CN113128865A - 一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统及方法，属于数字孪生领域，解决了无法缩短产品的开发周期，导致企业的资源数字化、服务化能力不足的问题，包括孪生映射模块、后台管理模块以及模型构建模块，所述后台管理模块用于对数据存储模块中的工厂数据进行后台管理，所述数据存储模块将需要将构建虚拟模型的工厂数据发送至模型构建模块，所述模型构建模块用于获取数据存储模块中的工厂数据并构建工厂虚拟模型，所述孪生映射模块对满足孪生映射要求的两组工厂数据建立孪生映射关系，两组工厂数据对应的工厂之间进行通信连接和交互沟通，本发明通过与资产管理売技术融合，实现物理资产和虚拟资产的全生命周期、全方位精确映射。

Description

一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统及方法

技术领域

本发明数字孪生领域，涉及数字孪生体构建技术，具体是一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统及方法。

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。

现有技术中，无法通过对工厂数据的管理和调度实现缩短产品的开发周期，产品创造的整个过程不完全由信息模型进行管理，无法集成和交互贯彻到制造的各个环节和建立统一的信息模型技术手段，从而导致企业智能制造全流程中的制造资源数字化、服务化能力不足，为此，我们提出一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统及方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统及方法。

本发明所要解决的技术问题为：

(1)如何通过对工厂数据的管理和调度缩短产品的开发周期，并解决产品创造的整个过程不由信息模型管理的问题；

(2)如何集成和交互贯彻到制造的各个环节，从而建立统一的信息模型技术手段，避免企业智能制造全流程中的制造资源数字化、服务化能力不足的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统，包括数字孪生平台、数据连接模块、孪生映射模块、数据存储模块、预处理库、后台管理模块、模型库以及模型构建模块；

工厂数据通过数据连接模块发送至数字孪生平台；所述数字孪生平台将标记后的工厂数据发送至数据存储模块进行存储并记录存储时间；所述后台管理模块用于对数据存储模块中的工厂数据进行后台管理；

所述数据存储模块将需要将构建虚拟模型的工厂数据发送至模型构建模块；按照相同的工厂类型和产品类型，所述模型构建模块提取工厂面积、产品数和月产量；所述模型构建模块用于获取数据存储模块中的工厂数据并构建工厂虚拟模型；所述孪生映射模块对满足孪生映射要求的两组工厂数据建立孪生映射关系，两组工厂数据对应的工厂之间进行通信连接和交互沟通；

所述模型构建模块将标准模型发送至模型库中，同时标准模型加上工厂类型和产品类型，后续相同工厂类型和产品类型的工厂数据进行孪生映射时，可从模型库中直接调取相同工厂类型和产品类型的标准模型。

进一步地，所述数据连接模块用于工厂与工厂之间进行数据传输，传输的数据包括有工厂数据，工厂数据包括基本信息、产品信息和生产信息。

进一步地，基本信息包括工厂名称、工厂类型、工厂地址、工厂面积；

产品信息包括产品名称、产品类型、产品规格、产品数；

生产信息包括日产量、月产量、年产量。

进一步地，所述后台管理模块的步骤具体如下：

SS1：获取数据存储模块中存储的若干个工厂数据Gu；获取当前上传的工厂数据的数据名称和数据大小；

SS2：获取数据存储模块中与工厂数据大小相同的工厂数据，若存在，则将当前上传的工厂数据标记为一级筛选工厂数据；

SS3：获取数据存储模块中与一级筛选工厂数据名称相同的工厂数据，若存在，则将当前上传的工厂数据标记为二级筛选工厂数据；

SS4：将每个二级筛选工厂数据的存储时间并记为存储开始时间T0Gu；设定工厂数据暂存的时间阈值Ty；

SS5：利用公式T1Gu＝T0Gu+Ty即可得到每个二级筛选工厂数据的后台管理时间T1Gu；

SS6：当二级筛选工厂数据到达后台管理时间T1Gu时，对应的二级筛选工厂数据转存至预处理库中。

进一步地，在工厂数据转存至预处理库中后，所述后台管理模块拥有对预处理库中工厂数据的删除、下载、保存、查看权限。

进一步地，所述模型构建模块的工作过程具体如下：

步骤一：将需要构建虚拟模型的工厂数据标记为追踪目标i；获取跟踪目标i的工厂面积Mi、产品数Ci、月产量Li；

步骤二：建立模拟演练模型和构建模拟演练模型基本结构；

步骤三：通过公式计算得到跟踪目标的第一影判参数YP1i、第二影判参数YP2i和第三影判参数YP3i；

步骤四：将跟踪目标的第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数整合后生成输入数组，根据跟踪目标i生成输出数组；

步骤五：将输入数组作为模拟演练模型的输入参数，将输出数组作为模拟演练模型的输出参数对模拟演练模型进行训练；

当模拟演练模型的训练精度和训练次数均满足预设训练精度和预设训练次数的要求时，则判定模拟演练模型训练完成，将训练完成的模拟演练模型标记为标准模型；

步骤六：将第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数输入作为标准模型的输入数据并获取输出结果，并将输出结果标记为R1i；

步骤七：获取数据存储模块中又一需要将构建虚拟模型的工厂数据，按照步骤一至步骤六得到输出结果R2i；

步骤八：当输出结果R1i和R2i满足公式1/(X2+0.02)≤|R1i-R2i|≤X3+0.03时，则判定输出结果R1i和R2i符合孪生映射要求。

一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建方法，方法包括以下步骤：

步骤一，工厂与工厂之间通过数据连接模块进行数据传输，并将工厂数据发送至数字孪生平台，而后数字孪生平台将工厂数据发送至数据存储模块进行存储，后台管理模块对数据存储模块中的工厂数据进行后台管理，当工厂数据转存至预处理库中后，后台管理模块拥有对预处理库中工厂数据的删除、下载、保存、查看权限；

步骤二，按照相同的工厂类型和产品类型，模型构建模块获取工厂数据并构建工厂虚拟模型，将需要构建虚拟模型的工厂数据记为追踪目标，建立模拟演练模型和构建模拟演练模型基本结构，通过公式计算得到跟踪目标的第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数，将第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数整合后生成输入数组，将跟踪目标生成输出数组；

步骤三，将输入数组作为模拟演练模型的输入参数，将输出数组作为模拟演练模型的输出参数对模拟演练模型进行训练，将训练完成的模拟演练模型标记为标准模型，将第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数输入作为标准模型的输入数据并获取输出结果；

步骤四：通过计算得到另一输出结果，两组输出结果代入公式，则输出结果符合孪生映射要求，孪生映射模块对满足孪生映射要求的两组工厂数据建立孪生映射关系，两组工厂数据对应的工厂之间进行通信连接和交互沟通。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过数据连接模块工厂与工厂之间进行数据传输，并将工厂数据发送至数字孪生平台，而后数字孪生平台将工厂数据发送至数据存储模块进行存储，后台管理模块用于对数据存储模块中的工厂数据进行后台管理，当工厂数据转存至预处理库中后，后台管理模块拥有对预处理库中工厂数据的删除、下载、保存、查看的权限；

2、本发明通过模型构建模块获取工厂数据并构建工厂虚拟模型，将需要构建虚拟模型的工厂数据记为追踪目标，训练得到标准模型，将第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数输入作为标准模型的输入数据得到输出结果，将又一需要将构建虚拟模型的工厂数据输入标准模型得到另一输出结果，两组输出结果代入公式判定是否符合孪生映射要求，若符合孪生映射模块则建立孪生映射关系，本发明基于统一数据源驱动的物理资产功能、性能全映射的数字孪生提构建技术，通过与资产管理売技术融合，实现物理资产和虚拟资产的全生命周期、全方位精确映射。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的整体系统框图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统，包括数字孪生平台、数据连接模块、孪生映射模块、数据存储模块、预处理库、后台管理模块、模型库以及模型构建模块；

所述数字孪生平台分别与数据连接模块、孪生映射模块、数据存储模块、后台管理模块、模型库、模型构建模块通信连接；所述模型库与模型构建模块通信连接；所述数据存储模块与预处理库通信连接；

所述数据连接模块用于工厂与工厂之间进行数据传输，传输的数据包括有工厂数据，工厂数据包括基本信息、产品信息、生产信息；

基本信息包括工厂名称、工厂类型、工厂地址、工厂面积；

产品信息包括产品名称、产品类型、产品规格、产品数；

生产信息包括日产量、月产量、年产量；

工厂数据通过数据连接模块发送至数字孪生平台，所述数字孪生平台将工厂数据标记为Gu，u＝1，2，……，z，u代表工厂，z为正整数；

所述数字孪生平台将标记后的工厂数据发送至数据存储模块进行存储，并记录工厂数据的存储时间；所述后台管理模块用于对数据存储模块中的工厂数据进行后台管理，后台管理步骤具体如下：

SS1：获取数据存储模块中存储的若干个工厂数据Gu；获取当前上传的工厂数据的数据名称和数据大小；

SS2：获取数据存储模块中与工厂数据大小相同的工厂数据，若存在，则将当前上传的工厂数据标记为一级筛选工厂数据；

SS3：获取数据存储模块中与一级筛选工厂数据名称相同的工厂数据，若存在，则将当前上传的工厂数据标记为二级筛选工厂数据；

SS4：将每个二级筛选工厂数据的存储时间并记为存储开始时间T0Gu；设定工厂数据暂存的时间阈值，并将时间阈值标记为Ty；

SS5：利用公式T1Gu＝T0Gu+Ty即可得到每个二级筛选工厂数据的后台管理时间T1Gu；

SS6：当二级筛选工厂数据到达后台管理时间T1Gu时，对应的二级筛选工厂数据转存至预处理库中；

在工厂数据转存至预处理库中后，所述后台管理模块拥有对预处理库中工厂数据的删除、下载、保存、查看等权限；

所述数据存储模块将需要将构建虚拟模型的工厂数据发送至模型构建模块；按照相同的工厂类型和产品类型，所述模型构建模块提取基本信息中的任意一项数据、产品信息中的任意一项数据、生产信息中的任意一项数据；所述模型构建模块用于获取数据存储模块中的工厂数据并构建工厂虚拟模型，工作过程具体如下：

步骤一：将需要构建虚拟模型的工厂数据标记为追踪目标，并将追踪目标为i，i＝1，2，……，x，x为正整数；获取跟踪目标i的工厂面积Mi、产品数Ci、月产量Li；

步骤二：建立模拟演练模型和构建模拟演练模型基本结构；

当i≤X1时，则模拟演练模型设置为单隐含层模拟演练模型；

当i＞X1时，则模拟演练模型设置为多隐含层模拟演练模型；其中X1为设定阈值，且X1为正整数；

步骤三：通过公式YP1i＝a1×[Mi/(Mi+Ci+Li)]计算得到跟踪目标的第一影判参数YP1i；

通过公式YP2i＝a2×[Ci/(Mi+Ci+Li)]计算得到跟踪目标的第二影判参数YP2i；

通过公式YP3i＝a3×[1/(Mi+Ci+Li)]计算得到跟踪目标的第三影判参数YP3i；式中，a1、a2和a3均为比例系数固定数值，且a1、a2和a3的取值均大于零；影判参数具体为影响判定参数的缩写；

步骤四：将跟踪目标的第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数整合后生成输入数组，输入数组为{(YP11，YP21，YP31)，(YP12，YP22，YP32)，……，(YP1x，YP2x，YP3x)}，根据跟踪目标i生成输出数组；

步骤五：将输入数组作为模拟演练模型的输入参数，将输出数组作为模拟演练模型的输出参数对模拟演练模型进行训练；

当模拟演练模型的训练精度和训练次数均满足预设训练精度和预设训练次数的要求时，则判定模拟演练模型训练完成，将训练完成的模拟演练模型标记为标准模型；

步骤六：将第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数输入作为标准模型的输入数据并获取输出结果，并将输出结果标记为R1i；

步骤七：获取数据存储模块中又一需要将构建虚拟模型的工厂数据，按照步骤一至步骤六得到输出结果R2i；

步骤八：当输出结果R1i和R2i满足公式1/(X2+0.02)≤|R1i-R2i|≤X3+0.03时，则判定输出结果R1i和R2i符合孪生映射要求；式中X2和X3均为设定阈值，且0＜X2＜X3＜1；

所述模型构建模块将标准模型发送至模型库中，同时标准模型加上工厂类型和产品类型，后续相同工厂类型和产品类型的工厂数据进行孪生映射时，可从模型库中直接调取相同工厂类型和产品类型的标准模型；

所述孪生映射模块对满足孪生映射要求的两组工厂数据建立孪生映射关系，两组工厂数据对应的工厂之间进行通信连接和交互沟通。

实施例二

基于同一发明的又一构思，现提出一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建方法，方法包括以下步骤：

步骤一，工厂与工厂之间通过数据连接模块进行数据传输，并将工厂数据发送至数字孪生平台，而后数字孪生平台将工厂数据发送至数据存储模块进行存储，后台管理模块对数据存储模块中的工厂数据进行后台管理，当工厂数据转存至预处理库中后，后台管理模块拥有对预处理库中工厂数据的删除、下载、保存、查看权限；

步骤二，按照相同的工厂类型和产品类型，模型构建模块获取工厂数据并构建工厂虚拟模型，将需要构建虚拟模型的工厂数据记为追踪目标，建立模拟演练模型和构建模拟演练模型基本结构，通过公式计算得到跟踪目标的第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数，将第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数整合后生成输入数组，将跟踪目标生成输出数组；

步骤三，将输入数组作为模拟演练模型的输入参数，将输出数组作为模拟演练模型的输出参数对模拟演练模型进行训练，将训练完成的模拟演练模型标记为标准模型，将第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数输入作为标准模型的输入数据并获取输出结果；

步骤四：通过计算得到另一输出结果，两组输出结果代入公式，则输出结果符合孪生映射要求，孪生映射模块对满足孪生映射要求的两组工厂数据建立孪生映射关系，两组工厂数据对应的工厂之间进行通信连接和交互沟通。

上述公式均是去量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统，其特征在于，包括数字孪生平台、数据连接模块、孪生映射模块、数据存储模块、预处理库、后台管理模块、模型库以及模型构建模块；

工厂数据通过数据连接模块发送至数字孪生平台；所述数字孪生平台将标记后的工厂数据发送至数据存储模块进行存储并记录存储时间；所述后台管理模块用于对数据存储模块中的工厂数据进行后台管理；

所述数据存储模块将需要将构建虚拟模型的工厂数据发送至模型构建模块；按照相同的工厂类型和产品类型，模型构建模块提取工厂面积、产品数和月产量；所述模型构建模块用于获取数据存储模块中的工厂数据并构建工厂虚拟模型；孪生映射模块对满足孪生映射要求的两组工厂数据建立孪生映射关系，两组工厂数据对应的工厂之间进行通信连接和交互沟通；

所述模型构建模块将标准模型发送至模型库中，同时标准模型加上工厂类型和产品类型，后续相同工厂类型和产品类型的工厂数据进行孪生映射时，可从模型库中直接调取相同工厂类型和产品类型的标准模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统，其特征在于，所述数据连接模块用于工厂与工厂之间进行数据传输，传输的数据包括有工厂数据，工厂数据包括基本信息、产品信息和生产信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统，其特征在于，基本信息包括工厂名称、工厂类型、工厂地址、工厂面积；

产品信息包括产品名称、产品类型、产品规格、产品数；

生产信息包括日产量、月产量、年产量。

4.根据权利要求1所述的一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统，其特征在于，所述后台管理模块的步骤具体如下：

SS1：获取数据存储模块中存储的若干个工厂数据Gu；获取当前上传的工厂数据的数据名称和数据大小；

SS2：获取数据存储模块中与工厂数据大小相同的工厂数据，若存在，则将当前上传的工厂数据标记为一级筛选工厂数据；

SS3：获取数据存储模块中与一级筛选工厂数据名称相同的工厂数据，若存在，则将当前上传的工厂数据标记为二级筛选工厂数据；

SS4：将每个二级筛选工厂数据的存储时间并记为存储开始时间T0Gu；设定工厂数据暂存的时间阈值Ty；

SS5：利用公式T1Gu＝T0Gu+Ty即可得到每个二级筛选工厂数据的后台管理时间T1Gu；

SS6：当二级筛选工厂数据到达后台管理时间T1Gu时，对应的二级筛选工厂数据转存至预处理库中。

5.根据权利要求4所述的一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统，其特征在于，在工厂数据转存至预处理库中后，后台管理模块拥有对预处理库中工厂数据的删除、下载、保存、查看权限。

6.根据权利要求1所述的一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建系统，其特征在于，所述模型构建模块的工作过程具体如下：

步骤一：将需要构建虚拟模型的工厂数据标记为追踪目标i；获取跟踪目标i的工厂面积Mi、产品数Ci、月产量Li；

步骤二：建立模拟演练模型和构建模拟演练模型基本结构；

步骤三：通过公式计算得到跟踪目标的第一影判参数YP1i、第二影判参数YP2i和第三影判参数YP3i；

步骤四：将跟踪目标的第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数整合后生成输入数组，根据跟踪目标i生成输出数组；

步骤五：将输入数组作为模拟演练模型的输入参数，将输出数组作为模拟演练模型的输出参数对模拟演练模型进行训练；

当模拟演练模型的训练精度和训练次数均满足预设训练精度和预设训练次数的要求时，则判定模拟演练模型训练完成，将训练完成的模拟演练模型标记为标准模型；

步骤六：将第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数输入作为标准模型的输入数据并获取输出结果，并将输出结果标记为R1i；

步骤七：获取数据存储模块中又一需要将构建虚拟模型的工厂数据，按照步骤一至步骤六得到输出结果R2i；

步骤八：当输出结果R1i和R2i满足公式1/(X2+0.02)≤|R1i-R2i|≤X3+0.03时，则判定输出结果R1i和R2i符合孪生映射要求。

7.一种基于统一数据源驱动的数字孪生体构建方法，其特征在于，方法包括以下步骤：

步骤一，工厂与工厂之间通过数据连接模块进行数据传输，并将工厂数据发送至数字孪生平台，而后数字孪生平台将工厂数据发送至数据存储模块进行存储，后台管理模块对数据存储模块中的工厂数据进行后台管理，当工厂数据转存至预处理库中后，后台管理模块拥有对预处理库中工厂数据的删除、下载、保存、查看权限；

步骤二，按照相同的工厂类型和产品类型，模型构建模块获取工厂数据并构建工厂虚拟模型，将需要构建虚拟模型的工厂数据记为追踪目标，建立模拟演练模型和构建模拟演练模型基本结构，通过公式计算得到跟踪目标的第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数，将第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数整合后生成输入数组，将跟踪目标生成输出数组；

步骤三，将输入数组作为模拟演练模型的输入参数，将输出数组作为模拟演练模型的输出参数对模拟演练模型进行训练，将训练完成的模拟演练模型标记为标准模型，将第一影判参数、第二影判参数和第三影判参数输入作为标准模型的输入数据并获取输出结果；

步骤四：通过计算得到另一输出结果，两组输出结果代入公式，则输出结果符合孪生映射要求，孪生映射模块对满足孪生映射要求的两组工厂数据建立孪生映射关系，两组工厂数据对应的工厂之间进行通信连接和交互沟通。

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