安世亞太：數(shù)字孿生解決方案，基于ANSYS和FLOWNEX等諸多強大的仿真軟件

    1、 需求背景

    數(shù)字孿生體的突破在于，它不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界的實時信息，更要反過來實時驅動物理世界，進而進化為物理世界的先知、先覺甚至超體。因此首先要強調(diào)互動，沒有實時互動，數(shù)字世界和物理世界之間就是偽孿生。其次，我們認為數(shù)字孿生體是仿真應用新巔峰，因為在數(shù)字孿生體成熟度進化的每個階段，仿真都扮演著不可或缺的角色。此外“共智”作為數(shù)字孿生體的理想態(tài)應用，更不止于工業(yè)。我們在對工業(yè)、產(chǎn)業(yè)、民生、軍事等四個最重要的關鍵領域做實例化論述的過程中發(fā)現(xiàn)了以下幾個主要的需求：

    1)   工業(yè)領域的數(shù)字孿生需求。工業(yè)智能化轉型，需要通過數(shù)字化手段實現(xiàn)效率提升和人工成本的大幅下降，通過工廠仿真實現(xiàn)產(chǎn)品的快速生產(chǎn)和交付。

    2)   民生領域的數(shù)字孿生需求。表現(xiàn)在公共安全、交通、公共管理、信息服務等方面，例如數(shù)字孿生帶來的災害預警、智慧交通、數(shù)字城市和健康管理等技術。

    3)    產(chǎn)業(yè)領域的數(shù)字孿生需求。如為礦業(yè)、運輸業(yè)等產(chǎn)業(yè)提供合理的資源使用方式，減少產(chǎn)業(yè)運行中存在的潛在風險。

    4)    軍事領域的數(shù)字孿生需求。數(shù)字戰(zhàn)場與國家安全息息相關，借由戰(zhàn)場環(huán)境仿真、戰(zhàn)場通信仿真等數(shù)字孿生系統(tǒng)，未來的軍事設施研發(fā)流程將由“設計-建造-測試”變?yōu)椤敖��?分析-建造”。

    2、解決方案

    我們?yōu)椴煌�的�?shù)字孿生需求都提供了配套的解決方案。一個典型的數(shù)字孿生系統(tǒng)包括用戶域、數(shù)字孿生域、測試與控制實體、現(xiàn)實物理域和跨域功能實體共五個層次。

    該架構作為安世亞太開發(fā)數(shù)字孿生體的基礎架構，具有很好的拓展性，即便在不同領域下，都具有其指導意義，只要根據(jù)該框架適當?shù)膶嵗�化展開，即可完成系統(tǒng)構建。

    1)   數(shù)字孿生體不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實時信息，更要反過來實時驅動物理世界，而且進化為物理世界的先知、先覺甚至超體。這個演變過程稱為成熟度進化，即一個數(shù)字孿生體的生長發(fā)育將經(jīng)歷數(shù)化、互動、先知、先覺和共智等幾個過程。

    由上表可知，在每一個進化過程中，都有其實例化特征。對于數(shù)字孿生技術來說，其核心是仿真，基礎是建模，物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字線程為數(shù)字孿生體提供了實用價值，而基于大數(shù)據(jù)的人工智能則是一種新的仿真范式。

    2)   安世亞太基于ANSYS和FLOWNEX等諸多強大的仿真軟件，可以為客戶提供針對不同領域的多種關鍵技術支持。其特定核心技術涵括：

    數(shù)字孿生制造：CAD、CAE、工藝仿真、工廠仿真、工業(yè)控制等。

    數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)：創(chuàng)成式設計、增材制造等。

    數(shù)字孿生城市：測繪技術、3D-GIS、CIM、城市仿真、人臉識別等。

    數(shù)字孿生戰(zhàn)場：毀傷與損傷評估、體系仿真、軍用數(shù)據(jù)鏈、戰(zhàn)場感知等。

    Flownex包含大量流體、電子、機械及工業(yè)控制組件，可與thingworx物聯(lián)平臺結合，生成數(shù)字孿生解決方案，可滿足一般工業(yè)產(chǎn)業(yè)領域的相關數(shù)字孿生需求。

    基于Ansys的三維建模及仿真，其功能更加精細且全面，可應對流體、電磁、溫度場、機械、通信等多種不同性質(zhì)的仿真對象，并配合降階技術，可在保證精度的情況下，實現(xiàn)三維仿真的高速化。三維模型可以單獨作為孿生體出現(xiàn)，也可以協(xié)同其它三維模型或一維模型共同建立數(shù)字孿生體。

    借由數(shù)據(jù)驅動的三維實時渲染、三維圖形交互以及可視化分析技術，可以將被孿生實體的運行狀態(tài)在數(shù)字世界中進行模擬和重現(xiàn)，如設備運行模擬、機器加工協(xié)同工作模擬、生產(chǎn)流程優(yōu)化、產(chǎn)品流轉模擬、人員配置調(diào)整、原料物流模擬、生產(chǎn)運維問題預測等應用場景。

    利用建模仿真工具高靈活度、低使用門檻的應用屬性，實現(xiàn)車間、生產(chǎn)線柔性布局、生產(chǎn)問題早預測。

    3、案例應用

    空調(diào)系統(tǒng)數(shù)字孿生案例

    1)   系統(tǒng)分析

    中央空調(diào)系統(tǒng)是辦公樓里的耗電大戶，使用數(shù)字孿生技術對中央空調(diào)系統(tǒng)進行研究與仿真，將在節(jié)能環(huán)保方面為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

    此建筑安裝有多聯(lián)機中央空調(diào)系統(tǒng)，室外機統(tǒng)一布置在大樓頂層，每臺室外主機通過配管連接并驅動單層一半的室內(nèi)機。室外側采用風冷換熱形式室內(nèi)側采用制冷劑蒸發(fā)換熱的形式。

空調(diào)內(nèi)外機示意圖

    2)  建模

    在空調(diào)系統(tǒng)數(shù)字孿生體的建立過程中，安世亞太的工程師們使用CAE仿真軟件建立了三個物理系統(tǒng)的孿生體，這三個物理系統(tǒng)分別是物理制冷循環(huán)系統(tǒng)孿生體、物理通風管路系統(tǒng)孿生體和物理室內(nèi)通風系統(tǒng)孿生體。這三個物理系統(tǒng)孿生體之間的構成和關系如圖：

空調(diào)系統(tǒng)分解為三個字系統(tǒng)，并分別建模

空調(diào)系統(tǒng)分解為三個字系統(tǒng)，并分別建�？照{(diào)系統(tǒng)分解為三個字系統(tǒng)，并分別建�？照{(diào)系統(tǒng)分解為三個字系統(tǒng)，并分別建模

    3)  降階&仿真運算

    由于三維仿真計算量大，計算速度慢，無法滿足數(shù)字孿生在反應速度方面的需求，所以在實時性方面需要使用降階方法，提高三維仿真的計算速度，運算過程如圖：

    4)  空調(diào)系統(tǒng)數(shù)字孿生演示界面

    仿真計算結果可通過程序的API或者經(jīng)由OPC服務器傳出，這些經(jīng)過仿真計算的數(shù)據(jù)添加了邏輯處理之后，可以形成一個物理系統(tǒng)和孿生系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳遞的閉環(huán)，實現(xiàn)以孿生體的計算作為驅動，對物理系統(tǒng)的控制。