CN113970910B - 一种数字孪生装备构建方法和系统 - Google Patents

一种数字孪生装备构建方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种数字孪生装备构建方法和系统，所述方法包括:步骤S1：构建初始孪生装备；步骤S2：实现仿真模型和物理模型的多刻度同步对准；步骤S3：获取孪生装备和制造设备的不对称参数对应关系信息；步骤S4：设置并同步运行制造设备和孪生装备。本发明能够根据制造设备的使用进程的推进而进行阶段性的更新，来保障孪生装备的可同步性，降低初始构建难度。

Description

一种数字孪生装备构建方法和系统
技术领域
本发明属于机械自动化领域，尤其涉及一种数字孪生装备构建方法和系统。
背景技术
智能制造系统的实时动态优化管理对于提升制造能力具有重要作用，数字孪生技术能够为制造系统的生产管理与优化分析提供虚拟运算平台，制定更加合理的生产计划，逐步成为国内外研究的热点。精准可靠的数字孪生模型构建是数字孪生技术应用落地的基础问题。制造型企业未来的发展方向,是通过高度自动化、数字化、可视化、建模和集成实现生产控制优化。许多研究已经讨论了针对特定制造行业情境下的智能化问题。通过基于数字孪生的框架,工厂可以更准确、灵活地控制生产过程,以响应市场需求的变化。数字孪生还可以帮助降低低效生产的成本,提高企业的经济效益和可持续发展能力。在物理和信息世界之间构建数字孪生的理论,对于提升生产仿真和控制技术有着重要的意义。此外,在生产控制过程中提供基于新技术的应用方法,如结合了仿真、机器学习和物联网技术的方法,在生产制造的控制领域是值得探索的理论和实践方向。然而,与制造业对数字孪生构建理论和应用方法的迫切需求相比,关于数字孪生理论与应用方法的学术研究,仍处于探索阶段。首先，过去大部分研究工作的注意力都集中在实体产品生命周期管理上。没有考虑到设备状态，设备环境都是动态变化的，尤其是孪生装备搭建的初期，设备往往处于不稳定的状态，在该环境下搭建的系统很难对设备后续的工作提供有效的借鉴和帮助。其次，现有技术往往停留在构建一个孪生装备，通过虚实的参数映射实现两者之间的同步显示，现有技术没有考虑制造设备会随着使用时间的变化而产生不可忽略的变化，而当制造设备产生这种变化时，虚拟设备无法明了制造设备哪里产生了变化，而仅仅用进一步的做信息同步，这样的孪生装备仅实现了对物理空间的数字化虚拟表达，并不能使虚拟空间对物理空间的相应动态事件做出决策，从而反馈给物理空间进行执行；其次，现有数字孪生装备的构建成本过高，主要是因为数字孪生设备的构建很难，对于很多小型任务或者小型设备来说构建性价比太低；接着：现有的孪生设备参数有很多不可忽视影响的参数都是不可调节或者设置，并最终影响了同步一致性和预测精度；制造设备作为物理设备，其设备性能会随时时间的改变而改变，这样的改变可能是基于材料的，也有可能是基于间隙的，这样的改变是不可忽略但是又往往最容易被忽略；上面的问题都很重要并且亟待解决；针对上述现有技术中的问题，本发明能够根据制造设备的使用进程的推进而进行阶段性的更新，来保障孪生装备的可同步性，降低初始构建难度；基于面积趋势方式，基于离散点对趋势做量化判断，指引孪生装备做阶段切换，从而在运行全阶段都能够和设备之间保持同步最大化；采用基于大数据的对应关系映射的方式，在多点对准的基础上，使得在加入不可调节参数影响的情况下支撑了孪生装备的可同步性。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种数字孪生装备构建方法，所述方法包含如下步骤：
步骤S1：构建初始孪生装备；
步骤S2：实现仿真模型和物理模型的多刻度同步对准；
步骤S3：获取孪生装备和制造设备的不对称参数对应关系信息；
步骤S4：设置并同步运行制造设备和孪生装备。
进一步的，所述数字模型是仿真模型或模拟模型。
进一步的，通过积累的方式获取参数对应关系。
进一步的，所述积累的数据是阶段相关的。
进一步的，制造设备内嵌有PLC模块，所述PLC模块具有数据采集功能，通过厂房通信网络，直接获取与设备、环境等相关信息。
一种数字孪生装备构建系统，包括：
控制模块，用于发出指令并控制孪生装备和制造设备；
孪生装备模块，用于运行实现所述孪生装备；
制造设备，用于执行制造任务；
所述控制模块包括如下子模块：
初始化子模块，用于构建初始孪生装备；
多刻度对准子模块，用于实现仿真模型和物理模型的多刻度同步对准；
对应关系获取子模块，用于获取孪生装备和制造设备的不对称参数对应关系信息；
同步运行子模块，用于设置并同步运行制造设备和孪生装备。
一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述的数字孪生装备构建方法。
一种执行设备，包括处理器，所述处理器和存储器耦合，所述存储器存储有程序指令，当所述存储器存储的程序指令被所述处理器执行所述的数字孪生装备构建方法。
一种计算机可读存储介质，包括程序，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的数字孪生装备构建方法。
一种电路系统，所述电路系统包括处理电路，所述处理电路配置为执行所述的数字孪生装备构建方法。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明基于仿真模型或模拟模型来构建数字孪生装备，根据制造设备的使用进程的推进而进行阶段性的更新，来保障孪生装备的可同步性，降低初始构建难度；
(2)基于面积趋势方式，基于离散点对趋势做量化判断，指引孪生装备做阶段切换，从而在运行全阶段都能够和设备之间保持同步最大化；
(3)采用基于大数据的对应关系映射的方式，在多点对准的基础上，使得在加入不可调节参数影响的情况下支撑了孪生装备的可同步性。
附图说明
此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明的数字孪生装备构建方法示意图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
智能制造系统的实时动态优化管理对于提升制造能力具有重要作用，数字孪生技术能够为制造系统的生产管理与优化分析提供虚拟运算平台，制定更加合理的生产计划，逐步成为国内外研究的热点。精准可靠的数字孪生模型构建是数字孪生技术应用落地的基础问题。针对该基础性问题，对本发明所应用的一种数字孪生装备构建方法进行详细说明，如附图1所示，所述方法包含：
步骤S1：构建初始孪生装备；具体的包括如下步骤：
步骤S11：获取制造设备数字模型；
优选的：所述数字模型是仿真模型或模拟模型；
例如：所述仿真模型或模拟模型是制造设备厂家提供用于进行设备测试构建的模型；也可以是用户针对当前制造任务自行搭建的模型；
优选的：所述仿真模型或模拟模型是针对独立制造设备的模型；当制造设备需要组合以形成组合设备来执行复杂任务时，将组合设备包含的多个独立制造设备的仿真模型或模拟模型的输入输出接口进行组合，进行联合仿真或模拟以构成所述组合制造设备的仿真模型或模拟模型；
步骤S12：根据制造设备参数设置数字模型参数；并将所述数字模型作为初始孪生装备；数字孪生设备的构建很难，对于很多小型任务或者小型设备来说构建性价比高，本发明基于仿真模型或模拟模型来构建数字孪生装备，根据制造设备的使用进程的推进而进行阶段性的更新，来保障孪生装备的可同步性，降低初始构建难度；
优选的：孪生装备或者制造设备的运行过程中有三类参数至关重要，需要记录这些信息，并在运行完毕后输出制造结果的相关参数；制造结果为具体产品；孪生设备的一些参数是可调节可设置的，这些可调节参数在孪生设备运行之初可以提前设置，从而决定孪生设备的工作状态；制造设备本身也具备这些可调节参数，制造设备的可调节参数可以通过物理或者GUI的方式来设置；但是制造设备的运行状态以及产生的制造结果不仅仅和这些可调节参数相关，还和一些非设置的不可调节参数相关；例如：环境温度等；不可调节参数代表了一类数字模型不会提供进行修改、或者说数字模型没有考虑到的参数影响；而对于比较简单的仿真模型或者模拟模型中，很多对制造结果会产生不可忽视影响的参数都是不可调节或者设置；那么通过本发明的不对等对应关系映射的方式能够解决的这个问题；
在制造结束之后监测得到制造结果信息，例如：制造结果为产品尺寸、产率效能等多源结果数据；
所述不可调节参数包括环境信息、设备运行状态等，例如：厂房环境信息，物料类型信息、操作工人信息如姓名和工号等，所述设备运行状态包括设备编号、名称、位置、生产厂家、加工能力、设备状态、能耗、转速等；
步骤S2：在多个基本参数条件下，通过仿真模型和制造设备制造结果之间的差距调整，实现仿真模型和物理模型的同步对准；具体包括如下步骤：
步骤S21：在基本参数条件下运行制造设备并获取制造设备制造结果；所述基本参数条件包括不可调节参数和可调节参数；
优选的：所述基本参数条件为一个或者多个；所述基本参数条件为默认或者常见参数条件；通过多条件下的对准，使得在参数多变的情况下为后续的多参数多阶段同步创造基础；
步骤S22：根据当前制造设备的可调节参数设置孪生装备，运行孪生装备并获取孪生装备制造结果；
步骤S23：比较制造设备制造结果和孪生装备制造结果之间的差距；
步骤S24：基于所述差距调整制造设备以缩短所述差距；这里调整的对象是制造设备本身，例如：基于经验进行制造设备调整；
优选的：在一种常见参数下，孪生装备和制造设备的制造结果是相同的；制造设备因为制造偏差等多方面因素，和理想状态也就是同等状态下孪生装备应当体现出来的状态之间往往存在差距，尤其是多设备组合后；在现有技术中的同步往往是单刻度同步，也就是一个点的对准，本发明通过多点对准，降低了对后续样本积累量的要求；不同环境下不通任务条件下，常见条件是相同或者而不同的；
步骤S3：获取孪生装备和制造设备的不对称参数对应关系信息；
优选的：通过积累的方式获取参数对应关系；所述积累的数据是阶段相关的；
所述步骤S3具体包括如下步骤：
步骤S31：调节和/或设置制造设备的可调节参数和/或不可调节参数；
优选的：根据当前的制造任务设置可调节参数和/或不可调节参数；制造设备作为物理设备，其设备性能会随时时间的改变而改变，这样的改变可能是基于材料的，也有可能是基于间隙的，这样的改变是不可忽略但是又往往最容易被忽略；本发明试图解析这样的阶段性变化并进行数字和物理设备的阶段性同步；
步骤S32：运行制造设备，获取制造设备制造结果；
步骤S33：根据制造设备的可调节参数设置孪生装备，运行孪生装备获取孪生装置制造结果；
所述根据制造设备的可调节参数设置孪生装备，具体为：首次设置时，设置孪生装备的可调节参数等于制造设备的可调节参数；后续设置时，基于设定规则改变可调节参数后，就改变后的可调节参数设置孪生装备的可调节参数；
优选的：制造设备内嵌有PLC模块，所述PLC模块具有数据采集功能，通过厂房通信网络，直接获取与设备、环境等相关信息；
步骤S34：当孪生装备和制造设备的制造结果相同时，以所述制造结果为标签保存孪生装备的可调节参数和制造设备的(可调节参数，不可调节参数)之间对应关系作为不对称参数对应关系信息；；当制造结果不相同时，返回步骤S32；
可替换的：这里的相同为一致，也就是不同在可接受范围内；反之亦然；
优选的：创建孪生装备的可调节参数的第一摘要值和制造设备的(可调节参数，不可调节参数)的第二摘要值之间的对应关系；
可替换的：所述步骤S3，具体为：获取针对相同制造设备的可调节参数和制造设备(可调节参数，不可调节参数)之间对应关系的大数据信息，并将所述大数据信息作为所获取的不对称参数对应关系信息；这对于同一个厂房相同设备批量生产环境非常有益，制造设备和制造结果的大量重复能够在很短的时间内构件足够的对应关系信息，设备之间的阶段进展也是接近的，孪生装备也可以进行对应多个物理设备来重复使用；
当这种不对称参数对应关系信息积累到一定数量时，孪生装备就能够在后续发挥其作用；此时启动进入步骤S4的窗口或者说时机；
优选的：不对称参数对应关系信息和阶段相关，所述阶段和制造设备的运行时间、环境因素等多方面相关；在再次进入该步骤S3时，也就是当发生制造设备阶段改变时，做新的对应关系积累或者启用新的对应关系；
当然了在采用历史大数据中的对应关系时，可以根据当前设备的特征来选择对应的阶段对应关系；例如：新设备，那么其采用的就是第一阶段也就是最新的阶段的不对称参数对应关系信息；
因为从理论上来说在对应关系中保存的孪生装备的可调节参数和其制造结果之间并非对应关系，而只是理论条件下的对应关系，本发明中基于不可调节参数对可调节参数和制造结果之间的对应关系参照实际运行情况作了偏离，所以最后保存在对应关系是非对称的；
步骤S4：设置并同步运行制造设备和孪生装备；具体包括如下步骤：
步骤S41：获取制造任务并执行所述制造任务；监测获取当前制造设备的不可调节参数；基于所述制造设备的(可调节参数，不可调节参数)组合查询孪生装备和制造设备的参数对应关系信息，获取对应的孪生装备可调节参数；
优选的：计算制造设备的(可调节参数，不可调节参数)的第二摘要值，基于所述第二摘要值查询对应关系；
步骤S42：基于查询获取的孪生装备可调节参数设置孪生装备；
步骤S43：同步运行制造设备和孪生装备；
步骤S44：判断制造设备和孪生装备的制造结果是否一致；如果是，则返回步骤S41；如果否且阶段判定条件满足，则进入步骤S45，否则进入步骤S46；
优选的：所述制造结果一致是指制造设备和孪生装备的制造结果差异在阈值范围内；
优选的：所述阶段判定条件为，在设定时间段内，制造设备和孪生装备的制造结果不一致的次数大于预设值；也就是对不一致的出现频次做判断；
步骤S45:判断制造设备运行阶段是否发生改变，如果是，则进入步骤S3，否则返回步骤S41；
所述判断制造设备运行阶段是否发生改变，具体包括如下步骤：
步骤S451：获取设定时间内的制造设备的n个制造结果(RR1，RR2，RRi…RRn)，和孪生装置的n个制造结果数据(R1，R2，RRi…Rn)；
步骤S452：计算制造结果距离面积；
其中：t1～tn分别对应R1-Rn的时刻；(Rc，tc)是RRy(t)和Ry(t)的交点；其中：RRy(t)和Ry(t)分别满足公式(3)和(4)；也就是从ti到ti+1时刻，RRi到RRi+1构成的直线和Ri到Ri+1构成的直线之间的交点；
步骤S453：确定((RRi＞Ri)且(RRi＞Ri))的数量N↑和((RRi≤Ri)且(RRi≤Ri))的数量N↓；
步骤S454：如果|AD|>TR_AD，且(N↑或N↓)>TR_N，则确定发生运行阶段改变；否则确定未转移而返回步骤S41；
优选的：TR_AD是预设值；
优选的：1/2+1/10<N↑或者N↓<1；在只有零散异常值时，不影响对整体数据趋势的判断；而本发明基于面积趋势方式，基于离散点对趋势做量化判断，指引孪生装备做阶段切换，从而在运行全阶段都能够和设备之间保持同步最大化；
步骤S46：作异常反馈；在得到异常反馈后，孪生装备基于同步经验给出了制造设备可能出现制造异常的情况，反馈人工进行制造设备的调整；
优选的：在人工调整后，返回步骤S41；
优选的：所述数字孪生装备构建于云平台之上，云平台利用计算机集群构成统一协调的计算服务器资源，为业务终端提供按需、便捷访问共享资源池(计算设施、存储设备、应用程序等)的服务。云计算平台的核心服务层提供的服务包括基础设施即服务(IaaS，infrastructure as aservice)、平台即服务(PaaS，platform as a service)、软件即服务(SaaS，software as a service)。其中IaaS提供实体或虚拟的计算、存储和网络服务，PaaS提供应用程序部署与管理服务，SaaS提供应用程序。业务终端所属企业可以租用进行信息交换处理。
优选的：制造设备位于业务终端上，而数字孪生装备位于云平台上；所述云平台利用大数据分析能力，对多源用户提交的制造设备和孪生装置数据做有针对性的分析。
术语“数据处理装置”、“数据处理系统”、“用户设备”或“计算设备”包涵用于处理数据的所有种类的装置、设备和机器，举例包括可编程处理器、计算机、片上系统、或者上述中的多个或其组合。所述装置能够包括专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。除了硬件，所述装置还可以包括代码，创建用于所述计算机程序的执行环境，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行环境、虚拟机或上述一个或多个的组合的代码。该装置和执行环境可以实现各种不同计算模型基础设施，诸如web服务、分布式计算、和网格计算基础设施。
计算机程序(也被称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)能够以编程语言的任何形式来撰写，包括汇编或解释语言、说明或过程性语言，且其可以以任何形式部署，包括作为单机程序或者作为模块、组件、子例程、对象或适于在计算环境中使用的其他单元。计算机程序可以但不必与文件系统中的文件相对应。程序能够存储在保持其他程序或数据(例如存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中，在专用于所述程序的单个文件中，或者在多个协同文件中(例如，存储一个或多个模块、子例程或代码部分的文件)。计算机程序可以部署为在一个计算机上或位于一个站点或跨多个站点分布且由通信网络互连的多个计算机上执行。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种数字孪生装备构建方法，其特征在于，所述方法包含：
步骤S1：构建初始孪生装备；
步骤S2：实现仿真模型和物理模型的多刻度同步对准，具体包括：
步骤S21：在基本参数条件下运行制造设备并获取制造设备制造结果；所述基本参数条件包括不可调节参数和可调节参数；
步骤S22：根据当前制造设备的可调节参数设置孪生装备，运行孪生装备并获取孪生装备制造结果；
步骤S23：比较制造设备制造结果和孪生装备制造结果之间的差距；
步骤S24：基于所述差距调整制造设备以缩短所述差距；
步骤S3：获取孪生装备和制造设备的不对称参数对应关系信息，具体包括：
步骤S31：调节和/或设置制造设备的可调节参数和/或不可调节参数；
步骤S32：运行制造设备，获取制造设备制造结果；
步骤S33：根据制造设备的可调节参数设置孪生装备，运行孪生装备获取孪生装置制造结果；
步骤S34：当孪生装备和制造设备的制造结果相同时，以所述制造结果为标签保存孪生装备的可调节参数和制造设备的可调节参数或不可调节参数之间对应关系作为不对称参数对应关系信息；当制造结果不相同时，返回步骤S32；
步骤S4：设置并同步运行制造设备和孪生装备，具体包括：
步骤S41：获取制造任务并执行所述制造任务；监测获取当前制造设备的不可调节参数；基于所述制造设备的可调节参数或不可调节参数组合查询孪生装备和制造设备的参数对应关系信息，获取对应的孪生装备可调节参数；
步骤S42：基于查询获取的孪生装备可调节参数设置孪生装备；
步骤S43：同步运行制造设备和孪生装备；
步骤S44：判断制造设备和孪生装备的制造结果是否一致；如果是，则返回步骤S41；如果否且阶段判定条件满足，则进入步骤S45，否则进入步骤S46；
步骤S45:判断制造设备运行阶段是否发生改变，如果是，则进入步骤S3，否则返回步骤S41；
所述判断制造设备运行阶段是否发生改变，具体包括如下步骤：
步骤S451：获取设定时间内的制造设备的n个制造结果：RR1，RR2…RRi...RRn，和孪生装置的n个制造结果数据:R1，R2…Ri…Rn；
步骤S452：计算制造结果距离面积；
其中：t1-tn分别对应R1-Rn的时刻；(Rc，tc)是RRy(t)和Ry(t)的交点；其中：RRy(t)和Ry(t)分别满足公式(3)和(4)；也就是从ti到ti+1时刻，RRi到RRi+1构成的直线和Ri到Ri+1构成的直线之间的交点；
步骤S453：确定(RRi>Ri)的数量N↑和(RRi≤Ri)的数量N↓；
步骤S454：如果|AD|>TR_AD，且(N↑或N↓)>TR_N，则确定发生运行阶段改变；否则确定未转移而返回步骤S41，其中TR_AD是预设值；
步骤S46：作异常反馈；在得到异常反馈后，孪生装备基于同步经验给出了制造设备出现制造异常的情况，反馈人工进行制造设备的调整。
2.根据权利要求1所述的数字孪生装备构建方法，其特征在于，通过积累的方式获取参数对应关系。
3.根据权利要求2所述的数字孪生装备构建方法，其特征在于，所述积累的数据是阶段相关的。
4.根据权利要求3所述的数字孪生装备构建方法，其特征在于，制造设备内嵌有PLC模块，所述PLC模块具有数据采集功能，通过厂房通信网络，直接获取与设备、环境相关信息。
5.一种数字孪生装备构建系统，其特征在于，所述系统用于实现如权利要求1-4中一项所述的数字孪生装备构建方法。
6.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1至4中任意一项所述的数字孪生装备构建方法。
7.一种执行设备，其特征在于，包括处理器，所述处理器和存储器耦合，所述存储器存储有程序指令，当所述存储器存储的程序指令被所述处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的数字孪生装备构建方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括程序，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1至4中任一项所述的数字孪生装备构建方法。
9.一种电路系统，其特征在于，所述电路系统包括处理电路，所述处理电路配置为执行如权利要求1至4中任一项所述的数字孪生装备构建方法。
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