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，龙8头号玩家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，龙8头号玩家数字孪生平台，更不止于工业。龙8头号玩家在对工业、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”。

 

解决方案

 

龙8头号玩家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。

该架构作为龙8头号玩家开发数字孪生平台的基础架构，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。

 

级别	名称	关键特征	关键技术
1	数化	对物理世界进行数字化建模	建模、物联网
2	互动	数字间及其与物理之间实时互传信息和数据	物联网、数字线程
3	先知	基于完整信息预测未来	仿真、科学计算
4	先觉	基于不完整信息预测未来	大数据、机器学习
5	共智	多个数字孪生体之间共享智慧	云计算、区块链

 

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。

 

ANSYS Twin-Builder —— 系统级多物理域数字孪生平台

         Twin Builder是ANSYS公司系统仿真单元的核心产品，是一款功能强大的跨学科多领域的高性能系统仿真软件和数字孪生平台。能够做到统领建模、仿真和验证，并与IIoT物联网平台集成、部署与运行数字孪生体。在Twin Builder的支持下，能够帮助用户研究复杂系统的功能与性能，验证与优化设计，缩减开发时间和降低研发成本，能够用于故障诊断，系统预测性维护，并获得运行数据来改进新产品。

 

 

产品介绍
•  多物理域多语言建模与仿真
        Twin Builder支持以多种方式实现多物理域系统模型集成，能实现电力电子、数字和模拟控制、流动与传热、动力学、液压等复杂系统的建模仿真。具备Modelica、VHDL-AMS、SPICE、C/C++等多种建模语言与模型库；具备与不同专业学科设计与分析软件的接口，可实现多物理域系统联合仿真；具备结构、流体、电磁、热等3D有限元模型降阶功能，建立高精度降阶模型，用于与1D模型进行快速联合仿真；通过标准开放接口FMI与第三方工具进行系统集成；可实现与嵌入式软件设计开发平台ANSYS SCADE集成。

 

•    三维模型降阶
          Twin Builder应用先进的模型降阶技术将三维仿真降阶为一维的高精度物理原型级的模型，与其他系统模型进行无缝集成，实现兼顾高精度和高效率的系统仿真，并支持实时仿真。Twin Builder可与ANSYS其他场仿真软件进行直接接口，操作便捷。 

        Twin Builder模型降阶模块可根据用户需求，生成各类降阶模型，包括静态、动态降阶模型，线性、非线性降阶模型，输出接口数据、输出场数据降阶模型。 

•   嵌入式软件集成与验证
        Twin Builder可以集成嵌入式控制软件和HMI设计，支持模型在环 (MiL) 设计与控制策略优化的协同仿真，以及对虚拟系统中真实嵌入的代码进行软件在环 (SiL) 验证时的代码导入，使用物理系统模型测试嵌入式控件的性能。与SCADE套件和SCADE Display的紧密耦合，可在软件操作期间进行交互式监控和调试。提供流行嵌入式控制设计工具，包括SCADE工具套件和Matlab/Simulink的接 口。

 

•   系统验证与优化
         Twin Builder提供复杂仿真模型的测试和检查功能，支持对复杂仿真模型的接口匹配性、模型自由度、方程的收敛性等进行自动化检查，支持根据仿真建模通用标准来检查模型的规范性。

         Twin Builder具有参数化、灵敏度、统计和调谐等高级分析功能，以及基于遗传算法、单纯形法等算法的优化设计功能，可实现单目标或多目标组合优化，方便用户更好地了解参数漂移等因素对系统最终性能的影响，有助于对复杂系统的瞬态性能进行单目标或多目标组合优化，从而深入权衡和优选设计参数，并优化设计方案。 

•  数字孪生生成与部署
        Twin Builder可对已搭建的系统模型进行分层次的调参验证，生成、导出数字孪生体，并部署在IIoT平台、半实物仿真机等边缘设备、公司内部的数据服务器上，进而访问测试数据和实时数据。Twin Builder的内置API 为Microsoft Azure IoT、PTC ThingWorx、GE Predix和SAP Leonardo提供了无缝连接。Twin Builder还可以连接到包括自行开发的平台的其他IIoT平台，允许用户对实物资产进行预测性维护。