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数字孪生解决方案?

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1、 需求背景

 

数字孪生体的突破在于,它不仅仅是物理世界的镜像,也要接受物理世界的实时信息,更要反过来实时驱动物理世界,进而进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。因此首先要强调互动,没有实时互动,数字世界和物理世界之间就是伪孪生。其次,我们认为数字孪生体是仿真应用新巅峰,因为在数字孪生体成熟度进化的每个阶段,仿真都扮演着不可或缺的角色。此外“共智”作为数字孪生体的理想态应用,更不止于工业。我们在对工业、产业、民生、军事等四个最重要的关键领域做实例化论述的过程中发现了以下几个主要的需求:


1)   工业领域的数字孪生需求。工业智能化转型,需要通过数字化手段实现效率提升和人工成本的大幅下降,通过工厂仿真实现产品的快速生产和交付。


2)   民生领域领域的数字孪生需求。表现在公共安全、交通、公共管理、信息服务等方面,例如数字孪生带来的灾害预警、智慧交通、数字城市和健康管理等技术。


3)    产业领域的数字孪生需求。如为矿业、运输业等产业提供合理的资源使用方式,减少产业运行中存在的潜在风险。


4)    军事领域的数字孪生需求。数字战场与国家安全息息相关,借由战场环境仿真、战场通信仿真等数字孪生系统,未来的军事设施研发流程将由“设计-建造-测试”变为“建模-分析-建造”。


2、解决方案


我们为不同的数字孪生需求都提供了配套的解决方案。一个典型的数字孪生系统包括用户域、数字孪生域、测试与控制实体、现实物理域和跨域功能实体共五个层次。



该架构作为安世亚太开发数字孪生体的基础架构,具有很好的拓展性,即便在不同领域下,都具有其指导意义,只要根据该框架适当的实例化展开,即可完成系统构建。


1)   数字孪生体不仅仅是物理世界的镜像,也要接受物理世界实时信息,更要反过来实时驱动物理世界,而且进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。这个演变过程称为成熟度进化,即一个数字孪生体的生长发育将经历数化、互动、先知、先觉和共智等几个过程。



由上表可知,在每一个进化过程中,都有其实例化特征。对于数字孪生技术来说,其核心是仿真,基础是建模,物联网和数字线程为数字孪生体提供了实用价值,而基于大数据的人工智能则是一种新的仿真范式。


2)   安世亚太基于ANSYS和FLOWNEX等诸多强大的仿真软件,可以为客户提供针对不同领域的多种关键技术支持。其特定核心技术涵括:


数字孪生制造:CAD、CAE、工艺仿真、工厂仿真、工业控制等。

数字孪生产业:创成式设计、增材制造等。

数字孪生城市:测绘技术、3D-GIS、CIM、城市仿真、人脸识别等。

数字孪生战场:毁伤与损伤评估、体系仿真、军用数据链、战场感知等。

 

Flownex包含大量流体、电子、机械及工业控制组件,可与thingworx物联平台结合,生成数字孪生解决方案,可满足一般工业产业领域的相关数字孪生需求。


基于Ansys的三维建模及仿真,其功能更加精细且全面,可应对流体、电磁、温度场、机械、通信等多种不同性质的仿真对象,并配合降阶技术,可在保证精度的情况下,实现三维仿真的高速化。三维模型可以单独作为孪生体出现,也可以协同其它三维模型或一维模型共同建立数字孪生体。

借由数据驱动的三维实时渲染、三维图形交互以及可视化分析技术,可以将被孪生实体的运行状态在数字世界中进行模拟和重现,如设备运行模拟、机器加工协同工作模拟、生产流程优化、产品流转模拟、人员配置调整、原料物流模拟、生产运维问题预测等应用场景。


利用建模仿真工具高灵活度、低使用门槛的应用属性,实现车间、生产线柔性布局、生产问题早预测。


3、案例应用


空调系统数字孪生案例

 

1)   系统分析

 

中央空调系统是办公楼里的耗电大户,使用数字孪生技术对中央空调系统进行研究与仿真,将在节能环保方面为企业带来可观的经济效益和社会效益。


 此建筑安装有多联机中央空调系统,室外机统一布置在大楼顶层,每台室外主机通过配管连接并驱动单层一半的室内机。室外侧采用风冷换热形式室内侧采用制冷剂蒸发换热的形式。


 空调内外机示意图


2)  建模


在空调系统数字孪生体的建立过程中,安世亚太的工程师们使用CAE仿真软件建立了三个物理系统的孪生体,这三个物理系统分别是物理制冷循环系统孪生体、物理通风管路系统孪生体和物理室内通风系统孪生体。这三个物理系统孪生体之间的构成和关系如图:


空调系统分解为三个字系统,并分别建模


空调系统分解为三个字系统,并分别建模空调系统分解为三个字系统,并分别建模空调系统分解为三个字系统,并分别建模


3)  降阶&仿真运算


由于三维仿真计算量大,计算速度慢,无法满足数字孪生在反应速度方面的需求,所以在实时性方面需要使用降阶方法,提高三维仿真的计算速度,运算过程如图:


 


4)  空调系统数字孪生演示界面


仿真计算结果可通过程序的API或者经由OPC服务器传出,这些经过仿真计算的数据添加了逻辑处理之后,可以形成一个物理系统和孪生系统之间数据传递的闭环,实现以孪生体的计算作为驱动,对物理系统的控制。



 
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