數字孿生技術與實踐

陳曉紅，中國工程院院士，我國管理科學與工程、工程管理及數據智能領域的著名專家，中共黨員。現任湖南工商大學黨委書記，中南大學商學院名譽院長，教授、博士生導師，“數字經濟時代的資源環境管理理論與應用”國家基礎科學中心主任，湘江實驗室主任，國家一級重點學科“管理科學與工程”、國家自然科學基金委創新研究群體。作為第一完成人獲國家科技進步二等獎、教育部人文社會科學優秀成果一等獎、國家教學成果二等獎等國家級和省部級科研、教學獎勵17項。連續多年入選“全球高被引科學家”和“全球前2%**科學家”，2022年入選“中國高貢獻學者”（榜單第12位）。截至2022年5月，發表高水平學術論文400余篇，其中ESI前1%高被引論文60余篇，H-Index指數78，出版專著23部，獲國家發明專利授權31項、軟件著作權22項。

目錄

上篇： 原理技術篇

第1章數字孿生概念及發展

1.1數字孿生的起源和概念定義

1.1.1數字孿生的起源

1.1.2數字孿生的概念詳解

1.2數字孿生的關鍵特征

1.2.1實時性： 數據的實時更新與反饋

1.2.2互動性： 與物理實體的動態交互

1.2.3精確性： 高精度仿真

1.2.4可擴展性： 模型與系統的可適應性

1.2.5模塊性： 系統組件的獨立與協作

1.2.6互操作性： 不同系統間的協同工作能力

1.3數字孿生的發展歷程

1.3.1初始階段和關鍵發展

1.3.2各國的政策和技術發展

1.3.3企業在數字孿生推動中的作用

第2章數字孿生體系架構

2.1數字孿生平臺設計

2.1.1數字孿生平臺設計理念

2.1.2數字孿生平臺設計方法

2.2數字孿生系統架構

2.2.1概念與體系架構設計

2.2.2參考功能架構

2.2.3參考技術架構

2.2.4參考接口定義

2.3數字孿生平臺功能設計

2.3.1場景構建工具

2.3.2自動拓撲工具

2.3.3模型資產管理

2.3.4三維可視化能力

2.3.5運行規則管理

2.4數字孿生系統設計實現

2.4.1設備孿生場景

2.4.2空間孿生場景

2.4.3人員孿生場景

第3章數字孿生相關技術

3.1虛擬現實技術詳細介紹

3.1.1虛擬現實定義

3.1.2虛擬現實技術發展歷史

3.1.3虛擬現實技術分類

3.1.4虛擬現實技術特征

3.1.5虛擬現實關鍵技術

3.1.6虛擬現實技術應用

3.1.7虛擬現實技術挑戰

3.2人工智能與機器學習技術

3.2.1機器學習的概念

3.2.2機器學習的原理

3.2.3機器學習的分類

3.2.4機器學習關鍵算法

3.3大數據挖掘技術

3.3.1數據挖掘的一般過程

3.3.2數據挖掘的對象

3.3.3數據挖掘的任務

3.3.4數據挖掘的方法

3.3.5數據挖掘工具與平臺

3.3.6大數據挖掘與分布式學習

3.4區塊鏈技術

3.4.1區塊鏈定義

3.4.2區塊鏈的發展歷史

3.4.3區塊鏈分類

3.4.4區塊鏈關鍵技術

3.4.5區塊鏈架構

3.4.6區塊鏈應用場景

第4章面向智能制造的數字孿生

4.1數字孿生與智能制造

4.1.1新一輪智能制造浪潮的興起

4.1.2數字孿生產生背景

4.1.3智能制造與數字孿生

4.2面向智能制造的數字孿生生態

4.2.1智能制造與智能工廠

4.2.2基於數字孿生的智能制造

4.2.3制造數字孿生生態

4.3生產制造情境下的數字孿生方法

4.3.1制造體系中與數字孿生相關的關鍵概念

4.3.2面向制造的數字孿生實踐環

4.3.3基於數字孿生實踐環構建數字孿生工廠

4.3.4工廠不同階段的數字孿生構建重點

4.4規劃階段的數字孿生

4.4.1一種基於數字孿生的規劃框架

4.4.2基於IIoT和仿真的數字孿生方法設計

4.5生產控制階段的數字孿生

4.5.1面向智能制造的生產控制數字孿生構成討論

4.5.2設計基於IoT和機器學習的數字孿生方法

4.5.3生產控制數字孿生的組成要素分析

4.6流程再造階段的數字孿生

4.6.1生產流程再造的數字孿生方法

4.6.2基於數字孿生改進的VSM方法

第5章面向智慧城市的數字孿生

5.1智慧城市與數字孿生城市

5.1.1智慧城市的定義

5.1.2數字孿生城市的內涵及特征

5.2數字孿生城市架構及生態

5.2.1數字孿生城市的整體架構

5.2.2數字孿生城市生態體系

5.3面向智慧城市的數字孿生技術體系

5.3.1GIS、BIM、IoT、CIM、大數據、AI、區塊鏈、5G等技術

5.3.2數字孿生城市的技術體系架構

5.4智慧城市數字孿生建設路徑

5.4.1智慧城市的頂層設計體系

5.4.2數字孿生城市的建設路徑

5.5典型案例

5.5.1國內智慧城市案例分析

5.5.2國外智慧城市案例分析

第6章面向智慧能源的數字孿生

6.1智能電網中數字孿生的定義及發展

6.2智能電網數字孿生架構

6.3數字孿生在智能電網中的作用

6.3.1智能調度與優化

6.3.2新能源接入與並網運行

6.3.3電網安全與穩定

6.3.4電力設備預測性維護與故障診斷

6.3.5微電網與能源互聯網發展支持

6.3.6智能電表與用電信息管理

6.3.7電力系統規劃與優化

6.4數字孿生在電力行業的應用典型案例

6.4.1新能源發電預測

6.4.2輸變電設備狀態評估和故障診斷

6.5數字孿生在電力行業存在的問題及發展展望

6.5.1數字孿生在能源互聯網綜合評價中的應用難點

6.5.2展望與發展

第7章數字孿生的挑戰與趨勢

7.1數字孿生技術面臨的主要挑戰

7.1.1數據采集與集成的挑戰

7.1.2建模與仿真的復雜性

7.1.3計算能力與存儲容量需求

7.1.4安全性和隱私保護

7.2數字孿生技術的發展趨勢

7.2.15G/6G和邊緣計算推動

7.2.2人工智能與機器學習的融合

7.2.3數字孿生與物聯網的融合

7.2.4數字孿生與元宇宙的融合

7.2.5開源生態系統的建立與發展

7.3數字孿生技術在各行業的應用前景

7.3.1制造業

7.3.2能源與公用事業

7.3.3醫療與健康

7.3.4智能城市

7.3.5其他新興領域

下篇： 應用實踐篇

第8章數字孿生軟件介紹

8.1數字孿生軟件概述

8.1.1數字孿生軟件的重要性

8.1.2數字孿生軟件的工作流程

8.1.3常見數字孿生軟件簡介

8.1.4數字孿生軟件的國產化發展

8.2Tecnomatix軟件介紹

8.2.1Tecnomatix的優勢

8.2.2Process Designer組件介紹

8.2.3Process Simulate組件介紹

8.2.4Tecnomatix主要功能

8.3FlexSim軟件介紹

8.3.1FlexSim的優勢

8.3.2FlexSim主要功能

8.4Miot.VC軟件介紹

8.4.1Miot.VC的優勢

8.4.2Miot.VC主要功能

第9章實驗案例

9.1實驗案例一工廠物料運輸場景仿真

9.1.1案例需求分析

9.1.2案例操作流程

9.1.3案例完成界面演示

9.2實驗案例二機器人與機床交互加工仿真

9.2.1案例需求分析

9.2.2案例操作流程

9.2.3案例完成界面演示

參考文獻