2023自动化系统与集成 工业数据 数字孪生的可视化元素.docx

《2023自动化系统与集成 工业数据 数字孪生的可视化元素.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2023自动化系统与集成 工业数据 数字孪生的可视化元素.docx（17页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、自动化系统与集成 工业数据 数字孪生的可视化元素目次前言III引言IV1 范围52 规范性引用文件53 术语、定义和缩略语54 动机65 数字孪生可视化75.1 数字孪生的核心技术75.2 数字孪生的可视化元素75.3 数字孪生可视化的详细元素86 用例97 增强现实（AR）和信息物理系统（CPS）的区别13附录A（资料性） 数字孪生可视化国际标准分析14A.1 可视化表达14A.2 数字孪生的数据架构14A.3 技术趋势报告14A.4 信息物理系统14A.5 混合现实和增强现实16附录 B （资料性） 保真度度量17B.1 概述17B.2 空间度量分辨率17B.3 时间度量延迟17参考文献1

2、9I自动化系统与集成 工业数据 数字孪生的可视化元素1 范围本文件对可视化元素进行了分析，这些元素是物理资产和替身（物理资产的数字复制品）之间的接口的关键组成部分。 2 规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。 3 术语、定义和缩略语3.1 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。 3.1.1管理壳 administration shell有形资产和物联网世界之间的桥梁。 3.1.2资 产 asset经济资源或有价值的东西。 3.1.3替 身 avatar物理资产的数字复制品。 3.1.4数字孪生 digital twin由物理资产、替身和接口组成的复合模型。 3.1.5保真度 fidelity

3、用原件复制副本的精确程度。 3.1.6详细程度 level of detail 随着对象远离观察者，或根据对象重要性、视点相对速度和位置等其他度量指标，所呈现的3D模型复杂性减少量。 3.1.7物理资产 physical asset现实世界中存在的资产。 3.1.8精确度 accuracy测量偏差及其分布。 注：精确度包括真实性（测量结果与真实值的接近程度）和精密度（测量的重复性或再现性）。 53.1.9现 实 reality所有真实的或存在的，而不是想象中的事物的总和或集合。 3.1.10实时性 realtime确保在规定的时间约束内做出响应。 注：通常被称为“截止日期”。 3.1.11形

4、状 shape 对象的外边界、轮廓或外表面等外形属性，而不是颜色、纹理或材料类型等其他属性。 3.1.12STEP 模型 STEP model根据ISO 10303描述的产品模型。 注：ISO 10303已经有部分标准转化为国家标准GB/T 16565。 3.1.13可视化 visualization通过创建图像、图表或动画来传达信息的技术。 3.2 缩略语下列术语和定义适用于本文件。 AI 人工智能（artificial intelligence） AR 增强现实（augmented reality） CAD 计算机辅助设计（computer aided design） CAE 计算机辅助工

5、程（computer aided engineering） CG 计算机绘图（computer graphics） CPS 信息物理系统（cyber physical system） DPI 每英寸点数（dots per inch） DTw 数 字 孪 生 （digital twin） LoD 详细程度（level of detail） MAR 混合与增强现实（mixed and augmented reality） MR 混合现实（mixed reality） O&M 运行和维护（operation and maintenance） P&ID 管道及仪表流程图（piping and inst

6、rumentation diagram） RPM 每分钟转数（revolutions per minute） VR 虚拟现实（virtual reality） XR 扩展现实（extended reality） 4 动机对于物理资产和替身（或数字复制品）之间共享或集成的可视化元素，需要进行标准化处理。根据本文件的定义，数字孪生由物理资产、替身和接口组成。图1显示了数字孪生的概念（三个组成模型） 和可视化元素的分离。 6数字孪生物理资产用户交互用户输入向用户提供的信息7传感器数据运行数据分析结果保真度分辨率延迟保真度度量LoD接口（数据流）控制参数对物理资产的控制对替身的控制替身静态模型仿真用户

7、交互形状型纹理颜色外形线 框 实体模表面模点云视觉属性CAE后处理程序型科学可视化动画用户输入向用户提供的信息图1 数字孪生可视化术语分类 5 数字孪生可视化5.1 数字孪生的核心技术5.1.1 概述数字孪生核心技术包括传感器、执行器、集成、数据和分析技术。可以为数字孪生的可视化定义更多的技术。 5.1.2 传感器连接到运行设备的传感器可以将设备状态（如位置、温度、压力、振动、RPM）近实时发送给用户。 5.1.3 数据近实时采集的传感器数据是连续生成的。其结果可能是收集设备运行状态信息的大数据。 5.1.4 分析技术用于分析大数据的技术被称为分析技术。由于大量数字传感器信息是通过互联网收集的

8、，所以数据量超过了人类的分析能力。因此，利用具有人工智能能力的计算机进行数据分析的技术备受关注。 5.1.5 执行器一旦利用分析技术来分析有关运行状态的大数据，就可以优化产品的运行参数，并且可以基于分析结果调整运行状态。驱动机器的修改参数的传送装置是执行器。 5.1.6 集成运行状态信息和控制信息应该在替身和物理资产之间共享，以便集成数字孪生。本文件定义的数字孪生接口组件可实现共享和集成。 5.2 数字孪生的可视化元素数字孪生关键词之间的关系如图 2 所示。STEP 标准（ISO 10303）中的数据模型或产品模型可以被视为替身元素。ISO 10303 不仅包括设计模型，还包括生产或制造模型。

9、某些标准中还规定了可视化的数字模型（参见附录 A）。 注：ISO 10303 已经有部分标准转化为国家标准 GB/T 16565。 工业4.0数字孪生可视化传感器数据物联网数字模型物理资产仿真运行大数据实时性行为XR,VR,AR,MR预测维护数据分析监控图 2 数字孪生的关键词之间的示例关系 进行数字孪生可视化时，可以利用大多数虚拟现实（VR）或增强现实（AR）方法。替身或数字复制品的形状、颜色和纹理等可视化属性以及动画均应包含在内。 进行数字孪生可视化时，还应对显示物理资产运行状态的传感器数据进行可视化。它类似于数值模拟中后处理程序的可视化元素。 另外，可视化元素取决于产品的生命周期。数字孪

10、生应共享的信息会在产品生命周期中发生变化， 产品的生命周期通常包括计划、设计、制造、运维或废弃阶段，因此可视化元素会在产品生命周期中发生变化。 在产品生命周期开始时，没有物理资产。只有替身或者数字复制品。设计师头脑中的概念产品在开始时被建模为计算机中的替身。在虚拟制造系统中测试或模拟替身，然后通过物理制造将物理产品实现为物理资产。只有从此时起，两个孪生（替身和物理资产）才同时存在，并且可以通过将来自传感器的实时状态数据和控制参数共享至执行器来实现集成。 5.3 数字孪生可视化的详细元素最近正在研发的 3D 打印和 3D 激光扫描也需要可视化模型。除了传统的 CAD 或网格模型外，还引入了点云模

11、型。根据替身的保真度，采取不同的详细程度（LoD），如表 1 所示。 表 1 基于详细程度（LoD）的电厂设备模型分类 LoD类型描述示例（阀门）1符号级模型（基本设计阶段，发送给设备制造商） 简单模型（来自 P&ID 的三维模型） 电厂CAD 系统提供的默认库中的模型（称为目录模型）82生产模型（电厂的生产设计阶段） 电厂制造商根据设备供应商文件包（包括 2D 图纸以及详细的 3D 模型）重新建模的模型（LoD 5） 适合电厂建设的产品模型3移交模型（根据扫描数据重建的模型） 电厂所有者或运营公司要求的模型 根据要求有不同的LoD4扫描模型（电厂施工期间或之后） 在电厂施工期间或之后，通过

12、3D扫描获得的点云模型 它展示了设备周围的绝缘材料等附加材料5有关设备制造的详细模型（供应商） 供应商提供的用于设备生产的详细模型 包含设备的详细（几何、非几何） 信息，例如内部几何结构以及详细的表面信息 出于安全考虑，只有供应商有该模型产品运行状态的可视化是计算机绘图（CG）中一个长期存在的领域，被称为科学可视化。最好利用CG 领域的现有技术，并将 CG 技术作为数字孪生的可视化元素。 制作动画时需要利用运动纹理，该纹理使用了运动捕捉传感器获得的数据。除了传统的多边形网格动画之外，还需要进一步开发技术，将动画技术应用于点云模型。运动纹理可以弥补基于运动学的动画存在的弱点，同样，激光扫描模型或

13、点云可以弥补 CAD 模型的弱点。将替身数据（多边形或运动学移动） 与物理资产数据（点云或运动纹理）合并可以增强数字孪生的保真度。 6 用例有各种有关数字孪生及其可视化的用例。A风力发电模型的示例如图3所示，有必要定义由物理资产、替身和接口构成的数字孪生的概念，替身是指物理风力系统的虚拟或数字复制品，物理资产是指物理世界中真实存在的风力发电系统。 注：A风力发电系统是由A高校研究的一种风力发电机模型。提供这些信息是为了方便本文件用户使用，并不构成对本产品的认可。 9数字孪生 接口 物理资产 替身 图3 A风力发电系统数字孪生用例 由于产品的复杂性以及运行地点远离陆地，所以海上电厂区也是一个对数

14、字孪生需求很高的区域。由于海上电厂必须在偏远的地方近实时操作控制，因此它需要复杂和庞大的数字孪生模型。物理资产和替身均在远程状态下运行，但通过它们之间的近实时数据通信实现集成，这样就可以像近实时、近距离运行一样。 状态 控制来源：某造船企业大数据运行记录实效模式与影响分析有限元分析 CAD模型替身（虚拟世界）实时接口物理资产（现实世界）图4 海上电厂与核心技术的数字孪生 智能制造的数字孪生也出现在作为第四次工业革命引领者的德国工业4.0项目中。管理壳的概念如图5所示。通过将现实世界的物理设备（资产）转换成替身，管理壳可以实现数字孪生。 10工业4.0组件工业4.0参考架构模型工业4.0通信 架

15、构层来源：某电子电气行业协会和工业4.0平台资产现实集成通信资 产 例如: 机器信息功能数字世界管理壳业务图5 工厂数字化管理壳 与海上电厂类似，大城市也需要数字孪生技术。如图6所示，智慧城市已经将智能家居的概念扩大到城市层面。在智能家居中，可以使用智能手机监测和控制家用设备的运行信息和控制信息。这个概念可以扩展到城市层面，并发展成为一个巨大的数字孪生，其中可视化功能是必不可少的。如果进一步扩展，就可能实现地球的数字孪生。某卫星图像映射程序可以成为物理地球的替身，而且如果卫星图像映射程序能够像智能家居一样添加传感器信息和控制功能，那么地球的近实时运行信息就可以集成到替身地球中。 图6 智慧城市

16、的概念 为了实现A校园数字模型建模过程的自动化，旧的手动建模技术已经被新技术取代，因为采用旧技术时小项目（通常为网格）的建模非常耗时。基于视频流、图像或点云以及使用激光雷达传感器获得的深度信息，开发了建筑物自动重建技术。图7显示了使用上述方法自动重建A校园的结果。 113341212图解 1自动重建研究结果 2原始商业卫星图像映射程序（1） 3原始商业卫星图像映射程序（2） 4原始商业卫星图像映射程序（3） 图7 A校园的自动重建 图8显示了设计模型和成品之间的差异。图8左侧是成品的照片，中间是设计产品的CAD模型，右侧是用于制造验证的激光扫描点云。尽管需要根据设计方案生产产品，但由于CAD建

17、模几乎达不到所需的详细程度，在复杂工程装置的CAD模型中细节通常被简化。成品在制造过程中也会产生微小差异或误差。设计模型和成品之间存在差异。为了识别和验证这些差异，会通过激光扫描检查和验证成品。 保真度，LoD（详细程度） 制成品设计模型点云图8 用于验证设计模型和成品的激光扫描点云 7 增强现实（AR）和信息物理系统（CPS）的区别需要分析数字孪生和AR之间的差异。在AR中，真实世界信息被添加到纯虚拟模型中。AR类似于由物理资产、替身和接口组成的数字孪生。AR和数字孪生之间的区别可能是数字孪生中集成了近实时运行大数据。由于AR也允许集成实时运行数据，因此需要进一步分析。数字孪生中的运行大数据

18、可以帮助替身提高运行效率和准确性。 其他差异包括数字孪生的模拟强度和AR的特殊可视化功能。可以通过模拟预测产品或系统的性能。由于数字孪生通常用于电厂的预防性维护，因此利用运行大数据预测未来性能或问题的模拟功能至关 重要。但是模拟功能也可以在AR中实现。 可视化功能是数字孪生和AR的核心技术，因为没有可视化功能很难实现数字孪生或AR。由于AR更加依赖可视化能力，所以AR的各种可视化技术或元素也可以用于DTw。 CPS由网络部分和物理部分及其集成（或数字线程）组成。其构造和数字孪生的构造非常相似。虽然目前的推测认为DTw是CPS的一部分或实现方式，但本文件发现这两者（DTw和CPS）是相似的，可以

19、互相替代。 13附 录 A（资料性）数字孪生可视化国际标准分析14A.1 可视化表达GB/T 16656.462010中描述的展示数据与产品数据相结合，并在系统之间交换。展示数据的示例包括：展示样式、遮挡和不可见性、标记、字体、填充样式、阴影、渲染、不可见性、颜色。 A.2 数字孪生的数据架构ISO/TC 184特别小组关于数字孪生数据架构的报告提供了有关DTw的两种定义和五个定义示例。虽然该报告开头介绍了Michael Grieves的最初定义，但是该定义并不包含在选定的两个定义中。这份DTw可视化报告采用了Michael Grieves提出的三个组件（或部分）模型。ISO/TC 184特别

20、小组报告还提到了分辨率、延迟和保真度，本文件的附录B对此进行了进一步阐述。 “数字孪生”一词最早是由美国宇航局（NASA）的John Vickers在2002年创造的，后来被Michael Grieves在2003年使用。虽然Grieves的想法建立在产品生命周期管理的基础上，但NASA对数字孪生的兴趣源于其运行、维护和维修太空物理系统的需求。 数字孪生概念模型如图A.1所示。它包含三个主要部分:a）真实空间中的物理产品，b）虚拟空间中的虚拟产品，以及c）将虚拟产品和真实产品联系在一起的数据和信息的连接。 真实空间虚拟空间 数据 信息 过程 图A.1 信息镜像模型 A.3 技术趋势报告ISO/

21、IEC JTC 1 数字孪生技术趋势报告与ISO/TC 184特别小组报告相似，因为它不但介绍了Michael Grieves提出的DTw三个组件模型，而且还介绍了其他七个定义（Wikipedia、Deloitte、日本的JST、GE、SAP、IBM、SIEMENS），这些定义大部分将DTw称为与本文件所述的替身相对应的物理资产的数字复制品。 A.4 信息物理系统信息物理系统（CPS）一词最早由美国国家科学基金会的Helen Gill在2006年提出，主要针对计算、网络和物理过程的联合系统。从那时起，CPS的研究越来越受到学术界和工业界的关注。图A.2显示了典型的CPS配置。它类似于数字孪生，

22、由物理资产、替身和接口三个部分组成。 物理世界 环境通信 控制逻辑网络世界网络世界中的虚线元素是物理世界中真实元素的模型图解组件从属关系传感器执行者数据流图A.2 典型CPS 图A.3显示了一个网络物理制造系统，该系统也由物理资产、网络孪生和它们之间的通信三个部分组成。网络物理系统以物理资产（如机器）及其数字复制品为特征，它基本上是一个模拟物理资产行为的软件模型。相比之下，通常所说的物联网通常仅限于物理资产，而不是它们的数字模型。 15 网络世界 网络孪生 数字主线物联网 物理世界 物理资产 资料来源： Behrad, Bagheri. Jay, Lee.（2015年9月23日）10。 网络物

23、理制造系统的伟大未来。设计世界。 图A.3 网络物理制造系统 A.5 混合现实和增强现实图A.4显示了MAR（混合现实和增强现实）的两个组件，即真实根和虚拟根。 假设根 真实根 假设根 虚拟根 声音 触摸 传感 传 感 器 只是感知一些真实世界的数据摄像机传感器系统端对MAR内容一无所知触摸事件行为可见性/声音声音VO实时视频采集标记跟踪器现场 BG VO视点VO标记RO仅 考 虑 MAR内容端不考虑系统端假设的R/V Root TG 由系统自动初始化图A.4 基于标记的3D对象增强内容展示场景，以利用推荐的MAR组件进行视频透视显示 16附 录 B（资料性） 保真度度量B.1 概述如图 8

24、所示，替身（或数字复制品）是物理资产的简化模型，尽管它看起来清晰多彩。如果需要达到纳米级或分子级的物理模型的精细程度，则替身与物理资产不一致。它只是尽可能地简化了物理资产，并且满足使用要求。 需要通过保真度度量确定替身与物理资产之间的一致性。保真度这一术语是从 HIFI（高保真度） 或 WiFi（无线保真度）借用的。保真度可以用构成成分来表征。本文件提出，保真度的两个度量指标是分辨率和延迟，其中每个度量指标分别对应空间度量和时间度量。 B.2 空间度量分辨率DPI（每英寸点数）用于表示光栅图形类打印机的分辨率。在计算机绘图的早期，矢量图形很流行，但是现在大多数图形都是光栅图形。显示器的分辨率在

25、空间分辨率方面设定了替身与物理资产的一致性水平。图 B.1 显示了 TV 或光束投影仪市场中不同的显示分辨率。 四倍高清全高清高清标准定义图 B.1 视频文件分辨率 网格数量以及数字模型的网格尺寸与模型的可视化有关。此外，点云的密度决定了表示相应物理资产的精细程度。 B.3 时间度量延迟就网络延迟而言，这可以通过请求从发送器传输到接收器以及接收器处理该请求所需的时间来定义。也就是从浏览器到服务器的往返时间11。 延迟决定了管道中的内容从客户端传输到服务器并从服务器返回的速度。 带宽决定了管道宽窄。管道越窄，一次通过的数据越少，反之亦然。 通量是在给定时间段内可以传输的数据量。 17延迟= 700ms + 800ms = 1.5s图 B.2 延迟的定义 虽然在自动驾驶汽车行驶在高速公路和小城镇道路上之前，仍存在必须解决的政策和安全因素， 但目前自动驾驶面临的最大限制是技术限制。 网络延迟是首要的技术问题。虽然现在判断是否能通过高速 5G 解决这一问题还为时过早，但是由于一次性连接数量的增加（1000 亿）、低延迟（1ms，而当前的 4G 延迟为 50ms）和高通量（10 Gbps），高速 5G 具有解决这一问题的潜力。 1820