CN112084385B - 一种基于数字孪生的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图生成方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于数字孪生的零件‑工艺‑设备关联关系拓扑视图生成方法，首先构建物理空间工厂端、物理空间客户端、虚拟空间、实时数据库及管理系统，而后根据实时获取的孪生数据以及零件、工艺、设备间的关联关系由管理系统生成面向不同对象的可视化管理视图；本发明基于数字孪生对物理空间的整个加工过程进行实时监控，及时更新相关生产信息并反映至可视化管理视图中，同时通过数字孪生虚拟模型及时制定修正后的调度计划，对于提高工厂生产效率意义重大。

Description

一种基于数字孪生的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图生成 方法
技术领域
本发明涉及面向生产阶段管理拓扑技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图生成方法。
背景技术
在工厂生产阶段，不同类型的工作人员往往有不同的工作需要，不同工作人员所注重的信息存在着较大差别。如生产调度人员注重每个零件的加工流程、加工工序、加工设备、加工时间等，以便安排加工调度计划；工艺制定人员则更关注如何基于已有零件为当前零件，进而制定工艺工序；设备操作人员则关心所管设备需要处理的零件或工序，以便更好地管理。故为不同工作人员提供不同形态、不同侧重点的可视化管理视图，对于整个生产阶段的管理有很大益处。
除此之外，整个加工过程是实时动态演化，生产过程中可能出现诸如加工设备故障导致生产过程中断，或者临时加入插单生产的零件将导致生产阶段计划需要作出改变等的情况。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于数字孪生的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图生成方法，以解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种基于数字孪生的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图生成方法，首先构建物理空间工厂端、物理空间客户端、虚拟空间、实时数据库及管理系统，而后根据实时获取的孪生数据以及零件、工艺、设备间的关联关系由管理系统生成面向不同对象的可视化管理视图，具体步骤如下：
1)获取基于数字孪生的生产过程实时信息
物理空间工厂端包括原材料、仓库、零件、工作人员、设备等，零部件、原材料的库存信息，设备与工作人员的状态信息，当前的生产计划信息，生产过程中设备故障、插单生产零件的信息，前述信息利用各种传感器进行实时采集并输入至实时数据库保存，并最终作用在虚拟空间的优化分析中与管理系统的可视化视图生成过程中；
物理空间客户端包括客户及客户购买的产品，客户提出的相关产品需求信息，客户对已购买产品的维修、回收等售后需求信息，均将存储在实时数据库中并作为约束参与生产计划的制定，并最终影响可视化管理视图所展示的信息；
2)对获取的信息进行数字化处理
虚拟空间用于对物理空间工厂端和物理空间客户端获取的信息进行数字化处理，并建立有零部件的属性模型、关系模型、三维模型，并将建立的零件模型作为可视化管理视图所需展示信息的其中一部分；同时虚拟空间还建立有为生产管理过程作出决策的检索模型与生产调度模型，并将决策信息反作用至物理空间工厂端，以达到调整生产计划的目的；同时随着决策的变更，相关零件、工艺、设备等信息也将发生变化，表现为生产过程中零件的改变、加工工序的调整、加工设备加工任务的变化，前述变更均将在面向不同工作人员的可视化管理视图中体现；
3)实时调用参数生成面向不同对象的可视化管理视图
实时数据库用于对整个生产管理工程中所需要的实时数据与孪生数据进行储存，并供物理空间工厂端、物理空间客户端、虚拟空间、管理系统按需调用，是整个生产过程数据的中转站；
管理系统调用实时数据库的实时数据，为不同对象提供不同类型的可视化交互管理界面，生成可视化的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图，同时提供检索功能，并将检索结果存入实时数据库中；
零件-工艺-设备关联关系拓扑视图包括面向零件的关联关系拓扑视图、面向工艺的关联关系拓扑视图、面向设备的关联关系拓扑视图三类可视化管理视图，分别以零件、工艺、设备其中一类为出发节点，以其它两类作为中间节点与终止节点，形成不同的视图结构，以适应不同工作人员的不同工作需求；
在上述所有步骤中，物理空间与虚拟空间实时交互产生的各项数据，均需及时地在可视化管理视图中进行更新，进而保证所展示信息的时效性。
在本实施例中，生成面向不同对象的可视化管理视图，具体流程如下：
步骤a：对零件-工艺-设备关联关系建模
通过数组表达式对零件、工艺以及设备间的关联状态进行表达，该数组表达式包括零件、工艺、设备及零件的加工特征、加工特征在加工设备上的耗时等，数组表达式如下：
P＝{Pi|i∈[1,I]}
Pi＝{(Aj,Tik,Ms,tiks)|j∈[1,J],k∈[1,K],s∈[1,S]}
其中，Pi表示零件i，Aj表示工艺j，Ms表示设备s，Tik表示零件i的第k个加工特征，tiks表示零件i的第k个加工特征在设备s上的加工耗时；
该零件-工艺-设备关联关系模型携带有用于加工调度决策的相关约束信息，虚拟空间的生产调度模型可调用其相关数据实现实时的生产调度优化以适应当前生产情况；
步骤b：构建零件-工艺-设备之间两两关联关系矩阵
根据步骤a)构建的零件-工艺-设备关联关系模型对零件、工艺、设备之间有无关联进行定义，存在关联即将矩阵对应的元素记为1，不存在关联即将其记为0；只要零件存在某种加工工艺，则在对应矩阵中记该零件与工艺对应的元素值为1，反之则为0；同理只要某工艺能在某机床上加工，则在对应矩阵中记该工艺与设备对应的元素值为1，反之则为0；只要某零件需要在某机床上加工，则在对应矩阵中记该零件与设备对应的元素值为1；反之则为0；
步骤c：构建零件-工艺-设备关联关系邻接矩阵
在步骤b)构建的零件-工艺-设备之间两两关联关系矩阵基础上将零件与设备间的关联关系去掉，构建以工艺为纽带达到建立零件与设备间联系的零件-工艺-设备关联关系邻接矩阵；其目的是让生成的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图中的零件节点与工艺节点相连，工艺节点又与设备节点相连，呈现以工艺为纽带达到建立零件与设备间联系的效果，而不至于因为矩阵中存在零件与设备间关联而使得所生成的视图出现闭环，造成视图过于混乱；
步骤d：生成零件-工艺-设备关联关系拓扑视图
根据步骤c)构建的零件-工艺-设备关联关系邻接矩阵，生成零件-工艺-设备关联关系拓扑视图，同时分别为零件、工艺、设备设置标志符，通过标志符使零件、工艺、设备能以不同的节点形状在拓扑视图中显示，并在各节点显示名称标签，该视图是面向企业内部所有待加工的零件，故拓扑视图规模较大，并不适合生产过程的管理；
步骤e：基于广度优先遍历算法(BFS)生成面向不同对象的拓扑子图
在步骤d)基础上，根据某一工作时间区间内生产过程所涉及的零件对生成的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图规模进行缩减，同时基于广度优先遍历算法生成面向不同对象的零件-工艺-设备关联关系拓扑子视图。
在本发明中，所述步骤e)中，零件-工艺-设备关联关系拓扑子视图生成步骤如下：
定位到需要查看分析的零件并将其作为出发节点，进行广度优先遍历寻找与其存在关联的邻层节点，再根据邻层节点继续遍历至下一层节点，最终完成遍历得到规模缩减后的零件-工艺-设备关联关系拓扑子视图，上述操作后得到的拓扑子视图仍存在冗余，需要进一步基于零件-工艺-设备关联关系模型，将拓扑子视图中不应该存在的路径进行剔除；所述路径即表示该拓扑视图中零件、工艺、设备的节点经由边形成的各条链，未剔除冗余前的拓扑视图，其所示各路径并不都是可行，一条可行路径应该符合关联关系模型，即该零件存在该工艺并能在该设备上加工，所述不应该存在的路径，即不可行路径，则是指拓扑子视图中存在某条路径，但在关联关系模型中并不存在此种情况。
在本发明中，所述管理系统的可视化交互管理界面向各拓扑视图提供右键属性功能，以弹出相应的属性对话框，对话框中显示零件、工艺、设备相应的属性信息，供工作人员使用；同一节点在面向不同对象的关联关系拓扑子视图中其属性对话框所展现的信息也略有不同，根据不同拓扑视图的特点以及管理需要附加相应的个性化属性信息。
有益效果：
1、本发明通过设置传感器实时获取物理空间工厂端生产过程以及物理空间客户端的相关数据，并实时反馈至虚拟空间的各种虚拟模型中，以实现虚拟模型的实时更新与实时优化决策；
2、本发明以管理系统作为工作人员与物理空间、虚拟空间的交互界面，通过生成可视化的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图使生产过程中工作人员对零件、工艺、设备间的相关状态了解更为清晰；
3、本发明基于数字孪生对物理空间的整个加工过程进行实时监控，及时更新相关生产信息并反映至可视化管理视图中，同时通过数字孪生虚拟模型及时制定修正后的调度计划，对于提高工厂生产效率意义重大。
附图说明
图1为本发明实施例中的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图构建机制图。
图2为本发明实施例中的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图生成流程图。
图3为本发明实施例中的零件-工艺-设备两两关联关系矩阵示意图。
图4为本发明实施例中的零件-工艺-设备关联关系邻接矩阵示意图。
图5～图8为本发明实施例中的面向不同对象的零件-工艺-设备关联关系图拓扑子视图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白清晰，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
一种基于数字孪生的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图生成方法，首先构建物理空间工厂端、物理空间客户端、虚拟空间、实时数据库及管理系统，而后根据实时获取的孪生数据以及零件、工艺、设备间的关联关系由管理系统生成面向不同对象的可视化管理视图，具体步骤如下：
1)获取基于数字孪生的生产过程实时信息
物理空间工厂端包括原材料、仓库、零件、工作人员、设备等，零部件、原材料的库存信息，设备与工作人员的状态信息，当前的生产计划信息，生产过程中设备故障、插单生产零件的信息，前述信息利用各种传感器进行实时采集并输入至实时数据库保存，并最终作用在虚拟空间的优化分析中与管理系统的可视化视图生成过程中；
物理空间客户端包括客户及客户购买的产品，客户提出的相关产品需求信息，客户对已购买产品的维修、回收等售后需求信息，均将存储在实时数据库中并作为约束参与生产计划的制定，并最终影响可视化管理视图所展示的信息；
2)对获取的信息进行数字化处理
虚拟空间用于对物理空间工厂端和物理空间客户端获取的信息进行数字化处理，包括零部件的属性模型、关系模型、三维模型等，作为可视化管理视图所需展示信息的其中一部分；除此之外，虚拟空间还包括检索模型、生产调度模型等为生产管理过程作出决策，并将决策信息反作用至物理空间工厂端，以达到调整生产计划的目的；同时随着决策的变更，相关零件、工艺、设备等信息也将发生变化，表现为生产过程中零件的改变、加工工序的调整、加工设备加工任务的变化，此些变更都将在面向不同工作人员的可视化管理视图中体现；
3)实时调用参数生成面向不同对象的可视化管理视图
实时数据库用于对整个生产管理工程中所需要的实时数据与孪生数据进行储存，并供物理空间工厂端、物理空间客户端、虚拟空间、管理系统按需调用，是整个生产过程数据的中转站；
管理系统为不同对象提供不同类型的可视化交互管理界面，包括面向零件的关联关系拓扑视图、面向工艺的关联关系拓扑视图、面向设备的关联关系拓扑视图三类可视化管理视图，分别以零件、工艺、设备其中一类为出发节点，以其它两类作为中间节点与终止节点，形成不同的视图结构，以适应不同工作人员的不同工作需求；各视图提供右键属性功能，通过点击视图中对应的节点展开各节点对象的各项属性信息，同类型节点在不同类型的视图中有不同的属性，根据工作需要提供个性化的信息；此外该管理系统还提供零件、工艺等检索功能，方便定位至相似零件、工艺作为模板以供管理过程为新零件制定工序；
生成面向不同对象的可视化管理视图，具体流程如下：
步骤a：对零件-工艺-设备关联关系建模
通过数组表达式对零件、工艺以及设备间的关联状态进行表达，该数组表达式包括零件、工艺、设备及零件的加工特征、加工特征在加工设备上的耗时等，数组表达式如下：
P＝{Pi|i∈[1,I]}
Pi＝{(Aj,Tik,Ms,tiks)|j∈[1,J],k∈[1,K],s∈[1,S]}
其中，Pi表示零件i，Aj表示工艺j，Ms表示设备s，Tik表示零件i的第k个加工特征，tiks表示零件i的第k个加工特征在设备s上的加工耗时；
该零件-工艺-设备关联关系模型携带有用于加工调度决策的相关约束信息，虚拟空间的生产调度模型可调用其相关数据实现实时的生产调度优化以适应当前生产情况；
步骤b：构建零件-工艺-设备之间两两关联关系矩阵
如图3所示，零件-工艺关联关系矩阵M(P-A)表示零件与工艺的关联关系，若某零件需要进行某种加工工艺，则矩阵对应的元素为1，反之则为0；工艺-设备关联关系矩阵M(A-M)表示工艺与设备的关联关系，若某工艺能在某设备上加工，则矩阵对应的元素为1，反之则为0；零件-设备关联关系矩阵M(P-M)表示零件与设备的关联关系，若某零件存在能在某设备上加工的工艺，则说明该零件可以在该设备上进行一部分加工，矩阵对应的元素为1，反之则为0；
步骤c：构建零件-工艺-设备关联关系邻接矩阵
如图4所示，邻接矩阵的每行每列分别代表各种零件、各种工艺以及各种设备，矩阵中包含零件与工艺间的关联关系以及工艺与设备间的关联关系，其中未包含零件-设备的关联关系，故零件-设备对应的元素为0，其它零件与零件、工艺与工艺、设备与设备对应的元素也都为0，这样构造出来的邻接矩阵能以工艺为纽带，以达到联系零件与设备的作用，生成的拓扑图富有层次性，若在矩阵中加入零件-设备的关联关系则将使生成的拓扑图存在过多的边，以致过于杂乱；
步骤d：生成零件-工艺-设备关联关系拓扑视图
根据步骤c构建的零件-工艺-设备关联关系邻接矩阵进行零件-工艺-设备关联关系拓扑视图生成，分别设置标志符，零件为P、工艺为A、设备为M，通过标志符使零件、工艺、设备能以不同的节点形状在拓扑视图中显示，并在各节点显示名称标签，该视图是面向企业内部所有待加工的零件，故拓扑视图规模较大，并不适合生产过程的管理；
步骤e：基于广度优先遍历算法(BFS)生成面向不同对象的拓扑子图
在步骤d的基础上，根据某一工作时间区间内生产过程所涉及的零件对生成的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图规模进行缩减，为了在生产过程中，工作人员能够对单个零件与工艺和设备的关联情况、单条工艺与零件和设备的关联情况、单台设备与工艺和零件的关联情况，以及各类节点的详细信息进行查看分析，生成面向不同对象的零件-工艺-设备关联关系拓扑子视图；
图5～图8所示，整个零件-工艺-设备关联关系拓扑图包括所有零件、工艺、设备的关联关系，其规模是相当庞大，也是不利于观察；因此保留关联关系拓扑图中待观察的对象节点并去除与待观察对象无关的节点是及其必要，即根据待观察对象派生出不同的子图，从待观察的目标节点出发进行广度优先遍历，得到与其有关联关系的邻层节点，再搜索与邻层节点有关联关系的下一层节点，最终根据遍历到的关联节点生成邻接矩阵以派生出相应的子图；由于根据观察节点类型的不同，派生的子图形式也有不同，故分为面向零件的关联关系拓扑图、面向工艺的关联关系拓扑图、面向设备的关联关系拓扑图；
广度优先遍历后得到的拓扑子视图仍存在冗余，需要进一步基于零件-工艺-设备关联关系模型，将拓扑子视图中不应该存在的路径进行剔除，例如：若存在零件1、零件2均有工艺1，而工艺1可在设备1、设备2加工，但是零件1的工艺1只能在设备1上加工，零件2的工艺1只能在设备2上加工，在这类情况下，直接通过BFS生成的面向零件1的子拓扑图中就可能会存在设备2，即存在不应该存在的路径：零件1-工艺1-设备2，故需要根据零件-工艺-设备关系模型中存储的每组零件、工艺、设备信息，将拓扑视图中冗余路径剔除；
在管理系统的可视化交互管理界面向各拓扑视图提供右键属性功能，以弹出相应的属性对话框，对话框中显示零件、工艺、设备相应的属性信息，供工作人员使用；同一节点在面向不同对象的关联关系拓扑子视图其属性对话框所展现的信息也略有不同，根据不同拓扑视图的特点以及管理需要附加相应的个性化属性信息；
在上述所有步骤中，物理空间与虚拟空间实时交互产生的各项数据，均需及时地在可视化管理视图中进行更新，进而保证所展示信息的时效性。

Claims (4)

1.一种基于数字孪生的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图生成方法，其特征在于，首先构建物理空间工厂端、物理空间客户端、虚拟空间、实时数据库及管理系统，而后根据实时获取的孪生数据以及零件、工艺、设备间的关联关系由管理系统生成面向不同对象的可视化管理视图，具体步骤如下：
1)获取基于数字孪生的生产过程实时信息
物理空间工厂端包括工厂原材料、仓库、零件、工作人员、设备的库存信息，设备与工作人员的状态信息，当前的生产计划信息，生产过程中设备故障、插单生产零件的信息，并将获取的实时信息输入至实时数据库保存；
物理空间客户端包括客户及客户购买的产品，客户提出的相关产品需求信息，客户对已购买产品的售后需求信息，并将获取的实时信息存储在实时数据库中；
2)对获取的信息进行数字化处理
虚拟空间用于对物理空间工厂端和物理空间客户端获取的信息进行数字化处理，并建立有零部件的属性模型、关系模型、三维模型；同时虚拟空间还建立有为生产管理过程作出决策的检索模型与生产调度模型，并将决策信息反作用至物理空间工厂端；
3)实时调用参数生成面向不同对象的可视化管理视图
实时数据库用于对整个生产管理工程中所需要的实时数据与孪生数据进行储存，并供物理空间工厂端、物理空间客户端、虚拟空间、管理系统按需调用；
管理系统调用实时数据库的实时数据，为不同对象提供不同类型的可视化交互管理界面，生成可视化的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图，同时提供检索功能，并将检索结果存入实时数据库中；
所述生成面向不同对象的可视化管理视图，具体流程如下：
步骤a：对零件-工艺-设备关联关系建模
由数组表达式对零件、工艺以及设备间的关联状态进行表达建模，该数组表达式包括零件、工艺、设备及零件的加工特征、加工特征在加工设备上的耗时；
步骤b：构建零件-工艺-设备之间两两关联关系矩阵
根据步骤a)构建的零件-工艺-设备关联关系模型对零件、工艺、设备之间有无关联进行定义，存在关联即将矩阵对应的元素记为1，不存在关联即将其记为0；只要零件存在某种加工工艺，则在对应矩阵中记该零件与工艺对应的元素值为1，反之则为0；同理只要某工艺能在某机床上加工，则在对应矩阵中记该工艺与设备对应的元素值为1，反之则为0；只要某零件需要在某机床上加工，则在对应矩阵中记该零件与设备对应的元素值为1；反之则为0；
步骤c：构建零件-工艺-设备关联关系邻接矩阵
在步骤b)构建的零件-工艺-设备之间两两关联关系矩阵基础上将零件与设备间的关联关系去掉，构建以工艺为纽带达到建立零件与设备间联系的零件-工艺-设备关联关系邻接矩阵；
步骤d：生成零件-工艺-设备关联关系拓扑视图
根据步骤c)构建的零件-工艺-设备关联关系邻接矩阵，生成零件-工艺-设备关联关系拓扑视图，同时分别为零件、工艺、设备设置标志符，通过标志符使零件、工艺、设备能以不同的节点形状在拓扑视图中显示，并在各节点显示名称标签；
步骤e：基于广度优先遍历算法生成面向不同对象的拓扑子图
在步骤d)基础上，根据某一工作时间区间内生产过程所涉及的零件对生成的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图规模进行缩减，同时基于广度优先遍历算法生成面向不同对象的零件-工艺-设备关联关系拓扑子视图；
在上述所有步骤中，物理空间与虚拟空间实时交互产生的各项数据，均需及时地在可视化管理视图中进行更新，进而保证所展示信息的时效性。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图生成方法，其特征在于，步骤e)中，所述零件-工艺-设备关联关系拓扑子视图生成步骤如下：
定位到需要查看分析的零件并将其作为出发节点，进行广度优先遍历寻找与其存在关联的邻层节点，再根据邻层节点继续遍历至下一层节点，最终完成遍历得到规模缩减后的零件-工艺-设备关联关系拓扑子视图，并核对零件-工艺-设备关联关系拓扑子视图中的关联关系同时剔除冗余路径。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图生成方法，其特征在于，所述生成的零件-工艺-设备关联关系拓扑子视图包括面向零件的关联关系拓扑视图、面向工艺的关联关系拓扑视图、面向设备的关联关系拓扑视图三类可视化管理视图。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的零件-工艺-设备关联关系拓扑视图生成方法，其特征在于，步骤a)中，所述数组表达式如下：
P＝{Pi|i∈[1,I]}
Pi＝{(Aj,Tik,Ms,tiks)|j∈[1,J],k∈[1,K],s∈[1,S]}
其中，Pi表示零件i，Aj表示工艺j，Ms表示设备s，Tik表示零件i的第k个加工特征，tiks表示零件i的第k个加工特征在设备s上的加工耗时。
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