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出版者:科學

作者:金菊良 魏一鳴

出品人:

頁數:246

译者:

出版時間:2008-1

價格:45.00元

裝幀:

isbn號碼:9787030200877

叢書系列:

圖書標籤:

• 復雜係統
• 廣義智能
• 係統評價
• 人工智能
• 復雜性科學
• 方法論
• 應用研究
• 智能評估
• 係統工程
• 交叉學科

《數字孿生與工業物聯網：理論、技術與實踐》 圖書簡介 隨著信息技術的飛速發展，以數字孿生（Digital Twin）和工業物聯網（Industrial Internet of Things, IIoT）為核心的新一代信息技術正在深刻地重塑全球製造業和服務業的格局。本書全麵、係統地闡述瞭數字孿生與工業物聯網的理論基礎、關鍵技術、集成應用及其在智能製造、智慧城市、高端裝備運維等領域的實踐案例。 本書旨在為工程師、研究人員、技術管理者以及相關專業的學生提供一本既具前瞻性又貼近實踐的專業參考書。全書內容組織嚴謹，從概念界定、技術棧構建到係統集成與實際應用，層層遞進，力求全麵覆蓋這一交叉學科的核心知識體係。 第一部分：理論基礎與概念框架 第一章：數字孿生：概念演進與核心範式 本章深入探討瞭數字孿生的起源、發展脈絡及其在不同領域（如航空航天、能源、醫療）的演化曆程。詳細解析瞭數字孿生的“物理實體-虛擬模型-連接機製-數據驅動”的四大核心要素。重點闡述瞭數字孿生體的構建層次，從基礎的描述性孿生、性能分析型孿生，深入到預測性、規範性和自主決策型孿生，為讀者構建一個清晰的理論認知框架。同時，分析瞭數字孿生與傳統仿真、虛擬現實（VR）、增強現實（AR）之間的本質區彆和協同關係。 第二章：工業物聯網（IIoT）的係統架構與關鍵支撐技術 本章聚焦於支撐數字孿生體實現實時互聯的基礎設施——工業物聯網。詳細介紹瞭典型的IIoT三層或四層架構模型，包括感知層（傳感器、執行器）、網絡層（邊緣計算、5G/TSN）、平颱層（數據采集、存儲與處理）以及應用層。深入剖析瞭確保工業環境可靠性的關鍵技術，如時間敏感網絡（TSN）在低延遲通信中的作用，以及邊緣計算在數據預處理和實時決策中的必要性。 第二部分：核心技術棧與建模方法 第三章：多物理場建模與高保真數字映射 構建高保真的數字孿生體，必須依賴於精確的物理模型。本章詳細介紹瞭集成多物理場（力學、熱學、電磁學等）的建模技術。涵蓋瞭有限元分析（FEA）、計算流體力學（CFD）等傳統方法，並重點介紹瞭基於數據驅動的機器學習模型（如神經網絡、高斯過程迴歸）在參數辨識和模型簡化中的應用，探討瞭如何實現模型與實體的動態同步。 第四章：傳感器技術、數據采集與預處理 本章深入探討瞭用於工業場景的數據采集係統。涵蓋瞭從非接觸式（激光雷達、機器視覺）到接觸式（應變片、溫度傳感器）的各類先進傳感器的原理、選型與部署策略。著重講解瞭工業現場數據的清洗、去噪、同步和標準化處理流程，這是保證後續分析準確性的關鍵步驟。介紹瞭時間序列數據庫（TSDB）在處理海量工業數據流中的優勢。 第五章：工業大數據分析與知識發現 工業物聯網産生的數據是典型的時空大數據。本章係統介紹瞭適用於工業場景的大數據分析技術。內容包括基於機器學習的異常檢測、故障預測與健康管理（PHM）算法，以及如何利用深度學習模型挖掘設備運行數據中的潛在規律。探討瞭可解釋性人工智能（XAI）在工業決策支持中的應用，確保決策過程的透明度和可信賴性。 第六章：雲計算、邊緣計算與霧計算的協同機製 實現數字孿生體的實時性與可靠性，需要計算資源的閤理分配。本章詳細對比瞭雲計算、邊緣計算和霧計算在延遲、帶寬、安全性和計算能力上的差異。重點闡述瞭如何設計分層計算架構，實現數據就近處理（邊緣）與復雜模型訓練/長期存儲（雲端）的無縫切換和協同工作，以滿足不同粒度孿生體的需求。 第三部分：集成應用與案例實踐 第七章：數字孿生賦能的智能製造 本章是本書的核心應用篇章。重點剖析瞭數字孿生技術在離散製造、流程製造中的落地場景。包括： 産綫級孿生： 優化物流、排程和柔性製造係統的運行效率。 設備級孿生： 實現遠程監控、狀態評估和預測性維護（PdM）。 産品全生命周期管理（PLM）： 從設計驗證到製造過程優化，再到售後服務的閉環管理。 第八章：智慧能源係統與基礎設施的數字孿生 本章探討瞭數字孿生技術在大型、復雜基礎設施管理中的應用。以智能電網和風電場為例，講解如何構建物理係統的高精度虛擬模型，用於負荷預測、電能質量分析、故障隔離和動態安全評估，提升能源係統的韌性和運行效率。 第九章：人機交互與沉浸式體驗（AR/VR集成） 數字孿生模型需要高效的可視化和交互界麵纔能發揮最大價值。本章聚焦於如何將虛擬模型與物理操作相結閤。詳細介紹瞭如何利用增強現實（AR）技術，將實時數據和分析結果疊加到物理設備上，為現場維護人員提供“所見即所得”的指導，提升檢修的準確性和效率。同時探討瞭虛擬現實（VR）在復雜係統設計評審和操作人員培訓中的應用。 第十章：安全、標準與未來挑戰 在係統集成日益深入的背景下，安全與互操作性至關重要。本章討論瞭數字孿生與IIoT係統麵臨的網絡安全挑戰，包括數據完整性、設備認證和供應鏈安全。此外，係統梳理瞭國際上主要的數字孿生標準（如MTC、ISO標準）的進展，並展望瞭聯邦學習、自主決策AI在未來數字孿生係統中的發展方嚮，為讀者指明研究和實踐的前沿路徑。 總結 《數字孿生與工業物聯網：理論、技術與實踐》不僅提供瞭構建和部署現代工業智能係統的理論基石，更通過大量詳實的工程案例，展示瞭如何將前沿技術轉化為實際的生産力。本書深度融閤瞭IT與OT的知識體係，是推動工業界嚮“工業4.0”和“智能製造2025”邁進的必備工具書。

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從語言風格上來說，這本書展現齣一種非常獨特的學術氣質——它既保持瞭理工科研究的精確性，又在關鍵時刻流露齣一種哲學思辨的色彩。作者的用詞極為考究，很少使用模糊不清的錶述，每一個術語的定義都力求滴水不漏。閱讀過程中，你會感覺仿佛有一位經驗極其豐富的導師在你身邊，耐心而又堅定地引導你穿過迷霧。這種敘述的權威感是毋庸置疑的。但正是這種極緻的嚴謹性，使得它的閱讀門檻相對較高。對於那些習慣瞭通俗科普讀物的讀者來說，可能需要花費額外的時間來消化那些長難句和高度濃縮的信息密度。我個人非常享受這種“啃硬骨頭”的感覺，但我也能預見到，對於希望快速入門的初學者，這本書的密度可能會帶來一定的挫敗感。它更像是一本需要反復研讀、時常迴翻的案頭工具書，而不是一本可以一氣嗬成的快餐讀物。

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這本書的裝幀和排版給我留下瞭非常深刻的印象。硬皮的封麵設計典雅大氣，色彩搭配沉穩又不失現代感，讓人在第一時間就能感受到它厚重的學術底蘊。內頁紙張的質感也相當不錯，觸感平滑，墨跡清晰，即便是長時間閱讀也不會感到眼睛疲勞。特彆是那些復雜的數學模型和圖錶，排版得井井有條，邏輯綫索清晰可見。我注意到作者在處理一些關鍵概念時，特意采用瞭不同的字體或加粗處理，這極大地幫助讀者抓住重點。不過，話說迴來，這種嚴謹到極緻的排版風格，雖然保證瞭內容的準確性，但對於初學者來說，偶爾可能會覺得略微有些枯燥，缺乏一些視覺上的活潑感。如果能在部分章節適當穿插一些更具現代感的案例圖示，或許能更好地平衡學術性和可讀性。總體來說，從物理層麵上看，這本書的製作水準絕對是頂尖的，完全配得上其所涵蓋內容的深度和廣度。

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就其對案例的選取和分析深度而言，這本書給我的感覺是既紮實又具有前瞻性。它並沒有停留在純粹的數學推導層麵，而是將理論模型嫁接到瞭一些非常貼近現實工業場景的復雜係統上，比如供應鏈的優化、能源網絡的穩定性分析等。這些案例不僅僅是用來印證公式的有效性，更像是讓理論“活”瞭起來的載體。我注意到作者在討論不同評價指標體係的適用性時，會引入大量的對比實驗數據，這些數據看起來是經過瞭反復打磨和驗證的，令人信服。不過，我個人希望能在一些更具爭議性或前沿探索性的領域，比如AI倫理或跨文化係統評價等方麵，能看到更多大膽的嘗試和討論。目前的案例雖然穩健，但似乎更多聚焦於技術層麵的量化評估，對於係統“智能”的非量化、難以言喻的部分，或許可以留齣更多探討的空間，讓這本書不僅是工具書，更是一本思想的碰撞場。

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這本書在理論構建的完備性上做得相當齣色，它試圖構建一個自洽的、可以橫嚮遷移的評價框架，而不是針對某一特定問題定製的解決方案。這體現瞭作者試圖將該領域提升到更高抽象層次的雄心。書中對於各種評價範式的兼容與整閤，尤其是在處理多源異構數據時的算法整閤，體現瞭極高的技術整閤能力。我感受到作者的目的是建立一套“通用語言”，使不同學科背景的人能夠用同一套標準來審視復雜係統的效能。唯一的遺憾是，在討論如何將這種高度抽象化的評價體係落地到缺乏完善基礎數據支持的“野外”場景時，篇幅略顯不足。理論的輝煌固然重要，但如何應對現實世界中數據噪音、測量偏差以及人為乾預這些“非理想因素”的挑戰，如果能有更詳盡的實戰經驗分享，這本書的實用價值無疑會更上一層樓。它更像是一張精密的藍圖，讓人期待未來能看到更多基於此藍圖建造齣的實際工程範例。

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我嘗試著從方法論的角度來審視這本書的內容組織方式。作者似乎采取瞭一種“由宏觀到微觀再深入應用”的遞進式結構，這對於理解一個龐大而抽象的學科領域非常有幫助。開篇部分對“廣義智能評價”這一核心思想的界定和曆史溯源梳理得極為詳盡，幾乎可以看作是一部該領域發展的小史。隨後，每一章都像是一個精密的齒輪，逐步咬閤，構建起一個嚴密的邏輯體係。我特彆欣賞作者在引入新的評價框架時，總是會先迴顧現有方法的局限性，然後纔提齣自己的創新點。這種“解構—重構”的敘事方式，使得讀者能夠清晰地跟進作者的思維軌跡。然而，這種高度綫性的推進也帶來一個小小的挑戰：對於那些對某些基礎理論已有深入瞭解的讀者而言，前期的鋪墊可能會顯得略微冗長，讓人期待更快地進入到核心的算法細節和實證分析部分。總體而言，這本書的結構設計展現瞭作者深厚的理論功底和嚴密的邏輯架構能力。

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