《數字孿生技術及應用》課程大綱

《數字孿生技術及應用》課程大綱

培訓時間：3天/期，6小時/天


課程詳細大綱：

1. 數字孿生的概念、應用現狀與發(fā)展
1. 數字孿生的概念及技術特征
1. 數字孿生的概念詮釋
2. 數字孿生的技術特征
2. 數字孿生技術的研究進展、應用現狀與發(fā)展
1. 數字孿生發(fā)展經歷的階段
1. 技術準備期
2. 概念制造期
3. 預先應用期
2. 數字孿生技術的標準及研究進展
3. 數字孿生在不同行業(yè)的應用情況介紹
1. 數字孿生在工業(yè)領域的應用-CPS（信息物理系統(tǒng)）、智能制造
2. 數字孿生在建筑工程領域的應用-智能建筑
3. 數字孿生在教育領域的應用-智慧教育、智慧課堂
4. 數字孿生在智慧城市中的應用-城市大腦
5. 數字孿生與物聯網、工業(yè)互聯網集成服務千行百業(yè)
6. 數字孿生與大數據、人工智能融合服務于行業(yè)應用
7. 數字孿生與區(qū)塊鏈融合服務于行業(yè)應用
4. 數字孿生技術的未來發(fā)展及行業(yè)應用拓展展望
2. 數字孿生的系統(tǒng)組成、模型及系統(tǒng)架構詳解
1. 數字孿生的系統(tǒng)組成三要素
1. 物理空間的實體產品
2. 虛擬空間的虛擬產品
3. 物理空間和虛擬空間之間的數據和信息交互接口
2. 數字孿生的概念模型（基于數字孿生的定義）
1. 實體相關概念-
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. 實體所在域相關概念-現實物理域、測量控制域、數字孿生域、用戶域
3. 數字孿生相關概念-
數字孿生、數字孿生原型、數字孿生實例、數字孿生聚合、抽象實體、仿真
引擎（數字模型、視覺特征、視覺類型；測量數據、控制信息）、模型數據
融合引擎
4. 數字線程相關概念-數字線程
5. 數字孿生應用場景擴展相關概念-
實體相關概念：（1）實體目的：目的、需求、需求指標；（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. 數字孿生系統(tǒng)的通用參考架構（自底向上）-
5個層次：現實物理域、測量與控制實體域、數字孿生域、用戶域、跨域功能實體


1. 現實物理域（底層）-
可觀測的物理實體目標對象（測量數據流、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. 數字孿生域-三大功能：建模管理、仿真服務、孿生共智
1. 建模管理：數字建模、模型展示、模型同步、運行管理
2. 仿真服務：模型仿真、分析服務、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、應用軟件、共智孿生
5. 跨域功能實體-信息交換、數據保證、安全保障
1. 信息交換-數字孿生域之間的信息交換
2. 數據保證與安全保障-數字孿生系統(tǒng)數據的準確性和完整性
3. 安全保障-數字孿生系統(tǒng)安保相關的認證、授權、保密和完整性
4. 數字孿生應用場景的參考框架（基于數字孿生概念模型和參考架構）
1. 參考框架-三維空間：系統(tǒng)目的、系統(tǒng)層次/物質尺度、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-技術預研、系統(tǒng)研制、運行服務、退役回放
5. 數字孿生成熟度模型-
數字孿生實現物理世界鏡像、接受物理世界實時信息、實時驅動物理世界，進化為
物理世界先知、先覺、超體
1. 數化：物理世界的數字化建模（關鍵技術：建模/物聯網）
2. 互動：實時互傳數據和信息（關鍵技術：物聯網/數字線程）
3. 先知：基于明確機理的計算（關鍵技術：仿真/科學計算）
4. 先覺：基于不明確機理的推測（關鍵技術：大數據/機器學習）
5. 共智：多孿生體共享智慧（關鍵技術：云計算/區(qū)塊鏈）
3. 數字孿生的關鍵技術及應用
1. 數字孿生的三項核心技術
1. 數字孿生建模技術
2. 數字孿生仿真技術
3. 基于數據融合的數字線程（Digital Thread）技術
2. 數字孿生的頂層框架技術-
系統(tǒng)工程與MBSE技術（統(tǒng)領建模、仿真和數字線程技術）
3. 數字孿生的底層伴生技術-物聯網
4. 數字孿生的外圍使能技術
1. VR、AR及MR
2. 云計算、霧計算及邊緣計算
3. 大數據、人工智能（機器學習）
4. 區(qū)塊鏈
5. 數字孿生與人工智能的深度融合-
實現信息空間與物理空間實時交互與融合
6. 數字孿生與機器學習相結合-
根據多重反饋源數據進行自我學習（傳感器的反饋信息、歷史數據、云平臺
的數據學習），實時地在數字世界里呈現物理實體的真實狀況，推測和預演
即將發(fā)生的事件
4.
數字孿生行業(yè)應用的技術實現方案、工具軟件及案例分析（根據不同行業(yè)應用案例進行
分析）
1. 基于仿真軟件的數字孿生-
通用的工程技術仿真軟件（如：Snsys、Matlab、Fmi、Altair、 Modelica等）
1. Ansys數字孿生仿真軟件-提供twin builder工具，用于數字孿生仿真建模
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：水泵數字孿生案例：水泵設備數據-
工業(yè)互聯網IIoT平臺（Thingworx物聯網平臺）-Ansys的水泵仿真模型-
仿真結果返回Thingworx平臺-仿真優(yōu)化控制參數下發(fā)給水泵
2. Matlab數字孿生仿真軟件-
定義模型（數據驅動模型），提供Simulink多域建模工具創(chuàng)建物理模型，訓
練數字孿生模型
Matlab數字孿生與物聯網的集成應用：（1）使用Matlab進行故障分類，（2）使用S
imulink/Simscape數字孿生進行分析
案例分析：Matlab數字孿生對三缸泵的故障診斷
三缸泵的傳感器數據-微軟Azure云平臺（Kafka消息中間件服務）-
Matlab的故障分類算法模型-模型根據傳感器數據給出故障類型
應用場景案例：
（1）商用卡車：根據駕駛數據日志和數字孿生，驗證和調整ABS系統(tǒng)；
（2）航空：航空發(fā)動機運營數據輸入到數字孿生模型，制定維修計劃、提高可用性
、降低故障時間；
（3）空間技術：數字孿生上傳到衛(wèi)星，用于衛(wèi)星噴氣推進器發(fā)生故障降級時重新調
整控制方式；
（4）工業(yè)自動化：采集數據經常性更新數字孿生模型，在工廠未來最優(yōu)范圍內運行
時通知運營人員。
2. 面向行業(yè)應用的仿真類軟件-
如：西門子可視化生產仿真、安德里茲工廠仿真軟件、車聯網交通仿真軟件等
3. 基于知識圖譜的數字孿生-用于物聯網上下文環(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數字主線
5. 自動化金字塔數字孿生-
制造業(yè)基于自動化金字塔的、橫向縱向的、信息化集成的數字孿生
6. 基于公有云圖數據庫分析引擎的數字孿生-如：azure
aws智能空間圖、阿里云的數字孿生
7. 模型可視化數字孿生-可視化展示軟件-如Gis、BIM、Webgl等
8. 基于區(qū)塊鏈的數字孿生-如：bigchaindb等
9. 基于Chatbot聊天機器人的數字孿生-
如：羅克韋爾工廠設備的聊天機器人、微軟的healthbot，相當于醫(yī)生的數字孿生


5. 數字孿生的應用場景及案例分析
1. 基于系統(tǒng)生存周期維度的數字孿生應用場景舉例
1. 數字孿生的創(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/物質尺度2個維度的應用場景舉例
1. 工業(yè)化數字孿生應用場景舉例
1.
工業(yè)化+宏觀/體系維度應用場景：分布式制造、服務型制造、數字農業(yè)
2. 工業(yè)化+宏觀/系統(tǒng)維度應用場景：研發(fā)設計、智能車間/工廠
3. 工業(yè)化+宏觀/子系統(tǒng)維度應用場景：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. 城市化數字孿生應用場景舉例
1.
城市化+宏觀/體系維度應用場景：數字孿生城市、智慧交通、智慧醫(yī)療、
智能電網、智慧能源
2. 城市化+宏觀/系統(tǒng)維度應用場景：智能建筑
3. 城市化+宏觀/子系統(tǒng)維度應用場景：智能家居
3. 全球化數字孿生應用場景舉例
1.
全球化+宏觀/體系維度應用場景：面向產業(yè)集群的全球供應鏈網絡、數字
孿生政府、數字孿生戰(zhàn)場
2. 全球化+宏觀/系統(tǒng)維度應用場景：單個產業(yè)的全球供應鏈網絡
3. 典型案例分析：數字孿生制造場景案例分析
1. 數字孿生制造參考架構
1. 現實物理域（底層）-
人員、設備、試驗、產品、材料、流程、環(huán)境、服務
2. 測量與控制實體域（測量控制域）-
測量感知（數據收集、數據預處理、數據標識）、對象控制（設備控制
、設備執(zhí)行、設備標識）
3. 制造物理域數字孿生組件-
人員、設備、試驗、產品、材料、流程、環(huán)境、服務
4. 數字孿生域-三大功能：建模管理、仿真服務、孿生共智
1. 建模管理：數字建模、模型展示、模型同步、運行管理
2. 仿真服務：模型仿真、分析服務、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、應用軟件、共智孿生
6. 跨域功能實體-信息交換、數據保證、安全保障
1. 信息交換-數字孿生域之間的信息交換
2. 數據保證與安全保障-數字孿生系統(tǒng)數據的準確性和完整性
3. 安全保障-數字孿生系統(tǒng)安保相關的認證、授權、保密和完整性
7. 數字孿生制造的成熟度特征
2. 數字孿生制造的關鍵技術
1. 建模-CAD（計算機輔助設計）技術
2. 仿真-CAE（計算機輔助工程）技術、工藝仿真技術、工廠仿真技術
3. 工業(yè)控制技術
4. 輔助制造-CAM（計算機輔助制造）技術
5. 制造執(zhí)行-MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）技術
6. 產品全生命周期管理-PLM（產品全生命周期管理）技術
7. 企業(yè)資源管理-ERP（企業(yè)資源計劃）技術
3. 數字孿生制造的典型應用場景
1. 研發(fā)設計
2. 生產制造
4. 數字孿生制造的典型應用案例
1. ABB利用數字孿生設計物料堆放場
2. 數字孿生機床
3. 水泵運行的數字孿生
4. 超臨界二氧化碳循環(huán)的數字孿生
6. 數字孿生與通信網絡的融合應用
1. 數字孿生對通信網絡的需求分析
1. 數字孿生對通信網絡的網絡性能指標要求-
帶寬、時延、連接數、可靠性、安全
2. 數字孿生與物聯網平臺的集成-
數據采集、設備管理、連接管理、數據分析、應用使能
3. 數字孿生的數據處理能力-
計算能力（快速數據處理能力）、算法、數據存儲
4. 數字孿生對未來網絡的要求預期分析
2. 數字孿生對未來網絡的改變-
新的網絡架構：定義數字孿生網絡、數字孿生與多種技術的融合
7. 通信網絡數字孿生系統(tǒng)分層體系架構的組成、功能及應用
1. 通信網絡數字孿生系統(tǒng)分層體系架構的組成（自下而上）
1. 網絡層：物理網絡、虛擬化網絡
2. 數據采集層：傳感器網絡、數據采集
3. 數據層：數據庫與數據存儲
4. 數字孿生建模層：AI引擎、機器學習、3D/4D圖形可視化
5. 應用層：智能應用
2. 通信網絡數字孿生系統(tǒng)的功能及應用
1. “0”運維
2. 可視化
3. 自由化
4. 自編排
5. 自演進
8. 數字孿生在網絡運維中的應用
1. 數字孿生實現網絡狀態(tài)預測與自動優(yōu)化
1. 總體工作流程：規(guī)劃-建設-優(yōu)化-監(jiān)控
2. 數字域事前試驗：實施方案迭代尋優(yōu)，保證物理網絡實施效果
3. 數據采集：網絡域-跨系統(tǒng)域-系統(tǒng)域-網元域-微模塊
4. 數據處理：規(guī)劃-試驗-執(zhí)行-預測
5. 數字孿生實現網絡智能策略服務（自動化操作）
1. 服務自編排
2. 硬件自啟閉
3. 故障自治愈
4. 參數自由化
2. 運用數字孿生體進行網絡預測性維護的方法、步驟及流程
1.
構建數字孿生體：傳感器采集數據，通過網絡模型構建待預測網絡設備的數字
孿生體模型
2. 獲取數據：通過外部傳感器采集數據，獲取數字孿生體模型中的參數
3. 數據預處理：對數字孿生體模型中的參數數據進行預處理
4. 開發(fā)預測模型：構建預測模型-
（1）將網絡故障組件的行為添加到待預測網絡設備的數字孿生體模型中；
（2）通過模擬網絡故障因素對待預測的網絡設備進行檢測；（3）在仿真工
具軟件中使用快速重啟功能，以減少仿真時間，并輸出仿真結果，利用仿真
結果提取訓練數據用于機器學習。）
5.
部署算法：對需預測的網絡設備進行評估，得出網絡設備故障風險，提供網絡
預測性維護措施
9. 課程總結：
（1）重點知識回顧與總結；
（2）互動與討論：問與答。
就學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，碩士生導師，全國優(yōu)秀教師。1991年畢業(yè)于北京郵電大學，國內通
信行業(yè)精通各種通信網絡與技術的網絡專家、技術專家，全國通信行業(yè)資深講師，高級
網絡架構師、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產業(yè)聯盟專家組成員，武漢郵電科學研究院·烽火科技集團高級培訓師，《中國光電》
雜志、中國光電網（www.optochina.
net）編委會成員，《通信世界》雜志特邀撰稿人，被評為2011-
2012年度通信產業(yè)先鋒技術人物，2012年全國通信行業(yè)“金牌培訓講師”。
長期從事電信運營商的通信技術咨詢、交流與培訓，研究生、本專科生、通信企業(yè)員
工培訓、用戶培訓和援外培訓的教學與科研工作；多次參與工業(yè)信息化部通信行業(yè)職業(yè)
技能鑒定中心有關通信行業(yè)職工通信技術技能鑒定工作；多次參與國內外主要設備制造
商、中國電信、中國移動與中國聯通三大電信運營商、通信網絡規(guī)劃與設計單位、通信
網絡工程建設與維護單位、廣電與電力行業(yè)通信部門等的通信新技術交流、咨詢與培訓
工作。在5G、NB-
IoT、物聯網、云計算、大數據、人工智能、智慧城市、智慧社區(qū)、智能小區(qū)、智能家居
、互聯網、移動互聯網等領域有一定的造詣和工程建設實踐經驗。
誠實做人，學識淵博、知識結構全面、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、精湛而熟練的技術、又有豐富的理論及實踐教學經驗和技巧、做過項目
課題、產品研發(fā)、還參加過通信網絡的規(guī)劃與設計、通信工程建設、網絡運維及新業(yè)務
開發(fā)等工作。
在長期的教學與培訓實踐中形成了獨具特色、自成體系的教學風格和教學方法，最大
特點在于以人文的思想與方法進行教學，生動活潑，富于激情與感染力；教學針對性強
，知識全面、思路清晰、邏輯嚴密、結合豐富的案例進行教學，深入淺出、詼諧幽默；
通過互動教學，解決學員在實際工作中遇到的各種問題，讓學員在短時間內取得較大收
獲。學員上萬人，遍及國內外通信行業(yè)，廣電與電力行業(yè)，學員對教學效果評估，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，與他人合著技術參考書2部，在
國內外刊物上發(fā)表論文20多篇，多次獲獎。

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