《數(shù)字孿生技術(shù)及應(yīng)用》課程大綱

《數(shù)字孿生技術(shù)及應(yīng)用》課程大綱

培訓(xùn)時間：3天/期，6小時/天


課程詳細大綱：

1. 數(shù)字孿生的概念、應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展
1. 數(shù)字孿生的概念及技術(shù)特征
1. 數(shù)字孿生的概念詮釋
2. 數(shù)字孿生的技術(shù)特征
2. 數(shù)字孿生技術(shù)的研究進展、應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展
1. 數(shù)字孿生發(fā)展經(jīng)歷的階段
1. 技術(shù)準備期
2. 概念制造期
3. 預(yù)先應(yīng)用期
2. 數(shù)字孿生技術(shù)的標(biāo)準及研究進展
3. 數(shù)字孿生在不同行業(yè)的應(yīng)用情況介紹
1. 數(shù)字孿生在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用-CPS（信息物理系統(tǒng)）、智能制造
2. 數(shù)字孿生在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用-智能建筑
3. 數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域的應(yīng)用-智慧教育、智慧課堂
4. 數(shù)字孿生在智慧城市中的應(yīng)用-城市大腦
5. 數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集成服務(wù)千行百業(yè)
6. 數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)、人工智能融合服務(wù)于行業(yè)應(yīng)用
7. 數(shù)字孿生與區(qū)塊鏈融合服務(wù)于行業(yè)應(yīng)用
4. 數(shù)字孿生技術(shù)的未來發(fā)展及行業(yè)應(yīng)用拓展展望
2. 數(shù)字孿生的系統(tǒng)組成、模型及系統(tǒng)架構(gòu)詳解
1. 數(shù)字孿生的系統(tǒng)組成三要素
1. 物理空間的實體產(chǎn)品
2. 虛擬空間的虛擬產(chǎn)品
3. 物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口
2. 數(shù)字孿生的概念模型（基于數(shù)字孿生的定義）
1. 實體相關(guān)概念-
物理實體（人工實體、自然實體、社會實體）、系統(tǒng)性實體、過程性實體
2. 實體所在域相關(guān)概念-現(xiàn)實物理域、測量控制域、數(shù)字孿生域、用戶域
3. 數(shù)字孿生相關(guān)概念-
數(shù)字孿生、數(shù)字孿生原型、數(shù)字孿生實例、數(shù)字孿生聚合、抽象實體、仿真
引擎（數(shù)字模型、視覺特征、視覺類型；測量數(shù)據(jù)、控制信息）、模型數(shù)據(jù)
融合引擎
4. 數(shù)字線程相關(guān)概念-數(shù)字線程
5. 數(shù)字孿生應(yīng)用場景擴展相關(guān)概念-
實體相關(guān)概念：（1）實體目的：目的、需求、需求指標(biāo)；（2）實體時間：
生存周期、生存期階段；（3）實體空間：空間尺度、物資尺度類型、系統(tǒng)
層次類型
3. 數(shù)字孿生系統(tǒng)的通用參考架構(gòu)（自底向上）-
5個層次：現(xiàn)實物理域、測量與控制實體域、數(shù)字孿生域、用戶域、跨域功能實體


1. 現(xiàn)實物理域（底層）-
可觀測的物理實體目標(biāo)對象（測量數(shù)據(jù)流、控制信息流）
2. 測量與控制實體域（測量控制域）-測量物理對象的狀態(tài)感知、對象控制
3. 數(shù)字孿生域-三大功能：建模管理、仿真服務(wù)、孿生共智
1. 建模管理：數(shù)字建模、模型展示、模型同步、運行管理
2. 仿真服務(wù)：模型仿真、分析服務(wù)、報告生成、平臺支持
3. 孿生共智：資源接口、資源互操作、安全訪問、在線插拔
4. 用戶域-人、人機接口、應(yīng)用軟件、共智孿生
5. 跨域功能實體-信息交換、數(shù)據(jù)保證、安全保障
1. 信息交換-數(shù)字孿生域之間的信息交換
2. 數(shù)據(jù)保證與安全保障-數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性和完整性
3. 安全保障-數(shù)字孿生系統(tǒng)安保相關(guān)的認證、授權(quán)、保密和完整性
4. 數(shù)字孿生應(yīng)用場景的參考框架（基于數(shù)字孿生概念模型和參考架構(gòu)）
1. 參考框架-三維空間：系統(tǒng)目的、系統(tǒng)層次/物質(zhì)尺度、系統(tǒng)生存周期
2. 系統(tǒng)目的-全球化、城市化、工業(yè)化
3. 系統(tǒng)層次-體系、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、系統(tǒng)元素
4. 物質(zhì)尺度-宇觀、遙觀、宏觀、顯微觀+介觀、微觀+渺觀
5. 系統(tǒng)生存周期-技術(shù)預(yù)研、系統(tǒng)研制、運行服務(wù)、退役回放
5. 數(shù)字孿生成熟度模型-
數(shù)字孿生實現(xiàn)物理世界鏡像、接受物理世界實時信息、實時驅(qū)動物理世界，進化為
物理世界先知、先覺、超體
1. 數(shù)化：物理世界的數(shù)字化建模（關(guān)鍵技術(shù)：建模/物聯(lián)網(wǎng)）
2. 互動：實時互傳數(shù)據(jù)和信息（關(guān)鍵技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)/數(shù)字線程）
3. 先知：基于明確機理的計算（關(guān)鍵技術(shù)：仿真/科學(xué)計算）
4. 先覺：基于不明確機理的推測（關(guān)鍵技術(shù)：大數(shù)據(jù)/機器學(xué)習(xí)）
5. 共智：多孿生體共享智慧（關(guān)鍵技術(shù)：云計算/區(qū)塊鏈）
3. 數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
1. 數(shù)字孿生的三項核心技術(shù)
1. 數(shù)字孿生建模技術(shù)
2. 數(shù)字孿生仿真技術(shù)
3. 基于數(shù)據(jù)融合的數(shù)字線程（Digital Thread）技術(shù)
2. 數(shù)字孿生的頂層框架技術(shù)-
系統(tǒng)工程與MBSE技術(shù)（統(tǒng)領(lǐng)建模、仿真和數(shù)字線程技術(shù)）
3. 數(shù)字孿生的底層伴生技術(shù)-物聯(lián)網(wǎng)
4. 數(shù)字孿生的外圍使能技術(shù)
1. VR、AR及MR
2. 云計算、霧計算及邊緣計算
3. 大數(shù)據(jù)、人工智能（機器學(xué)習(xí)）
4. 區(qū)塊鏈
5. 數(shù)字孿生與人工智能的深度融合-
實現(xiàn)信息空間與物理空間實時交互與融合
6. 數(shù)字孿生與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合-
根據(jù)多重反饋源數(shù)據(jù)進行自我學(xué)習(xí)（傳感器的反饋信息、歷史數(shù)據(jù)、云平臺
的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)），實時地在數(shù)字世界里呈現(xiàn)物理實體的真實狀況，推測和預(yù)演
即將發(fā)生的事件
4.
數(shù)字孿生行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)實現(xiàn)方案、工具軟件及案例分析（根據(jù)不同行業(yè)應(yīng)用案例進行
分析）
1. 基于仿真軟件的數(shù)字孿生-
通用的工程技術(shù)仿真軟件（如：Snsys、Matlab、Fmi、Altair、 Modelica等）
1. Ansys數(shù)字孿生仿真軟件-提供twin builder工具，用于數(shù)字孿生仿真建模
Ansys twin
builder的十大功能：多余系統(tǒng)建模器、廣泛的0D應(yīng)用程序庫、第三方工具集成、降階模
型、嵌入式軟件集成、多域系統(tǒng)求解器、HMI原型快速制作、系統(tǒng)優(yōu)化、XIL合成、IIOT
連接
案例：水泵數(shù)字孿生案例：水泵設(shè)備數(shù)據(jù)-
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IIoT平臺（Thingworx物聯(lián)網(wǎng)平臺）-Ansys的水泵仿真模型-
仿真結(jié)果返回Thingworx平臺-仿真優(yōu)化控制參數(shù)下發(fā)給水泵
2. Matlab數(shù)字孿生仿真軟件-
定義模型（數(shù)據(jù)驅(qū)動模型），提供Simulink多域建模工具創(chuàng)建物理模型，訓(xùn)
練數(shù)字孿生模型
Matlab數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)的集成應(yīng)用：（1）使用Matlab進行故障分類，（2）使用S
imulink/Simscape數(shù)字孿生進行分析
案例分析：Matlab數(shù)字孿生對三缸泵的故障診斷
三缸泵的傳感器數(shù)據(jù)-微軟Azure云平臺（Kafka消息中間件服務(wù)）-
Matlab的故障分類算法模型-模型根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)給出故障類型
應(yīng)用場景案例：
（1）商用卡車：根據(jù)駕駛數(shù)據(jù)日志和數(shù)字孿生，驗證和調(diào)整ABS系統(tǒng)；
（2）航空：航空發(fā)動機運營數(shù)據(jù)輸入到數(shù)字孿生模型，制定維修計劃、提高可用性
、降低故障時間；
（3）空間技術(shù)：數(shù)字孿生上傳到衛(wèi)星，用于衛(wèi)星噴氣推進器發(fā)生故障降級時重新調(diào)
整控制方式；
（4）工業(yè)自動化：采集數(shù)據(jù)經(jīng)常性更新數(shù)字孿生模型，在工廠未來最優(yōu)范圍內(nèi)運行
時通知運營人員。
2. 面向行業(yè)應(yīng)用的仿真類軟件-
如：西門子可視化生產(chǎn)仿真、安德里茲工廠仿真軟件、車聯(lián)網(wǎng)交通仿真軟件等
3. 基于知識圖譜的數(shù)字孿生-用于物聯(lián)網(wǎng)上下文環(huán)境感知、自動推理
4. 基于模型的企業(yè)MBE-如洛克希德馬丁的工廠CAX數(shù)字主線
5. 自動化金字塔數(shù)字孿生-
制造業(yè)基于自動化金字塔的、橫向縱向的、信息化集成的數(shù)字孿生
6. 基于公有云圖數(shù)據(jù)庫分析引擎的數(shù)字孿生-如：azure
aws智能空間圖、阿里云的數(shù)字孿生
7. 模型可視化數(shù)字孿生-可視化展示軟件-如Gis、BIM、Webgl等
8. 基于區(qū)塊鏈的數(shù)字孿生-如：bigchaindb等
9. 基于Chatbot聊天機器人的數(shù)字孿生-
如：羅克韋爾工廠設(shè)備的聊天機器人、微軟的healthbot，相當(dāng)于醫(yī)生的數(shù)字孿生


5. 數(shù)字孿生的應(yīng)用場景及案例分析
1. 基于系統(tǒng)生存周期維度的數(shù)字孿生應(yīng)用場景舉例
1. 數(shù)字孿生的創(chuàng)建
2. 對象系統(tǒng)的故障診斷
3. 健康管理
2. 基于系統(tǒng)目的和系統(tǒng)層次/物質(zhì)尺度2個維度的應(yīng)用場景舉例
1. 工業(yè)化數(shù)字孿生應(yīng)用場景舉例
1.
工業(yè)化+宏觀/體系維度應(yīng)用場景：分布式制造、服務(wù)型制造、數(shù)字農(nóng)業(yè)
2. 工業(yè)化+宏觀/系統(tǒng)維度應(yīng)用場景：研發(fā)設(shè)計、智能車間/工廠
3. 工業(yè)化+宏觀/子系統(tǒng)維度應(yīng)用場景：智能加工單元
4.
工業(yè)化+顯微觀（+介觀）/系統(tǒng)元素維度應(yīng)用場景：集成計算材料工程、微
納制造、增材制造工藝仿真
2. 城市化數(shù)字孿生應(yīng)用場景舉例
1.
城市化+宏觀/體系維度應(yīng)用場景：數(shù)字孿生城市、智慧交通、智慧醫(yī)療、
智能電網(wǎng)、智慧能源
2. 城市化+宏觀/系統(tǒng)維度應(yīng)用場景：智能建筑
3. 城市化+宏觀/子系統(tǒng)維度應(yīng)用場景：智能家居
3. 全球化數(shù)字孿生應(yīng)用場景舉例
1.
全球化+宏觀/體系維度應(yīng)用場景：面向產(chǎn)業(yè)集群的全球供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字
孿生政府、數(shù)字孿生戰(zhàn)場
2. 全球化+宏觀/系統(tǒng)維度應(yīng)用場景：單個產(chǎn)業(yè)的全球供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)
3. 典型案例分析：數(shù)字孿生制造場景案例分析
1. 數(shù)字孿生制造參考架構(gòu)
1. 現(xiàn)實物理域（底層）-
人員、設(shè)備、試驗、產(chǎn)品、材料、流程、環(huán)境、服務(wù)
2. 測量與控制實體域（測量控制域）-
測量感知（數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)標(biāo)識）、對象控制（設(shè)備控制
、設(shè)備執(zhí)行、設(shè)備標(biāo)識）
3. 制造物理域數(shù)字孿生組件-
人員、設(shè)備、試驗、產(chǎn)品、材料、流程、環(huán)境、服務(wù)
4. 數(shù)字孿生域-三大功能：建模管理、仿真服務(wù)、孿生共智
1. 建模管理：數(shù)字建模、模型展示、模型同步、運行管理
2. 仿真服務(wù)：模型仿真、分析服務(wù)、報告生成、平臺支持
3. 孿生共智：資源接口、資源互操作、安全訪問、在線插拔
5. 用戶域-人、人機接口、應(yīng)用軟件、共智孿生
6. 跨域功能實體-信息交換、數(shù)據(jù)保證、安全保障
1. 信息交換-數(shù)字孿生域之間的信息交換
2. 數(shù)據(jù)保證與安全保障-數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性和完整性
3. 安全保障-數(shù)字孿生系統(tǒng)安保相關(guān)的認證、授權(quán)、保密和完整性
7. 數(shù)字孿生制造的成熟度特征
2. 數(shù)字孿生制造的關(guān)鍵技術(shù)
1. 建模-CAD（計算機輔助設(shè)計）技術(shù)
2. 仿真-CAE（計算機輔助工程）技術(shù)、工藝仿真技術(shù)、工廠仿真技術(shù)
3. 工業(yè)控制技術(shù)
4. 輔助制造-CAM（計算機輔助制造）技術(shù)
5. 制造執(zhí)行-MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）技術(shù)
6. 產(chǎn)品全生命周期管理-PLM（產(chǎn)品全生命周期管理）技術(shù)
7. 企業(yè)資源管理-ERP（企業(yè)資源計劃）技術(shù)
3. 數(shù)字孿生制造的典型應(yīng)用場景
1. 研發(fā)設(shè)計
2. 生產(chǎn)制造
4. 數(shù)字孿生制造的典型應(yīng)用案例
1. ABB利用數(shù)字孿生設(shè)計物料堆放場
2. 數(shù)字孿生機床
3. 水泵運行的數(shù)字孿生
4. 超臨界二氧化碳循環(huán)的數(shù)字孿生
6. 數(shù)字孿生與通信網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用
1. 數(shù)字孿生對通信網(wǎng)絡(luò)的需求分析
1. 數(shù)字孿生對通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)要求-
帶寬、時延、連接數(shù)、可靠性、安全
2. 數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)平臺的集成-
數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、連接管理、數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用使能
3. 數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)處理能力-
計算能力（快速數(shù)據(jù)處理能力）、算法、數(shù)據(jù)存儲
4. 數(shù)字孿生對未來網(wǎng)絡(luò)的要求預(yù)期分析
2. 數(shù)字孿生對未來網(wǎng)絡(luò)的改變-
新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：定義數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字孿生與多種技術(shù)的融合
7. 通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生系統(tǒng)分層體系架構(gòu)的組成、功能及應(yīng)用
1. 通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生系統(tǒng)分層體系架構(gòu)的組成（自下而上）
1. 網(wǎng)絡(luò)層：物理網(wǎng)絡(luò)、虛擬化網(wǎng)絡(luò)
2. 數(shù)據(jù)采集層：傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集
3. 數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)存儲
4. 數(shù)字孿生建模層：AI引擎、機器學(xué)習(xí)、3D/4D圖形可視化
5. 應(yīng)用層：智能應(yīng)用
2. 通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生系統(tǒng)的功能及應(yīng)用
1. “0”運維
2. 可視化
3. 自由化
4. 自編排
5. 自演進
8. 數(shù)字孿生在網(wǎng)絡(luò)運維中的應(yīng)用
1. 數(shù)字孿生實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)預(yù)測與自動優(yōu)化
1. 總體工作流程：規(guī)劃-建設(shè)-優(yōu)化-監(jiān)控
2. 數(shù)字域事前試驗：實施方案迭代尋優(yōu)，保證物理網(wǎng)絡(luò)實施效果
3. 數(shù)據(jù)采集：網(wǎng)絡(luò)域-跨系統(tǒng)域-系統(tǒng)域-網(wǎng)元域-微模塊
4. 數(shù)據(jù)處理：規(guī)劃-試驗-執(zhí)行-預(yù)測
5. 數(shù)字孿生實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能策略服務(wù)（自動化操作）
1. 服務(wù)自編排
2. 硬件自啟閉
3. 故障自治愈
4. 參數(shù)自由化
2. 運用數(shù)字孿生體進行網(wǎng)絡(luò)預(yù)測性維護的方法、步驟及流程
1.
構(gòu)建數(shù)字孿生體：傳感器采集數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建待預(yù)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)字
孿生體模型
2. 獲取數(shù)據(jù)：通過外部傳感器采集數(shù)據(jù)，獲取數(shù)字孿生體模型中的參數(shù)
3. 數(shù)據(jù)預(yù)處理：對數(shù)字孿生體模型中的參數(shù)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理
4. 開發(fā)預(yù)測模型：構(gòu)建預(yù)測模型-
（1）將網(wǎng)絡(luò)故障組件的行為添加到待預(yù)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)字孿生體模型中；
（2）通過模擬網(wǎng)絡(luò)故障因素對待預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行檢測；（3）在仿真工
具軟件中使用快速重啟功能，以減少仿真時間，并輸出仿真結(jié)果，利用仿真
結(jié)果提取訓(xùn)練數(shù)據(jù)用于機器學(xué)習(xí)。）
5.
部署算法：對需預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行評估，得出網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障風(fēng)險，提供網(wǎng)絡(luò)
預(yù)測性維護措施
9. 課程總結(jié)：
（1）重點知識回顧與總結(jié)；
（2）互動與討論：問與答。
就學(xué)員提出的問題進行分析、討論、模擬演練和點評。

講師介紹

李文耀：副教授，碩士生導(dǎo)師，全國優(yōu)秀教師。1991年畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，國內(nèi)通
信行業(yè)精通各種通信網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)專家、技術(shù)專家，全國通信行業(yè)資深講師，高級
網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師、高級咨詢師，工業(yè)信息化部通信行業(yè)職業(yè)技能鑒定中心考評員，中國NB-
IoT產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟專家組成員，武漢郵電科學(xué)研究院·烽火科技集團高級培訓(xùn)師，《中國光電》
雜志、中國光電網(wǎng)（www.optochina.
net）編委會成員，《通信世界》雜志特邀撰稿人，被評為2011-
2012年度通信產(chǎn)業(yè)先鋒技術(shù)人物，2012年全國通信行業(yè)“金牌培訓(xùn)講師”。
長期從事電信運營商的通信技術(shù)咨詢、交流與培訓(xùn)，研究生、本?？粕?、通信企業(yè)員
工培訓(xùn)、用戶培訓(xùn)和援外培訓(xùn)的教學(xué)與科研工作；多次參與工業(yè)信息化部通信行業(yè)職業(yè)
技能鑒定中心有關(guān)通信行業(yè)職工通信技術(shù)技能鑒定工作；多次參與國內(nèi)外主要設(shè)備制造
商、中國電信、中國移動與中國聯(lián)通三大電信運營商、通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計單位、通信
網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)與維護單位、廣電與電力行業(yè)通信部門等的通信新技術(shù)交流、咨詢與培訓(xùn)
工作。在5G、NB-
IoT、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、智慧城市、智慧社區(qū)、智能小區(qū)、智能家居
、互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域有一定的造詣和工程建設(shè)實踐經(jīng)驗。
誠實做人，學(xué)識淵博、知識結(jié)構(gòu)全面、親和力強、在業(yè)界有一定影響。既有雄厚而扎
實的理論基礎(chǔ)、精湛而熟練的技術(shù)、又有豐富的理論及實踐教學(xué)經(jīng)驗和技巧、做過項目
課題、產(chǎn)品研發(fā)、還參加過通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與設(shè)計、通信工程建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)運維及新業(yè)務(wù)
開發(fā)等工作。
在長期的教學(xué)與培訓(xùn)實踐中形成了獨具特色、自成體系的教學(xué)風(fēng)格和教學(xué)方法，最大
特點在于以人文的思想與方法進行教學(xué)，生動活潑，富于激情與感染力；教學(xué)針對性強
，知識全面、思路清晰、邏輯嚴密、結(jié)合豐富的案例進行教學(xué)，深入淺出、詼諧幽默；
通過互動教學(xué)，解決學(xué)員在實際工作中遇到的各種問題，讓學(xué)員在短時間內(nèi)取得較大收
獲。學(xué)員上萬人，遍及國內(nèi)外通信行業(yè)，廣電與電力行業(yè)，學(xué)員對教學(xué)效果評估，滿意
率均達90%以上。
曾主持并參與部級科研課題5項，省級科研項目10項，與他人合著技術(shù)參考書2部，在
國內(nèi)外刊物上發(fā)表論文20多篇，多次獲獎。

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