一种数字孪生的设计架构和概念建模方法

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31118

飞行器数字孪生技术专刊

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一种数字孪生的设计架构和概念建模方法

李尚宇¹, 冯杭¹^,², 陈俊全¹, 陈彬³, 梅丹¹()

^1.海军工程大学电磁能技术全国重点实验室，武汉 430033
^2.海军工程大学基础部，武汉 430033
^3.海军工程大学舰船综合试验训练基地，武汉 430033

收稿日期:2024-08-30 修回日期:2024-10-17 接受日期:2024-11-21 出版日期:2024-12-05 发布日期:2024-11-29
通讯作者: 梅丹 E-mail:may1380@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(51977216)

A design architecture and conceptual modeling approach for digital twins

Shangyu LI¹, Hang FENG¹^,², Junquan CHEN¹, Bin CHEN³, Dan MEI¹()

^1.National Key Laboratory of Electromagnetic Energy，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China
^2.Department of Basic Courses，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China
^3.Ship Comprehensive Test and Training Base，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Received:2024-08-30 Revised:2024-10-17 Accepted:2024-11-21 Online:2024-12-05 Published:2024-11-29
Contact: Dan MEI E-mail:may1380@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51977216)

摘要/Abstract

摘要：

随着工业4.0与智能制造的兴起，数字孪生技术日益得到重视并快速发展。以构建复杂系统的数字孪生为研究目的，提出了一种数字孪生的设计结构和一种数字孪生的概念建模方法。提出的数字孪生设计架构基于数字孪生的三维模型，详细描述了目标实物、数据和模型之间的双向映射关系以及数字孪生模型的演化过程。在对象过程方法的基础上，拓展了对象与过程的性质，构建了数字孪生的最小通用本体。以飞行器电推进系统为例，构建了该系统的概念模型并详细描述了该系统的组成、行为、性能等，取得了良好的效果。

关键词: 数字孪生设计架构, 基于模型的系统工程, 对象过程方法, 概念建模, 电推进系统

Abstract:

Amid the emergence of Industry 4.0 and intelligent manufacturing， significant attention has been garnered， and swift advancement has been undergone by the technology of digital twin. A design framework for digital twins， along with a conceptual modeling approach tailored to this technology， is presented. The proposed digital twin design architecture is anchored in the 3D model， and a comprehensive elaboration is offered of the bidirectional mapping relationship between the target object， pertinent data， and the model， as well as the evolutionary trajectory of the digital twin. Leveraging the object-process methodology， the attributes of objects and processes are extended， and ultimately the minimal general ontology for digital twins is formulated. To illustrate the approach， the UAV electric propulsion system is employed as a case study. Through this lens， a conceptual model of the system is established， and an in-depth account is provided of its composition， behavior， and performance. Promising outcomes are obtained.

Key words: digital twin design architecture, model-based systems engineering, object process method, conceptual modeling, electric propulsion system

中图分类号:

李尚宇, 冯杭, 陈俊全, 陈彬, 梅丹. 一种数字孪生的设计架构和概念建模方法[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 531118.

Shangyu LI, Hang FENG, Junquan CHEN, Bin CHEN, Dan MEI. A design architecture and conceptual modeling approach for digital twins[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(19): 531118.

图/表 11

图 1

图 2

图 3

图 4

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图 6

图 7

图 8

表1

表2

表3

参考文献 26

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

序号	模式	过程	用时/s	总平均电功率/kW	本过程耗电量/kWh	累计耗电量/kWh	电池放电深度/%
1	A	1	43 200.00	3.438	41.260	41.260	1.481
2	B	2	50.00	3.438	0.048	41.308	1.483
3	B	3	60.00	5.333	0.089	41.397	1.486
4	C	4	7.50	470.733	0.981	42.377	1.521
5	C	5	5.00	502.800	0.698	43.076	1.546
6	C	6	8.75	501.667	1.219	44.295	1.590
7	D	7	32.00	510.433	4.537	48.832	1.753
8	E	8	110.00	362.333	11.071	59.903	2.150
9	D	9	27.50	270.367	2.065	61.969	2.224
10	C	10	15.00	461.433	1.923	63.891	2.294
11	C	11	120.00	507.433	16.914	80.806	2.901
12	C	6	8.75	501.667	1.219	82.025	2.944
13	D	7	32.00	510.433	4.537	86.562	3.107
14	E	8	25.00	362.333	2.516	89.079	3.198
15	D	9	27.50	270.367	2.065	91.144	3.272
16	C	10	15.00	461.433	1.923	93.067	3.341
17	C	11	120.00	507.433	16.914	109.981	3.948
18	C	12	7.5.00	457.667	0.953	110.934	3.982
19	C	13	7.5.00	457.667	0.953	111.888	4.016
20	F	14	45.00	1.833	0.023	111.911	4.017
21	F	15	50.00	3.438	0.048	111.959	4.019

序号	模式	过程	用时/s	总平均电功率/kW	本过程耗电量/kWh	累计耗电量/kWh	电池放电深度/%
1	C	4	7.50	470.733	0.981	0.981	0.035
2	C	5	5.00	502.800	0.698	1.679	0.060
3	C	6	8.75	501.667	1.219	2.898	0.104
4	D	7	32.00	510.433	4.537	7.436	0.267
5	E	8	140.00	362.333	14.091	21.526	0.773
6	D	9	27.50	270.367	2.065	23.592	0.847
7	C	10	15.00	461.433	1.923	25.514	0.916
8	C	18	7.50	457.667	0.953	26.468	0.950
9	C	19	7.50	457.667	0.953	27.421	0.984

序号	模式	过程	用时/s	总平均电功率/kW	本过程耗电量/kWh	累计耗电量/kWh	电池放电深度/%
1	C	4	7.50	1.833	0.023	0.023	0.001
2	C	5	5.00	3.438	0.048	0.071	0.003
3	C	6	8.75	3.438	27.220	27.291	0.980
4	D	7	32.00	3.438	0.048	27.339	0.981
5	E	8	140.00	5.333	0.089	27.427	0.985

一种数字孪生的设计架构和概念建模方法

A design architecture and conceptual modeling approach for digital twins

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