CN113779785B - 一种数字孪生复杂装备解构模型系统及其解构方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字孪生技术领域，具体为一种数字孪生复杂装备解构模型系统及其解构方法，该解构模型系统包括与物理实体连接的部件级结构数字化模块、与部件级结构数字化模块连接的故障维修信息收集模块、与故障维修信息收集模块连接的失效机理影响分析模块、与失效机理影响分析模块连接的构件解构繁简确定模块、与构件解构繁简确定模块对应连接的繁式一一映射模块、简式接口映射模块、与数字孪生体连接的映射综合叠加组合模块。本发明达到了较好地运用维修信息及故障机理与数字孪生技术的有效性和科学性，提高了维修阶段复杂装备数字孪生体构建的高效性、准确性和实用性。

Description

一种数字孪生复杂装备解构模型系统及其解构方法

技术领域

本发明涉及数字孪生技术领域，具体为一种数字孪生复杂装备解构模型系统及其解构方法。

背景技术

数字孪生技术在国内外的工业生产和航空航天等领域研究不断深入，其在航空装备维修保障服务方面也得到了一定程度应用，在航空维修系统装备维修保障实际过程中，数字孪生技术应用首先要解决实物解构的问题，实物对象是数字孪生的重要组成部分，数字孪生体与其密不可分，数字孪生模型、数据及功能/服务都服务于实物对象、实体特征及其它功能需求不同而异。因此，在装备维修过程中应用数字孪生技术，必须构建应不完全等同于采用数据技术设计生产的装备，而要有适用于该应用领域的技术特点，特别是对于传统设计生产的在役装备，提高数字孪生体建立的有效性和科学性，促进数字孪生技术在维修领域的应用实施。

中国发明专利CN201911359283.8 (公开日为2019年12月25日)公开了数字孪生体构建方法、装置、计算机设备及存储介质，该方法建立与智能制造场景匹配的至少两个层级的基础数字孪生体，并建立与各所述基础数字孪生体分别对应的参考信息集，实施例的方案可以构建应用于不同智能制造场景的标准数字孪生体。缺点是该方法只是构建基础数字孪生体，没有涉及实物的解构方法。

中国发明专利CN202010725258.3 (公开日为2020年11月17日)公开了一种基于数字孪生的发动机可靠寿命预测方法，该方法方法包括发动机分解零件、数据录入孪生APP、虚拟发动机装配、虚拟发动机运行、零件损耗信息反馈和虚拟发动机寿命值展示。缺点是该方法只是发动机可靠寿命预测，没有涉及实物的解构方法。

2017年4月出版的《计算机集成制造系统》第23期第753-768页公开了提出了产品数字孪生体的内涵、体系结构及其发展趋势，主要是针对提出了数字孪生技术的概念,及其内涵进行了系统阐述,建立了产品数字孪生体的体系结构,并给出了产品数字孪生体在产品设计阶段、制造阶段和服务阶段的实施途径等。缺点是该系统只是系统介绍数字孪生体，没有涉及在维修阶段建立数字孪生体时实物的解构方法。

因此，针对数字孪生体研究，主要是在数字孪生体的体系结构、构建方法方面的研究，为设计与生产产品服务较多，但是就航空装备维修方面，特别是复杂航空装备实物的解构研究较小。有必要开展产品数字孪生复杂装备解构方法的研究。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种数字孪生复杂装备解构模型系统及其解构方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种数字孪生复杂装备解构模型系统，包括与物理实体连接的部件级结构数字化模块、与部件级结构数字化模块连接的故障维修信息收集模块、与故障维修信息收集模块连接的失效机理影响分析模块、与失效机理影响分析模块连接的构件解构繁简确定模块、与构件解构繁简确定模块对应连接的繁式一一映射模块、简式接口映射模块、与数字孪生体连接的映射综合叠加组合模块，所述映射综合叠加组合模块还分别与故障维修信息收集模块、繁式一一映射模块、简式接口映射模块连接。

作为本发明的进一步改进，所述部件级结构数字化模块用于对物理实体的基本组成部件数字化，提供较为简洁的结构化数字体。

作为本发明的进一步改进，所述故障维修信息收集模块用于收集记录下复杂装备在运维中出现的各类故障和维保信息，更新不同类型故障和维修的发生次数。

作为本发明的进一步改进，所述失效机理影响分析模块用于对故障维修信息收集模块所收集中的各类故障进行分析，为构件解构繁简确定模块提供基本的输入信息。

作为本发明的进一步改进，所述构件解构繁简确定模块用于根据故障维修信息中的类别和发生的次数，确定对装备的构件的映射程度。

作为本发明的进一步改进，所述繁式一一映射模块用于构建故障相应部件、零部件、元件及内在关联关系的模型，全面详实的数字化装备的实体及各部分之间的多维关联。

作为本发明的进一步改进，所述简式接口映射模块用于构建故障相应部件、零部件、元件的接口关系的模型，部分准确的数字化装备的实体及各部分接口之间的关系。

作为本发明的进一步改进，所述映射综合叠加组合模块用于将繁式一一映射或者简式接口映射所生成的数字模型综合叠加融合到已有的数字孪生体中。

一种应用数字孪生复杂装备解构模型系统的解构方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤（一）部件级结构数字化：对物理实体的基本组成进行部件级结构数字化，实现物理实物最初的虚拟化，完成后执行步骤（二）；

步骤（二）故障类别与发生次数分析：根据收集更新航空装备已经发生的故障信息，分析故障类别及其数量，并且对第个类别的故障进行发生数量统计，分别记类别数和其对应的发生数为M,Mn，完成后执行步骤（三）；

步骤（三）故障模式、失效机理和影响分析：对所记录的故障进行模式分析，并且进行失效机理研究和故障对装备安全的影响分析，并形成相适应的模型和对应关系，给出每个故障类别数字化影响权重y，完成后执行步骤（四）；

步骤（四）数字化虚拟化繁简确定：根据故障类别的发生数Mn，及其影响权重y，综合分析后，设定繁简判断阀值F，当“Mn*y>=F”时进行繁式一一映射，执行步骤（五），当“Mn*y<F”时，执行步骤（七）；

步骤（五）构件繁式虚拟化：对发生的故障中涉及到的构件进行一一虚拟化，并且将发生的故障机理也进行虚拟化，完成后执行步骤（六）；

步骤（六）构建繁式一一映射：构建故障相应部件、零部件、元件及内在关联关系的模型，全面详实的数字化装备的实体及各部分之间的多维关联，完成后执行步骤（九）；

步骤（七）构件简式虚拟化：只对发生的故障中涉及到的构件零件进行虚拟化，完成后执行步骤（八）；

步骤（八）构建简式接口映射：只构建故障相应部件、零部件、元件的接口关系的模型，部分准确的数字化装备的实体及各部分接口之间的关系，完成后执行步骤（九）；

步骤（九）映射综合叠加组合：将繁式一一映射或者简式接口映射所生成的数字模型综合叠加融合到已有的数字孪生体中，实现数字孪生体的不断解构，完成后执行步骤（十）；

步骤（十）判断故障类别是否分析完成：判断M种故障类别是否全部分析完成，若已经全部分析完成，执行步骤（十一）；当未全部分析完成，跳转至步骤（三）；

步骤（十一）结束：完成复杂装备解构，待完成最后一个故障类型的映射综合叠加组合后孪生体，就代表为物理实体对应的数字孪生体。

本发明的有益效果是：

本发明实现了复杂装备的映射综合叠加组合和不断优化迭代的能力，用于航空装备在维修运维阶段时运用数字孪生技术构建数字孪生体条件下，设计人员能够通过基于故障维修信息及失效机理影响分析，选择不同的映射模式，以达到较好地运用维修信息及故障机理与数字孪生技术的有效性和科学性，尤其是故障信息的归类分析和构件解构繁简确定，通过故障模式和影响及危害度方法设计，提高了维修阶段复杂装备数字孪生体构建的高效性、准确性和实用性；

本发明采用失效机理影响分析，对复杂装备的各类故障进行分析，利用故障模式和影响及危害度方法、故障树、事件树、共因故障分析等方法，实现了找准部件故障发生的根本原因和及其影响的关键演化能力，有效发挥故障模式和影响及危害度分析方法的技术优势，提高了维修阶段复杂装备数字孪生体构建的准确性；

本发明采用简式接口映射和繁式一一映射相结合的方法，实现了根据复杂装备的故障状态和主次分析实际需求快速构建数字孪生体能力，选择用故障类别的发生数Mn，及其影响权重y来确定繁简模式，可以直接明确进行计算处理，快速完成确定模式的选择，满足了维修阶段复杂装备数字孪生体构建的实用性和高效性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为本发明中数字孪生复杂装备快速解构模型系统的示意图；

图2为本发明中数字孪生复杂装备快速解构方法流程图。

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了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。

如图1所示，一种数字孪生复杂装备快速解构模型系统，包括部件级结构数字化模块、故障维修信息收集模块、失效机理影响分析模块、构件解构繁简确定模块、繁式一一映射模块、简式接口映射模块和映射综合叠加组合模块。

具体的，所述部件级结构数字化模块，主要根据物理实体的基本组成部件，各部件的物理尺寸、材料属性、电信号流动、机构的运动等数字化，提供较为简洁的结构化数字体，数字化程度未涉及元件或其它维度信息的展现，部件级数字模型基本满足故障维修信息收集模块所需的服务。

所述故障维修信息收集模块：在部件级结构数字化模块后，收集记录下复杂装备在运维中出现的各类故障和维保信息，对所收集的故障进行分析归类，更新不同类型故障和维修的发生次数，并且，分析各类故障发生相关的各类部件、零件、元件。

所述失效机理影响分析模块：对故障维修信息模块所收集中的各类故障进行分析，利用故障模式和影响及危害度方法、故障树、事件树、共因故障分析等方法，找出故障发生的根本原因和影响，为构件解构繁简确定模块提供基本的输入信息。

所述构件解构繁简确定模块：主要是根据故障维修信息收集模块中的类别和发生的次数，同时，也要考虑失效机理影响分析模块失效机理影响分析后其影响安全程度，确定对装备的构件的映射程度，当发生次数大于某一设定值时，或影响程度很大时，将进行繁式一一映射，对其所涉及到的部件、零部件、元件及内在关联进行全映射，其它的一般故障或影响程度不大的，则进行简式接口映射，可简化为接口层面的映射。

所述繁式一一映射模块：构建故障相应部件、零部件、元件及内在关联关系的模型，全面详实的数字化装备的实体及各部分之间的多维关联。

所述简式接口映射模块：只构建故障相应部件、零部件、元件的接口关系的模型，部分准确的数字化装备的实体及各部分接口之间的关系。

所述映射综合叠加组合模块：是将繁式一一映射或者简式接口映射所生成的数字模型综合叠加融合到已有的数字孪生体中，实现数字孪生体的不断解构。

如图2所示，一种数字孪生复杂装备快速解构方法，该方法根据上述所提供的一种数字孪生复杂装备快速解构模型而实现的，包括以下步骤：

步骤（一）部件级结构数字化：对物理实体的基本组成进行部件级结构数字化，实现物理实物最初的虚拟化，完成后执行步骤（二）。

步骤（二）故障类别与发生次数分析：根据收集更新航空装备已经发生的故障信息，分析故障类别及其数量，并且对第个类别的故障进行发生数量统计，分别记类别数和其对应的发生数为M,Mn，完成后执行步骤（三）。

步骤（三）故障模式、失效机理和影响分析：对所记录的故障进行模式分析，并且进行失效机理研究和故障对装备安全的影响分析，并形成相适应的模型和对应关系，给出每个故障类别数字化影响权重y，完成后执行步骤（四）。

步骤（四）数字化虚拟化繁简确定：根据故障类别的发生数Mn，及其影响权重y，综合分析后，设定繁简判断阀值F，当“Mn*y>=F”时进行繁式一一映射，执行步骤（五），当“Mn*y<F”时，执行步骤（七）。

步骤（五）构件繁式虚拟化：对发生的故障中涉及到的构件进行一一虚拟化，并且将发生的故障机理也进行虚拟化，完成后执行步骤（六）。

步骤（六）构建繁式一一映射：构建故障相应部件、零部件、元件及内在关联关系的模型，全面详实的数字化装备的实体及各部分之间的多维关联，完成后执行步骤（九）。

步骤（七）构件简式虚拟化：只对发生的故障中涉及到的构件零件进行虚拟化，完成后执行步骤（八）。

步骤（八）构建简式接口映射：只构建故障相应部件、零部件、元件的接口关系的模型，部分准确的数字化装备的实体及各部分接口之间的关系，完成后执行步骤（九）。

步骤（九）映射综合叠加组合：将繁式一一映射或者简式接口映射所生成的数字模型综合叠加融合到已有的数字孪生体中，实现数字孪生体的不断解构，完成后执行步骤（十）。

步骤（十）判断故障类别是否分析完成：判断M种故障类别是否全部分析完成，若已经全部分析完成，直接转入步骤（十一）；当未全部分析完成，跳转至步骤（三）中。

步骤（十一）结束：完成复杂装备解构，待完成最后一个故障类型的映射综合叠加组合后孪生体，就代表为物理实体对应的数字孪生体。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种数字孪生复杂装备解构模型系统，其特征在于：包括与物理实体连接的部件级结构数字化模块、与部件级结构数字化模块连接的故障维修信息收集模块、与故障维修信息收集模块连接的失效机理影响分析模块、与失效机理影响分析模块连接的构件解构繁简确定模块、与构件解构繁简确定模块对应连接的繁式一一映射模块、简式接口映射模块、与数字孪生体连接的映射综合叠加组合模块，所述映射综合叠加组合模块还分别与故障维修信息收集模块、繁式一一映射模块、简式接口映射模块连接；所述繁式一一映射模块用于构建故障相应部件、零部件、元件及内在关联关系的模型，全面详实的数字化装备的实体及各部分之间的多维关联；所述简式接口映射模块用于构建故障相应部件、零部件、元件的接口关系的模型，部分准确的数字化装备的实体及各部分接口之间的关系；数字化虚拟化繁简确定：根据故障类别的发生数与其影响权重的乘积小于繁简判断阀值时进行繁式一一映射，反之，则执行构件简式虚拟化。

2.根据权利要求1所述的一种数字孪生复杂装备解构模型系统，其特征在于：所述部件级结构数字化模块用于对物理实体的基本组成部件数字化，提供较为简洁的结构化数字体。

3.根据权利要求1所述的一种数字孪生复杂装备解构模型系统，其特征在于：所述故障维修信息收集模块用于收集记录下复杂装备在运维中出现的各类故障和维保信息，更新不同类型故障和维修的发生次数。

4.根据权利要求1所述的一种数字孪生复杂装备解构模型系统，其特征在于：所述失效机理影响分析模块用于对故障维修信息收集模块所收集中的各类故障进行分析，为构件解构繁简确定模块提供基本的输入信息。

5.根据权利要求1所述的一种数字孪生复杂装备解构模型系统，其特征在于：所述构件解构繁简确定模块用于根据故障维修信息中的类别和发生的次数，确定对装备的构件的映射程度。

6.根据权利要求1所述的一种数字孪生复杂装备解构模型系统，其特征在于：所述映射综合叠加组合模块用于将繁式一一映射或者简式接口映射所生成的数字模型综合叠加融合到已有的数字孪生体中。

7.一种应用权利要求1至6中任一项所述的数字孪生复杂装备解构模型系统的解构方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤（一）部件级结构数字化：对物理实体的基本组成进行部件级结构数字化，实现物理实物最初的虚拟化，完成后执行步骤（二）；

步骤（二）故障类别与发生次数分析：根据收集更新航空装备已经发生的故障信息，分析故障类别及其数量，并且对第个类别的故障进行发生数量统计，分别记类别数和其对应的发生数为M,Mn，完成后执行步骤（三）；

步骤（三）故障模式、失效机理和影响分析：对所记录的故障进行模式分析，并且进行失效机理研究和故障对装备安全的影响分析，并形成相适应的模型和对应关系，给出每个故障类别数字化影响权重y，完成后执行步骤（四）；

步骤（四）数字化虚拟化繁简确定：根据故障类别的发生数Mn，及其影响权重y，综合分析后，设定繁简判断阀值F，当“Mn*y>=F”时进行繁式一一映射，执行步骤（五），当“Mn*y<F”时，执行步骤（七）；

步骤（五）构件繁式虚拟化：对发生的故障中涉及到的构件进行一一虚拟化，并且将发生的故障机理也进行虚拟化，完成后执行步骤（六）；

步骤（六）构建繁式一一映射：构建故障相应部件、零部件、元件及内在关联关系的模型，全面详实的数字化装备的实体及各部分之间的多维关联，完成后执行步骤（九）；

步骤（七）构件简式虚拟化：只对发生的故障中涉及到的构件零件进行虚拟化，完成后执行步骤（八）；

步骤（八）构建简式接口映射：只构建故障相应部件、零部件、元件的接口关系的模型，部分准确的数字化装备的实体及各部分接口之间的关系，完成后执行步骤（九）；

步骤（九）映射综合叠加组合：将繁式一一映射或者简式接口映射所生成的数字模型综合叠加融合到已有的数字孪生体中，实现数字孪生体的不断解构，完成后执行步骤（十）；

步骤（十）判断故障类别是否分析完成：判断M种故障类别是否全部分析完成，若已经全部分析完成，执行步骤（十一）；当未全部分析完成，跳转至步骤（三）；

步骤（十一）结束：完成复杂装备解构，待完成最后一个故障类型的映射综合叠加组合后孪生体，就代表为物理实体对应的数字孪生体。

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