本书系统阐述了数字孪生技术的基础理论和应用方法，以生产数字孪生为重点，在章节内容设置上重点体现了数字孪生的几大特点，即以虚仿实、以虚映实、以虚控实、以虚优实。本书内容包括绪论、数字孪生技术、数字孪生建模与仿真、面向数字孪生的产线虚拟调试、基于数字孪生的生产过程监控、基于数字孪生的工艺优化和生产数字孪生实施案例。本书体系完整、系统性强，注重对数字孪生技术的理论阐述，同时基于Process Simulate软件平台给出了大量数字孪生案例，力求理论与实践有机结合。
本书可作为高等学校智能制造工程、机械工程、机械设计制造及其自动化等专业相关课程的教材，也可供从事数字孪生的工程技术人员参考。

数字孪生是智能制造领域的关键技术之一，是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力。在智能制造领域，作为一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，数字孪生面向产品全生命周期过程，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，提供更加实时、高效、智能的服务。
数字孪生在产品设计、生产制造、运营管理等方面与智能制造密切结合，贯穿整个智能制造环节，在每一个环节中都有不同的特征和用途。根据教育部高等学校机械类专业教学指导委员会2022 年编制的《智能制造工程教程》，智能制造工程教育知识体系包含5 个知识领域，即智能制造工程基础、智能设计原理与方法、智能制造技术与工艺、智能服务与制造模式创新、智能制造系统建模与控制。数字孪生与后4 个知识领域密切相关，分别对应为产品数字孪生、生产数字孪生、运营数字孪生、面向全生命周期的系统数字孪生。
本书共分为7 章，由青岛大学程联军任主编，青岛科技大学杨化林、青岛理工大学陈成军任副主编。编写人员有：青岛大学李晓月、张传伟、赵清海、王力伟，青岛科技大学张秋爽，青岛理工大学黄居鑫，烟台大学石运序，上海犀浦智能系统有限公司吴强。其中，第一章由程联军编写，第二章由李晓月编写，第三章由张传伟、石运序、宋思勤编写，第四章由张秋爽、杨化林编写，第五章由黄居鑫、陈成军编写，第六章由赵清海、王力伟、张秋爽编写，第七章由吴强、黄居鑫编写。感谢上海犀浦智能系统有限公司为第三、四、五、七章提供案例。在编写过程中，编者参考了大量的文献资料，在此也谨向原文献作者表示感谢！
本书由山东大学朱洪涛担任主审。
数字孪生技术当前还处于应用的初级阶段，人们对其存在多种不同认识和理解，加之编者水平有限，书中难免出现不妥之处，敬请读者批评指正。

程联军，男，1974年出生。山东大学材料加工工程专业，博士，副教授。现任机械设计及制造系主任。主持山东省科技发展计划项目1项，主参国家自然科学基金1项，参与省部级项目4项，发表学术论文10余篇，SCI检索1篇，EI检索7篇，获授权专利4项。，1992.09-1996.06 山东工业大学锻压工艺及设备（模具）专业学习 1996.07-2003.08 中国轻骑集团工作 2003.09-2008.12 山东大学材料加工工程专业学习 2009.01至今 青岛大学机电工程学院教师

前言
第一章　绪论 1
第一节　数字孪生的发展 1
第二节　数字孪生的特征 3
一、数字孪生维度 3
二、数字孪生成熟度等级 4
第三节　数字孪生与智能制造 7
一、数字孪生与CPS 的关系 8
二、数字孪生在智能制造工程教育知识体系中的地位 10
第四节　数字孪生软件平台 13
一、Tecnomatix Process Simulate 13
二、Predix 18
三、Unity 19
思考题 21
第二章　数字孪生技术及应用 22
第一节　数字孪生的应用领域 22
一、数字孪生的应用 22
二、数字孪生的典型应用案例 31
第二节　数字孪生的技术基础 35
一、数字孪生的层次架构 35
二、数字孪生的技术体系 37
第三节　数字孪生的核心技术 44
一、虚拟系统的开发及应用 44
二、数字孪生模型的构建、融合与评价 47
三、数据感知、分析预测和智能决策 51
思考题 53
第三章　数字孪生建模与仿真 54
第一节　数字孪生建模与方法 54
一、数字孪生模型 54
二、数据驱动的建模方法 55
三、数据采集、预处理和特征提取技术 56
四、物理建模与混合建模 57
第二节　数字孪生仿真与分析 58
一、仿真环境的搭建 58
二、数字孪生仿真设计与分析 61
第三节　数字孪生建模仿真案例 63
一、产线智能装配工站运动仿真 63
二、产线智能仓储工站运动仿真 68
思考题 81
第四章　面向数字孪生的产线虚拟调试 82
第一节　数字孪生调试原理与步骤 82
一、虚拟调试原理 82
二、数字孪生调试原理 82
三、数字孪生调试的步骤 83
第二节　通信调试 83
一、基于数字孪生的通信调试 83
二、通信调试的具体过程 84
第三节　组态软件 91
第四节　PLC 编程调试 93
第五节　机器人编程调试 98
一、机器人编程调试原理 98
二、机器人编程调试操作过程 99
第六节　机器人路径优化 107
一、基于数字孪生的机器人路径优化 107
二、传统和数字孪生下的机器人路径优化 107
三、机器人路径优化实例 108
第七节　机器人碰撞检测优化 111
一、机器人碰撞检测优化原理和方法 111
二、机器人碰撞检测内容 112
思考题 119
第五章　基于数字孪生的生产过程监控 120
第一节　生产数据采集与集成 120
一、物理设备通信 120
二、生产数据采集 123
三、生产数据集成 126
第二节　生产数据处理与分析 127
一、生产数据建模 127
二、生产数据处理 131
三、生产数据分析 133
第三节　生产数字孪生可视化 134
一、生产过程监控业务 134
二、生产孪生数据资源 135
三、生产孪生数据可视化 138
第四节　数字孪生驱动的OEE 141
一、OEE 的概念 141
二、OEE 的计算方法 141
三、影响OEE 的因素 142
四、数字孪生驱动的OEE 优化方法 143
第五节　生产过程监控案例 144
一、案例说明 144
二、案例设计 144
思考题 150
第六章　基于数字孪生的工艺优化 151
第一节　知识及其表达 151
一、数字孪生实现工艺优化 151
二、数据和知识 153
第二节　模型与数据双驱动的优化 159
一、模型驱动方法 159
二、数据驱动方法 160
三、模型驱动方法与数据驱动方法的区别与联系 161
四、模型与数据双驱动融合方法 162
第三节　基于数字孪生的装配优化 164
一、装配知识及其表达 165
二、模型和数据双驱动的装配优化方法 167
三、基于数字孪生的装配优化 170
思考题 177
第七章　生产数字孪生实施案例 178
第一节　虚实融合智能制造实训平台 178
一、案例场景 178
二、案例分析 179
第二节　电芯制造车间的生产过程监控 186
一、基础系统搭建 187
二、数据采集 187
三、车间环境和设备监控 188
四、能源和设备管理 189
五、数据可视化 192
第三节　食品包装车间的生产过程监控 192
一、信息管理 193
二、生产过程数据关联 195
三、生产过程信息查询 195
四、生产状态可视化 195
参考文献196