CN113259486B - 一种基于数字孪生的计量设备自动化检定线运维系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字孪生的计量设备自动化检定线运维系统，将数字孪生思想引入计量设备自动化检定线运维管理过程，通过建立计量设备自动化检定线数字孪生模型，构建与计量设备自动化检定线物理实体高度一致的计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体，实现虚拟空间与物理空间的交互映射；通过融合计量设备自动化检定线数字孪生模型和实时数据，实现计量设备自动化检定线的运行综合监控、瓶颈分析、故障分析和可靠性预测，对检定线全运行周期进行有效管理，提升运维水平，保障检定线稳定可靠运行，提供科学合理的决策支持，提升经济效益和助力产业升级。
Description
技术领域
本发明涉及电能计量资产运维管理领域，尤其涉及一种基于数字孪生的计量设备自动化检定线运维系统。
背景技术
计量资产运维管理是一项复杂的系统工程，在实际计量资产运维过程中，由于计量资产信息的不确定性、运维环节的耦合性和设备运行状态的可变性等因素，都可能会出现运维效率低、运维质量不稳定的问题。计量设备自动化检定线是实现计量设备配送入库、内部流转、流水线检定检测和最后配送出库全过程自动化流转的重要组成部分，随着计量设备自动化检定线的设备种类和数量不断增加，当前运维系统网络中的数据通讯交互逐渐频繁，各级设备互联程度不断加深，对于检定线运维的高效、动态和可靠性提出了更高要求。
数字孪生技术是一种集成多物理量、多尺度、多概率属性的仿真过程，能够在虚拟空间中生成物理实体的镜像，实现两者之间的实时交互映射，呈现物理实体全生命周期运行情况，并解决生产过程中海量数据的融合和挖掘、数字系统与物理系统的统一，以及多源异构资源的协调等问题。目前数字孪生技术在计量设备自动化检定线运维领域的应用较少，具有一定的应用前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于数字孪生的计量设备自动化检定线运维系统。
为实现本发明的目的，本发明提供的一种基于数字孪生的计量设备自动化检定线运维系统，包括以下部分：计量设备自动化检定线物理实体、计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体、应用层和通讯层，
所述计量设备自动化检定线物理实体包括设备层和感知层两部分，利用感知层的感知设备，从设备层采集检定线运维过程中的各类物理实体数据，并通过通讯层将物理实体数据分别推送给计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体和应用层；
所述计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体，通过构建计量设备自动化检定线数字孪生模型，对计量设备自动化检定线物理实体进行仿真，并将仿真结果经通讯层反馈回计量设备自动化检定线物理实体，通过两者的双向映射修正计量设备自动化检定线数字孪生模型；利用修正后的计量设备自动化检定线数字孪生模型，将接收到的物理实体数据转化为虚拟数字孪生体数据，并经通讯层推送至应用层；
所述应用层，将接收到的虚拟数字孪生体数据分配给各个应用模块，对各个应用模块的模型进行训练，形成相应知识库；再将接收到的物理实体数据输入到各个应用模块中的模型，结合知识库和算法实现相应功能，从而输出服务数据、知识数据和融合衍生数据，转化为运维决策并通过通讯层反馈至计量设备自动化检定线物理实体，形成计量设备自动化检定线运维管理闭环；
所述通讯层，利用多协议通讯接口实现数据在计量设备自动化检定线物理实体、计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体和应用层间的传输；
其中，所述计量设备自动化检定线数字孪生模型的构建和修正步骤如下：
步骤（1）：建立物理模型：具体为通过数字化建模软件，建立与计量设备自动化检定线物理实体一致的三维可视化物理子模型；将物理子模型导入数字化检定线仿真软件，将模型参数与物理参数设置一致，融合生成统一物理模型；
步骤（2）：建立逻辑模型：根据物理模型中的要素映射而成；
步骤（3）：建立数据模型：将采集到的物理实体数据进行处理分析，并将处理分析后得到的数据交换到物理模型中；
步骤（4）：建立仿真模型：根据建成的物理模型镜像生成仿真模型，基于物理模型中的数据，对计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体完整运行流程进行仿真，得到的仿真结果与物理模型实时交互；利用逻辑模型验证仿真模型的合理性，验证结果可进一步优化逻辑模型的要素、结构和运行机制；
步骤（5）：仿真模型的修正：基于实时采集的计量设备自动化检定线物理实体运行实际数据和计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体仿真结果的偏差值，对仿真模型进行训练和优化，并根据演化结果验证一致性和可靠性，最终输出计量设备自动化检定线数字孪生模型。
进一步地，所述设备层包括周转箱输送机、拆/码垛机、上下料机器人、检定系统输送线、耐压单元、外观检测单元、插卡单元、检定单元、编程与加密单元、封印单元、贴标单元、信息识别单元和监控单元。
进一步地，所述感知层包括为自动化检定线配置的工控机、PLC、各类传感器、移载/输送电机、工业相机、网络摄像头和RFID，其中，各类传感器包括湿度传感器、环境尘土传感器、震动传感器、噪声传感器、气路气压传感器、电机温度传感器。
进一步地，所述湿度传感器安装于检定室中心；环境尘土传感器安装于检定室中心；震动传感器安装于拆/码垛机、上下料机器人上；噪声传感器安装于拆/码垛机附近、上下料机器人区间；气路气压传感器安装于上下料机器人、贴标单元、总气路和检定仓位置；电机温度传感器安装于主干路的移载/输送电机、上下料机器人上；工业相机安装于外观检测单元；网络摄像头安装于检定室内的监控单元；RFID安装于信息识别单元。
进一步地，所述物理实体数据包括设备层各部分在整个检定过程中的工艺顺序编号，待检计量设备在设备层各部分的到达时间、离开时间和下一批次计量设备的到达时间，设备层各部分的故障停机次数、故障类型、故障发生时的累计运行时间和误检率，以及检定室的湿度、尘土含量、噪声、气压、温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，
本发明提供了一种基于数字孪生的计量设备自动化检定线运维系统，通过建立计量设备自动化检定线数字孪生模型，构建与计量设备自动化检定线物理实体高度一致的计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体，实现虚拟空间与物理空间的交互映射；通过融合计量设备自动化检定线数字孪生模型和实时数据，输出计量设备自动化检定线的运维决策，提升计量设备自动化检定线全周期运维水平，保障检定线的安全稳定运行和可靠性，同时为管理者提供更加科学合理的决策支持，提升经济效益和助力产业升级。
附图说明
图1为本发明中基于数字孪生的计量设备自动化检定线运维系统架构图。
图2为本发明中计量设备自动化检定线数字孪生模型构建流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
本发明实施例所提出的一种基于数字孪生的计量设备自动化检定线运维系统的架构如图1所示，具体包括以下部分：
1.计量设备自动化检定线物理实体，包括设备层和感知层两部分，利用感知层的感知设备，从设备层采集检定线运维过程中的各类物理实体数据，并通过通讯层将物理实体数据分别推送给计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体和应用层。
设备层主要包括周转箱输送机、拆/码垛机、上下料机器人、检定系统输送
线、耐压单元、外观检测单元、插卡单元、检定单元、编程与加密单元、封印单元、贴标单元、信息识别单元和监控单元。
感知层包括自动化检定线配置的工控机、PLC、各类传感器、移载/输送电机、工业相机、网络摄像头和RFID等感知设备，这些设备用于检定线多源异构数据的实时采集和预处理。进一步地，湿度传感器安装于检定室中心；环境尘土传感器安装于检定室中心；震动传感器安装于拆/码垛机、上下料机器人上；噪声传感器安装于拆/码垛机附近、上下料机器人区间；气路气压传感器安装于上下料机器人、贴标单元、总气路和检定仓位置；电机温度传感器安装于主干路的移载/输送电机、上下料机器人上；工业相机安装于外观检测单元；网络摄像头安装于检定室内的监控单元；RFID安装于信息识别单元。
物理实体数据包括设备层各部分在整个检定过程中的工艺顺序编号，待检计量设备在设备层各部分的到达时间、离开时间和下一批次计量设备的到达时间，设备层各部分的故障停机次数、故障类型、故障发生时的累计运行时间和误检率，以及检定室的湿度、尘土含量、噪声、气压、温度等。
2.计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体，通过构建计量设备自动化检定线数字孪生模型，对计量设备自动化检定线物理实体进行仿真，并将仿真结果经通讯层反馈回计量设备自动化检定线物理实体，通过两者的双向映射修正计量设备自动化检定线数字孪生模型；利用修正后的计量设备自动化检定线数字孪生模型，将接收到的物理实体数据转化为虚拟数字孪生体数据，并经通讯层推送至应用层。
图2为计量设备自动化检定线数字孪生模型构建流程图，计量设备自动化检定线数字孪生模型的构建和修正步骤如下：
步骤（1）：建立物理模型：具体为通过数字化建模软件，建立与计量设备自动化检定线物理实体一致的三维可视化物理子模型，包括周转箱输送机模型、拆/码垛机模型、上下料机器人模型、输送线模型以及各工艺单元模型，从而全面反映检定线物理实体的结构和设备构成；将子模型导入数字化检定线仿真软件，将模型参数与物理参数设置一致，融合生成统一物理模型。
步骤（2）：建立逻辑模型：根据物理模型中的要素映射而成，包括检定线组成要素、结构和运行机制三个层面，实现服务单元间的运维关联和运维组织关系刻画，基于运维流动实体、服务单元、路径网络模型动态关联生产、运维和路径，实现计量设备在虚拟检定线上的有序逻辑流动，并将运维过程反馈到物理模型。
步骤（3）：建立数据模型：将采集到的物理实体数据通过多源数据融合、深度学习等方法进行处理，并将处理分析后得到的数据交换到物理模型中。
步骤（4）：建立仿真模型：根据建成的物理模型镜像生成仿真模型，基于物理模型中的数据，对计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体完整运行流程进行仿真，得到的仿真结果与物理模型实时交互；利用逻辑模型验证仿真模型的合理性，验证结果可进一步优化逻辑模型的要素、结构和运行机制。
步骤（5）：仿真模型的修正：基于实时采集的计量设备自动化检定线物理实体运行实际数据和计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体仿真结果的偏差值，对仿真模型进行训练和优化，并根据演化结果验证一致性和可靠性，最终输出计量设备自动化检定线数字孪生模型。
3.应用层，将接收到的虚拟数字孪生体数据分配给各个应用模块，对各个应用模块的模型进行训练，形成相应知识库；再将接收到的物理实体数据输入到各个应用模块中的模型，结合知识库和算法实现相应功能，从而输出服务数据、知识数据和融合衍生数据，转化为运维决策并通过通讯层反馈至计量设备自动化检定线物理实体，形成计量设备自动化检定线运维管理闭环。
其中，服务数据主要包括备品备件管理、运维状态管理、运维人员管理、风险评估和运维质量评价等服务型数据；知识数据包括运维检修知识数据、缺陷信息、运行日志、方案数据等；融合衍生数据是对以上各类数据加以转换、预处理、分类、关联、集成之后所形成的庞大信息数据。
具体的，应用层中包括运行综合监控模块、瓶颈分析模块、故障诊断模块和可靠性预测模块，分别描述如下：
（1）运行综合监控模块：根据自动化检定线物理结构和工艺流程，利用SolidWorks软件建立检定线三维模型，并导入Unity 3D软件，建立检定室虚拟场景，添加Box Collider等组件模拟检定线各单元的连接关系。在Unity 3D中模拟计量设备在自动化检定线上的流转过程，从而通过运维系统获取自动化检定线设备运行状态，同时调用监控服务查看检定线实时画面。通过与理想运维状态对比，宏观反映出检定线运行情况，当线体出现故障时，可通过语音播报并联动视频预置点进行远程快速故障确认，减少运维人员进入线体的频率及对线体的干扰，提升安全作业环境。
（2）瓶颈分析模块：通过计量设备自动化检定线数字孪生模型获取检定线各关键要素状态，将模型和数据输入仿真软件，对检定过程进行仿真，输出未来一段时间的计量设备检定进度，评估检定线效率。当实际进度与理论进度不符时，通过节拍分析查找检定线瓶颈点。包括以下步骤：
1）设定检定线各环节固定节拍，包括工作节拍T 1和周期节拍T 2两部分，分别表示为：
其中，T a 表示计量设备到达该环节开始检测的时间，T b 表示该环节完成检测的时间，T c 表示下一批次计量设备到达该环节开始检测的时间。
2）根据实际工作节拍判定各环节本身是否存在影响检定效率的因素；根据实际周期节拍判定检定线中是否存在影响检定效率的瓶颈环节。
3）以检定线各环节为顶点，以各环节间的计量设备输送方向为边，构建检定线有向图。
4）根据各环节的周期数据，按照检定线有向图依次判断各环节节拍异常情况以及前后序环节异常，从而识别出瓶颈环节。
（3）故障诊断模块：基于计量设备自动化检定线物理实体和计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体的实时交互映射，以及通讯层对数据的传输支持，实现故障数据的准确及时上报，除常规单个信号的故障报警外，还包括工装板卡板，皮带打滑、压接不成功、封印抽吸不成功等需要多个信号组合的故障报警。其中，封印抽吸是指封印单元工作过程中，启动真空设备对吸盘进行抽吸，使其产生负压将封印吸住并运送到指定位置。通过对故障数据的融合和挖掘，针对故障的分布规律进行统计，利用频繁模式挖掘各类故障之间关联，分析故障发生的影响因素，为下一步技改升级提供导向与依据。具体地包括以下步骤：
1）构建检定线故障数据库，对故障类型、设备型号、运行时长、外部环境等事件属性进行编码。
2）遍历故障数据库，计算每个故障数据中各项事件的权重，根据事项支持度阈值获得频繁项集。
3）建立频繁项目头表，在FP_tree上生成频繁模式，得出相应关联规则，根据频繁项关联规则置信度阈值对关联规则进行筛选，得到最终各类故障之间以及故障与影响因素之间的关联规则。
其中，事项支持度阈值和频繁项关联规则置信度阈值的确定，利用三阶拟合方法代替人为选取的方法。将支持度或频繁项关联规则按照从大到小进行排列，建立二维“序-值”的对应关系{(x i ,y i )|i= 1, 2, 3…n}，其中i为计数项，序值x i = i，序列值y i 为项集支持度或者频繁项所产生的关联规则，n为项集支持度或频繁项关联规则的个数。对所得到的“序值对”数据进行三阶函数拟合，拟合函数多项式如下所示：
其中，h=0,1,2,3，为计数项，a h 为拟合函数的多项式系数，其中i为计数项，序值x i =i，序列值y i 为项集支持度或者频繁项所产生的关联规则。对所拟合的函数求其二阶导数f '' (x i )，如下式所示：
其中，k和b分别为二阶导函数的斜率和截距。取其唯一零点x 0，即三阶函数的唯一拐点所对应的函数值f(x 0)作为所求支持度或置信度阈值。
（4）可靠性预测模块：以各工艺单元的故障预测为核心，实时采集故障数据并上传特征信号，结合历史故障记录，应用机器学习等人工智能技术，预测工艺单元的性能衰退趋势和设备剩余寿命，提供智能维修决策。包括以下步骤：
1）获取检定线故障数据，建立故障数据库，数据集用(u l ，v l )表示，其中u l 表示检定线故障发生的影响因素变量，v l 表示检定线故障发生的概率，其中l=1,2,…,m，l为计数项，m为故障数据库中的数据个数。
2）构建支持向量机回归模型，如下式所示：
其中
为损失函数，
为权值向量，d为阈值，
和
为松弛因子，C为惩罚系数，其中u l 表示检定线故障发生的影响因素变量，v l 表示检定线故障发生的概率，其中l=1,2,…,m，l为计数项，m为故障数据库中的数据个数，ε为不敏感损失系数，g(u)为检定线各部分的失效概率密度函数，可表示为：
其中l=1,2,…,m，l为计数项，j=1,2,…,m，j为计数项，m为故障数据库中的数据个数，
为拉格朗日乘子，d为阈值，并选择径向基作为支持向量回归机模型的核函数K。模型参数的寻优选用粒子群算法。
3）按照下式计算检定线各部分平均寿命T：
其中，t表示检定线各部分已经运行的实际时间，g(t)表示检定线各部分的失效概率密度函数。
4.通讯层，利用ZigBee、蓝牙、Wifi、5G等多协议通讯接口实现数据在计量设备自动化检定线物理实体、计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体和应用层间的传输。为防止网络传输的不确定性和不稳定性，对传输的数据进行验证，并且有重发功能，以避免网络震荡产生的延时和瞬时中断。
此外，运维系统中所述的物理实体数据、虚拟数字孪生体数据，服务数据、知识数据及融合衍生数据，依托企业大数据平台进行存储、处理和分析。
另外，通讯层利用多协议通讯接口实现数据在计量设备自动化检定线物理实体、计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体和应用层间的传输。为防止网络传输的不确定性和不稳定性，对传输的数据进行验证，并且有重发功能，以避免网络震荡产生的延时和瞬时中断。
本发明旨在将数字孪生思想引入计量设备自动化检定线运维管理过程，通过建立计量设备自动化检定线数字孪生模型，构建与计量设备自动化检定线物理实体高度一致的计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体，实现虚拟空间与物理空间的交互映射；通过融合计量设备自动化检定线数字孪生模型和实时数据，实现计量设备自动化检定线的运行综合监控、瓶颈分析、故障分析和可靠性预测，对检定线全运行周期进行有效管理，提升运维水平，保障检定线稳定可靠运行，提供科学合理的决策支持。
需要说明的是，本申请中未详述的技术方案，采用公知技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于数字孪生的计量设备自动化检定线运维系统，其特征在于，包括以下部分：计量设备自动化检定线物理实体、计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体、应用层和通讯层，
所述计量设备自动化检定线物理实体包括设备层和感知层两部分，利用感知层的感知设备，从设备层采集检定线运维过程中的各类物理实体数据，并通过通讯层将物理实体数据分别推送给计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体和应用层；
所述计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体，通过构建计量设备自动化检定线数字孪生模型，对计量设备自动化检定线物理实体进行仿真，并将仿真结果经通讯层反馈回计量设备自动化检定线物理实体，通过两者的双向映射修正计量设备自动化检定线数字孪生模型；利用修正后的计量设备自动化检定线数字孪生模型，将接收到的物理实体数据转化为虚拟数字孪生体数据，并经通讯层推送至应用层；
所述应用层，将接收到的虚拟数字孪生体数据分配给各个应用模块，对各个应用模块的模型进行训练，形成相应知识库；再将接收到的物理实体数据输入到各个应用模块中的模型，结合知识库和算法实现相应功能，从而输出服务数据、知识数据和融合衍生数据，转化为运维决策并通过通讯层反馈至计量设备自动化检定线物理实体，形成计量设备自动化检定线运维管理闭环；
所述通讯层，利用多协议通讯接口实现数据在计量设备自动化检定线物理实体、计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体和应用层间的传输；
其中，所述计量设备自动化检定线数字孪生模型的构建和修正步骤如下：
步骤（1）：建立物理模型：具体为通过数字化建模软件，建立与计量设备自动化检定线物理实体一致的三维可视化物理子模型；将物理子模型导入数字化检定线仿真软件，将模型参数与物理参数设置一致，融合生成统一物理模型；
步骤（2）：建立逻辑模型：根据物理模型中的要素映射而成；
步骤（3）：建立数据模型：将采集到的物理实体数据进行处理分析，并将处理分析后得到的数据交换到物理模型中；
步骤（4）：建立仿真模型：根据建成的物理模型镜像生成仿真模型，基于物理模型中的数据，对计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体完整运行流程进行仿真，得到的仿真结果与物理模型实时交互；利用逻辑模型验证仿真模型的合理性，验证结果可进一步优化逻辑模型的要素、结构和运行机制；
步骤（5）：仿真模型的修正：基于实时采集的计量设备自动化检定线物理实体运行实际数据和计量设备自动化检定线虚拟数字孪生体仿真结果的偏差值，对仿真模型进行训练和优化，并根据演化结果验证一致性和可靠性，最终输出计量设备自动化检定线数字孪生模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的计量设备自动化检定线运维系统，其特征在于，所述设备层包括周转箱输送机、拆/码垛机、上下料机器人、检定系统输送线、耐压单元、外观检测单元、插卡单元、检定单元、编程与加密单元、封印单元、贴标单元、信息识别单元和监控单元。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的计量设备自动化检定线运维系统，其特征在于，所述感知层包括为自动化检定线配置的工控机、PLC、各类传感器、移载/输送电机、工业相机、网络摄像头和RFID，其中，各类传感器包括湿度传感器、环境尘土传感器、震动传感器、噪声传感器、气路气压传感器、电机温度传感器。
4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生的计量设备自动化检定线运维系统，其特征在于，所述湿度传感器安装于检定室中心；环境尘土传感器安装于检定室中心；震动传感器安装于拆/码垛机、上下料机器人上；噪声传感器安装于拆/码垛机附近、上下料机器人区间；气路气压传感器安装于上下料机器人、贴标单元、总气路和检定仓位置；电机温度传感器安装于主干路的移载/输送电机、上下料机器人上；工业相机安装于外观检测单元；网络摄像头安装于检定室内的监控单元；RFID安装于信息识别单元。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的计量设备自动化检定线运维系统，其特征在于，所述物理实体数据包括设备层各部分在整个检定过程中的工艺顺序编号，待检计量设备在设备层各部分的到达时间、离开时间和下一批次计量设备的到达时间，设备层各部分的故障停机次数、故障类型、故障发生时的累计运行时间和误检率，以及检定室的湿度、尘土含量、噪声、气压、温度。
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