船用承压结构变形场混合数字孪生监测模型方法实现

[目的]旨在为实现船舶的全生命健康监测设计一种面向结构健康监测的混合数字孪生系统。可实时采集及反馈关键舱室结构的变形,从而提升航运的信息化和安全管理能力。[方法]首先,采用奇异值分解法对多组载荷形成的物理场信息进行数据压缩降维得到特定的标准正交基,创建基向量与载荷关系的响应面模型,输出基于实时输入载荷的有限元降阶模型。其次,采用基于地统计学的克里金插值算法,按照特定拓扑结构布点,将实时的传感器数据和降阶模型输出的补充点位数据经由卡尔曼滤波算法进行融合修正,共同计算监测对象的变形情况。最后,通过构建变形监测软硬件系统,实现监测物理特性的采集到可视化的全过程。[结果]该系统在预设的载荷下,硬件采集系统能够稳定进行数据采集,配套的应用程序能够按照预期的要求进行实时可视化采集。[结论]该结构健康混合数字孪生系统满足船舶的健康监测需求,对未来船舶的高度一体化、智能化发展具有一定的参考意义。

铁路智能客站数字孪生模型研究

铁路智能客站数字孪生模型是智能客站的重要组成部分,对于客运组织方案、设备配置及布局优化、安全应急等仿真具有重要意义。研究提出智能客站数字孪生五维模型,给出客站物理实体、客站数字孪生体、客站虚实连接、客站孪生数据、客站孪生体服务的内涵;设计客站孪生体服务的具体内容,包括可视化调度指挥、可视化监控运维等车站可视化服务,以及客运组织方案仿真、设备配置及布局优化模拟、安全应急仿真、环境舒适度调控仿真等模拟仿真服务;研究客站数字孪生体虚拟静模型与动行为模型建模关键技术。构建清河站数字孪生体并开展试验,验证可视化调度指挥、设备虚拟巡检、车站安全应急仿真等功能,实现清河站通过数字孪生体全面掌控车站状况。

基于数字孪生模型的数字化电网能耗自动监测系统研究

当前使用的数字化电网中,存在感知终端种类较多,对于传统的能耗自动监测系统来说获取的数据传输实时性不足,导致监测结果出现偏差,为此设计一种基于数字孪生模型的数字化电网能耗自动监测系统。系统主要从硬件和软件两方面进行设计:在硬件设计中,根据不同的应用层次,设计系统的总体架构。主要对硬件中的无线通信网络进行搭建,选择基于LoRa无线通信技术的RTU设备作为通信主体。设计LoRa无线开关电路,实现ZigBee设备之间的无线数据传输和交换;软件设计中,设计能耗数据采集主线程,分析数字孪生模型映射交互关系,基于数字孪生模型与实际运行工况之间的映射关系实现能耗指标实时监测。实验结果表明,与传统系统相比,设计得到的检测结果与实际的能耗情况更加相符。

建筑表皮综合环境数字孪生模型构建及模拟平台

建筑表皮是多物理环境交互的接口,当前的建筑性能模拟软件多为针对单一环境的模拟,多环境联合模拟的工具平台较少。基于建筑运动几何学,遴选动态表皮的可控运动形式,提取24类动态表皮设计原型,建立面向控制的建筑表皮综合环境数字孪生模型,并结合案例对数字孪生模型及模拟平台进行应用验证。使用Python语言将模型封装成动态表皮综合环境模拟平台,针对不同表皮设计形式和环境场景模拟,可以快速直观地分析动态表皮的环境响应关系和性能。模拟平台融合了热环境、光环境、声环境和空气品质这四个综合环境,解决了建筑性能模拟软件无法多环境联合模拟的问题,从而满足对建筑表皮的仿真、预测、优化和控制等实际应用需求。

复杂夹矸煤层三维孪生模型的构建与修正

【目的】复杂夹矸三维孪生煤层要实现对物理煤层的信息化描述,真实映射物理煤层的虚拟形态,构建模型是研究智能化采煤机高效截割的必要前提,同时也为实现“无人化”开采提供有效的数据保障。【方法】以山东兖矿能源集团股份有限公司17层工作面采样数据为基础,研究了融合更多煤层地质结构条件信息的方法。采用不规则颗粒建模技术,孪生硫化铁结核;优化煤岩层颗粒填充技术;建立自定义接触模型模拟煤岩颗粒表面的粗糙度。以所构建的煤层三维孪生初始静态模型为基础,完成煤层应用插件的编译,根据地质特征为煤岩颗粒及结构体添加新属性实现孪生模型结构的修正;开展采煤机截割实验验证孪生模型的可行性。【结果和结论】结果显示:(1)实现了硫化铁结核、断层、顶底板构造的添加,完成煤层工作面三维孪生初始静态模型构建。(2)获得了可实现修正替换颗粒集的动态复杂夹矸煤层三维孪生模型。(3)采煤机截割实验的开展验证了其物理性能与实际煤岩的接近程度,截割复杂夹矸煤层三维孪生模型过程滚筒受载与实际煤岩之间的误差更小。(4)该模型在煤岩截割双向耦合试验中投入应用后,其优化后的重构煤层工作面三维孪生模型真实地反映了工作面煤层的形态,具有修正替换颗粒集功能的动态复杂夹矸煤层三维孪生模型可更准确快速地表达真实工作面的各种地质结构信息,提升煤岩截割数据信息获取的有效性。

基于数字孪生技术的烤烟植物工厂种植模型构建与应用

为研究不同生长条件对烤烟生长状态的影响,对烤烟在植物工厂环境下的生长特点进行深入研究,并通过植物工厂环境调控技术实现对其生长过程的实时监测。基于烤烟生长环境的生理基础,构建烤烟数字孪生模型,在虚拟环境中模拟和预测真实环境中的种植过程。结果表明,烤烟数字孪生模型依托数字孪生技术,能够实时、精确地模拟烤烟生长状态,并根据反馈信息做出相应的分析、决策,从而对烤烟生长过程进行精准管理和优化,提高烤烟的产量和品质。

基于IPv6的对称动态数据流孪生计算模型

针对水电厂关联的软件封闭运行、无法融合新技术提升数据质量驱动应用计算指导水调工作以及智慧化程度低的问题,提出一种基于IPv6的对称动态数据流孪生计算模型。应用微服务化,规范应用微服务的接口与交互数据格式,利用IPv6的端到端安全路由,数据直接传输到应用微服务驱动计算,完成“汇水—蓄水—放水”一体化的孪生计算对模型进行验证。结果表明,调度场景的属性值变化立即驱动关联应用计算,保持实体与孪生体的数据镜像同步,实现实体和孪生体之间闭环反馈。该孪生计算模型可为智慧水电厂实践数字孪生理念和技术提供参考。

基于大坝施工的水下地形可视域拓扑特征与数字孪生模型

为实现更加顺利、安全的大坝施工,考虑在施工中应用可视化技术,设计一种基于大坝施工的水下地形海量数据数字孪生空间映射模型,实现三维地形的可视化.通过单波束测深仪测量大坝水下地形,完成大坝水下地形海量数据的采集.应用基于空间异性的数据三维插值建模方法对采集数据实施插值处理.考虑拓扑关系,构建大坝水下地形可视域拓扑特征表示模型,给出大坝水下地形可视域的分布描述.依据构建的DEM模型与水下地形可视域的分布描述,构建纹理空间与景物空间之间的映射关系和三维地形图与景物空间之间的映射关系,根据映射关系搭建数字孪生空间映射模型.测试结果表明,该模型的形变程度低于3%,初始加载仅花费了7910ms,细节加载中仅花费了1500ms左右,整体加载时间较短.

自动化装箱线数字孪生模型构建方法

为提高生产线的工作效率和质量,提出一种自动化装箱线数字孪生模型。按照物理装箱及其工艺流程、虚拟装箱线3维模型构建、孪生数据的顺序,对装箱线数字孪生所需要的具体模型,以及孪生数据采集位置和内容、对物理装箱线数据的采集与传输方式、数据向虚拟装箱线模型发送与解析等方式进行详细描述,并对数字孪生模型在实际装箱线中的应用成效进行总结分析。该方法能实现对实体装箱线生产过程的实时监控和检测,并根据检测结果对现有的装箱线进行修正与优化。

改进边折叠算法的数字孪生模型几何轻量化设计

目的基于经典的边折叠算法,提出一种提高数字孪生技术中虚实映射关系实时性与稳定性的数字孪生模型几何轻量化方法,解决数字孪生模型占用内存大的难题。方法首先分析缝袋机器人码垛流水线的数字孪生模型的数据结构;其次基于经典的边折叠算法,引入二次误差度量作为边折叠代价,设计控制折叠因子,并运用多细节层次技术改进边折叠算法;最后设计四组对比实验进行测试。结果简化后的顶点数量平均减少了50.14%;简化后的文件所占用的内存降低了79.08%;符合数字孪生模型的几何形状误差要求并且大大提高了场景动画的帧率。结论笔者所提出的数字孪生模型几何轻量化方法大大减少了模型的几何图元,降低了模型文件所占用的内存,有效地改善了在数字孪生技术中虚拟产品和物理产品之间一一映射关系的实时性与稳定性差的问题,提升了场景实时渲染效果,保持了模型的细节特征和视觉效果。

智能化时代课程资源共建探析——以智慧水务数字孪生模型课程资源开发为例

本文聚焦学校水务特色办学优势,以智慧水务数字孪生模型课程资源共建为抓手,促进产教融合,通过“行校企、专业、教科研”三个维度交叉融合,共建资源、共享成果,通过“机制、技术、模式”三个维度协同创新,探究智慧水务数字孪生模型开发技术路径,解决教学难题,通过“共建、共享、共用”,为教师专业能力提升赋能,为数字化背景下的水务人才培养赋能,为水务行业数字化转型赋能。

基于空间结构关系的电力设备三维数字孪生模型管理体系设计

本文介绍一种基于空间结构关系的电力设备三维数字孪生模型管理体系的设计,该管理体系为电力企业提供了全面性和整体性的管理方法。其核心在于对电力设备的空间结构及设备结构进行划分,包括空间、设备、子系统以及它们之间的布局和相互关系。这种划分有助于更好地管理三维数字孪生模型,为实体对象的定位、监测、运维仿真和预测分析等不同应用场景提供数据支持。此外,管理体系还包括定期的数据维护和更新,以确保模型与实体对象状态的一致性,提高实体对象管理的效率和可靠性。

浅谈数字孪生模型对水利基础工程设施的运行维护辅助

对数字孪生模型在水利基础设施运行维护中的辅助作用进行探究,该模型主要通过整合物理模型、传感器数据和历史运行数据,构建虚拟映射系统,实现对水利设施的全生命周期管理。以陕西省某水库为例,分析数字孪生模型在灌溉、水力发电、水库安全和防洪等方面的应用,展示该模型在提升运行效率、安全性、减少维护成本和降低运行风险方面的潜力。结果表明,数字孪生模型为技术人员提供决策支持,优化资源分配,提高水资源利用效率;但模型的建立和应用也面临挑战,包括数据采集与处理、模型构建等,但随着技术进步,这些问题有望得到解决。数字孪生模型在水利基础设施领域的应用,将推动水利设施信息化转型升级,为我国水利设施建设和管理提供有力支持。

基于数字孪生机床模型的加工路径优化研究

制造业个性化加工转型对数控机床加工控制提出了更高的要求,针对固定工况构建的数字孪生模型无法适应生产要求进行加工路径的调整问题,本研究提出了以改进的遗传模拟退火算法(IGASA算法)嵌入到数字孪生机床模型,根据实际加工需求,构建了走刀长度与换刀成本综合最小化的目标函数,并设定了数控加工运动干涉约束、重复走刀约束、基元加工顺序约束、刀具寿命约束四种约束,以IGASA算法进行目标求解,以获取到最优加工路径。同时,通过数字孪生机床模型实现对数控机床的虚拟映射,实时获取加工数据与数控机床运行数据,并根据数据变动,采用IGASA算法进行最优加工路径的自适应更新。验证表明,该方法可以重新进行加工路径的更新,案例中的加工路径长度缩小了141.56mm,表明该方法的有效性。

基于视觉增强检测的车间人员数字孪生模型快速构建方法

作为车间制造资源的基本组成单位,人员主观活动具有高度不确定性,数字孪生车间中人员位置和分布信息的获取一直是难点。从现实生产生活的迫切需求出发,构建了一种自适应车间人员识别网络,并基于人在回路思想对车间复杂环境的检测效果进行增强。实验证明,所提方法与已有的三阶段级联卷积神经网络相比,检测效率和准确率更高、自适应性更强,可以为数字孪生模型提供稳定准确的支撑。

面向复杂生产场景的数字孪生模型分布式渲染方法

针对生产线数字孪生场景模型数量庞大、逻辑关系复杂、运动模型状态多、动态信息量大,单机渲染方案难以满足逻辑计算与渲染输出的实时性要求,提出一种逻辑计算与实时渲染并行处理的分布式渲染方法。将场景数据分为逻辑数据和实时渲染数据,逻辑数据分布在控制端,渲染数据分布在渲染端,实现了多机并行渲染。以同步各渲染端动态模型的行为状态为切入点,设计了图形处理器多线程机制,实现了逻辑数据计算与运动实体同步判定计算;构建了包括车间状态数据、观察与投影矩阵等在内的同步数据包,结合主从同步数据传输与解析机制,实现了运动模型的快速精准同步。验证表明,在相同模型规模场景下,分布式渲染方法相比单机渲染可以将运行帧数由22.1提升至66.6,在不同模型规模下显著增加渲染帧数,明显提升渲染效果。

面向大规模场景的数字孪生模型快速渲染方法

对包含大规模场景的数字孪生系统而言,孪生模型的渲染效率对于孪生系统动态实时性和交互性具有重要影响。针对现有方案在视锥体剔除和渲染框架上的不足,提出一种基于并行计算框架的数字孪生模型视锥体细粒度剔除快速渲染新方法,将模型剖分为含相同数量三角面片的子模型,根据子模型几何坐标构建相应大小包围体,进行视锥体细粒度剔除,减少渲染流程中模型数据规模。同时,将渲染流程优化和CPU/GPU协同处理相结合,在GPU中构建并行计算框架,将原本CPU中进行的视锥体剔除和计算移植到GPU,进行视锥体剔除和操作的并行计算,进一步减少CPU计算负担。最后,以断路器数字孪生车间系统为例进行验证,结果表明,CPU、GPU渲染时间分别减少26.52%、25.51%,系统平均帧率提高28.35%,有效提升了数字孪生系统的运行效率和交互性能。

数字孪生模型在轴承套圈磨削加工中的应用

数字孪生模型能够有效地促进实际产品与产品模型间的虚实交互。针对调心滚子轴承套圈磨削过程中的磨削力,通过对磨削工作区各构件进行动力学与接触算法建模以及刚柔耦合处理,构建了轴承套圈沟道磨削加工数字孪生模型,完成了轴承套圈磨削工作区域在数字空间中的虚拟映射。并使用该模型对砂轮线速度、工件转速等工艺参数进行了分析与试验,证明了所构建数字孪生模型具有一定的有效性。该模型具有高保真性,可用于理解、预测和优化真实系统。

基于孪生模型的模块化多电平换流器保护

随着柔性直流输电技术的发展,模块化多电平换流器(MMC)由于其拓扑优势越来越受到关注。作为直流输电换流阀的主要元件,子模块与桥臂电抗器故障将对换流站安全稳定运行造成严重影响,现有差动保护均无法有效识别此类故障。文中提出了基于孪生模型的MMC保护原理,结合MMC的控制信息建立数字孪生模型,通过动态状态估计构建保护判据。所提保护方案能够准确检测MMC换流器故障,包括桥臂电抗器匝间短路故障、子模块开路故障及桥臂相间短路故障。根据保护动作类型提出两套保护判据。仿真结果表明,所提保护方案能够可靠地自适应辨识MMC区内故障,具有良好的速动性以及耐受过渡电阻能力。

数据—模型融合驱动的流程制造车间数字孪生系统研发

针对流程制造过程工序间耦合严重、过程建模困难、生产活动规划的联动性和智能化水平较低等问题,提出数据与模型融合驱动的、覆盖工艺流程全变量空间的车间多维数字孪生模型及其系统架构。融合车间生产全要素孪生模型与动态生产数据,建立了贯穿生产过程中不同工序的设备实体对象模型,从几何、物理、行为、规则等多个维度对耦合生产线实体对象特征进行刻画,实现了工艺设备静动态多维属性的数字化精准映射。在此基础上,搭建了包括物理产线、虚拟产线、信息服务等支撑多系统数据交互映射的车间数字孪生系统,研发了基于开放平台通信—统一架构(OPC UA)与Kepware的通信技术的静动态虚实映射和迭代运行机制,实现了从车间物理制造流程耦合向各孪生体参数间耦合的转换。最后,基于某流程制造企业制丝生产试验线开展应用验证,为解决流程工业耦合复杂而造成的协同交互与迭代运行难题提供了方法和实现途径。