CN111654319B

CN111654319B - 系留气球系统数字孪生监控方法

Info

Publication number: CN111654319B
Application number: CN202010328771.9A
Authority: CN
Inventors: 田富君; 陈兴玉; 陈亮希; 魏一雄; 周红桥; 张燕龙; 郭磊; 周金文; 张红旗; 苏建军
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2040-04-23
Also published as: CN111654319A

Abstract

本发明提供系留气球系统数字孪生监控方法，涉及数字孪生技术领域。本发明通过系留气球系统物理端的系留气球系统感知物联网和执行机构与数字孪生监控端通信，数字孪生监控端对系留气球系统感知物联网获取的关键数据进行处理，得到系留气球系统的工作状态数据，基于工作状态数据构建系留气球系统数字孪生模型，并通过工作状态数据驱动系留气球孪生模型可视化展示，实现系留气球球体的位姿仿真和地面系留设施的旋转仿真，同时对工作状态数据进行可视化展示，通过系留气球系统上的执行机构接收数字孪生监控端传来的控制指令并执行。本发明实现了对系留气球的可视化监控，可视化程度高、交互手段好，保障了系留气球系统的运行安全。

Description

系留气球系统数字孪生监控方法

技术领域

本发明涉及数字孪生技术领域，具体涉及一种系留气球系统数字孪生监控方法。

背景技术

系留气球系统是利用系留气球作为升空平台，搭载雷达等各种通信、干扰、侦察、探测等电子设备，具有留空时间长、有效载重大、部署方便、费用低廉等优点。系留气球系统主要用于低空、超低空预警，对海警戒和对敌边境线纵深地区的侦察监视，是空中预警飞机和地面雷达网的良好补充。系留气球系统在军事和民用领域都得到了广泛的应用，对于保障国防安全和公共安全起到了重要作用。

随着产品数量逐步增加及系留气球设备的老化，导致系留气球系统运行过程中的安全问题逐渐增多，如何保障系留气球系统运行安全已成为迫切需要解决的问题。目前，保障系留气球系统的运行安全的方法主要有系留气球测控方法和远程视频监控方法。系留气球测控方法包括球上测控和球下监控两部分，球上测控负责数据采集，球下监控进行信息的综合展示，远程视频监控方法通过几个固定的摄像头远程监控系留气球的工作状态。

然而本申请的发明人发现，系留气球测控方法和远程视频监控方法均存在交互手段弱的技术问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种系留气球系统数字孪生监控方法，解决了现有的监控方法交互手段弱的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供一种系留气球系统数字孪生监控方法，包括：

在系留气球系统物理端：

构建系留气球系统感知物联网，基于系留气球系统感知物联网获取系留气球系统关键数据；

系留气球系统上的执行机构能接收数字孪生监控端传来的控制指令并执行；

在数字孪生监控端：

实时接收系留气球系统关键数据，对关键数据进行处理，获取系留气球系统的工作状态数据；

基于系留气球系统的工作状态数据构建系留气球系统数字孪生模型；

在数字空间内，通过实时的工作状态数据驱动系留气球孪生模型可视化展示，实现系留气球球体的位姿仿真和地面系留设施的旋转仿真，对系留气球孪生模型进行全方位多视角可视化；

工作状态数据进行可视化展示；

根据获取到的工作状态数据，向系留气球系统上的执行机构发送控制指令，实现系留气球系统的自动控制。

优选的，所述系留气球系统数字孪生监控方法还包括：

在数字孪生监控端，根据实时获取到的工作状态数据，对异常工作状态数据进行预警。

优选的，所述构建系留气球系统感知物联网，基于系留气球系统感知物联网获取系留气球系统关键数据，包括：

在分析系留气球系统关键运行状态信息的基础上，通过在系留气球系统上部署多类传感器，构建系留气球系统感知物联网，实现对系留气球系统关键数据的采集。

优选的，所述关键运行状态信息包括：位置信息、姿态信息、压力信息、温度信息、风速风向信息、缆绳状态信息、供电信息和关键装置的工作状态信息。

优选的，所述系留气球球体的位姿仿真包括位置仿真和姿态仿真。

所述位置仿真包括：根据系留气球球体的经度、纬度和绝对高度计算出球体在世界坐标系中的位置坐标，并将该坐标设置给球体的局部坐标系位置，实现系留气球球体位置的变换；

所述姿态仿真包括：指将系留气球球体的俯仰角、横滚角和航向，设置给球体局部坐标系的欧拉角，实现系留气球球体姿态的变换。

优选的，所述地面系留设施的旋转仿真包括：根据防护舱方位数据，设置地面系留设施局部坐标系的欧拉角，实现地面系留设施的旋转变换。

优选的，所述基于系留气球系统关键数据构建系留气球系统数字孪生模型，包括：

根据系留气球阵地实际地形构建阵地数字孪生模型，按照系留气球系统组成部分的实际外观，构建系留气球系统数字孪生模型。

优选的，所述系留气球数字孪生模型包括：球体数字孪生模型、系留缆绳数字孪生模型、地面系留设施数字孪生模型、地面控制设备数字孪生模型、地面保障和配套设备数字孪生模型。

优选的，所述球体数字孪生模型的构建过程包括：

创建球体空物体，将球体空物体的局部坐标系位置设置为球体重心坐标，并将随球体运动的模型加入到球体节点下，实现球体的位姿变换能绕球体重心旋转；

所述地面系留设施数字孪生模型的构建过程包括：

创建地面系留设施空物体，将地面系留设施空物体局部坐标系位置设置为世界坐标系的原点处，并将随地面系留设施旋转的模型加入到系留设备物体节点下，实现地面系留设施的旋转能够绕系留塔中心旋转。

优选的，所述对系留气球孪生模型进行全方位多视角可视化中的视角包括：地面人员视角、球上跟随自由视角和固定视角。

(三)有益效果

本发明提供了一种系留气球系统数字孪生监控方法。与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明通过系留气球系统物理端的系留气球系统感知物联网和执行机构与数字孪生监控端通信，数字孪生监控端对系留气球系统感知物联网获取的关键数据进行处理，得到系留气球系统的工作状态数据，基于系留气球系统的工作状态数据构建系留气球系统数字孪生模型，并通过系留气球系统的工作状态数据驱动系留气球孪生模型可视化展示，实现系留气球球体的位姿仿真和地面系留设施的旋转仿真，对系留气球孪生模型进行全方位多视角可视化，同时对工作状态数据进行可视化展示，通过系留气球系统上的执行机构接收数字孪生监控端传来的控制指令并执行。本发明实现了对系留气球的可视化监控，可视化程度高、交互手段好，保障了系留气球系统的运行安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的框图；

图2是本发明实施例中的数据传输示意图；

图3是本发明实施例中的数据解析示意图；

图4是发明实施例中的球体数字孪生模型示意图；

图5是发明实施例中的地面系留设施数字孪生模型示意图；

图6是发明实施例中的地面人员视角示意图；

图7是发明实施例中的球上自由跟随视角示意图；

图8是发明实施例中的中固定视角示意图；

图9是发明实施例中的工作状态数据可视化示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例通过提供一种系留气球系统数字孪生监控方法，解决了现有的监控方法交互手段弱的技术问题，实现了对系留气球高程度的可视化监控，保障了系留气球系统的运行安全。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本发明实施例通过系留气球系统物理端的系留气球系统感知物联网和执行机构与数字孪生监控端通信，数字孪生监控端对系留气球系统感知物联网获取的关键数据进行处理，得到系留气球系统的工作状态数据，在构建系留气球系统数字孪生模型的基础上，并通过系留气球系统的工作状态数据驱动系留气球孪生模型可视化展示，实现系留气球球体的位姿仿真和地面系留设施的旋转仿真，对系留气球孪生模型进行全方位多视角可视化，同时对工作状态数据进行可视化展示，实现了对系留气球高程度的可视化监控，数字孪生监控端可以根据获取到的工作状态数据，向系留气球系统上的执行机构发送控制指令，以实现系留气球系统的自动控制。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明实施例提供一种系留气球系统数字孪生监控方法，如图1所示。该方法包括：

在系留气球系统物理端：

系留气球系统上的执行机构能接收数字孪生监控端传来的控制指令并执行。

在数字孪生监控端：

对工作状态数据进行可视化展示；

本发明实施例通过系留气球系统物理端的系留气球系统感知物联网和执行机构与数字孪生监控端通信，数字孪生监控端对系留气球系统感知物联网获取的关键数据进行处理，得到工作状态数据，基于工作状态数据构建系留气球系统数字孪生模型，并通过实时的工作状态数据驱动系留气球孪生模型可视化展示，实现系留气球球体的位姿仿真和地面系留设施的旋转仿真，对系留气球孪生模型进行全方位多视角可视化，同时对工作状态数据进行可视化展示；数字孪生监控端可以根据获取到的工作状态数据，向系留气球系统上的执行机构发送控制指令，以实现系留气球系统的自动控制。本发明实施例实现了对系留气球的可视化监控，可视化程度高、交互手段好，保障了系留气球系统的运行安全。

在具体实施过程中，本发明实施例的一种系留气球系统数字孪生监控方法还包括：在数字孪生监控端，根据实时获取到的工作状态数据，对异常工作状态数据进行预警。这一步骤能够对运行过程中存在的重大安全隐患做出预警，进一步保障了系留气球系统的运行安全。

下面对各个步骤进行详细描述。

在系留气球系统物理端：

S11、构建系留气球系统感知物联网，基于系留气球系统感知物联网获取系留气球系统关键数据。具体包括：

在分析系留气球系统关键运行状态信息的基础上，通过在系留气球系统上部署各类传感器，构建系留气球系统感知物联网，以实现对系留气球系统关键数据的采集。

关键运行状态信息包括位置信息、姿态信息、压力信息、温度信息、风速风向信息、缆绳状态信息、供电信息和关键装置的工作状态信息等。

系留气球系统感知物联网通过在系留气球系统上部署气压测量单元、北斗定位系统、三维姿态方位参考系统、风速风向仪、拉力传感器、温度变送器等传感设备，实现位置信息，姿态信息，压力信息，温度信息，风速风向信息，缆绳状态信息，供电信息，以及关键装置的工作状态信息的采集。

其中，气压测量单元通过引压管将氦气囊、副气囊、尾翼、整流罩四个气囊的压力，以及外界大气压引入，实现球上静压、氦气囊差压、副气囊差压、尾翼差压、整流罩差压的测量。北斗定位系统主要用于经度、纬度和高度位置信息的测量。三维姿态方位参考系统用于球体俯仰角、横滚角和航向等姿态信息的测量。风速风向仪指超声波风速风向仪，用于对球上环境信息的测量，包括球上温度、球上湿度、风速、风向的测量。拉力传感器主要用于主缆绳球上拉力、球下拉力，以及各级系留拉索拉应力的测量。温度变送器实现球上环境温度、氦气囊内温度、整流罩内温度、氦气阀门温度、应急放氦阀门温度、副气囊阀门温度、尾翼阀门温度、整流罩阀门温度的测量。

S12、系留气球系统上的执行机构能接收数字孪生监控端传来的控制指令并执行。

在数字孪生监控端：

S21、实时接收系留气球系统关键数据，对关键数据进行处理，获取系留气球系统的工作状态数据。具体包括：

将采集到的数据经无线通讯设备下传到地面控制中心，地面控制中心将数据进行接收、解析、存储、处理后，得到工作状态数据，通过传输控制协议(TCP，TransmissionControl Protocol)或用户数据报协议(UDP，User Datagram Protocol)传输给远程监控中心，如图2所示。远程监控中心对数据进行处理与解析，将通过网络端口接收到的二进制数据流转换为实际工作状态数据(工作状态数据与关键运行状态信息一致)，如图3所示。需要说明的是，地面控制中心和远程监控中心为数字孪生监控端的运行载体。地面控制中心和远程监控中心为数字孪生监控端的运行软件的安装场所/载体。

S22、基于系留气球系统的工作状态数据构建系留气球系统数字孪生模型。具体包括：

根据系留气球阵地实际地形、道路、房屋、树木、田地等，构建阵地数字孪生模型，并将系留气球阵地中心设置在世界坐标系的原点处。按照系留气球系统各组成部分的实际外观，构建系留气球系统数字孪生模型。系留气球数字孪生模型包括球体数字孪生模型、系留缆绳数字孪生模型、地面系留设施数字孪生模型、地面控制设备数字孪生模型、地面保障和配套设备数字孪生模型。

其中，球体数字孪生模型的构建过程为：创建球体空物体，将球体空物体的局部坐标系位置设置为球体重心坐标(系留状态下球体重心相对于系留塔底部重心点的坐标)，并将囊体模型、头锥模型、设备挂架模型、索具模型等随球体运动的模型加入到球体节点下，以实现球体的位姿变换能绕球体重心旋转，如图4所示为构建的球体数字孪生模型。

地面系留设施数字孪生模型的构建过程为：创建地面系留设施空物体，将地面系留设施空物体局部坐标系位置设置为世界坐标系的原点处，并将系留塔、承重框、水平横梁、防护室、控制室等随系留设备旋转的模型加入到系留设备物体节点下，以实现地面系留设施的旋转能够绕系留塔中心旋转，如图5所示为构建的地面系留设施数字孪生模型。

S23、在数字空间内，通过实时的工作状态数据驱动系留气球孪生模型可视化展示，实现系留气球球体的位姿仿真和地面系留设施的旋转仿真，对系留气球孪生模型进行全方位多视角可视化。具体包括：

地面控制中心和远程监控中心根据实时获取到的工作状态数据，在数字空间内，驱动系留气球孪生模型运动或可视化展示，实现系留气球球体的位姿仿真和地面系留设施旋转仿真、系留气球系统的全方位多视角可视化。

系留气球球体的位姿仿真包括位置仿真和姿态仿真。其中，位置仿真是指根据系留气球球体的经度、纬度和绝对高度计算出球体在世界坐标系中的位置坐标，并将该坐标设置给球体的局部坐标系位置，以实现系留气球球体位置的变换。姿态仿真是指将系留气球球体的俯仰角、横滚角和航向，设置给球体局部坐标系的欧拉角，以实现系留气球球体姿态的变换。

地面系留设施的旋转仿真是指根据获取到的防护舱方位数据(方位角)，设置地面系留设施局部坐标系的欧拉角，以实现地面系留设施的旋转变换。

系留气球的全方位多视角可视化是指：通过地面人员视角、球上跟随自由视角、固定视角，实现系留气球地面系留状态、放飞状态、空中系泊状态、回收状态、维修系固多状态下的系留气球孪生模型的可视化。

其中，地面人员视角主要模拟地面工作人员的视角，地面人员视角的方向可通过鼠标来控制，地面人员位置可通过键盘来控制位置的移动，该视角主要用于系留气球地面系留、维修系固，以及系留气球放飞和回收过程中处于近地面状态下系留气球状态的查看，如图6所示。

球上跟随自由视角主要用于系留气球处于空中系泊，以及系留气球放飞和回收过程中系留气球状态的查看，可以通过移动鼠标来实现系留气球全方位任意视角的查看，通过鼠标中键滚动来实现视口的放大缩小，以实现留气球系统局部细节的查看，如查看风机、阀门的工作状态，如图7所示。

固定视角是指通过设置几个固定的虚拟摄像头来监控系留气球的状态，主要用于系留气球处于空中系泊，以及系留气球放飞和回收过程中系留气球状态的监视，如图8所示。

S24、对工作状态数据进行综合显示，实现工作状态数据的可视化。

具体包括：

工作状态数据的可视化包括系留气球位姿状态、压力状态、温度信息、风速风向、缆绳状态、供电状态、工作状态、故障信息等的可视化。如图9所示界面左侧为位姿信息可视化界面，右侧为压力状态信息可视化界面。

S25、根据实时获取到的工作状态数据，对异常工作状态数据进行预警。具体包括：

根据实时获取到的工作状态数据，对异常工作状态数据进行预警，并根据工作状态数据实现系留气球系统的自动控制。其中，对异常工作状态数据进行预警包括碰撞监测告警、电源告警、姿态角告警、风速风向告警、缆绳张力告警、缆绳偏角告警、球体压力告警等；

S26、数字孪生监控端可以根据获取到的工作状态数据，向系留气球系统上的执行机构发送控制指令，实现系留气球系统的自动控制。

具体包括：

系留气球系统的自动控制主要是指风机、阀门、撕裂副等的开关控制，如压力过大时打开阀门放气，压力过小打开风机充气。

需要说明的是，在具体实施过程中，系留气球孪生模可视化展示和工作状态数据的可视化由数字孪生监控端的载体的显示屏实现。在本发明实施例中，数字孪生监控端为基于数字孪生的系留气球系统远程监控平台，如图9所示。该监控平台安装运行在计算机上。

传统的数字孪生一般仅实现了物理端到孪生端的数据映射，在本发明实施例中通过执行机构实现了孪生端到物理端的控制。

本发明实施例将数组孪生应用于产品实际运行的运行、维护阶段。将数字孪生技术应用于系留气球远程运维，主要解决传统系留气球系统可视化程度低、交互手段弱等问题，通过系留气球系统孪生模型，能够将系留气球系统的运行状态直观的展现出来，可视化程度高，用户可交互操作数字孪生三维模型。在本发明实施例中，将数字孪生技术应用于系留气球远程运维，有以下优势：

①对系留气球系统模型的设置，主要是对系留气球系统模型的层次结构进行调整，以及球体模型、地面系留设施局部坐标系的设置，以便于球体位姿仿真和地面系留设施旋转仿真。如原先球体的局部坐标系为系留塔底部中心处，很难将采集到的位置数据和姿态数据(俯仰角、横滚角、航向等)直接驱动球体来仿真，这中间需要进行一系列的坐标系转换，通常是4×4矩阵的运算，过程比较复杂。本发明实施例通过新建一个球体节点，并将球体节点的局部坐标系位置设置在球体重心处，这样可以直接将采集到的姿态数据赋值给球体的欧拉角，来实现球体的姿态仿真。

②地面人员视角、球上跟随自由视角的定义，本发明实施例根据键盘和鼠标的输入，来实时控制地面人员位置及视角的方向，根据鼠标的输入，来实现空中系留气球全方位任意视角及局部细节的查看。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、本发明实施例对系留气球孪生模型可视化展示，实现系留气球球体的位姿仿真和地面系留设施的旋转仿真，对系留气球孪生模型进行全方位多视角可视化，同时对处理后的关键数据进行可视化展示，从而实现了对系留气球的可视化监控，可视化程度高、交互效果好，保障了系留气球系统的运行安全。

2、本发明实施例能对异常的工作状态数据进行预警，并根据工作状态数据实现系留气球系统的自动控制，对运行过程中存在的重大安全隐患做出预警，从而实现了系留气球系统的远程运行状态监视和系留气球的自动控制，进一步保障了系留气球系统的运行安全。

需要说明的是，通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种系留气球系统数字孪生监控方法，其特征在于，包括：

在系留气球系统物理端：

在数字孪生监控端：

工作状态数据进行可视化展示；

根据获取到的工作状态数据，向系留气球系统上的执行机构发送控制指令，实现系留气球系统的自动控制；

其中，所述系留气球系统数字孪生模型包括：球体数字孪生模型、系留缆绳数字孪生模型、地面系留设施数字孪生模型、地面控制设备数字孪生模型、地面保障和配套设备数字孪生模型；

所述球体数字孪生模型的构建过程包括：

所述地面系留设施数字孪生模型的构建过程包括：

2.如权利要求1所述的一种系留气球系统数字孪生监控方法，其特征在于，所述系留气球系统数字孪生监控方法还包括：

3.如权利要求1所述的一种系留气球系统数字孪生监控方法，其特征在于，所述构建系留气球系统感知物联网，基于系留气球系统感知物联网获取系留气球系统关键数据，包括：

4.如权利要求3所述的一种系留气球系统数字孪生监控方法，其特征在于，所述关键运行状态信息包括：位置信息、姿态信息、压力信息、温度信息、风速风向信息、缆绳状态信息、供电信息和关键装置的工作状态信息。

5.如权利要求1所述的一种系留气球系统数字孪生监控方法，其特征在于，所述系留气球球体的位姿仿真包括位置仿真和姿态仿真；

6.如权利要求1所述的一种系留气球系统数字孪生监控方法，其特征在于，所述地面系留设施的旋转仿真包括：根据防护舱方位数据，设置地面系留设施局部坐标系的欧拉角，实现地面系留设施的旋转变换。

7.如权利要求1所述的一种系留气球系统数字孪生监控方法，其特征在于，所述基于系留气球系统关键数据构建系留气球系统数字孪生模型，包括：

8.如权利要求1所述的一种系留气球系统数字孪生监控方法，其特征在于，所述对系留气球孪生模型进行全方位多视角可视化中的视角包括：地面人员视角、球上跟随自由视角和固定视角。