CN111931347A - 基于特征数据动态反演机电设备的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于特征数据动态反演机电设备的系统及方法，主要包括数据记录单元、数据处理与通信接口、专用嵌入式过程控制单元、三维重构软件和视景模拟软件，本发明通过数据驱动实现复杂机电设备状态的反演，比视频监控的表面现象信息量各加准确、丰富，比通过查看数据来识别设备状态更加直观和联动，反演的结果可以帮助设备使用者从原理上全面理解设备的运行过程，实现数字孪生和平行监控，可广泛应用于故障诊断、状态监测等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种计算机仿真技术、三维建模技术和视景仿真技术，具体涉及一种基于特征数据动态反演机电设备的系统及方法。
背景技术
机电液装备在各行各业中的应用普遍存在，对于普通的机电液系统，通常的使用方法比较简单，其运行过程不会存在太大风险。但在一些大型机电液项目中，机械、液压、控制系统是高度耦合的，任意环节出现问题都有可能引起系统瘫痪，乃至引起整机出现更严重、更复杂的故障，引发问题的原因可能是单个子系统内部出现故障，也有可能是子系统之间的耦合出现问题。无论是哪种情况，实际运行过程中，必然先进入应急模式处理问题。从而导致对故障发生时情况的记录缺失，无法对已发生故障进行有效总结。
目前国内外的研究机构主要使用现场数据、音视频记录的方式对实际过程进行记录，这其中存在许多问题，主要包括：1)大量的专业数据需要具备相应专业知识的专家查看分析，在问题定位之前，需要聚集多位专家共同讨论；2)不同领域的专家缺乏高效的相互沟通、理解的手段，很难从数据、图表中表达出自身的想法；3)固定位置的摄像头不足以拍摄装备全景，故障可能发生在视线被遮挡区域或监控死角。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于特征数据动态反演机电设备的系统及方法，以现场实际过程数据为基础，可以实现对历史现场的复现，可以支持在专用嵌入式过程控制单元上复现操作输入，在虚拟仿真实景下观察装备空间位姿与相应的状态参数。视景仿真软件内包含机电液设备全部三维模型，支持以任意视角查看设备状态。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：一种基于特征数据动态反演机电设备的系统，主要包括数据记录单元、数据处理与通信接口、专用嵌入式过程控制单元、三维重构软件和视景模拟软件，其中，
所述的数据记录单元即实际过程中所使用的数据记录单元，保存有现场实际过程的装备数据；
所述的数据处理与通信接口包含两个组件，即数据处理模块与网络通信模块，所述的数据处理模块即可实现从数据记录单元提取、分析、处理数据，所述的网络通信模块即可实现将处理后的数据发送至专用嵌入式过程控制单元、三维重构软件与视景模拟软件；所述的数据处理与通信接口，主要实现动态反演过程中的数据处理与传输，数据处理模块可区分装备历程数据中的操作数据与装备状态数据，通过网络通信模块将操作数据发送至专用嵌入式过程控制单元，将装备状态数据发送至三维重构软件与视景模拟软件。
所述的专用嵌入式过程控制单元内包含实际过程的控制软件，同时支持数据的反向显示，即可实现对实际过程中的操作数据进行显示；所述的专用嵌入式过程控制单元，与实际过程中所使用的过程控制单元完全一致，在设计阶段即考虑了数据反向显示的功能，即可在动态反演的过程中输入历史操作数据，在终端界面上复现用户操作。
所述的三维重构软件内包含物理引擎，即可根据关键编码器数据解算模型的位置与姿态；
所述的视景模拟软件内包含被控的机电液装备的三维结构模型，即可实现对实际过程中的装备状态进行三维虚拟实景复现，形成与实际设备动作一致的动态反演效果。所述的视景模拟软件，内部建立了实际的三维模型，并设计了三维模型的图形渲染程序、装备状态参数与对应模型的空间叠加显示关系，可以根据从三维重构软件传递的模型姿态数据与从网络通信模块传递的装备状态数据形成包含参数直观显示的机电设备虚拟三维视景。
更进一步的，所述的数据处理与通信接口、三维重构软件和视景模拟软件布置在一台或多台高性能计算机内，相互之间通过网络通信方式实时交换数据和状态信息。
本发明同时公开了一种基于特征数据动态反演机电设备的方法，该方法包括如下步骤：通过读取实际过程的装备数据，系统中的嵌入式过程控制单元复现实际过程中的用户操作，通过三维重构软件解算模型的位置与姿态，视景模拟软件复现实际过程中的三维实景，并按照统一时间轴连续复现，实现可视化动态反演。
更进一步的，所述的动态反演方法主要由数据记录单元、数据处理与通信接口、专用嵌入式过程控制单元、三维重构软件和视景模拟软件组成；所述的数据记录单元与三维重构软件是保证可视化动态反演得以实现的关键。所述的数据记录单元保存有实际过程中的装备历程数据，所述的三维重构软件包含大量已完成解算的机械、液压仿真数据，通过提取特征参数(一般是重要编码器参数)进行比对计算，计算出此时刻概率最大的模型状态，以此作为三维重构及动态反演的基础。
本发明的有益效果为：本发明通过数据驱动实现复杂机电设备状态的反演，比视频监控的表面现象信息量各加准确、丰富，比通过查看数据来识别设备状态更加直观和联动，反演的结果可以帮助设备使用者从原理上全面理解设备的运行过程，实现数字孪生和平行监控，可广泛应用于故障诊断、状态监测等领域。
附图说明
图1为基于特征数据动态反演方法的基本结构示意图。
图2为三维重构软件进行特征值比对的工作原理图。
图3为基于特征数据动态反演方法的使用方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1给出了基于特征数据动态反演方法的基本结构，系统主要由数据记录单元、数据处理与通信接口、专用嵌入式过程控制单元、三维重构软件、视景模拟软件组成。
数据记录单元主要用来保存实际过程的装备历程数据，供动态反演过程使用。
数据处理与通信接口由数据处理模块、网络通信模块构成，数据处理模块主要实现从实际过程的装备历程数据中提取用户操作数据与装备状态数据，网络通信模块将用户操作数据传递至专用嵌入式过程控制单元，将装备状态数据传递至三维重构软件与视景模拟软件。
专用嵌入式过程控制单元主要用来复现用户的操作情况，根据实际过程中所记录的用户操作相关数据，解析对应的界面、按钮按下状态，复现当时的用户操作状态。
三维重构软件主要用来复现机电设备的空间位姿状态，推算指定时刻的机电设备的模型位置姿态。视景模拟软件主要实现虚拟视景构建，依据三维重构软件提供的模型位姿数据与网络通信模块提供的装备状态数据合成一个包含参数显示的虚拟三维实景环境。
图2为三维重构软件进行特征值比对的工作原理，相关数据主要包含现场实际过程的历史数据与依据实际机电设备建模并且已完成解算的仿真结果数据。
在三维重构软件中存储有大量依据实际机电设备进行仿真的有效仿真结果，仿真解算结果包含机电设备全流程动作中数据记录所记录的全部参数，用于在动态反演过程中使用。动态反演过程中，在三维重构软件中拟定与装备状态关联性较高的N个特征参数，从现场实际数据中分别提取这些特征参数与仿真数据中对应值进行循环遍历比对，将各个特征参数的比对结果通过比对融合算法(可以是取平均值)进行百分比换算，计算各个仿真结果的发生概率，选取概率最大即相似度最高的仿真结果，作为下一步骤的输入参数。
图3为基于特征数据动态反演方法的使用方式。部分设备可直接使用机电系统原有设备，部分模块需要在新增设备上运行。
在动态反演过程中可直接使用的机电系统原有设备主要包含专用嵌入式过程控制单元、数据记录单元、网络交换机，并且可按照在实际过程中网络配置将它们组网使用。
需新增的模块主要包含数据处理与通信接口、三维重构软件、视景模拟软件，此三个模块通过网络通信交换数据，可将数据处理与通信接口连接到网络交换机上，由数据处理与通信接口完成大部分数据的传递工作。此外，由于模型位姿数据的数据量十分庞大，可由三维重构软件直接传递至视景模拟软件，提高动态反演过程的效率。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于特征数据动态反演机电设备的系统，其特征在于：主要包括数据记录单元、数据处理与通信接口、专用嵌入式过程控制单元、三维重构软件和视景模拟软件，其中，
所述的数据记录单元即实际过程中所使用的数据记录单元，保存有现场实际过程的装备数据；
所述的数据处理与通信接口包含两个组件，即数据处理模块与网络通信模块，所述的数据处理模块即可实现从数据记录单元提取、分析、处理数据，所述的网络通信模块即可实现将处理后的数据发送至专用嵌入式过程控制单元、三维重构软件与视景模拟软件；
所述的专用嵌入式过程控制单元内包含实际过程的控制软件，同时支持数据的反向显示，即可实现对实际过程中的操作数据进行显示；
所述的三维重构软件内包含物理引擎，即可根据关键编码器数据解算模型的位置与姿态；
所述的视景模拟软件内包含被控的机电液装备的三维结构模型，即可实现对实际过程中的装备状态进行三维虚拟实景复现，形成与实际设备动作一致的动态反演效果。
2.根据权利要求1所述的基于特征数据动态反演机电设备的系统，其特征在于：所述的数据处理与通信接口、三维重构软件和视景模拟软件布置在一台或多台高性能计算机内，相互之间通过网络通信方式实时交换数据和状态信息。
3.一种基于特征数据动态反演机电设备的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：通过读取实际过程的装备数据，系统中的嵌入式过程控制单元复现实际过程中的用户操作，通过三维重构软件解算模型的位置与姿态，视景模拟软件复现实际过程中的三维实景，并按照统一时间轴连续复现，实现可视化动态反演。
4.根据权利要求3所述的基于特征数据动态反演机电设备的方法，其特征在于：所述的三维重构软件包含大量已完成解算的机械、液压仿真数据，通过提取特征参数进行比对计算，计算出此时刻概率最大的模型状态，以此作为三维重构及动态反演的基础。
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2020
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