CN110503290A - 面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，具体过程为：构建一个Peer‑to‑Peer网络，将产品全生命周期的所有参与者纳入该网络；创建区块，包括区块头和区块体；所述区块头是区块的身份证明，具有唯一性，区块体用来存储数字孪生体的数据，以标准“Transaction”的形式存储；按照时间戳顺序，利用工作量证明共识机制，将不同的区块连接起来，形成数字孪生体的全生命周期数据区块链。本发明区块链记录了数字孪生体的全生命周期的数据，且不可篡改，在保证数据真实性的前提下，可以很方便地进行历史数据的分析。

Description

面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法。

背景技术

随着数字化制造的发展(Digital manufacturing)，数字孪生体(Digital twin)应运而生。数字孪生体由物理产品和虚拟产品两部分组成，它们之间利用信息技术和传感器技术等进行无缝的数据交换。虚拟产品根据物理产品的实际状态进行实时更新，以实现对物理产品的状态监控和反馈。考虑到虚拟产品的高保真特性，基于虚拟产品的数据分析可以用来改进物理产品的性能、预测物理产品的故障情况等。

数字孪生体概念由Grieves在2003年的时候提出来的。在2010年的时候，NASA构建了第一个真正的数字孪生体，即航天飞机的数字孪生体，验证了数字孪生体的巨大作用。Glaessgen和Stargel分析了实现高保真虚拟产品的关键因素。Rios等将数字孪生体的应用从航天飞机推广到普通产品。Lee等进一步将数字孪生体推广到制造系统，Uhlemann等研究了数字孪生体的数据获取方法。

在产品的全生命周期中，由众多的企业或者个人参与到数字孪生体的构建和更新中，从而组成了一个复杂的网络。在数字孪生体的数据管理过程中，需要解决一下问题：

(1)在产品的全生命周期中，参与者众多，共同为构建数字孪生体做出自己的贡献，特别是数据的采集、存储、分享等。考虑到数据的价值以及复杂的参与者网络，需要对同时解决数字孪生体的数据存储、数据准入、数据共享和数据真实性问题。

(2)在数字孪生体的发展过程中，虚拟产品总是更新到物理产品的最新状态。在这个过程中，虚拟产品被不断地重写，即数据不断丢失。考虑到历史数据的价值，历史虚拟产品记录了数字孪生体的发展过程，可以服务与新产品的开发。因此，在数字孪生体的数据管理中，在保证虚拟产品处于最新状态的条件下，解决历史虚拟产品被重写的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，该方法从数字孪生体的全生命周期数据管理的角度出发，利用区块链技术，综合解决数字孪生体的数据存储、数据准入、数据共享和数据真实性以及历史虚拟产品重写问题。

实现本发明的技术方案如下：

一种面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，具体过程为：

构建一个Peer-to-Peer网络，将产品全生命周期的所有参与者纳入该网络；

创建区块，包括区块头和区块体；所述区块头是区块的身份证明，具有唯一性，区块体用来存储数字孪生体的数据，以标准“Transaction”的形式存储；

按照时间戳顺序，利用工作量证明共识机制，将不同的区块连接起来，形成数字孪生体的全生命周期数据区块链。

进一步地，本发明产品生命周期的所有参与者包括产品设计、产品制造、产品物流、产品维护、产品购置和产品回收。

进一步地，在数字孪生体续存期间，如果不同参与者之间进行技术文档的分享，则需要立即记录到一个新的“Transaction”中。

进一步地，本发明存储在“Transaction”中的数据包括产品简介表。

进一步地，本发明存储在“Transaction”中的数据还包括历史虚拟产品和相关的技术文档。

进一步地，本发明所述“Transaction”还包括当前数据拥有者的公钥和哈希值，所述“Transaction”的哈希值是“Transaction”的身份证明，由前一个“Transaction”拥有者的数字签名、当前数据拥有者的公钥和相应的数据利用哈希算法获得。

进一步地，本发明所述历史虚拟产品为按照预设的时间间隔记录，以实现保存数字孪生体的历史数据。

进一步地，本发明所述设定的时间间隔期间发生特殊事件，需要进行额外的记录，每记录一次创建一个新的“Transaction”。

进一步地，本发明所述特殊事件包括产品故障和产品维护。

进一步地，本发明所述产品简介表在产品设计之初就创建，并持续更新，每更新一次，立即创建一个新的“Transaction”，以记录产品在全生命周期的所有活动，所述简介表是活动的简介，不包括数字孪生体的具体数据。

有益效果

本发明的创新点和所达到的效果主要体现在以下几个方面：

第一，区块链记录了数字孪生体的全生命周期的数据，且不可篡改，在保证数据真实性的前提下，可以很方便地进行历史数据的分析。

第二，任何一个在Peer-to-Peer网络中的参与者都可以自由地访问存储在区块链中的数字孪生体数据，提高了数字孪生体数据分享的效率。

第三，区块链的加密技术保证了数字孪生体数据的安全性。

第四，存储在区块链中的历史虚拟产品避免了数字孪生体历史数据的重写问题，并且可以通过对历史虚拟产品进行分析，为新产品的开发提供有效支持。

附图说明

图1产品的数字孪生体发展过程；

图2Peer-to-Peer网络；

图3区块结构；

图4历史虚拟产品的记录过程；

图5数字孪生体的简介表；

图6数字孪生体区块链。

具体实现方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，其具体过程如下：

Peer-to-Peer网络

如图2所示，构建一个Peer-to-Peer网络，将产品全生命周期的所有参与者纳入该网络，包括产品设计、产品制造、产品物流、产品维护、产品购置和产品回收。

如图1所示，产品的生命周期中有很多参与者，每个参与者拥有该产品一段时间，在此期间生成特定数据以反映产品的特定状态。数字孪生体可能属于产品生命周期中的主导公司，但是，产品生命周期中的其他参与者应该被授予访问数字孪生体的权利，因为他们参与了数字孪生体开发和维护。一方面，一些参与者，尤其是产品设计者和客户，希望了解产品的整个生命周期数据，他们有访问数字孪生体的需求，另一方面，数据很有价值，没有人愿意在没有获益的情况下分享他的数据。允许访问数字孪生体将补偿这些参与者帮助更新数字孪生体，因为他们也将从访问数字孪生体中受益。此外，在某些情况下需要文档共享，例如，产品设计人员将制造指南发送给产品制造商，要求提供高效的数据共享解决方案。因此，根据区块链技术，构建对等网络以连接包括产品设计者，制造商，客户等在内的参与者，如果需要，相同类型的参与者可以多于一个。参与者可以在验证后加入网络，以避免不怀好意的节点破坏现有网络，参与者可以自由退出该网络。包括更新的虚拟产品和在产品生命周期的特定时段中生成的共享文档的数据被记录为“Transaction”并存储在特定块中。所有已验证的区块连接在一起构成区块链。符合条件的参与者可以拥有数据的副本。这是一种权益交换，所有参与者共享其特定产品的数据，并可以访问产品的其他参与者的数据。由于区块链记录了产品的完整数据，通过直接查询区块链可以方便地获得不同时期的数字孪生体数据。受益于Peer-to-Peer网络，每个参与者也可以通过网络直接将数据发送给请求者来方便地共享数据。例如，如果产品设计人员想知道产品的交付情况以改进新设计，他可以检查区块链以获取特定数据或从物流请求特定数据，而且，采用加密技术来确保数据安全。经过加密的数据可以安全地通过网络共享，只有符合条件的参与者才能访问数据。

数字孪生体区块

如图3所示，创建区块，包括区块头和区块体。区块头是区块的身份证明，具有唯一性，区块体用来存储数字孪生体的数据，以标准“Transaction”的形式存储。

标准“Transaction”包括当前数据拥有者的公钥和相应的数据。“Transaction”的哈希值是“Transaction”的身份证明，由前一个“Transaction”(已签署)拥有者的数字签名、当前数据拥有者的公钥和相应的数据利用哈希算法获得。签署意味着所有权的转移，采用数字签名技术完成“Transaction”的签署。

区块链技术的基础是区块。提出区块的概念是为了标准化数据记录并为区块链做好准备。区块由区块头和区块体组成。区块头包含“前哈希值”、“时间戳”、“根哈希值”和“随机数”。“前哈希值”是前一个块的哈希值。“时间戳”是识别何时创建块的字符序列或编码信息。“根哈希值”是当前块的标识。随机数用于连接前一块和当前块。块体由“Transaction”组成，这是一个标准模板，用于记录数字孪生体开发过程中的操作，包括虚拟产品更新，文档共享等。所有“Transaction”都被哈希并组合为“根哈希”。

“Transaction”记录产品生命周期内产生的数据，数据的所有权变更也记录在“Transaction”中。“Transaction”的公钥表示数据的当前拥有者，每个参与者拥有一对私钥和公钥，可以对数据进行编码和解码，以确保数据传输的安全性。公钥可以广泛传播，而私钥仅由所有者知道。“交易”底部的签名表示数据的先前所有权，这意味着签署将所有权更改为当前所有者，用于签署交易的数字签名是表示参与者身份的数字字符串。区块链中使用的典型数字签名算法是椭圆曲线数字签名算法。当前所有者可以通过使用新所有者的公钥(编码)散列当前事务并使用其数字签名进行签名来完成所有权更改来启动新事务。新的所有者可以解码交易以通过他的私钥获得产品的前一时期的数据。虽然数据是通过公共网络发送的(向网络中的所有参与者广播)，但只有私钥的所有者-制造商才能对数据进行解码，从而避免数据泄漏并保持数据安全。

数字孪生体数据

存储在“Transaction”中的数据包括历史虚拟产品、产品简介表和相关的技术文档。每个“Transaction”必须有产品简介表，历史虚拟产品和技术文档只在有需要的时候记录。

如图4所示，根据从信息技术(传感器技术，射频识别技术等)获得的物理产品收集的数据更新虚拟产品。虚拟产品和物理产品之间的无缝数据传输维持虚拟产品反映物理产品的最新状态。在这种情况下，历史虚拟产品将被覆盖。在数字孪生体的开发中，历史数据对于新产品设计，故障预测等非常重要。引入的区块链技术可以解决这个问题。“Transaction”可以记录历史虚拟产品，该产品存储在块中并且不能更改。然而，考虑到由于非常昂贵的数据存储成本而从物理产品生成的巨大数据，不可能存储所有历史虚拟产品。因此，采用根据实际情况决定的合理时间间隔(每分钟，每小时，每天等)将历史虚拟产品记录到“Transaction”中。此外，必须记录特殊历史虚拟产品，包括产品故障，产品维护，产品回收等。特殊历史虚拟产品的记录不受时间间隔规则的限制，这意味着特殊历史虚拟产品应立即记录。产品的一对公钥和私钥，在一开始就发送给产品生命周期内的所有参与者。“Transaction”使用相应产品的公钥进行加密，因此，只有具有该产品私钥的参与者才能访问历史虚拟产品。此外，产品生命周期内的参与者负责根据物理产品，时间间隔和特殊事件更新历史虚拟产品。为了简化更新过程，选择物理产品的当前所有者作为更新程序。如果时间间隔短于物理产品的所有权期，则更新程序可以更新多个历史虚拟产品。在所有权期间，如果应该记录虚拟产品，则相应的所有者复制虚拟产品以便在特定事件上进行记录，原始虚拟产品保留用于更新到物理产品的最新状态。考虑到存储成本，如果参与者无法承担历史虚拟产品的所有版本的存储成本，他可以选择用其哈希值替换历史虚拟产品以降低存储成本。

如图5所示，产品简介表记录产品生命周期内产品的所有活动。初始化产品简介表，首先创建产品ID，这是产品的唯一ID，无法更改整个产品生命周期。初始化时会创建产品的概览图和二维码。它们会更新到产品活动的最新记录，每次更新都应记录到“Transaction”中。在产品生命周期内参与者之间共享的文档可以的“Transaction”中记录，其中文档的所有权被改变以传送必要的信息。如果需要，要共享的文档可以初始化新“Transaction”。这是一个改变文档所有权的过程，当前和以前的所有者是不同的。

一旦数据记录在“Transaction”上，数据就不能再被更改。对数据的任何更改都将广播给网络中的所有参与者。为了增加区块链的灵活性，可以将智能合约嵌入到“Transaction”中以自动执行某些操作。智能合约由Szabo(1997)提出，它将计算机协议与用户界面相结合，以执行合同条款。智能合约的引入为多部门/公司之间的公司带来了极大的便利。例如，产品设计的可行性由签署智能合约的不同部门验证。如果产品设计可行性验证通过，智能合约由所有相关部门签署，产品设计文件将自动发送给制造商进行制造。

数字孪生体区块链

如图6所示，按照时间戳顺序，利用工作量证明(Proof-of-work)共识机制，将不同的区块连接起来，形成数字孪生体的全生命周期数据区块链。

如前所述，从产品生命周期内的产品生成的数据记录为“Transaction”。所有交易都放在一个“池”中，等待聚集存储在一个区块中。根据采用的共识机制(工作证明，股权证明等)，所有已验证的区块按时间顺序构成区块链。第一块区块链称为“创世块”，它没有“前哈希值”。生成的根哈希与它的构造时间相结合，参考时间戳来生成第二个块的“前哈希值”。以相同的方式，第三个块，第四个块和后续块以相似的方式连续地添加到链中。时间戳的引入将时间属性嵌入到区块链中以跟踪精确的块添加时间。每个参与者都有权向链中添加新块。采用“工作证明”来决定新的区块创建者，广泛应用于区块链技术的应用。虚拟货币授予新块的创建者。通常，参与者只能访问他拥有的产品的数据。因此，虚拟货币可用于支付获取访问其他产品数据的权限。虚拟货币也可以交易，类似于比特币。

同时，在数字孪生体续存期间，如果不同参与者之间进行技术文档的分享，则需要立即记录到一个新的“Transaction”中。历史虚拟产品的记录、产品简介表的更新和技术文档分享可能同时发生，即它们可能记录在同一个“Transaction”中。

自此，就完成了数字孪生体数据管理方法的实施过程。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，其特征在于，具体过程为：

构建一个Peer-to-Peer网络，将产品全生命周期的所有参与者纳入该网络；

创建区块，包括区块头和区块体；所述区块头是区块的身份证明，具有唯一性，区块体用来存储数字孪生体的数据，以标准“Transaction”的形式存储；

按照时间戳顺序，利用工作量证明共识机制，将不同的区块连接起来，形成数字孪生体的全生命周期数据区块链。

2.根据权利要求1所述面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，其特征在于，所述产品生命周期的所有参与者包括产品设计、产品制造、产品物流、产品维护、产品购置和产品回收。

3.根据权利要求2所述面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，其特征在于，在数字孪生体续存期间，如果不同参与者之间进行技术文档的分享，则需要立即记录到一个新的“Transaction”中。

4.根据权利要求1所述面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，其特征在于，所述存储在“Transaction”中的数据包括产品简介表。

5.根据权利要求4所述面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，其特征在于，存储在“Transaction”中的数据还包括历史虚拟产品和相关的技术文档。

6.根据权利要求1所述面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，其特征在于，所述“Transaction”还包括当前数据拥有者的公钥和哈希值，所述“Transaction”的哈希值是“Transaction”的身份证明，由前一个“Transaction”拥有者的数字签名、当前数据拥有者的公钥和相应的数据利用哈希算法获得。

7.根据权利要求4所述面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，其特征在于，所述历史虚拟产品为按照预设的时间间隔记录，以实现保存数字孪生体的历史数据。

8.根据权利要求7所述面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，其特征在于，所述设定的时间间隔期间发生特殊事件，需要进行额外的记录，每记录一次创建一个新的“Transaction”。

9.根据权利要求8所述面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，其特征在于，所述特殊事件包括产品故障和产品维护。

10.根据权利要求4所述面向产品全生命周期的数字孪生体数据管理方法，其特征在于，所述产品简介表在产品设计之初就创建，并持续更新，每更新一次，立即创建一个新的“Transaction”，以记录产品在全生命周期的所有活动，所述简介表是活动的简介，不包括数字孪生体的具体数据。