart Governance. Im Jahr 2021 wird das Ningbo Municipal Water Conservancy Bureau eine Cloud-Umgebung für „Smart Water Conservancy“ aufbauen, die sich auf die Ningbo Municipal Affairs Cloud und die Municipal Space-Time Cloud Platform stützt, um die gemeinsame Nutzung von Daten „Cloud“ und das „Cloud“-Management von Front-End-Geräten zu realisieren Steuerung und umfassende Verbesserung des intelligenten Niveaus des Wasserschutzmanagements in Ningbo Erfolgreicher Abschluss der Aufgabe des Pilotprojekts zum intelligenten Wasserschutz des Ministeriums für Wasserressourcen und Erzielung der folgenden drei wichtigen Ergebnisse: ① Realisieren Sie die dynamische Voraussage von Überschwemmungen in der Gesamteinzugsgebiet und regionale Staunässe ② Umsetzung der Transformation von Wildbachkatastrophen von „Überwachung und Frühwarnung“ zu „Vorhersage und Frühwarnung“ Gemeinsame Disposition und Betrieb regionaler Wasserversorgungseinrichtungen.
(2) Intelligentes digitales Wassersparsystem des Shuangxikou-Stausees. Das Shuangxikou-Reservoir stellt die Wasserscheide als Einheit, das Flusssystem als Meridian und das Wasserwirtschaftsprojekt als Knotenpunkt dar. Durch das intelligente digitale Wasserwirtschaftssystem des Shuangxikou-Reservoirs wird eine moderne Wasserwirtschaftsinfrastruktur-Netzwerkplattform aufgebaut, um den neuen Anforderungen gerecht zu werden der wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung in der neuen Ära. Nutzen Sie eine große Anzahl von hydrologischen Echtzeit- und thematischen Datenressourcen durch verschiedene hydrologische Analyseberechnungsmodelle und thematische Ergebnisse, verbessern Sie die Aktualität der hydrologischen Analyse und die Visualisierung der Analyseergebnisse erheblich, mit dem Ziel, Entscheidungsträgern im Management ein intuitives Verständnis zu ermöglichen aktuelle Regenwasserverhältnisse und der Veränderungsprozess, die Regenwasserverhältnisse und Ergebnisse, die in der Vergangenheit aufgetreten sind und in Zukunft auftreten können. Realisieren Sie die drei Geschäftsszenarien Reservoirdaten-Informationsmanagement, umfassende Reservoirzustandsdiagnose und -vorhersage und optimales Reservoir-Dispatching und verbessern Sie die Reservoir-Dispatching-Fähigkeiten.
Obwohl einige kleine Fortschritte bei der intelligenten Wasserversorgung auf der Grundlage digitaler Zwillinge erzielt wurden, gibt es angesichts der vollständigen Umsetzung noch einige Herausforderungen und Schwierigkeiten zu lösen: ① Schwache Datengrundlage ② Schwierige multidimensionale räumlich-zeitliche Analyse von Daten;
6.5 Smart Grid auf Basis digitaler Zwillinge
Durch die Integration der Digital-Twin-Technologie in den Strombereich kann das Digital-Twin-Modell des Stromökosystems erstellt und die Daten des Stromnetzes vollständig genutzt werden: einerseits das Mining und die Nutzung von Stromdaten kann einerseits Power Usern zugute kommen, andererseits aber auch Die Überwachung der Sicherheit des Energiesystems ist auch das Kernkonzept der Internet-of-Things-Anwendung im Energiebereich.
Bei der Entwicklung von Energieübertragungs- und Transformationsprojekten ist es notwendig, so viel wie möglich in die Mittel und Konzepte digitaler Zwillinge zu investieren, um die Qualität und Umsetzungswirkung von Energieübertragungs- und Transformationsprojekten im Lebenszyklus zu verbessern. Bei der Förderung der praktischen Anwendung des Zwillingsmodells kann in die quantitative Bewertung, den Bau von Festpunktbereichen, die Wiederverwendung von Ressourcen und die Bewertung der Durchführbarkeit des Designs usw. investiert werden, um die Intelligenz von Big Data von Stromnetzressourcen zu verbessern die Qualität der Stromnetzplanung und die Erstellung vollständiger Geschäftsdaten von Stromnetzen Die zentrale Schnittstelle realisiert die intelligente Übergabe von Daten usw. Nachfolgend sind drei Anwendungsszenarien aufgeführt.
(1) Fernfehlerdiagnose und unterstützende Entscheidungsfindungsanwendungen. Herkömmliche Streifeninspektionen verlassen sich hauptsächlich darauf, dass Personal zur Durchführung von Streifeninspektionen vor Ort ist, was zeitaufwändig und ineffizient ist und sogar Probleme nicht gefunden werden können. Mit der Popularisierung und Anwendung der digitalen Zwillingsmodellierungstechnologie können Fotos vor Ort schnell über Drohnen erhalten und in die Managementplattform importiert werden, um schnell reale Modelle vor Ort zu generieren und dann realistischere und standardisierte Modelle zu verwenden, um anormale Fehler zu sperren und wirklich erreichen Der Zweck der Ferninspektion und Problemidentifikation.
(2) Anwendung zur visuellen Überwachung der Statusumgebung des Stromnetzes. Basierend auf der Digital-Twin-Technologie werden die Hauptausrüstung, die Stationen und die Umgebung des Stromnetzes fein dreidimensional simuliert, und die Echtzeitinteraktion mit den gesammelten Daten kann realisiert werden, und die Ausrüstung und die wichtigsten Sensordaten können dynamisch integriert werden und in der Simulationsszene angezeigt. Durch das in der Anlage eingesetzte Videonetzwerk und Sensornetzwerk Echtzeit-Feedback von Umgebungsveränderungen und Echtzeitanalyse. Basierend auf dem generierten digitalen Modell kann das Datensystem der 3D-Struktur umfassend analysiert werden. Während der Nachwartungszeit der Plattform kann das Energieübertragungs- und Transformationsprojekt umfassend durch das digitale Zwillingsmodell überwacht werden, um die Daten des Arbeitsstatus jedes Geräts zu erfassen und den allgemeinen Änderungstrend anzuzeigen . Durch den virtuellen Raum werden der tatsächliche Standort der Umspannstation, die Grundparameter des Geräts und zugehörige Konstruktionsmaterialien angezeigt. Dies kann nicht nur den tatsächlichen Kontrolleffekt und -grad verbessern, sondern auch das Auftreten abnormaler Situationen effektiv vermeiden und mehr Zeit für den Beginn des Unfall-Notfallplans gewinnen [32].
(3) Anwendung intelligenter Frühwarn- und Wartungsverarbeitung. Während der Routineproduktion analysieren die meisten für die Kontrolle zuständigen Mitarbeiter, ob es einen Unterschied im Gerät und der Art des Problems gibt, basierend auf der Anhäufung der persönlichen Geschichte. Offensichtlich ist diese Frühwarn- und Identifizierungsmethode zu abhängig von persönlichen Fähigkeiten, und es gibt ernsthafte persönliche Eingriffe, die es unmöglich machen, die subtilen Änderungen des Geräts im Moment genau zu identifizieren. Mithilfe des intelligenten Bewertungssystems ist es möglich, die in Betrieb befindliche Ausrüstung kontinuierlich zu überwachen und gleichzeitig die Arbeitsbahn der Ausrüstung automatisch zu analysieren, die Anzeichen von Anomalien im Voraus zu erkennen und Maßnahmen zu ergreifen, um ernsthafte Probleme und Schäden an einem bestimmten Abschnitt zu verhindern oder sogar das gesamte Stromnetz. Darüber hinaus kann mit Hilfe einer wissenschaftlichen und effektiven Frühwarnung ein besser durchführbarer Wartungsplan entworfen werden.
Getrieben von der „Dual Carbon“-Strategie hat die großflächige Integration von Windkraft und Photovoltaik große Herausforderungen an die Planung, Disposition und den sicheren und stabilen Betrieb des neuen Energiesystems mit sich gebracht. Aufgrund seiner verfeinerten und originalgetreuen Simulation des physischen Netzes hat das digitale Zwillingsnetz einzigartige Vorteile bei der Unterstützung der Netzplanung und -auslegung, der Betriebsplanung und der Förderung der digitalen Entwicklung des Energiesystems. Mit der allmählichen Reife aufkommender Technologien wie Big Data, Cloud Computing und Blockchain können die in der Digital-Twin-Technologie bestehenden Sicherheitsprobleme schrittweise gelöst werden, und Digital-Twin-Stromnetze werden die Betriebseffizienz des Stromsystems erheblich verbessern und die Sicherheit gewährleisten des Stromnetzbetriebs Der Bau eines neuen Stromsystems mit neuer Energie als Kernstück dient der Umsetzung der nationalen „Double Carbon“-Strategie.
6.6 Transport auf Basis des digitalen Zwillings
Als grundlegende, führende und strategische Industrie in der Volkswirtschaft hat sich das Transportwesen allmählich zu einem wichtigen unterstützenden Teil entwickelt, der die Grundbedürfnisse der Menschen und die schnelle Entwicklung der modernen Wirtschaft befriedigt und das bessere Leben der Menschen stark unterstützt und dient. Als Vertreter der Digitalisierung physischer Produkte optimiert die Digital-Twin-Technologie die Arbeitsweise großer Infrastrukturprojekte von der Planung über den Bau und das Management bis hin zum späteren Betrieb und der Wartung, nutzt das Datenfeedback vollständig aus, um Veränderungen in der physischen Welt zu erfassen, und Grundsätzlich löst die "Informations-Physik"-Interaktion das Problem. Die Digital-Twin-Technologie hat die Entwicklung von Digitalisierung, Intelligenz und Informatisierung im Transportwesen weiter vorangetrieben, was für die Entwicklung der gesamten Branche von großer Bedeutung ist. Nachfolgend sind drei Anwendungsszenarien aufgeführt.
(1) Eisenbahnverkehrsmanagement. Üblicherweise wird zum Zweck der einheitlichen Planung, einheitlichen Terminierung und einheitlichen Verwaltung der Stromversorgung des Schienenverkehrs, der Elektroarbeiten und des Wohnungsbaus usw. eine auf digitalen Zwillingen basierende Verwaltungsplattform für den Schienenverkehr vorgeschlagen, um die integrierte Darstellung der gesamten Strecke im zu realisieren 3D-Szene, um eine Standardisierung, einen digitalen und optimierten Arbeitsmodus zu erreichen. Es handelt sich hauptsächlich um den Bau einer umfassenden Betriebs- und Wartungsmanagementplattform für die Infrastruktur, einer intelligenten Passagierstation und der Szene der Baumanagementarbeit von Li Sheng. Die virtuelle Umgebung der Station kann nicht nur die reale Welt abbilden, sondern bei außergewöhnlichen Ereignissen auch automatisch Entsorgungspläne erstellen.
(2) Wasserstraßenbau. Um das Potenzial des Wasserstraßentransports voll auszuschöpfen, wird eine neue Generation technischer Mittel wie digitale Zwillinge und künstliche Intelligenz eingeführt, um die Qualität und Effizienz aus der Perspektive von Top-Level-Design und Datenfusionsentwicklung zu verbessern. Gleichzeitig angesichts praktischer Probleme wie dem Mangel an Personal für den Wasserstraßentransport und der Rückständigkeit von Werkzeugen für den Wasserstraßentransport entsprechend den Merkmalen der Schifffahrt und den intelligenten Bedürfnissen mit dem übergeordneten Ziel reibungsloser Informationen, genauer Informationen, einfacher Prozesse und die Anpassung an zukünftige Entwicklungen, die vollständige Nutzung physischer Modelle, Sensortechnologien und historischer Daten, die Kartierung und Darstellung des Betriebsstatus von Wasserstraßentransporteinrichtungen in der virtuellen Welt, können Managern eine hochwertige Informationsmanagementplattform zur Unterstützung des sicheren Betriebs bieten Transportfahrzeuge für Wasserstraßen.
(3) Flugverkehrsanwendungen. Es gibt viele Hauptanwendungsszenarien der digitalen Zwillingstechnologie im Luftverkehr, wie z. B. "Testflug", unter Überlagerung verschiedener Missionsparameter und abnormaler Umgebungen, um die vom Flugzeug im Voraus entworfene Verarbeitungsstrategie zu untersuchen und zu überprüfen, um die Flugwiedergabe zu realisieren in der virtuellen Umgebung in Echtzeit Last-, Temperatur- und Strukturänderungen erfassen und anhand der Daten den realen Flugzustand widerspiegeln; bei der Auswertungsarbeit nach dem Ausfall oder Schaden die Veränderung des Sensorfingers genau analysieren, die Realität diagnostizieren Ursache der Anomalie und Erstellung eines Unterstützungsplans in der Fehlersituation; Übernahme der Konstruktionskorrektur-Analyseplattform zur Überprüfung der Arbeitsbedingungen gefährdeter Teile unter anormalen Bedingungen und Verbesserung des Konstruktionsschemas. Relevante Daten zeigen, dass die Anwendung digitaler Lisheng-Technologie die Wartungskosten von Flugzeugen senken und ihre Lebensdauer erhöhen kann.
Übernehmen Sie das Konzept der Digitalisierung, bilden Sie die virtuelle digitale Umgebung ab, verbessern Sie die Servicequalität des Transports und fördern Sie die digitale Zwillingstechnologie, um eine chinesische Lösung im Bereich des umfassenden Transports zu bilden.
7. Zusammenfassung und Ausblick
Als grundlegende Technologie und Methode zur Umsetzung fortschrittlicher Konzepte wie intelligente Fertigung, Industrie 4.0, industrielles Internet, CPS und Smart City kann die digitale Zwillingstechnologie nicht nur vorhandene menschliche Theorien und Kenntnisse nutzen, um virtuelle Modelle zu erstellen, sondern auch die Simulationstechnologie nutzen erforscht und prognostiziert die unbekannte Welt, entdeckt und sucht nach besseren Methoden und Ansätzen, stimuliert ständig menschliches innovatives Denken und strebt ständig nach Optimierung und Fortschritt.Es bietet neue Ideen und Werkzeuge für die Innovation und Entwicklung der aktuellen Industrie und wurde von der anerkannt Industrie und die wachsende Aufmerksamkeit der Wissenschaft. Dieses Papier erläutert den Ursprung und die Definition der Digital-Twin-Technologie und stellt gleichzeitig ausgehend von den Anwendungsanforderungen und basierend auf dem vorgeschlagenen fünfdimensionalen Strukturmodell des Digital-Twin sechs Grundprinzipien des Digital-Twin-Fahrens und des Digital-Twin-Standardsystems vor Rahmen. Die Digital-Twin-Technologie ist in allen Lebensbereichen weit verbreitet. Sechs beliebte Bereiche werden aufgelistet, und die Anwendung der Digital-Twin-Technologie wird kurz erläutert.
Wie in Zukunft die Integration mit der neuen Generation der Informationstechnologie (NewIT) erfolgen kann, um die digitale Zwillingstechnologie von der Theorie zur umfassenden Anwendung zu machen, steht im Mittelpunkt der nächsten Stufe der Entwicklung und Erforschung der digitalen Zwillingstechnologie. Erwägenswert ist die Integration der Digital-Twin-Technologie mit Internet of Things, 5G-Kommunikationsnetz, Cloud Computing, künstlicher Intelligenz, 3R, Blockchain Big Data usw. Die tiefe Integration des Digital Twin mit NewIT kann die reale und umfassende Wahrnehmung des Physischen realisieren Entitäten, mehrdimensionale und mehrskalige Modelle Genaue Konstruktion, tiefe Integration aller Elemente/vollständiger Prozess/vollständiger Geschäftsdaten, On-Demand-Nutzung intelligenter/humanisierter/personalisierter Dienste und umfassende/dynamische/Echtzeit-Interaktion. Obwohl wir den Rahmen des Standardsystems für digitale Zwillinge im vorherigen Artikel erläutert haben, handelt es sich nur um eine allgemeine Theorie, und es wurde noch kein spezifischer Standard für digitale Zwillinge veröffentlicht. Die Entwicklung und Anwendung digitaler Zwillinge erfordert die Anleitung und Bezugnahme auf Standards, und die Benennung internationaler Standards für digitale Zwillinge ist auch die oberste Priorität der aktuellen digitalen Zwillingstechnologie.
8. Referenzen
