本書基于工業(yè)4.0背景，闡述了數(shù)字孿生作為一種科學(xué)范式，為物理對象/系統(tǒng)及其數(shù)字對應(yīng)體提供了非凡的優(yōu)勢和靈活性。本書結(jié)合數(shù)字孿生在各行業(yè)的應(yīng)用來闡述其基本知識和運行方式。本書首先介紹了數(shù)字孿生的基本定義、相關(guān)概念、發(fā)展歷程、構(gòu)成要素、工作原理、類型、特性、解決方案架構(gòu)等內(nèi)容；其次介紹了數(shù)字孿生的優(yōu)勢、挑戰(zhàn)、研究與應(yīng)用；然后介紹了數(shù)字孿生在醫(yī)療、建筑、石油和天然氣、制藥等行業(yè)以及智慧城市、結(jié)構(gòu)健康檢測、組織產(chǎn)品開發(fā)和制造等方面的應(yīng)用；最后對數(shù)字孿生的未來進(jìn)行了展望。
數(shù)字孿生以其強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢有效地推動著醫(yī)療、汽車、建筑等行業(yè)的發(fā)展。盡管數(shù)字孿生已經(jīng)在眾多行業(yè)中得到了應(yīng)用，但它對各行業(yè)的潛在價值尚未得到充分挖掘。因此，深入理解數(shù)字孿生技術(shù)，有助于推動它在不同行業(yè)的應(yīng)用，進(jìn)而促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。當(dāng)數(shù)字孿生技術(shù)被恰當(dāng)?shù)剡\用于制藥、汽車等關(guān)鍵行業(yè)時，它不僅能帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，還能引發(fā)行業(yè)變革。因此，本書旨在成為人們深入學(xué)習(xí)數(shù)字孿生技術(shù)的有用資源。簡而言之，本書通過探討數(shù)字孿生在各行業(yè)的應(yīng)用來闡釋其核心內(nèi)容和運行機(jī)制。
數(shù)字孿生以其強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢有效地推動著醫(yī)療、汽車、建筑等行業(yè)的發(fā)展。盡管數(shù)字孿生已經(jīng)在眾多行業(yè)中得到了應(yīng)用，但它對各行業(yè)的潛在價值尚未得到充分挖掘。因此，深入理解數(shù)字孿生技術(shù)，有助于推動它在不同行業(yè)的應(yīng)用，進(jìn)而促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。當(dāng)數(shù)字孿生技術(shù)被恰當(dāng)?shù)剡\用于制藥、汽車等關(guān)鍵行業(yè)時，它不僅能帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，還能引發(fā)行業(yè)變革。因此，本書旨在成為人們深入學(xué)習(xí)數(shù)字孿生技術(shù)的有用資源。簡而言之，本書通過探討數(shù)字孿生在各行業(yè)的應(yīng)用來闡釋其核心內(nèi)容和運行機(jī)制。以下是每章內(nèi)容的簡要描述。第1章：近年來，數(shù)字孿生逐漸成為公眾關(guān)注的熱點。盡管這項強(qiáng)大的技術(shù)近幾年才開始引起廣泛關(guān)注，但其起源可追溯至20世紀(jì)60年代。數(shù)字孿生為各行業(yè)創(chuàng)造了新的可能性，其成效已在多個行業(yè)得到了驗證。本章介紹了數(shù)字孿生的基本知識，包括數(shù)字孿生的基本定義、相關(guān)術(shù)語，并回顧了數(shù)字孿生的發(fā)展歷程，最后介紹了三個應(yīng)用案例。第2章：目前，計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用已滲透到社會的方方面面。在眾多現(xiàn)有計算機(jī)技術(shù)以及將要誕生的新技術(shù)中，數(shù)字孿生正在迅速崛起，備受矚目。本章深入探討了數(shù)字孿生的構(gòu)成要素、工作原理、類型、特征、特性，以及價值等。第3章：數(shù)字孿生能夠?qū)崟r模擬物理對象的狀態(tài)和行為。本章聚焦數(shù)字孿生的解決方案架構(gòu)，以及如何設(shè)計數(shù)字孿生來實現(xiàn)常規(guī)應(yīng)用。本章首先從物理對象如何通過物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）與數(shù)字孿生連接開始，展示了數(shù)字孿生解決方案架構(gòu)的分層視圖，接著從數(shù)據(jù)存儲、信息傳遞、應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）、用戶體驗和網(wǎng)絡(luò)安全等多個視角進(jìn)行闡述。對于數(shù)字孿生解決方案架構(gòu)中的一些關(guān)鍵概念，則通過離散制造領(lǐng)域的示例加以說明。第4章：當(dāng)下，數(shù)字技術(shù)的作用在商業(yè)、醫(yī)療、教育、航空航天、建筑、汽車等多個領(lǐng)域日益突出。本章首先討論了數(shù)字孿生的技術(shù)優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，然后介紹了各行業(yè)關(guān)于數(shù)字孿生的一些研究成果，并概述了數(shù)字孿生在各行業(yè)的應(yīng)用。第5章：醫(yī)療行業(yè)是關(guān)系國計民生的重要領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)已在該行業(yè)展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。本章對醫(yī)療行業(yè)進(jìn)行了概述，結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)查法說明了數(shù)字孿生在醫(yī)療行業(yè)中的各種應(yīng)用場景，探討了數(shù)字孿生在醫(yī)療行業(yè)中的作用、挑戰(zhàn)，并對數(shù)字孿生在醫(yī)療行業(yè)的未來發(fā)展進(jìn)行了展望，同時簡要討論和介紹了現(xiàn)實生活中數(shù)字孿生在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用實例。第6章：建筑行業(yè)是一個廣義的領(lǐng)域，涵蓋了建筑物的建造、維護(hù)、翻新以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。本章討論了數(shù)字孿生技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用場景，并從多個視角闡述了數(shù)字孿生技術(shù)是如何作為一項顛覆性技術(shù)來改變建筑行業(yè)的。第7章：數(shù)字孿生正在迅速地融入眾多應(yīng)用場景之中，并快速發(fā)展。它的基本目標(biāo)是簡化流程，提升效率，并帶來盡可能多的優(yōu)勢等。本章討論了數(shù)字孿生在智慧城市中的應(yīng)用，展示了數(shù)字孿生如何以多種方式助力智慧城市的發(fā)展，并討論了這些方式的優(yōu)勢。第8章：在工業(yè)4.0背景下，數(shù)字孿生作為一種科學(xué)方法，為物理對象、系統(tǒng)及其數(shù)字化映射提供了較大的優(yōu)越性和靈活性。本章嘗試解釋了數(shù)字孿生在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)（Structural Health Monitoring System，SHMS）中的適用性，討論了數(shù)字孿生方法在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用，為基礎(chǔ)設(shè)施（如大壩、橋梁等）的損傷識別及其健康監(jiān)測提供了有用的預(yù)測方法。第9章：數(shù)字孿生為運營決策提供了高水平的仿真技術(shù)，這得到了仿真和自動化專家的青睞。然而，要發(fā)揮數(shù)字孿生的全部潛力，那么就應(yīng)關(guān)注與評估諸如其可用性、可維護(hù)性、可持續(xù)性、有效性等關(guān)鍵問題。本章通過文獻(xiàn)調(diào)查法討論了數(shù)字孿生技術(shù)在石油和天然氣行業(yè)中的作用、應(yīng)用場景與優(yōu)勢。第10章：制藥行業(yè)是與醫(yī)療行業(yè)最緊密相關(guān)的行業(yè)之一，數(shù)字孿生技術(shù)在制藥行業(yè)也得到了廣泛應(yīng)用。本章以實例闡述了數(shù)字孿生在制藥行業(yè)中的作用與應(yīng)用場景，還討論了數(shù)字孿生在制藥行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢。第11章：數(shù)字孿生廣泛用于組織產(chǎn)品開發(fā)和制造過程中。本章討論并分析了數(shù)字孿生在產(chǎn)品開發(fā)和制造過程中的應(yīng)用及其意義。由于數(shù)字孿生技術(shù)是物理產(chǎn)品或過程的數(shù)字化呈現(xiàn)，它簡化了產(chǎn)品開發(fā)和制造的決策流程，使其能夠在充滿競爭的組織環(huán)境中降低成本和實現(xiàn)產(chǎn)品效益最大化。作為一種數(shù)字化呈現(xiàn)，數(shù)字孿生能夠提供關(guān)于產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的全面信息，從而使企業(yè)獲得重要的洞見，做出最佳決策。第12章：在這個快速變化的世界中，技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用對各行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。數(shù)字孿生作為一種能夠滿足不同行業(yè)要求的先進(jìn)技術(shù)，正在為各行業(yè)帶來變革。本章闡述了數(shù)字孿生在其他眾多行業(yè)（除第5～11章介紹的幾個重點行業(yè)之外）中的應(yīng)用潛力。第13章：本章闡述了數(shù)字孿生作為一項戰(zhàn)略性技術(shù)及其重要意義，另外還探討了數(shù)字孿生與智能制造、元宇宙和數(shù)字線程的關(guān)系，最后討論了數(shù)字孿生的未來挑戰(zhàn)。
瑪尼莎·沃赫拉（Manisha Vohra）擁有電子和電信工程博士學(xué)位，是一名獨立研究員。她在包括IEEE Xplore在內(nèi)的國際期刊上發(fā)表了多篇論文。她還出版了多本書籍，撰寫了兩本書，主編了六本書。
前言本書貢獻(xiàn)者第1章 數(shù)字孿生概述 11.1 數(shù)字孿生簡介 11.2 數(shù)字孿生的基本定義 41.3 數(shù)字孿生的相關(guān)術(shù)語 51.4 數(shù)字孿生的發(fā)展歷程 51.5 數(shù)字孿生的三個應(yīng)用案例 71.5.1 特斯拉汽車的數(shù)字孿生應(yīng)用 71.5.2 通用電氣可再生能源的數(shù)字孿生應(yīng)用 71.5.3 迪士尼樂園的數(shù)字孿生應(yīng)用 71.6 本章小結(jié) 8第2章 數(shù)字孿生詳解 92.1 數(shù)字孿生的構(gòu)成要素 92.1.1 從空間角度看數(shù)字孿生的構(gòu)成要素 92.1.2 從對象角度看數(shù)字孿生的構(gòu)成要素 102.1.3 從運行角度看數(shù)字孿生的構(gòu)成要素 112.2 數(shù)字孿生的工作原理 112.3 數(shù)字孿生的類型 122.3.1 零部件孿生 122.3.2 產(chǎn)品孿生 122.3.3 系統(tǒng)孿生 122.3.4 過程孿生 132.4 數(shù)字孿生的特征 132.5 數(shù)字孿生的特性 142.5.1 與原型對象的外觀保持一致 152.5.2 包含原型對象的各種細(xì)節(jié) 152.5.3 與原型對象的行為保持一致 152.5.4 鏈接 152.5.5 實時性 152.5.6 多技術(shù)融合 162.5.7 同質(zhì)化 162.5.8 預(yù)測將要發(fā)生的問題 162.5.9 有助于產(chǎn)品的生命周期管理 162.5.10 生成數(shù)字軌跡 162.6 數(shù)字孿生的價值 172.7 本章小結(jié) 17第3章 數(shù)字孿生解決方案架構(gòu) 193.1 引言 193.2 前人的研究工作 203.3 需求分析 223.4 解決方案架構(gòu)需要考慮的因素 233.5 理解實體物理對象 233.6 數(shù)字孿生視圖建模需要考慮的因素 263.7 數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng) 263.8 數(shù)字孿生解決方案架構(gòu)分層視圖 283.8.1 數(shù)字孿生解決方案架構(gòu)構(gòu)想 283.8.2 信息基礎(chǔ)設(shè)施平臺和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù) 283.8.3 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)和過程模型 293.8.4 數(shù)字孿生服務(wù) 303.8.5 數(shù)字孿生應(yīng)用程序 313.8.6 貫穿數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)流示例 323.8.7 異常情況下的數(shù)據(jù)流示例 333.8.8 貫穿整個數(shù)字孿生應(yīng)用的數(shù)據(jù)流示例 343.8.9 數(shù)字孿生架構(gòu)的開發(fā)選擇 353.9 數(shù)據(jù)存儲的內(nèi)容、示例與類型 353.10 信息傳遞 363.11 應(yīng)用程序接口 373.12 用戶體驗 383.13 網(wǎng)絡(luò)安全 383.14 數(shù)字孿生服務(wù)及其應(yīng)用場景示例 393.15 本章小結(jié) 39第4章 數(shù)字孿生的優(yōu)勢、挑戰(zhàn)、研究與應(yīng)用概述 414.1 數(shù)字孿生的優(yōu)勢 414.1.1 監(jiān)控現(xiàn)實物體、產(chǎn)品或過程 424.1.2 預(yù)防現(xiàn)實物體、產(chǎn)品或過程中的問題 424.1.3 主動進(jìn)行預(yù)測性維護(hù) 434.1.4 快速制作物理原型 434.1.5 有效管理設(shè)備和設(shè)施等目標(biāo)物體 434.1.6 減少浪費 434.1.7 減少制造對象的總成本 444.1.8 提升安全生產(chǎn)水平 444.1.9 跟蹤與績效相關(guān)的數(shù)據(jù) 454.1.10 縮短產(chǎn)品的上市時間 454.1.11 加速行業(yè)發(fā)展 454.1.12 應(yīng)用于產(chǎn)品的全生命周期管理 454.1.13 決定未來的工作方向 464.2 數(shù)字孿生面臨的挑戰(zhàn) 464.2.1 謹(jǐn)慎處理數(shù)字孿生中包含的不同要素 464.2.2 數(shù)據(jù)采集和傳輸可能失真和延時 464.2.3 創(chuàng)建和使用數(shù)字孿生需要足夠的專業(yè)知識 474.2.4 數(shù)據(jù)安全與隱私 474.3 關(guān)于數(shù)字孿生應(yīng)用的研究 474.4 數(shù)字孿生應(yīng)用概述 514.4.1 航空航天 534.4.2 機(jī)械行業(yè) 534.4.3 建筑物及其配套系統(tǒng) 534.4.4 制造業(yè) 534.4.5 醫(yī)療行業(yè) 534.4.6 汽車行業(yè) 534.4.7 城市規(guī)劃和建設(shè) 534.4.8 智慧城市 544.4.9 工業(yè)應(yīng)用 544.5 本章小結(jié) 54第5章 數(shù)字孿生在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用 555.1 醫(yī)療行業(yè)概述 555.2 數(shù)字孿生在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用場景 565.2.1 數(shù)字孿生在醫(yī)院工作流程管理方面的應(yīng)用 575.2.2 數(shù)字孿生在醫(yī)療設(shè)施方面的應(yīng)用 585.2.3 數(shù)字孿生在醫(yī)療產(chǎn)品制造方面的應(yīng)用 585.2.4 數(shù)字孿生在個性化治療方面的應(yīng)用 595.2.5 數(shù)字孿生在藥物輸送方面的應(yīng)用 595.2.6 用數(shù)字孿生應(yīng)對心血管疾病 595.2.7 用數(shù)字孿生應(yīng)對多發(fā)性硬化癥 605.2.8 用數(shù)字孿生進(jìn)行手術(shù)預(yù)先規(guī)劃 605.2.9 用數(shù)字孿生進(jìn)行新型冠狀病毒的篩查與診斷 615.2.10 基于體域網(wǎng)的生物信號和生理參數(shù)的分析 635.3 數(shù)字孿生在醫(yī)療行業(yè)面臨的挑戰(zhàn) 655.3.1 對知識培訓(xùn)的需求 655.3.2 成本因素 655.3.3 信任因素 655.4 數(shù)字孿生在醫(yī)療行業(yè)的未來展望 665.5 本章小結(jié) 67第6章 數(shù)字孿生在建筑行業(yè)中的應(yīng)用 696.1 建筑行業(yè)概述 696.2 數(shù)字孿生在建筑行業(yè)中的應(yīng)用場景 706.3 數(shù)字孿生在建筑行業(yè)全生命周期管理中的應(yīng)用 716.4 數(shù)字孿生在建筑行業(yè)人員安全方面的應(yīng)用 746.5 本章小結(jié) 74第7章 數(shù)字孿生在智慧城市中的應(yīng)用 767.1 數(shù)字孿生在智慧城市中的作用 767.2 數(shù)字孿生在智慧城市中的應(yīng)用場景 787.2.1 交通管理 787.2.2 建筑工程 787.2.3 建筑物安全監(jiān)測 797.2.4 醫(yī)療部門 807.2.5 排水系統(tǒng) 817.2.6 電網(wǎng) 827.3 本章小結(jié) 82第8章 數(shù)字孿生在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用 838.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)簡介 848.1.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要性和必要性 848.1.2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的實施策略 858.2 傳感器、數(shù)字孿生和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng) 868.3 本章小結(jié) 91第9章 數(shù)字孿生在石油和天然氣行業(yè)中的應(yīng)用 929.1 數(shù)字孿生在石油和天然氣行業(yè)中的作用 929.2 數(shù)字孿生在石油和天然氣行業(yè)中的應(yīng)用場景 939.2.1 鉆井過程規(guī)劃 939.2.2 油田績效監(jiān)控 949.2.3 油田生產(chǎn)的數(shù)據(jù)分析和模擬 949.2.4 保障現(xiàn)場人員的安全 949.2.5 預(yù)測性維護(hù) 949.3 數(shù)字孿生在石油和天然氣行業(yè)中的優(yōu)勢 949.3.1 提升生產(chǎn)效率 959.3.2 有效執(zhí)行預(yù)防性維護(hù) 959.3.3 開發(fā)新應(yīng)用場景 959.3.4 監(jiān)控過程 959.3.5 確保合規(guī) 959.3.6 節(jié)省成本 959.3.7 保障工作場所安全 969.4 本章小結(jié) 96第10章 數(shù)字孿生在制藥行業(yè)中的應(yīng)用 9710.1 制藥行業(yè)面臨的問題和對數(shù)字孿生的相關(guān)研究 9710.2 數(shù)字孿生在制藥行業(yè)中的作用 9910.3 數(shù)字孿生在制藥行業(yè)中的應(yīng)用場景 10010.3.1 藥品制造過程中的數(shù)字孿生 10010.3.2 藥品供應(yīng)鏈的數(shù)字孿生 10010.4 數(shù)字孿生在制藥行業(yè)中的應(yīng)用實例 10110.4.1 支持與醫(yī)學(xué)專家進(jìn)行交流的數(shù)字孿生模擬器 10110.4.2 用于醫(yī)療產(chǎn)品的數(shù)字孿生 10110.4.3 制藥公司的數(shù)字孿生技術(shù) 10110.5 數(shù)字孿生在制藥行業(yè)中的優(yōu)勢 10210.5.1 減少浪費和降低成本 10210.5.2 加快產(chǎn)品上市速度 10210.5.3 流程管理順暢 10210.5.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控 10310.5.5 打破規(guī)則 10310.6 本章小結(jié) 103第11章 數(shù)字孿生在組織產(chǎn)品開發(fā)和制造中的應(yīng)用 10411.1 組織與組織中的數(shù)字孿生 10411.2 組織關(guān)于產(chǎn)品開發(fā)和制造的數(shù)字孿生相關(guān)研究 10511.3 數(shù)字孿生在組織產(chǎn)品開發(fā)和制造中的應(yīng)用場景 10811.4 數(shù)字孿生給組織產(chǎn)品開發(fā)和制造帶來的影響 11011.5 數(shù)字孿生在組織產(chǎn)品開發(fā)和制造中的優(yōu)勢 11111.5.1 有助于合理決策 11111.5.2 能夠避免停機(jī) 11111.5.3 有助于產(chǎn)品開發(fā)和制造效率最大化 11111.5.4 有助于節(jié)能降本 11211.6 本章小結(jié) 112第12章 數(shù)字孿生在其他行業(yè)中的應(yīng)用綜述 11312.1 引言 11312.2 數(shù)字孿生在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 11512.3 數(shù)字孿生在教育行業(yè)中的應(yīng)用 11512.4 數(shù)字孿生在制造業(yè)中的應(yīng)用 11512.5 數(shù)字孿生在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用 11712.5.1 結(jié)合數(shù)字孿生的航空工程 11712.5.2 航空零部件數(shù)字孿生系統(tǒng)的概念 11812.5.3 數(shù)字孿生在航空領(lǐng)域的重要性 11812.6 數(shù)字孿生在汽車行業(yè)中的應(yīng)用 11912.6.1 汽車零部件的數(shù)字孿生 11912.6.2 汽車整車的數(shù)字孿生 11912.6.3 數(shù)字孿生促進(jìn)汽車安全性能提升 11912.7 數(shù)字孿生在供應(yīng)鏈中的應(yīng)用 12012.8 數(shù)字孿生在信息安全中的應(yīng)用 12112.9 數(shù)字孿生在天氣預(yù)報和氣象學(xué)中的應(yīng)用 12212.10 本章小結(jié) 122第13章 數(shù)字孿生的未來展望 12313.1 引言 12313.2 數(shù)字孿生是一項戰(zhàn)略性技術(shù) 12413.3 數(shù)字孿生的重要意義 12613.4 數(shù)字孿生與智能制造 12613.5 數(shù)字孿生與元宇宙 12813.6 從數(shù)字孿生到數(shù)字線程 12813.7 數(shù)字孿生的未來挑戰(zhàn) 12913.8 本章小結(jié) 129參考文獻(xiàn) 130
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