数字工程的原理与方法（第2版）/普通高等教育“十一五”国家级规划教材·普通高等教育精品教材 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

内容简介

《数字工程的原理与方法（第2版）》是由地球科学、信息科学、计算机科学、通信科学、管理科学、经济人文科学等诸多学科的交叉而产生的一门新兴学科。《数字工程的原理与方法》从数字工程产生的背景入手，以实现“数字地球”为目标框架，全面介绍了数字工程技术中的基本概念、总体框架、支撑技术和实施方法，重点叙述了数字工程建设中信息的数字化存储、实时化传输、可视化表达与智能化应用。《数字工程的原理与方法》可作为数字工程相关专业的本科生及研究生的教材，也可作为信息化建设过程中相关专业技术人员的参考资料，对测绘遥感、地理信息系统、信息管理、软件工程、电子商务等相关专业的学生、教师等也有一定的参考价值。

内页插图

目录

第1章 数字工程导论.
1.1 用数字的眼光看世界
1.2 产生背景
1.3 基本概念
1.4 数字工程特点
1.5 数字工程与GIS比较
1.6 数字工程总体框架
1.7 数字工程发展现状
思考题-

第2章 技术支撑体系
2.1 数字工程应用系统与集成技术
2.2 网络与通信技术
2.3 空间信息采集与处理技术
思考题

第3章 数字工程基础平台
3.1 基础平台及其框架
3.2 软硬件与网络平台
3.3 数据平台
3.4 应用服务平台
3.5 标准平台
3.6 安全平台
思考题

第4章 数字工程中的可视化技术
4.1 二维空间信息的可视化
4.2 三维空间信息的可视化
4.3 非空间信息可视化
4.4 可视化与虚拟现实技术
思考题

第5章数字工程中的智能化技术
5.1 概述
5.2 空间分析模型与空间决策
5.3 空间知识的获取与表达
5.4 智能空间决策支持系统
5.5 空间数据仓库
5.6 空间数据挖掘
思考题

第6章 数字工程的实施
6.1 数字工程的工程化思想
6.2 网络与软硬件平台的实施
6.3 数据平台的实施
6.4 专业应用服务平台的实施
6.5 标准平台的实施
6.6 安全平台的实施
6.7 数字工程的过程管理
思考题

第7章 数字工程的应用
7.1 数字城市
7.2 数字交通
7.3 数字农业
7.4 数字水利
7.5 数字林业
思考题
参考文献
附录空间信息与数字技术专业知识体系

精彩书摘

信息是大自然万事万物的一种属性。各种事物包括生命的和非生命的，都通过各自独特的方式与环境相互作用，表明它的存在。这种相互作用通常通过特定的信息表现出来，比如一块没有生命的岩石，它具有形状、质地、颜色、体积、重量、位置等属性信息，并通过吸热、散热、与雨水发生反应等理化过程与周围环境进行相互作用，在遥感影像上有它独特的信息图谱，表明它的客观存在性。因而信息也就自然成为人类认知自然与社会的媒介。人们正是通过信息，认识了自然界与人类自身，建立了庞大复杂的科学体系，进而推动了人类社会的迅猛发展。我们中国人处理信息的方式经历过几个阶段：结绳记事、甲骨钟鼎、韦编竹简、活字印刷、数字排版等。从一个侧面反映了人类从原始本能一直到今天数字技术的发展轨迹。由此可见，绳子、龟甲、器皿、竹简、布绢和纸张，都曾作为人们存储与传播信息的媒介，尤其是纸张，仍是当今普遍的和常用的信息媒体。但是，唯有信息技术比较发达的今天，才可能出现数字媒体这种崭新的媒体形式。就是将数字、文本、声音、图形、图像等多种信息以一定数字编码方式存储在磁盘、光盘、磁带、半导体存储器等介质上，并利用计算机技术进行处理、还原和利用，也称为多媒体技术。本质上，多媒体技术就是具有集成性、实时性和交互性的计算机综合处理声、文、图等信息的技术（王金鑫，2007）。
数字是人类在与大自然打交道的劳动中产生的，是人类文明的主要里程碑。上文谈到的结绳记事就是数字的起源，可见数字天生就具备精确刻画自然与社会规律的能力。与数字相伴而生的是数制，也就是计数的法则。根据进位基数的不同，有二进制、八进制、十进制、十六进制、二十进制、六十进制等。人们日常生活中常用十进制，而在计算机中常用二进制。有了数字与数制就有了计算，有了计算就有了数学，有了数学就有了科学的基础。可是，在计算机诞生之前，人类对数字的运用能力（或称计算能力）始终局限在人的生理能力范围内。

前言/序言

深入探索现代工程范式：《数字孪生与智能制造系统设计》 引言：工程世界的深刻变革 在二十一世纪的工业图景中，工程学的核心已不再局限于对物理实体本身的精确计算与建造，而是扩展到了对数字世界的构建、模拟、优化与实时交互。传统的工程设计、制造、运营与维护流程正经历一场由信息技术、传感技术、人工智能和高性能计算驱动的颠覆性重塑。本书《数字孪生与智能制造系统设计》正是立足于这一时代背景，旨在为读者提供一套全面、系统且深入的理论框架与实践指南，以应对未来复杂系统工程的挑战。 本书聚焦于两大紧密关联的前沿领域：数字孪生（Digital Twin） 的构建与应用，以及智能制造系统（Intelligent Manufacturing Systems, IMS） 的顶层设计与集成实施。我们摒弃了零散的技术堆砌，力求构建一个从底层数据采集到顶层决策优化的完整知识体系，强调理论基础与工程实践的紧密结合。 第一部分：数字孪生——构建虚实映射的桥梁 数字孪生不仅仅是物理实体的三维模型或仿真软件，它是一种贯穿产品生命周期（PLM）的动态、实时、可交互的数字映射。本部分详细阐述了数字孪生的核心理念、技术架构及其在不同工程场景中的实现路径。 第一章：数字孪生的概念体系与演进 本章深入剖析了数字孪生的起源、定义，并将其与传统仿真（Simulation）、模型驱动设计（Model-Based Design, MBD）进行严格的区分。我们界定了数字孪生的五个关键维度：实体映射、数据驱动、实时同步、预测分析和反馈控制。通过对不同成熟度级别（L1至L5）的孪生体进行分类，帮助读者理解如何根据工程需求选择合适的孪生复杂度。 第二章：关键支撑技术栈 数字孪生的实现依赖于多项前沿技术的融合。本章重点解析了支撑孪生体的核心技术群： 工业物联网（IIoT）与边缘计算： 探讨传感器网络部署策略、异构数据采集协议（如OPC UA, MQTT）的标准化处理，以及边缘计算在实现低延迟数据预处理和基础控制逻辑中的作用。 高保真建模与可视化： 涵盖几何建模（CAD/CAE）、物理场仿真模型（如CFD, FEM）的构建，以及基于实时数据的动态可视化技术，特别是沉浸式技术（VR/AR）在孪生体交互中的应用。 数据融合与本体构建： 阐述如何将结构化数据、非结构化数据（如文本、图像、历史工单）融入孪生模型中，构建统一的工程本体论，确保虚实信息的一致性。 第三章：数字孪生的生命周期应用 本章通过实际案例展示数字孪生在产品全生命周期中的价值： 设计与验证阶段： 聚焦于“左移”——利用孪生体进行快速迭代、虚拟调试和“What-if”场景分析，大幅缩短研发周期。 制造与装配阶段： 阐述生产线孪生（Process Twin）的构建，用于优化物料流、平衡产能瓶颈，并实现柔性制造单元的快速重构。 运维与服务阶段： 深入探讨基于状态监测和预测性维护（PdM）的运行孪生，包括剩余寿命预测（RUL）模型和远程诊断策略。 第二部分：智能制造系统——集成、决策与自适应 智能制造系统（IMS）是实现工业4.0愿景的核心载体。它强调系统的互联性、信息透明性、自主决策性和柔性适应性。本部分将数字孪生作为关键工具，整合到整个制造系统的设计与优化流程中。 第四章：智能制造系统的顶层架构设计 本章构建了一个分层的IMS参考架构，通常借鉴IEC 62890或ISA-95标准，但着重强调了数字孪生在信息集成层和业务规划层中的核心地位。讨论了面向服务的架构（SOA）和微服务在构建松耦合、高可扩展性制造系统中的应用。 第五章：数据驱动的智能决策模型 制造的“智能”来源于对海量异构数据的有效挖掘和利用。本章聚焦于支撑决策的先进算法： 机器学习在质量控制中的应用： 介绍监督学习（缺陷分类）、无监督学习（异常检测）在生产过程中的实时应用，特别是深度学习在复杂图像和信号处理中的性能优化。 强化学习在调度优化中的突破： 探讨如何利用深度强化学习（DRL）解决高度耦合、动态变化的柔性作业车间调度问题，实现全局最优的实时路径规划。 因果推断与可解释性AI（XAI）： 强调在关键控制环节，决策必须具备可追溯性和可解释性，不能是“黑箱”操作。 第六章：人机协作与安全可靠性 智能制造系统不仅是机器的自动化，更是人与机器的协同进化。本章关注人机交互界面（HMI）的设计原则，特别是如何将复杂的数字孪生信息以直观、高效的方式呈现给操作员。同时，深入探讨了系统安全性和韧性（Resilience）：如何利用孪生体进行网络安全仿真攻击和防御策略的验证，确保在面对系统故障或网络攻击时，制造流程能快速恢复或进入安全降级模式。 第七章：面向全价值链的集成与实施挑战 成功的智能制造转型需要跨越企业内部的“信息孤岛”和企业间的“供应链壁垒”。本章探讨了： 供应链的数字协同： 如何将生产孪生体与物流孪生体、客户需求预测模型进行集成，实现需求驱动的敏捷供应链。 实施路线图与成熟度评估： 提供一套实用的方法论，帮助企业评估当前的数字化水平，并制定分阶段、小步快跑的数字化转型路线图，避免盲目投入。 标准化与互操作性： 分析当前工业标准（如OPC UA FX, DDS）在构建开放互操作性环境中的关键作用。 结论：面向未来的系统工程师 本书旨在培养具备系统思维和跨学科能力的下一代工程技术人才。通过对数字孪生与智能制造系统的深入学习，读者将掌握如何利用先进的计算工具和数据科学方法，设计、构建和优化出更高效、更柔性、更具适应性的未来工业系统。学习本书，即是站在工程学的前沿，迎接工业智能化的浪潮。