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出版者:清华

作者:曾芬芳 景旭文 著

出品人:

页数:247

译者:

出版时间:2001-4

价格:23.00元

装帧:

isbn号码:9787302041603

丛书系列:

图书标签:

• 智能制造
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《数字孪生与工业物联网：赋能未来工厂的实践指南》 图书简介 在信息技术与先进制造技术深度融合的今天，传统制造业正经历着一场由数字化和智能化驱动的深刻变革。本书《数字孪生与工业物联网：赋能未来工厂的实践指南》，旨在为工程师、技术管理者以及对智能制造前沿技术充满热忱的读者，提供一套系统、深入且具有高度实践指导意义的知识体系。我们聚焦于两大核心支撑技术——数字孪生（Digital Twin）与工业物联网（Industrial Internet of Things, IIoT），阐释它们如何协同作用，共同构建起下一代柔性化、高效能的智能工厂。 第一部分：工业物联网的基石与架构 工业物联网是实现物理世界与信息世界互联互通的神经系统。本部分将从宏观到微观，剖析 IIoT 构成的关键要素及其运作机制。 1.1 工业连接的挑战与解决方案： 详细探讨传统工厂环境中异构设备（如 PLC、SCADA 系统、传感器）之间的数据孤岛问题。分析不同通信协议（如 OPC UA、MQTT、Ethernet/IP）在工业环境下的优劣势，并阐述如何构建高可靠、低延迟的工业无线网络和有线网络基础设施，以确保海量数据的实时采集与传输。 1.2 传感器与边缘计算的融合： 深入讲解智能传感器技术的发展，包括高精度测量、自校准以及嵌入式处理能力。重点阐述边缘计算（Edge Computing）在 IIoT 架构中的关键作用。通过在数据源头进行预处理、过滤和初步分析，边缘计算极大地减轻了云端负荷，并缩短了关键控制回路的响应时间，这对高频实时控制至关重要。书中将通过案例展示，如何设计多层级数据处理架构，平衡实时性与计算深度。 1.3 工业数据治理与安全防护： 工业数据是数字孪生的血液。本章将系统梳理工业数据的生命周期管理，包括采集、存储、清洗、标准化和语义化。特别关注工业控制系统（ICS）的网络安全问题。分析潜在的攻击面，从物理层安全、网络隔离到应用层加密和身份验证机制，提供一套基于“纵深防御”原则的 IIoT 安全框架，确保运营技术（OT）环境的稳定性和完整性。 第二部分：数字孪生的理论构建与建模方法 数字孪生，作为物理实体在虚拟空间中的动态映射，是实现高级仿真、预测性维护和优化决策的核心工具。本部分深入探讨其理论基础、构成要素及多尺度建模技术。 2.1 数字孪生的核心概念与层次结构： 清晰界定数字孪生的内涵，区分其与传统仿真模型的本质区别——即实时数据驱动的双向连接能力。基于国际标准和业界实践，构建数字孪生的五维模型框架（物理实体、虚拟模型、连接、数据、服务）。深入分析数字孪生的演进层次，从描述性孪生到规范性/指导性孪生的跨越路径。 2.2 高保真度建模技术： 探讨构建精确虚拟模型的关键技术。这包括： 几何建模与可视化： 利用 CAD/CAE 数据，结合 3D 扫描和点云技术，构建高精度、可交互的三维虚拟模型。 多物理场耦合仿真： 介绍如何整合结构力学、热力学、流体力学等领域的专业仿真引擎，实现对复杂物理过程的精确模拟。 行为建模： 阐述如何将设备的工作逻辑、控制算法（如 PLC 代码逻辑的映射）嵌入虚拟模型中，使孪生体能够模拟其动态响应和故障模式。 2.3 驱动与同步机制： 详细解析 IIoT 数据如何实时驱动数字孪生体的状态更新。讨论数据映射算法、状态估计技术（如卡尔曼滤波在状态重构中的应用），确保虚拟模型与物理实体间的时间同步性和状态一致性，这是实现“闭环反馈”的前提。 第三部分：孪生与物联网的深度融合应用实践 本部分将视角转向实际应用，展示数字孪生和 IIoT 如何在生产运营、产品生命周期管理中发挥变革性的作用。 3.1 预测性维护（PdM）的范式转移： 阐述如何利用 IIoT 采集的设备运行数据（振动、温度、电流等），通过机器学习模型对孪生体进行“健康评估”。深入讲解基于剩余使用寿命（RUL）预测的维护策略制定，以及如何通过孪生体进行“预防性干预”方案的虚拟验证，从而最大化设备正常运行时间（Uptime）。 3.2 生产流程的优化与调试： 介绍“虚拟调试”（Virtual Commissioning）的应用。在实际产线投建前，先在数字孪生环境中对新的自动化逻辑、机器人路径规划进行全面测试和优化。书中提供详细的步骤指南，说明如何将验证无误的控制程序直接部署到物理控制器，极大地缩短了项目周期并降低了现场调试风险。 3.3 柔性制造与生产调度优化： 探讨如何构建覆盖整个车间乃至供应链的“过程孪生”。利用孪生系统对不同生产排程和资源分配方案进行快速迭代仿真，找出最优的能耗、吞吐量和在制品（WIP）水平的平衡点。特别关注在突发事件（如物料短缺、设备故障）发生时，孪生系统如何快速生成并评估应对策略，并自动下达调整指令至 IIoT 执行层。 3.4 产品全生命周期中的孪生应用： 拓展数字孪生的应用范围，从设计验证（Design Verification）到制造过程的质量控制，再到产品交付后的远程监控与服务。讨论“服务型制造”的实现路径，即制造商通过实时掌握在用产品的运行状态，提供定制化的升级包或性能增强服务。 第四部分：迈向自主决策的未来展望 本部分展望了数字孪生与 IIoT 结合的下一阶段发展，重点关注 AI 驱动的自主化能力。 4.1 结合人工智能的智能增强： 讨论深度学习、强化学习等 AI 技术如何深度融入孪生体的决策循环中。例如，利用强化学习在虚拟环境中训练控制器，使其学会应对极端或未曾预见的工况，然后将习得的“经验”迁移至物理实体。 4.2 互操作性与平台生态构建： 探讨跨领域、跨企业之间数字孪生数据交互的需求与挑战。分析开放标准和平台架构在打破数据壁垒、构建更广阔的工业互联网生态系统中的作用。 本书以严谨的学术态度和扎实的工程实践为导向，力求在理论阐述与具体案例之间架起一座坚实的桥梁，帮助读者真正掌握利用数字孪生和工业物联网技术，驱动企业实现精益化、智能化、可持续发展的制造新范式。

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我得说，这本书的理论深度着实让人眼前一亮。它不是那种简单罗列术语和现象的科普读物，而是深入到了制造系统底层逻辑的探讨。作者在阐述**“工业物联网”**的核心架构时，并没有停留在描述设备连接的层面，而是花了相当大的篇幅去分析数据采集的标准化协议、边缘计算的必要性以及云计算平台的数据治理挑战。我特别欣赏其中关于**“柔性制造系统”**的分析，它没有将柔性等同于简单的换型速度快，而是将其定义为一种系统对不确定性需求的动态适应能力，并引用了几个非常精妙的数学模型来支撑这个观点。这对于有一定工程背景的读者来说，无疑是提供了非常扎实的理论基石。读完这部分内容，我感觉自己对过去理解的“自动化”概念有了更深层次的重构，不再满足于表面的自动化产出，而是开始思考系统内在的优化和耦合关系，这才是真正的进阶。

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这本书在案例分析的选择上，着实是下了一番功夫，看得出来作者团队在行业内有很深的积累。我特意查阅了几个书中提到的**“智能工厂”**的实际案例，发现描述得非常贴近实际运作中的痛点和解决方案。例如，在描述某汽车零部件企业的质量控制流程优化时，书中详细剖析了传统的人工抽检模式如何被基于机器视觉和深度学习的在线监测系统所取代，不仅提高了检测的覆盖率，更重要的是如何将检测数据实时反馈到生产线参数调整中去，形成闭环。这种“理论指导实践，实践反哺理论”的叙事方式，让书本上的知识立刻“活”了起来。尤其是关于**“供应链协同优化”**那一块，作者引用了多个跨行业（比如航空航天与快速消费品）的对比案例，展示了不同行业在面对需求波动时，采用不同信息流和物流策略的差异性，非常具有启发性。

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阅读体验上，这本书的行文风格相对严谨，但并不乏味。它更像一位经验丰富的工程师在为你讲解一个复杂的工程项目，清晰、准确，并且会时不时地蹦出一些让人会心一笑的行业“黑话”或经验总结，这让阅读过程中的沉浸感很强。不过，作为一个非科班出身的读者，我发现初次接触那些关于**“优化算法”**和**“控制理论”**的章节时，确实需要多花一些时间去消化背景知识。虽然书后附带了推荐阅读书目，但如果能在正文中对一些关键的数学符号或控制回路的原理做更详尽的图示注释，对于非专业背景的读者来说，入门的友好度会大大提高。总体而言，这本书是为那些希望深入理解现代制造体系底层逻辑的专业人士或高阶学习者量身打造的，它提供的知识密度和广度，足以支撑起一个行业研究者的基本素养。

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说实话，这本书在技术前沿的把握上，展现出了一种审慎而又敏锐的洞察力。很多市面上流行的“热词”，这本书并未盲目跟风，而是将其置于更宏大的技术演进脉络中去审视。比如，对于**“人工智能在生产排程中的应用”**，作者没有过分渲染AI的万能性，而是客观地指出了当前基于强化学习的排程算法在面对大规模、多约束条件下的计算复杂度瓶颈，并提出了几种可行的近似求解策略。这种不回避难点、直面局限性的态度，显得尤为可贵。此外，书中对**“人机协作”**的探讨，也摆脱了过去冰冷的机械替换视角，更多地聚焦于“增强智能”，即如何利用技术提升操作人员的认知和决策能力，而不是简单地用机器人取代工人，这才是未来制造业最人性化、也最具挑战性的方向之一。

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这本书的装帧设计倒是挺有意思，封面那种金属拉丝的质感，配上深沉的蓝色调，挺符合它这个主题的调性。一拿到手里，能感受到那种沉甸甸的分量，感觉里面装的知识肯定不会是泛泛而谈的。我本来还担心这种技术类的书籍会过于枯燥，但翻开目录，发现章节安排还算逻辑清晰，从基础概念的梳理，到具体技术的应用场景，再到未来发展趋势的探讨，似乎形成了一个完整的知识体系。特别是关于“数字孪生”那一章的排版，大量的图表穿插在文字中间，看起来直观很多，不像有些教材那样密密麻麻都是文字，读起来估计会比较轻松。不过，内页的纸张如果是再亮白一点，视觉效果可能会更佳，现在的略微偏黄，在长时间阅读时可能需要更强的灯光辅助。总的来说，从外观和结构上看，这本书为读者构建了一个初步的、专业的知识入口，让人对即将展开的阅读内容抱有期待。

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