数字孪生——超脱现实,构建未来智能图谱

本书根据应用型高校培养应用型人才的需要，本着循序渐进、理论联系实际的原则，内容以适量、实用为度，注重理论知识的运用，着重培养学生应用理论知识分析和解决实际问题的能力。本书力求叙述简练，概念清晰，通俗易懂，便于自学，是一本体系创新、深浅适度、重在应用、着重能力培养的应用型教材。

我国已经基本确定数字经济发展方向，数字化转型成为主航道，如何推进数字经济发展，成为目前的主要问题之一。数字孪生是负责物理世界和数字空间交互的技术，能够实现空间上的突破。数字孪生自2010年由NASA正式提出以来，经过十余年的发展，已在多个领域得到了应用，成为近几年智能领域的代表技术之一。在工业生产领域，以西门子公司、特斯拉公司、ANSYS公司、通用电气公司为首的全球知名企业开展了智慧工厂的建设，开辟了工业4.0的序幕。在智慧城市领域，目前国内外各大城市都在做数字孪生相关建设。贵阳、浙江、深圳等城市纷纷采用数字孪生城市的建设理念和模式，制定城市设计和规划，推进新型智慧城市建设。在商业宣传领域，海尔推出了全新的线上线下交易平台，通过数字孪生实现门店数据可视化，实现核心指标的挖掘分析。除此之外，数字孪生在其他领域也大放光彩，如个性化医疗、智慧物流、智慧农业等新兴技术，在数字孪生的帮助下也迅速发展。数字孪生的一大优势就是能结合多个领域，协同大数据、人工智能、物联网等技术，改变各个产业链的布局，推动数字经济发展。随着数字孪生应用领域的不断扩大，将逐渐成为国内产业信息化下一阶段的主要攻坚技术之一，这就要求进一步增添完善数字孪生教学体系，加速培养新一代技术相关人才，助力国家信息产业建设。

本书由10章组成。第1~3章介绍了数字孪生的基本概念以及其发展历史； 说明了数字孪生的应用领域，使读者对数字孪生这一技术有初步的理解和认识； 介绍了数字孪生与物联网技术之间的关联，两者如何共同发展和结合，以及未来如何发展。第4~8章对数字孪生这一技术在理论和应用两个层面进行具体讲解。在理论层面，以模型的视角介绍了数字孪生包含哪些关键技术以及如何在复杂系统中进行数字孪生的管理； 在应用层面，为了更加贴近实际应用项目，邀请国内外学者介绍了如何在实际场景中应用数字孪生，包含数字孪生在流程工业、智能电网、智慧农业的应用，并介绍了当前的不足以及未来的展望。第9、10章是对数字孪生技术目前的热度分析和未来发展。通过对社交媒体的分析，得到数字孪生的热门应用领域，并以其他行业为基础，构建了一种成熟度模型来评价数字孪生系统，最后为探索数字孪生这一技术的未来发展，对最近热门的元宇宙这一概念进行了探讨。

本书可作为高等学校计算机、数字媒体、软件工程等相关专业的教材，也可作为成人教育及自学考试用教材，还可作为数字孪生技术人员的参考用书。

本书第1~3章由吕智涵和郭金康编写，第4章由塞尔吉·P.科瓦廖夫编写，第5章由弗拉基米尔·什韦坚科、瓦莱里娅·什韦坚科、安德烈·莫佐欣和奥列格·谢科奇欣编写，第6章由塞波·谢拉编写，第7章由德克·韦斯特曼、宋鑫亚和蔡慧编写，第8章由赵宇航和姜柘宇编写，第9章由吉姆·谢布梅尔和亚什旺·马莱亚编写，第10章由乔亮、李玉玺、解树轩、刘筱成、边增旭和刘玉奇编写，埃琳娜·费斯曼、于增臣、马润禾负责排版、校对与润色，全书由吕智涵担任主编，完成全书的修改及统稿。

由于编者水平有限，书中不当之处在所难免，欢迎广大同行和读者批评指正。

吕智涵
2023年4月

近几年，数字孪生的概念炙手可热，从工业生产到日常生活，数字孪生逐渐成为未来工业发展的智慧代表。本书对数字孪生的理论架构和知识体系进行了详细的讲解，从数字孪生的基础知识到数字孪生进阶，再到数字孪生在各个领域的实际应用，循序渐进，带领读者一步一步深入了解数字孪生，形成数字孪生知识体系。为方便读者更好地掌握本书内容，本书引入了多个数字孪生经典案例，以实际应用为引帮助读者更好地理解数字孪生理论知识，并对如何应用数字孪生有初步的认识。在本书最后，作者对数字孪生的未来发展进行了预测。 编写本书的目的是让从事数字孪生相关产业的技术人员更加深入地了解数字孪生，并为其提供有益的参考。本书可供高等院校相关专业师生及对工业智能制造感兴趣的读者学习阅读。

第1章数字孪生的概念及发展

1．1什么是数字孪生

1．1．1数字孪生的定义及特征

1．1．2数字孪生与传统仿真的区别

1．2数字孪生的发展

1．2．1数字孪生的发展历程

1．2．2数字孪生的构建

小结

第2章数字孪生的应用领域

2．1数字孪生在工业生产中的应用

2．1．1智慧工厂

2．1．2生产监控

2．1．3工业部署

2．2数字孪生在医疗领域中的应用

2．2．1疾病治疗

2．2．2健康管理

2．2．3运动规划

2．3数字孪生在智慧城市中的应用

2．3．1城市规划

2．3．2城市治理

2．3．3未来的智慧城市

2．4数字孪生在商业领域中的应用

2．4．1线下销售

2．4．2线上销售

小结

第3章数字孪生中的物联网

3．1物联网简介

3．2数字孪生和物联网共同促进

3．2．1数字孪生促进物联网发展

3．2．2NBIoT赋能数字孪生

3．3未来展望

3．3．1目前存在的问题

3．3．2未来发展方向

小结

第4章数字孪生关键技术： 基于模型的视角

4．1什么是孪生

4．2基于模型的数字孪生架构

4．3数学建模和仿真

4．4物联网

4．5交互式图表和增强现实

4．6电子文件管理

4．7主数据管理

4．8自然语言处理

4．9数字孪生整合的代数方法

4．10构成异构资产的数字孪生

小结

第5章基于交互的数字孪生复杂系统管理

5．1数字孪生系统与生产

5．1．1数字孪生出现的先决条件

5．1．2影响数字孪生有效性的互动对象参数

5．1．3数字孪生概念中的物理和虚拟生产过程

5．2数字孪生多结构系统

5．2．1描述多结构系统的方法学基础

5．2．2多结构系统的基本要素

5．2．3多结构系统的功能管理

5．2．4多结构系统的信息流组织

5．2．5多结构系统的组织和架构

5．2．6多结构体度量系统和多结构系统元素

5．2．7多结构系统的管理系统

5．2．8多结构系统自动控制原理与技术

5．2．9信息物理系统的数学建模及其对数字孪生的管理

5．2．10数字化对象的数字孪生及其在多元结构系统中的实现

5．3智慧能源多结构系统示例

5．3．1智能能源系统的组件

5．3．2IES多结构系统

5．3．3IES网络结构的管理

5．4智能家居多结构系统实例

5．4．1智能家居的组成部分及其相互作用

5．4．2构建智能家居多结构的数字孪生

5．4．3基于交互数字孪生的智能家居多结构管理系统

5．4．4基于数字孪生技术的智能家居气候管理系统的实施

5．4．5神经网络在智能家居气候管理中的应用

小结

第6章流程工业的数字孪生

6．1流程工业的基本概念

6．1．1一个实例： 实验室用水的处理过程

6．1．2管道和仪表图

6．1．3流程工业的核心： 控制回路

6．1．4建立物理流程的模拟模型

6．1．5获取物理流程建模的工程设计源信息

6．1．6操作的异常处理

6．1．7将控制系统与物理流程模型进行整合

6．2流程工业的类型

6．3流程工业中的数字孪生

第7章智能电网的数字孪生

7．1智能电网中数字孪生的发展

7．2智能电网数字孪生定义

7．3数字孪生在智能电网中的建模与应用

7．3．1基于参数估计的非线性模型

7．3．2基于人工神经网络的数字孪生： 用于状态预估

7．3．3基于数据驱动数字孪生的控制器设计

小结

第8章智慧农业的数字孪生

8．1农业的数字孪生

8．2数字孪生构建智慧农场

8．2．1人工智能预测植物生长状况

8．2．2虚拟现实模拟三维数字农场

8．2．3区块链技术实现供应链管理

8．3数字孪生应用于农业领域仍存在的问题

小结

第9章社交媒体对数字孪生的看法以及数字孪生成熟度模型

9．1数字孪生概述

9．2社交媒体分析方法论

9．3数字孪生媒体数据分析

9．3．1关于数字孪生媒体数据的时间序列分析

9．3．2数字孪生媒体数据的无监督聚类

9．4通过行业分析媒体数据

9．5成熟度模型

9．5．1成熟度模型的背景

9．5．2数字孪生的成熟度模型

小结

第10章元宇宙综述

10．1元宇宙和交互技术

10．1．1虚拟现实技术

10．1．2增强现实技术

10．1．3混合现实技术

10．1．4全息影像技术

10．1．5脑机交互技术

10．1．6传感技术

10．2元宇宙中的区块链

10．3元宇宙与人工智能技术

10．3．1计算机视觉： 为元宇宙的构建提供虚实结合的观感

10．3．2机器学习： 强大的技术支撑工具，完善元宇宙运行效率
与智慧化发展

10．3．3自然语言处理： 保障元宇宙主客体之间的准确理解与
交流

10．3．4智能语音： 元宇宙中语言沟通支撑工具，实现元宇宙中
用户的语言识别与个体交流

10．4元宇宙和网络及电子游戏技术

10．4．1游戏引擎： 为元宇宙各种场景数字内容提供最重要的
技术支撑

10．4．23D建模： 为元宇宙高速、高质量搭建各种素材提供技
术支持

10．4．3实时渲染： 为元宇宙逼真展现各种数字场景提供至关
重要的技术支撑

10．5元宇宙和网络及运算技术

10．5．15G/6G网络： 为元宇宙感知物理世界万物的信号和信息
来源提供技术支撑

10．5．2云计算： 为元宇宙提供高速、低延时、规模化接入传输
通道，更实时、流畅的体验

10．5．3边缘计算： 为元宇宙用户提供功能更强大、更轻量化的
终端设备

10．6元宇宙和物联网

10．6．1感知层： 元宇宙的“皮肤”

10．6．2网络层： 元宇宙的“中枢”

10．6．3应用层： 元宇宙的“大脑”

参考文献

近几年，数字孪生的概念炙手可热，从工业生产到日常生活，数字孪生逐渐成为未来工业发展的智慧代表。本书对数字孪生的理论架构和知识体系进行了详细的讲解，从数字孪生的基础知识到数字孪生进阶，再到数字孪生在各个领域的实际应用，循序渐进，带领读者一步一步深入了解数字孪生，形成数字孪生知识体系。为方便读者更好地掌握本书内容，本书引入了多个数字孪生经典案例，以实际应用为引帮助读者更好地理解数字孪生理论知识，并对如何应用数字孪生有初步的认识。在本书最后，作者对数字孪生的未来发展进行了预测。 编写本书的目的是让从事数字孪生相关产业的技术人员更加深入地了解数字孪生，并为其提供有益的参考。本书可供高等院校相关专业师生及对工业智能制造感兴趣的读者学习阅读。

本书详细讲解数字孪生的理论架构和知识体系，结合大量数字孪生应用案例，适合教与学。