CN113177263A - 一种船舶设备数字孪生体建立方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种船舶设备数字孪生体建立方法及系统，涉及智能船舶技术领域，该方法运用Unity平台及插件，简化了船舶设备数字孪生体的创建，从之前繁琐的步骤简化为数据模型，数据通信，显示设备这三步，简化了船舶设备数字孪生体的建立，提高了船舶数字孪生体的创建效率，降低了人力成本。船舶数字孪生体建立之后，能模拟出船舶智能系统的实时运行状态，并且通过与船舶实时运行数据进行比对进而发现船舶中有运行异常的设备，便于工作人员管理与维修，大大提高了船舶运行的安全性并且降低维修成本。对智能船舶的发展起了很大作用。
Description
技术领域
本发明涉及智能船舶技术领域，特别是涉及一种船舶设备数字孪生体建立方法及系统。
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。
智能船舶技术是指能够提升船舶在航行、管理、维护保养、货物运输等环节智能化水平的技术集合。作为航运大国，我国正在积极推动智能船舶技术的发展。2018年12月27日，我国工业和信息化部、交通运输部、国防科工局发布了《智能船舶发展行动计划(2019—2021年)》，该计划对我国智能船舶未来数年的发展做出了规划。2019年5月9日，交通运输部等7部门发布了《智能航运发展指导意见》对智能船舶的定义、分级标准、系统架构、技术体系和发展路线图等基础性和宏观战略性问题进行分析。因此，将数字孪生技术与智能船舶相结合也是大势所趋。
目前国内外对产品数字孪生体的系统性研究成果较少，产品数字孪生体的实现主要分布在产品设计、工艺设计、产品制造、产品服务、产品报废回收等阶段，用于模拟、监控、诊断、预测和控制产品在现实环境中的形成过程和行为。尽管已经初步探索了数字孪生的相关应用，但数字孪生的关键技术在与智能制造生产系统相结合的技术研究方面尚不成熟。
因此如何利用数字孪生思想，实现设备与模型的虚实交互，预测设备在生产运行阶段生命周期内的疲劳状态、运维状态已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种船舶设备数字孪生体建立方法及系统，运用Unity平台创建智能船舶设备的数字孪生体，该数字孪生体是充分利用从船舶运行过程中采集的数据，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。数字孪生体能模拟出船舶智能系统的实时运行状态，并且通过与船舶实时运行数据进行比对进而发现船舶中有运行异常的设备，便于工作人员管理与维修，大大提高了船舶运行的安全性并且降低维修成本。
为此，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种船舶设备数字孪生体建立方法，所述方法包括：
建立船舶设备的CAD模型；
将所述CAD模型的模型数据通过PiXYZ转换到Unity平台，得到Unity驱动虚拟设备；
物理设备PLC通过Unity平台的插件通信和定义行为，使PLC数据实时传输到所述Unity驱动虚拟设备；
将包括实时数据的Unity驱动虚拟设备发布成船舶设备数字孪生体。
进一步地，所述方法还包括：Unity驱动虚拟设备出命令，该命令通过所述Unity平台的插件发送给PLC以控制物理设备。
进一步地，所述Unity平台的工业插件为PREspective工具。
进一步地，物理设备PLC通过Unity平台的工业插件通信和定义行为，包括：定义组件、定义行为和数据通信。
进一步地，将所述CAD模型的模型数据通过PiXYZ转换到Unity平台，包括：
将所述CAD模型的模型数据在运行时刻通过PiXYZ转换到Unity平台。
进一步地，所述方法还包括：通过PiXYZ进行模型优化和网络修复。
本发明还提供了一种船舶设备数字孪生体建立系统，所述系统包括：
CAD模型建立模块，用于建立船舶设备的CAD模型；
模型转换模块，用于将CAD模型建立模块建立的所述CAD模型的模型数据通过PiXYZ转换到Unity平台，得到Unity驱动虚拟设备；
通信模块，用于物理设备PLC通过Unity平台的插件通信和定义行为，使PLC数据实时传输到模型转换模块得到的Unity驱动虚拟设备；
发布模块，用于将通信模块得到的包括实时数据的Unity驱动虚拟设备发布成船舶设备数字孪生体。
本发明的优点和积极效果：
本发明运用Unity平台及插件，简化了船舶设备数字孪生体的创建，从之前繁琐的步骤简化为数据模型，数据通信，显示设备这三步，简化了船舶设备数字孪生体的建立，提高了船舶数字孪生体的创建效率，降低了人力成本。船舶数字孪生体建立之后，能模拟出船舶智能系统的实时运行状态，并且通过与船舶实时运行数据进行比对进而发现船舶中有运行异常的设备，便于工作人员管理与维修，大大提高了船舶运行的安全性并且降低维修成本。对智能船舶的发展起了很大作用。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中实现数字孪生的流程图；
图2为本发明实施例中模型数据导入流程图；
图3为本发明实施例中一种船舶设备数字孪生体建立方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
参见图1，其示出了现有技术中实现数字孪生的流程图。使用Unity平台来实现数字孪生，Unity是实时3D互动内容创作和运营平台。包括游戏开发、美术、建筑、汽车设计、影视在内的所有创作者，借助Unity将创意变成现实。Unity平台提供一整套完善的软件解决方案，可用于创作、运营和变现任何实时互动的2D和3D内容，支持平台包括手机、平板电脑、PC、游戏主机、增强现实和虚拟现实设备。
传统的方法是在数据服务和Unity平台之间进行通信。首先，加工设备配备了物联网设备，物联网将获取PLC数据并以JSON格式实时上传。其次，需要有一个接受服务，用来接收物联网上传的数据，这个服务可以是一个简单的接受数据后端服务。再次，Unity平台通过HTTP或Socket从服务器实时获取数据。最后，使用实时捕获的数据在Unity平台中实时驱动已映射的虚拟设备。如果需要反向控制，则将其反向。Unity平台发出命令，服务接收命令，物联网将命令发送给PLC以控制物理设备。
这是实现数字孪生的过程，但实际上，像物联网到服务到Unity一样，数据之间的通信是一件麻烦的事情，必须确保数据的实时性能和数据的正确性。
机械硬件控制最常用的就是PLC来实现，PLC与机械，PLC与PLC之间也会有固定的通信协议来通信。其实数字孪生的实时数据就是来自PLC。但是现在市场上有很多的通信协议，每家PLC的通信协议不同。这就给实现数字孪生增加了难度。
参见图3，本发明实施例中一种船舶设备数字孪生体建立方法包括以下步骤：
步骤1、建立船舶设备的CAD模型；
步骤2、将所述CAD模型的模型数据通过PiXYZ转换到Unity平台，得到Unity驱动虚拟设备；
工业上常常会用到CAD模型，CAD模型具有精确、统一的特点，但是CAD不是三角面片，不能直接导出到Unity平台中，而且CAD模型有缓慢，需要大量人工以及数据丢失的问题。为此，本发明实施例中在导入数据模型时采用了PiXYZ。
PiXYZ STUDIO是一款独特的3D数据准备工具，提供一流的曲面细分和优化算法，可将几乎所有行业领先的CAD解决方案的CAD数据转换为轻量级优化网格，随时可以导出。它具有符合人体工程学的直观UI，提供强大而强大的查看器，是显示大量复杂3D数据所必需的。使用PiXYZ STUDIO导入和处理CAD数据时，原始CAD文件中包含的所有信息的完整性将得到保留：产品结构(树/层次结构)，原始CAD表面(BREP/Nurbs)，材料分配和外观，PMI和所有一种元数据。
参见图2，PiXYZ能够导入CAD模型，并且生成对应的三维模型，导入的CAD模型的层级结构不会发生变化；能够提供自动化减面工具，减少工作量；提供UV生成工具，可以自定义贴图效果；提供网格工具，方便用户进行网格合并、网格减面、网格坐标系调整等；支持在运行时刻runtime进行导入。
步骤3、物理设备PLC通过Unity平台的插件通信和定义行为，使PLC数据实时传输到所述Unity驱动虚拟设备；
有了模型数据之后，接下来的问题就是信号数据的接入。如图3所示，为了简化每家PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)的通信协议不同，需要进行大量的协议适配工作，为此，本发明实施例中采用了PREspective，这是Unity平台的工业插件之一，PREspective一开始是用于为行业创建虚拟原型和数字模型的软件平台。它提供一个基于Unity平台的交互式虚拟测试环境，用户可在其中持续测试其系统。它可以提供多种工业通信协议的接口；提供复杂物理碰撞仿真；提供网格合并，物体单选等工具；提供机械仿真工具；接入物理仿真模型文件，如Matlab、Anasys等。PREspective除了具有数字孪生所必需的通信协议接口外，还包括一些仿真逻辑，这些功能恰好用在数字孪生体创建上很适用，能够更好的搭建数字孪生平台。
步骤4、将包括实时数据的Unity驱动虚拟设备发布成船舶设备数字孪生体。
因为数字孪生对实时要求高，而Unity平台实时渲染引擎具有天然的优势，并且Unity平台稳定性能高、工具丰富，所以三维显示的部分就用Unity平台来完成。
在解决了数据模型和数据通信之后，那整个数字孪生技术方案就可以总结为：CAD模型数据通过PiXYZ转换到Unity平台，物理设备PLC通过PREspective工具通信和定义行为，使PLC数据实时传输到Unity驱动虚拟设备，Unity平台发布成所需平台。
本发明实施例中，运用了Unity平台及插件简化了船舶设备数字孪生体的创建，从之前繁琐的步骤简化为数据模型，数据通信，显示设备这三步，简化了船舶设备数字孪生体的建立，提高了船舶数字孪生体的创建效率，降低了人力成本。船舶数字孪生体建立之后，能模拟出船舶智能系统的实时运行状态，并且通过与船舶实时运行数据进行比对进而发现船舶中有运行异常的设备，便于工作人员管理与维修，大大提高了船舶运行的安全性并且降低维修成本。对智能船舶的发展起了很大作用。
对应于上述船舶设备数字孪生体建立方法，本发明还提供了一种船舶设备数字孪生体建立系统，所述系统包括：
CAD模型建立模块，用于建立船舶设备的CAD模型；
模型转换模块，用于将CAD模型建立模块建立的所述CAD模型的模型数据通过PiXYZ转换到Unity平台，得到Unity驱动虚拟设备；
通信模块，用于物理设备PLC通过Unity平台的插件通信和定义行为，使PLC数据实时传输到模型转换模块得到的Unity驱动虚拟设备；
发布模块，用于将通信模块得到的包括实时数据的Unity驱动虚拟设备发布成船舶设备数字孪生体。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (7)
1.一种船舶设备数字孪生体建立方法，其特征在于，所述方法包括：
建立船舶设备的CAD模型；
将所述CAD模型的模型数据通过PiXYZ转换到Unity平台，得到Unity驱动虚拟设备；
物理设备PLC通过Unity平台的工业插件通信和定义行为，使PLC数据实时传输到所述Unity驱动虚拟设备；
将包括实时数据的Unity驱动虚拟设备发布成船舶设备数字孪生体。
2.根据权利要求1所述的一种船舶设备数字孪生体建立方法，其特征在于，还包括：Unity驱动虚拟设备出命令，该命令通过所述Unity平台的插件发送给PLC以控制物理设备。
3.根据权利要求1所述的一种船舶设备数字孪生体建立方法，其特征在于，所述Unity平台的工业插件为PREspective工具。
4.根据权利要求3所述的一种船舶设备数字孪生体建立方法，其特征在于，物理设备PLC通过Unity的插件通信和定义行为，包括：定义组件、定义行为和数据通信。
5.根据权利要求1所述的一种船舶设备数字孪生体建立方法，其特征在于，将所述CAD模型的模型数据通过PiXYZ转换到Unity平台，包括：
将所述CAD模型的模型数据在运行时刻通过PiXYZ转换到Unity平台。
6.根据权利要求1所述的一种船舶设备数字孪生体建立方法，其特征在于，还包括：通过PiXYZ进行模型优化和网络修复。
7.一种船舶设备数字孪生体建立系统，其特征在于，所述系统包括：
CAD模型建立模块，用于建立船舶设备的CAD模型；
模型转换模块，用于将CAD模型建立模块建立的所述CAD模型的模型数据通过PiXYZ转换到Unity平台，得到Unity驱动虚拟设备；
通信模块，用于物理设备PLC通过Unity平台的插件通信和定义行为，使PLC数据实时传输到模型转换模块得到的Unity驱动虚拟设备；
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