CN112507569A

CN112507569A - 一种数字孪生系统

Info

Publication number: CN112507569A
Application number: CN202011559041.6A
Authority: CN
Inventors: 周凯; 王超峰; 邓毅; 杜明利; 应豪杰; 周祥
Original assignee: Kunshan Laishige Industrial Technology Co ltd
Current assignee: Kunshan Laishige Industrial Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-03-16

Abstract

本发明公开了一种数字孪生系统，包括物理实体、虚拟实体，所述物理实体通过连接与所述虚拟实体信号相连，包括孪生数据、服务模块，所述孪生数据、服务模块、物理实体、虚拟实体通过连接相互连通形成一个整体。通过设置五维数字孪生模型的使用，平台可适应不同行业，不同层次用户，比如终端现场操作人员、专业技术人员、管理决策人员、及产品终端用户等的需求，且能适配不同业务的应用需求。

Description

一种数字孪生系统

技术领域

本发明涉及数字孪生领域，特别是涉及一种数字孪生系统。

背景技术

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，目前在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。目前在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造领域。

现有的数字孪生模块紧紧是一个与物理模型相匹配的单一模型，该模型在使用中存在调度困难，匹配性差的问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种数字孪生系统，通过设置孪生数据和服务两个模块，可以使得平台能用于不同领域用户，提高数字孪生模型的应用范围和应用便捷性。

本发明采用的技术方案如下：

一种数字孪生系统，包括物理实体、虚拟实体，所述物理实体通过连接与所述虚拟实体信号相连，其特征在于：包括孪生数据、服务模块，所述孪生数据、服务模块、物理实体、虚拟实体通过连接相互连通形成一个整体，表达函数如式(1)所示：

M_DT＝(PE,VE,Ss,DD,CN) (1)

式中：PE表示物理实体，VE表示虚拟实体，所述虚拟实体用于从多维度、多空间尺度、及多时间尺度对物理实体进行刻画和描述；Ss表示服务，DD表示孪生数据，CN表示各组成部分间的连接，所述连接用于物理实体、虚拟实体、服务及数据之间的普适工业互联，所述连接用于实现虚实实时互联与融合。

进一步地，本发明公开了一种数字孪生系统的优选结构，所述服务包括功能性服务和业务性服务，所述功能性服务为所述业务性服务提供运行支撑；所述服务用于对数字孪生应用过程中所需各类数据、模型、算法、仿真、结果进行服务化封装。

进一步地，所述功能性服务包括：①面向VE提供的模型管理服务，包括建模仿真服务、模型组装与融合服务、模型VV&A服务、模型一致性分析服务；②面向DD提供的数据管理与处理服务，包括数据存储、封装、清洗、关联、挖掘、融合服务；③面向CN提供的综合连接服务，包括数据采集服务、感知接入服务、数据传输服务、协议服务、接口服务。

进一步地，所述业务性服务包括：①面向终端现场操作人员的操作指导服务，包括虚拟装配服务、设备维修维护服务、工艺培训服务；②面向专业技术人员的专业化技术服务，包括能耗多层次多阶段仿真评估服务、设备控制策略自适应服务、动态优化调度服务、动态过程仿真服务；③面向管理决策人员的智能决策服务，包括需求分析服务、风险评估服务、趋势预测服务；④面向终端用户的产品服务，包括用户功能体验服务、虚拟培训服务、远程维修服务。

进一步地，所述孪生数据DD包括PE数据(D_p)，VE数据(D_v)，Ss数据(D_s)，知识数据(D_k)，及融合衍生数据(D_f)，如式(2)所示：

DD＝(D_p,D_v,D_s,D_k,D_f) (2)。

进一步地，所述D_p包括PE规格、功能、性能、关系的物理要素属性数据与反映PE运行状况、实时性能、环境参数、突发扰动的动态过程数据，D_p通过包括传感器、嵌入式系统、数据采集卡进行采集。

进一步地，所述D_v包括VE相关数据，包括几何模型相关数据、物理模型相关数据、行为模型相关数据、规则模型相关数据；所述几何模型相关数据包括几何尺寸、装配关系、位置；所述物理模型相关数据包括材料属性、载荷、特征；所述行为模型相关数据包括驱动因素、环境扰动、运行机制；所述规则模型相关数据包括约束、规则、关联关系；所述D_v包括基于几何模型相关数据、包括物理模型相关数据、行为模型相关数据、规则模型开展的过程仿真、行为仿真、过程验证、评估、分析、预测的仿真数据。

进一步地，所述D_s包括功能性服务相关数据和业务性服务相关数据，所述功能性服务相关数据包括算法、模型、数据处理方法，所述业务性服务相关数据包括企业管理数据，生产管理数据，产品管理数据、市场分析数据。

进一步地，所述D_k包括专家知识、行业标准、规则约束、推理推论、常用算法库与模型库。所述D_f是对D_p，D_v，D_s，D_k进行数据转换、预处理、分类、关联、集成、融合相关处理后得到的衍生数据，所述D_f通过融合物理实况数据与多时空关联数据、历史统计数据、专家知识得到信息物理融合数据。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.通过设置五维数字孪生模型的使用，平台可适应不同行业，不同层次用户，比如终端现场操作人员、专业技术人员、管理决策人员、及产品终端用户等的需求，且能适配不同业务的应用需求。

2.通过设置五维数字孪生模型，可达到如下效果：

①虚拟装配、设备维护、工艺调试等物理现场操作指导服务需求；

②复杂生产任务动态优化调度、动态制造过程仿真、复杂工艺自优化配置、设备控制策略自适应调整等专业化技术服务需求；

③数据可视化、趋势预测、需求分析与风险评估等智能决策服务需求；

④面向产品终端用户功能体验、沉浸式交互、远程操作等“傻瓜式”和便捷式服务需求。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如附图1所示，本发明公开了一种数字孪生系统的优选实施方式，

一种数字孪生系统，包括物理实体、虚拟实体，所述物理实体通过连接与所述虚拟实体信号相连，包括孪生数据、服务模块，所述孪生数据、服务模块、物理实体、虚拟实体通过连接相互连通形成一个整体，表达函数如式(1)所示：

M_DT＝(PE,VE,Ss,DD,CN) (1)

通过采用数字孪生技术，实现数字孪生应用过程中所需各类数据、模型、算法、仿真、结果等的服务化。

所述M_DT是一个通用的参考架构，能适用不同领域的不同应用对象。本系统与物联网、大数据、人工智能等New IT技术集成与融合，满足信息物理系统集成、信息物理数据融合、虚实双向连接与交互等需求。孪生数据(DD)集成融合了信息数据与物理数据，满足信息空间与物理空间的一致性与同步性需求，能提供更加准确、全面的全要素/全流程/全业务数据支持。

服务(Ss)对数字孪生应用过程中面向不同领域、不同层次用户、不同业务所需的各类数据、模型、算法、仿真、结果等进行服务化封装，并以应用软件或移动端App的形式提供给用户，实现对服务的便捷与按需使用。连接(CN)实现物理实体、虚拟实体、服务及数据之间的普适工业互联，从而支持虚实实时互联与融合。虚拟实体(VE)从多维度、多空间尺度、及多时间尺度对物理实体进行刻画和描述。

所述孪生数据DD是数字孪生的驱动，如式(2)所示，DD主要包括PE数据(D_p)，VE数据(D_v)，Ss数据(D_s)，知识数据(D_k)，及融合衍生数据(D_f)。

DD＝(D_p,D_v,D_s,D_k,D_f) (2)

式中：D_p主要包括体现PE规格、功能、性能、关系等的物理要素属性数据与反映PE运行状况、实时性能、环境参数、突发扰动等的动态过程数据，可通过传感器、嵌入式系统、数据采集卡等进行采集。

D_v主要包括VE相关数据，如几何尺寸、装配关系、位置等几何模型相关数据，材料属性、载荷、特征等物理模型相关数据，驱动因素、环境扰动、运行机制等行为模型相关数据，约束、规则、关联关系等规则模型相关数据，以及基于上述模型开展的过程仿真、行为仿真、过程验证、评估、分析、预测等的仿真数据。

D_s主要包括FService相关数据，如算法、模型、数据处理方法等。D_s中包括BService相关数据，如企业管理数据，生产管理数据，产品管理数据、市场分析数据等。

D_k包括专家知识、行业标准、规则约束、推理推论、常用算法库与模型库等。

D_f是对D_p，D_v，D_s，D_k进行数据转换、预处理、分类、关联、集成、融合等相关处理后得到的衍生数据，通过融合物理实况数据与多时空关联数据、历史统计数据、专家知识等信息数据得到信息物理融合数据，从而反映更加全面与准确的信息，并实现信息的共享与增值。

所述服务Ss是指对数字孪生应用过程中所需各类数据、模型、算法、仿真、结果进行服务化封装，以工具组件、中间件、模块引擎等形式支撑数字孪生内部功能运行与实现的“功能性服务(FService)”，以及以应用软件、移动端App等形式满足不同领域不同用户不同业务需求的“业务性服务(BService)”，其中FService为BService的实现和运行提供支撑。

FService主要包括：①面向VE提供的模型管理服务，如建模仿真服务、模型组装与融合服务、模型VV&A服务、模型一致性分析服务等；②面向DD提供的数据管理与处理服务，如数据存储、封装、清洗、关联、挖掘、融合等服务；③面向CN提供的综合连接服务，如数据采集服务、感知接入服务、数据传输服务、协议服务、接口服务等。

BService主要包括：

①面向终端现场操作人员的操作指导服务，如虚拟装配服务、设备维修维护服务、工艺培训服务；

②面向专业技术人员的专业化技术服务，如能耗多层次多阶段仿真评估服务、设备控制策略自适应服务、动态优化调度服务、动态过程仿真服务等；

③面向管理决策人员的智能决策服务，如需求分析服务、风险评估服务、趋势预测服务等；

④面向终端用户的产品服务，如用户功能体验服务、虚拟培训服务、远程维修服务等。这些服务对于用户而言是一个屏蔽了数字孪生内部异构性与复杂性的黑箱，通过应用软件的形式向用户提供标准的输入输出，从而降低数字孪生应用实践中对用户专业能力与知识的要求，实现便捷的按需使用。

通过五维数字孪生模型的使用，平台可适应不同行业，不同层次用户(如终端现场操作人员、专业技术人员、管理决策人员、及产品终端用户等)、不同业务的应用需求。

可满足的需求包括：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种数字孪生系统，包括物理实体、虚拟实体，所述物理实体通过连接与所述虚拟实体信号相连，其特征在于：包括孪生数据、服务模块，所述孪生数据、服务模块、物理实体、虚拟实体通过连接相互连通形成一个整体，表达函数如式(1)所示：

M_DT＝(PE,VE,Ss,DD,CN) (1)

2.权利要求1所述的一种数字孪生系统，其特征在于：所述服务包括功能性服务和业务性服务，所述功能性服务为所述业务性服务提供运行支撑；所述服务用于对数字孪生应用过程中所需各类数据、模型、算法、仿真、结果进行服务化封装。

3.权利要求2所述的一种数字孪生系统，其特征在于：所述功能性服务包括：①面向VE提供的模型管理服务，包括建模仿真服务、模型组装与融合服务、模型VV&A服务、模型一致性分析服务；②面向DD提供的数据管理与处理服务，包括数据存储、封装、清洗、关联、挖掘、融合服务；③面向CN提供的综合连接服务，包括数据采集服务、感知接入服务、数据传输服务、协议服务、接口服务。

4.权利要求2所述的一种数字孪生系统，其特征在于：所述业务性服务包括：①面向终端现场操作人员的操作指导服务，包括虚拟装配服务、设备维修维护服务、工艺培训服务；②面向专业技术人员的专业化技术服务，包括能耗多层次多阶段仿真评估服务、设备控制策略自适应服务、动态优化调度服务、动态过程仿真服务；③面向管理决策人员的智能决策服务，包括需求分析服务、风险评估服务、趋势预测服务；④面向终端用户的产品服务，包括用户功能体验服务、虚拟培训服务、远程维修服务。

5.权利要求2所述的一种数字孪生系统，其特征在于：所述孪生数据

DD包括PE数据(D_p)，VE数据(D_v)，Ss数据(D_s)，知识数据(D_k)，及融合衍生数据(D_f)，如式(2)所示：

DD＝(D_p,D_v,D_s,D_k,D_f) (2)。

6.权利要求5所述的一种数字孪生系统，其特征在于：所述D_p包括PE规格、功能、性能、关系的物理要素属性数据与反映PE运行状况、实时性能、环境参数、突发扰动的动态过程数据，D_p通过包括传感器、嵌入式系统、数据采集卡进行采集。

7.权利要求5所述的一种数字孪生系统，其特征在于：所述D_v包括VE相关数据，包括几何模型相关数据、物理模型相关数据、行为模型相关数据、规则模型相关数据；所述几何模型相关数据包括几何尺寸、装配关系、位置；所述物理模型相关数据包括材料属性、载荷、特征；所述行为模型相关数据包括驱动因素、环境扰动、运行机制；所述规则模型相关数据包括约束、规则、关联关系；所述D_v包括基于几何模型相关数据、包括物理模型相关数据、行为模型相关数据、规则模型开展的过程仿真、行为仿真、过程验证、评估、分析、预测的仿真数据。

8.权利要求5所述的一种数字孪生系统，其特征在于：所述D_s包括功能性服务相关数据和业务性服务相关数据，所述功能性服务相关数据包括算法、模型、数据处理方法，所述业务性服务相关数据包括企业管理数据，生产管理数据，产品管理数据、市场分析数据。

9.权利要求5所述的一种数字孪生系统，其特征在于：所述D_k包括专家知识、行业标准、规则约束、推理推论、常用算法库与模型库。

10.权利要求5所述的一种数字孪生系统，其特征在于：所述D_f是对D_p，D_v，D_s，D_k进行数据转换、预处理、分类、关联、集成、融合相关处理后得到的衍生数据，所述D_f通过融合物理实况数据与多时空关联数据、历史统计数据、专家知识得到信息物理融合数据。