深入浅出数字孪生

本书基于工业4.0背景，阐述了数字孪生作为一种科学范式，为物理对象/系统及其数字对应体提供了非凡的优势和灵活性。本书结合数字孪生在各行业的应用来阐述其基本知识和运行方式。本书首先介绍了数字孪生的基本定义、相关概念、发展历程、构成要素、工作原理、类型、特性、解决方案架构等内容；其次介绍了数字孪生的优势、挑战、研究与应用；然后介绍了数字孪生在医疗、建筑、石油和天然气、制药等行业以及智慧城市、结构健康检测、组织产品开发和制造等方面的应用；最后对数字孪生的未来进行了展望。

玛尼莎·沃赫拉（Manisha Vohra）拥有电子和电信工程博士学位，是一名独立研究员。她在包括IEEE Xplore在内的国际期刊上发表了多篇论文。她还出版了多本书籍，撰写了两本书，主编了六本书。

前言<br />本书贡献者<br />第1章　数字孪生概述　1<br />1.1　数字孪生简介　1<br />1.2　数字孪生的基本定义　4<br />1.3　数字孪生的相关术语　5<br />1.4　数字孪生的发展历程　5<br />1.5　数字孪生的三个应用案例　7<br />1.5.1　特斯拉汽车的数字孪生应用　7<br />1.5.2　通用电气可再生能源的数字孪生应用　7<br />1.5.3　迪士尼乐园的数字孪生应用　7<br />1.6　本章小结　8<br />第2章　数字孪生详解　9<br />2.1　数字孪生的构成要素　9<br />2.1.1　从空间角度看数字孪生的构成要素　9<br />2.1.2　从对象角度看数字孪生的构成要素　10<br />2.1.3　从运行角度看数字孪生的构成要素　11<br />2.2　数字孪生的工作原理　11<br />2.3　数字孪生的类型　12<br />2.3.1　零部件孪生　12<br />2.3.2　产品孪生　12<br />2.3.3　系统孪生　12<br />2.3.4　过程孪生　13<br />2.4　数字孪生的特征　13<br />2.5　数字孪生的特性　14<br />2.5.1　与原型对象的外观保持一致　15<br />2.5.2　包含原型对象的各种细节　15<br />2.5.3　与原型对象的行为保持一致　15<br />2.5.4　链接　15<br />2.5.5　实时性　15<br />2.5.6　多技术融合　16<br />2.5.7　同质化　16<br />2.5.8　预测将要发生的问题　16<br />2.5.9　有助于产品的生命周期管理　16<br />2.5.10　生成数字轨迹　16<br />2.6　数字孪生的价值　17<br />2.7　本章小结　17<br />第3章　数字孪生解决方案架构　19<br />3.1　引言　19<br />3.2　前人的研究工作　20<br />3.3　需求分析　22<br />3.4　解决方案架构需要考虑的因素　23<br />3.5　理解实体物理对象　23<br />3.6　数字孪生视图建模需要考虑的因素　26<br />3.7　数字孪生与物联网　26<br />3.8　数字孪生解决方案架构分层视图　28<br />3.8.1　数字孪生解决方案架构构想　28<br />3.8.2　信息基础设施平台和物联网服务　28<br />3.8.3　数字孪生数据和过程模型　29<br />3.8.4　数字孪生服务　30<br />3.8.5　数字孪生应用程序　31<br />3.8.6　贯穿数字孪生的数据流示例　32<br />3.8.7　异常情况下的数据流示例　33<br />3.8.8　贯穿整个数字孪生应用的数据流示例　34<br />3.8.9　数字孪生架构的开发选择　35<br />3.9　数据存储的内容、示例与类型　35<br />3.10　信息传递　36<br />3.11　应用程序接口　37<br />3.12　用户体验　38<br />3.13　网络安全　38<br />3.14　数字孪生服务及其应用场景示例　39<br />3.15　本章小结　39<br />第4章　数字孪生的优势、挑战、研究与应用概述　41<br />4.1　数字孪生的优势　41<br />4.1.1　监控现实物体、产品或过程　42<br />4.1.2　预防现实物体、产品或过程中的问题　42<br />4.1.3　主动进行预测性维护　43<br />4.1.4　快速制作物理原型　43<br />4.1.5　有效管理设备和设施等目标物体　43<br />4.1.6　减少浪费　43<br />4.1.7　减少制造对象的总成本　44<br />4.1.8　提升安全生产水平　44<br />4.1.9　跟踪与绩效相关的数据　45<br />4.1.10　缩短产品的上市时间　45<br />4.1.11　加速行业发展　45<br />4.1.12　应用于产品的全生命周期管理　45<br />4.1.13　决定未来的工作方向　46<br />4.2　数字孪生面临的挑战　46<br />4.2.1　谨慎处理数字孪生中包含的不同要素　46<br />4.2.2　数据采集和传输可能失真和延时　46<br />4.2.3　创建和使用数字孪生需要足够的专业知识　47<br />4.2.4　数据安全与隐私　47<br />4.3　关于数字孪生应用的研究　47<br />4.4　数字孪生应用概述　51<br />4.4.1　航空航天　53<br />4.4.2　机械行业　53<br />4.4.3　建筑物及其配套系统　53<br />4.4.4　制造业　53<br />4.4.5　医疗行业　53<br />4.4.6　汽车行业　53<br />4.4.7　城市规划和建设　53<br />4.4.8　智慧城市　54<br />4.4.9　工业应用　54<br />4.5　本章小结　54<br />第5章　数字孪生在医疗行业中的应用　55<br />5.1　医疗行业概述　55<br />5.2　数字孪生在医疗行业中的应用场景　56<br />5.2.1　数字孪生在医院工作流程管理方面的应用　57<br />5.2.2　数字孪生在医疗设施方面的应用　58<br />5.2.3　数字孪生在医疗产品制造方面的应用　58<br />5.2.4　数字孪生在个性化治疗方面的应用　59<br />5.2.5　数字孪生在药物输送方面的应用　59<br />5.2.6　用数字孪生应对心血管疾病　59<br />5.2.7　用数字孪生应对多发性硬化症　60<br />5.2.8　用数字孪生进行手术预先规划　60<br />5.2.9　用数字孪生进行新型冠状病毒的筛查与诊断　61<br />5.2.10　基于体域网的生物信号和生理参数的分析　63<br />5.3　数字孪生在医疗行业面临的挑战　65<br />5.3.1　对知识培训的需求　65<br />5.3.2　成本因素　65<br />5.3.3　信任因素　65<br />5.4　数字孪生在医疗行业的未来展望　66<br />5.5　本章小结　67<br />第6章　数字孪生在建筑行业中的应用　69<br />6.1　建筑行业概述　69<br />6.2　数字孪生在建筑行业中的应用场景　70<br />6.3　数字孪生在建筑行业全生命周期管理中的应用　71<br />6.4　数字孪生在建筑行业人员安全方面的应用　74<br />6.5　本章小结　74<br />第7章　数字孪生在智慧城市中的应用　76<br />7.1　数字孪生在智慧城市中的作用　76<br />7.2　数字孪生在智慧城市中的应用场景　78<br />7.2.1　交通管理　78<br />7.2.2　建筑工程　78<br />7.2.3　建筑物安全监测　79<br />7.2.4　医疗部门　80<br />7.2.5　排水系统　81<br />7.2.6　电网　82<br />7.3　本章小结　82<br />第8章　数字孪生在结构健康监测中的应用　83<br />8.1　结构健康监测系统简介　84<br />8.1.1　结构健康监测系统的重要性和必要性　84<br />8.1.2　结构健康监测系统的实施策略　85<br />8.2　传感器、数字孪生和结构健康监测系统　86<br />8.3　本章小结　91<br />第9章　数字孪生在石油和天然气行业中的应用　92<br />9.1　数字孪生在石油和天然气行业中的作用　92<br />9.2　数字孪生在石油和天然气行业中的应用场景　93<br />9.2.1　钻井过程规划　93<br />9.2.2　油田绩效监控　94<br />9.2.3　油田生产的数据分析和模拟　94<br />9.2.4　保障现场人员的安全　94<br />9.2.5　预测性维护　94<br />9.3　数字孪生在石油和天然气行业中的优势　94<br />9.3.1　提升生产效率　95<br />9.3.2　有效执行预防性维护　95<br />9.3.3　开发新应用场景　95<br />9.3.4　监控过程　95<br />9.3.5　确保合规　95<br />9.3.6　节省成本　95<br />9.3.7　保障工作场所安全　96<br />9.4　本章小结　96<br />第10章　数字孪生在制药行业中的应用　97<br />10.1　制药行业面临的问题和对数字孪生的相关研究　97<br />10.2　数字孪生在制药行业中的作用　99<br />10.3　数字孪生在制药行业中的应用场景　100<br />10.3.1　药品制造过程中的数字孪生　100<br />10.3.2　药品供应链的数字孪生　100<br />10.4　数字孪生在制药行业中的应用实例　101<br />10.4.1　支持与医学专家进行交流的数字孪生模拟器　101<br />10.4.2　用于医疗产品的数字孪生　101<br />10.4.3　制药公司的数字孪生技术　101<br />10.5　数字孪生在制药行业中的优势　102<br />10.5.1　减少浪费和降低成本　102<br />10.5.2　加快产品上市速度　102<br />10.5.3　流程管理顺畅　102<br />10.5.4　远程监控　103<br />10.5.5　打破规则　103<br />10.6　本章小结　103<br />第11章　数字孪生在组织产品开发和制造中的应用　104<br />11.1　组织与组织中的数字孪生　104<br />11.2　组织关于产品开发和制造的数字孪生相关研究　105<br />11.3　数字孪生在组织产品开发和制造中的应用场景　108<br />11.4　数字孪生给组织产品开发和制造带来的影响　110<br />11.5　数字孪生在组织产品开发和制造中的优势　111<br />11.5.1　有助于合理决策　111<br />11.5.2　能够避免停机　111<br />11.5.3　有助于产品开发和制造效率最大化　111<br />11.5.4　有助于节能降本　112<br />11.6　本章小结　112<br />第12章　数字孪生在其他行业中的应用综述　113<br />12.1　引言　113<br />12.2　数字孪生在农业中的应用　115<br />12.3　数字孪生在教育行业中的应用　115<br />12.4　数字孪生在制造业中的应用　115<br />12.5　数字孪生在航空领域中的应用　117<br />12.5.1　结合数字孪生的航空工程　117<br />12.5.2　航空零部件数字孪生系统的概念　118<br />12.5.3　数字孪生在航空领域的重要性　118<br />12.6　数字孪生在汽车行业中的应用　119<br />12.6.1　汽车零部件的数字孪生　119<br />12.6.2　汽车整车的数字孪生　119<br />12.6.3　数字孪生促进汽车安全性能提升　119<br />12.7　数字孪生在供应链中的应用　120<br />12.8　数字孪生在信息安全中的应用　121<br />12.9　数字孪生在天气预报和气象学中的应用　122<br />12.10　本章小结　122<br />第13章　数字孪生的未来展望　123<br />13.1　引言　123<br />13.2　数字孪生是一项战略性技术　124<br />13.3　数字孪生的重要意义　126<br />13.4　数字孪生与智能制造　126<br />13.5　数字孪生与元宇宙　128<br />13.6　从数字孪生到数字线程　128<br />13.7　数字孪生的未来挑战　129<br />13.8　本章小结　129<br />参考文献　130