CN114003990A - 一种水务数字集成孪生控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水务数字集成孪生控制系统，包括数字孪生体、图形化开发平台、知识自动更新平台、工业互联网连接模块、感应控制一体化融合模块、边缘计算单元和OTA空中编程单元；数字孪生体至少包括一个能够模拟物理设备运行的仿真设备模型；图形化开发平台用于实现用户对系统的远程软件开发和迭代；知识自动化更新平台向用户提供可以直接应用的领域知识，通过提供一种数字仿真的物理设备运行趋势的仿真设备模型，能够预测物理设备运行的不利点，达到避免物理设备处于不合理状态的效果。
Description
技术领域
本发明涉及供水设备控制系统技术领域，尤其涉及一种水务数字集成孪生控制系统。
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。
如需获取典型物理设备的故障数据，需要使现场物理设备真正发生故障，而现场物理设备在发生故障时可能会导致严重后果。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术所存在的不足而提供一种水务数字集成孪生控制系统，通过提供一种数字仿真的物理设备运行趋势的仿真设备模型，能够预测物理设备运行的不利点，达到避免物理设备处于不合理状态的效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种水务数字集成孪生控制系统，其特征在于：包括数字孪生体、图形化开发平台、知识自动更新平台、工业互联网连接模块、感应控制一体化融合模块、边缘计算单元和OTA空中编程单元；数字孪生体至少包括一个能够模拟物理设备运行的仿真设备模型；图形化开发平台用于实现用户对系统的远程软件开发和迭代；知识自动化更新平台向用户提供可以直接应用的领域知识，领域知识通过图形化开发平台向用户展示；工业互联网模块用于实现数字孪生体与云平台、感应控制一体化融合模块与物理设备的通信连接；感应控制一体化融合模块用于对物理设备运行参数进行实时数据的采集、分析和传送；边缘计算单元相对于数字孪生体之外独立工作，边缘计算单元能够单独对物理设备的运行数据进行处理分析；OTA空中编程单元实现用户远程对系统和物理设备的运行命令、参数管理、更新配置和软件部署操作；
上述控制系统一般应用在二次供水设备中，数字孪生体通过输入水泵扬程流量曲线、管损公式、管路长度等信息建立通过建立一个可描述管网、泵及各类设备的仿真设备模型，通过数字孪生体本身持续优化匹配数据，同时运用预测算法结合机器学习就能简单的模拟出对应的物理设备运行状态，能够预测出对应的物理设备运行的不利点，从而提前避免，如当我们需要在物理设备上设定一个用户压力时，如果设置不正确会导致水泵频繁启停，反而导致压力不稳定，而通过将该用户压力输入数字孪生体的仿真设备模型中，数字孪生体能够仿真出该压力值下水泵的运行趋势，验证是否会出现异常情况，从而达到避免直接在物理设备上输入不合理参数而发生异常情况，具体实施时，通过数字孪生体能够反映水泵的振动情况预测未来水泵故障产生的概率，有助于用户确定物理设备什么时间需要维护、检修或更换，从而帮助实现智能的泵产品性能管理和运维；用户可通过图形开发平台对软件中的数字孪生体等软件进行简易的远程软件开发和迭代，知识自动化更新平台通过将逻辑算法、控制算法、数据处理、通信连接、流程工艺、建模仿真等领域知识封装成组件模块供给用户使用，且还能不断更新先进的、更快速的组件模块帮助用户不断更新系统技术，实现系统整体的功能提升，知识自动化更新平台储备的领域知识、解决方案和使用示例等组件模块通过图形化开发平台向用户展示，用户可以在利用图形化开发平台对系统进行软件开发迭代时直接取用，工业互联网模块能够实现本系统与云平台、本系统与物理设备的通信；感应控制一体化融合模块集成了多种传感器数据采集和分析功能，能够采集对应的物理设备的运行参数；边缘计算单元能够直接对物理设备进行运行状态监测和故障诊断，起到双重监控防护作用。
可选的，数字孪生体还包括历史大数据分析模块、学习模块和模型矫正模块，数字孪生体利用对历史大数据的分析或学习技术对基本模型进行矫正完善；数字孪生体利用历史大数据分析模块并不断采集物理设备的实时数据进行对比，通过学习模块结合机器不断学习新技术对仿真模型进行修正矫正，能够完善数字孪生体本身的精确程度，更好的反映对应的物理设备的运行趋势。
可选的，仿真设备模型为设备的生命周期模型或设备组合的行为仿真模型；通过为物理设备建立各种运行模型，可以做到在现辨识泵健康状态，合理调度泵工作状态等。
可选的，图形化开发平台为低代码图形化开发工具；图形化开发平台方便用户实现软件定制，用户可以通过图形化开发平台，远程进行软件开发和迭代，推动硬件功能的更新和升级，使物理设备更加智能化，功能更灵活强大，从而使设备更快速的适应控制和生产，无需复杂的编码和测试过程。
可选的，知识自动更新平台包括控制逻辑模块、控制算法模块、数据处理模块、通信连接模块、流程工艺模块和建模仿真模块；知识自动更新平台能够将领域知识，包括控制逻辑、控制算法、数据处理、通信连接、流程工艺和建模仿真等进行封装形成组件模块，不断加入更先进的、更快速的组件模块，并提供解决方案和使用示例，用户可直接应用上述组件模块、解决方案和使用示例，有助于帮助使用不断更新技术，实现功能提升。
可选的，知识自动更新平台还包括可以复用的编程程序包，提供的可复用的编程程序包供用户使用，能够提高效率。
可选的，工业互联网连接模块包括北向通信单元和南向通信单元，北向通信单元可实现系统与云平台的无线连接，南向通信单元可实现系统与云平台的有线连接；利用系统自身的工业互联网连接模块使本系统无需通过附加网关通信设备即可与云平台和物理设备进行通信，利用北向通信单元可以通过MQTT、HTTP、Websocket、CoAP等多种标准通信协议和云平台无缝安全连接，利用南向通信单元与各物理设备的接口连接，包括OPC-UA，MODBUS，CANopen等现场总线，用户可通过低代码编程快速实现从物理设备到云平台的数据采集、分析和应用集成。
可选的，感应控制一体化融合模块包括数据采集单元、数据分析单元和数据传送单元；数据采集单元集成多种传感器数据采集和分析功能，能够实现对物理设备的分布式实时数据采集和传送，数据采集单元本身自带的多模态传感器，能够实现对380V三相电压、电流、转速、振动和温度的采集，同时数据传送单元能提供多通道数字和模拟的输入输出功能，实现优化闭环控制的成本，同时提升了效率和容错能力。
可选的，边缘计算单元包括数据处理引擎结合组件模块，数据处理引擎结合组件模块用于对数据采集单元的数据和南向通信单元的数据进行实时的流数据处理；由于设备使用环境的网络接入问题有时可能无法充分使用数字孪生体进行控制分析，边缘计算单元通过内置的数据处理引擎结合组件模块能够对物理设备中传感器采集的数据以及南向通信数据进行实时的流数据处理，形成一个基于就地的大数据分析平台，通过数据处理引擎结合组件模块的边缘计算功能，可以基于对电机运行电压、电流、转速、振动和温度信号的分析处理来对电机进行运行状态监测与故障诊断，帮助用户准确掌握电机运行情况及趋势，并以此为依据开展电机的预测性维护，提高维护效果降低维护费用，同时利用边缘计算单元本身的边缘计算能力结合供排水系统中压力、泵启动次数等进行预测趋势分析，帮助用户掌握当前物理设备运行的稳定系数，及时对参数以及外部设施进行问题排查。
可选的，OTA空中编程单元包括基于MQTT的安全远程访问模块，用户通过基于MQTT的安全远程访问模块实现对系统的远程运行命令、参数管理、更新配置和软件部署；OTA空中编程单元提供一种基于MQTT的安全远程访问模式，用户可以通过基于MQTT的安全远程访问模块能够实现对系统的远程运行命令、参数管理、更新配置和软件部署，较传统的基于VPN或点对点的远程机器访问方式更加简单、效率更高。
基于上述，本发明一种水务数字集成孪生控制系统，通过提供一种数字仿真的物理设备运行趋势的仿真设备模型，能够预测物理设备运行的不利点，达到避免物理设备处于不合理状态的效果。
附图说明
图1为本发明实施例一种水务数字集成孪生控制系统应用在二次供水设备中的应用示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例执行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在不冲突的情况下，本发明中的技术特征可以相互组合。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
如图1所示，为本发明一种水务数字集成孪生控制系统，包括数字孪生体、图形化开发平台、知识自动更新平台、工业互联网连接模块、感应控制一体化融合模块、边缘计算单元和OTA空中编程单元；数字孪生体至少包括一个能够模拟物理设备运行的仿真设备模型；图形化开发平台用于实现用户对系统的远程软件开发和迭代；知识自动化更新平台向用户提供可以直接应用的领域知识，领域知识通过图形化开发平台向用户展示；工业互联网模块用于实现数字孪生体与云平台、感应控制一体化融合模块与物理设备的通信连接；感应控制一体化融合模块用于对物理设备运行参数进行实时数据的采集、分析和传送；边缘计算单元相对于数字孪生体之外独立工作，边缘计算单元能够单独对物理设备的运行数据进行处理分析；OTA空中编程单元实现用户远程对系统和物理设备的运行命令、参数管理、更新配置和软件部署操作；
上述控制系统一般应用在二次供水设备中，数字孪生体通过输入水泵扬程流量曲线、管损公式、管路长度等信息建立通过建立一个可描述管网、泵及各类设备的仿真设备模型，通过数字孪生体本身持续优化匹配数据，同时运用预测算法结合机器学习就能简单的模拟出对应的物理设备运行状态，能够预测出对应的物理设备运行的不利点，从而提前避免，如当我们需要在物理设备上设定一个用户压力时，如果设置不正确会导致水泵频繁启停，反而导致压力不稳定，而通过将该用户压力输入数字孪生体的仿真设备模型中，数字孪生体能够仿真出该压力值下水泵的运行趋势，验证是否会出现异常情况，从而达到避免直接在物理设备上输入不合理参数而发生异常情况，具体实施时，通过数字孪生体能够反映水泵的振动情况预测未来水泵故障产生的概率，有助于用户确定物理设备什么时间需要维护、检修或更换，从而帮助实现智能的泵产品性能管理和运维；用户可通过图形开发平台对软件中的数字孪生体等软件进行简易的远程软件开发和迭代，知识自动化更新平台通过将逻辑算法、控制算法、数据处理、通信连接、流程工艺、建模仿真等领域知识封装成组件模块供给用户使用，且还能不断更新先进的、更快速的组件模块帮助用户不断更新系统技术，实现系统整体的功能提升，知识自动化更新平台储备的领域知识、解决方案和使用示例等组件模块通过图形化开发平台向用户展示，用户可以在利用图形化开发平台对系统进行软件开发迭代时直接取用，工业互联网模块能够实现本系统与云平台、本系统与物理设备的通信；感应控制一体化融合模块集成了多种传感器数据采集和分析功能，能够采集对应的物理设备的运行参数；边缘计算单元能够直接对物理设备进行运行状态监测和故障诊断，起到双重监控防护作用。
在一些实施例中，数字孪生体还包括历史大数据分析模块、学习模块和模型矫正模块，数字孪生体利用对历史大数据的分析或学习技术对基本模型进行矫正完善；数字孪生体利用历史大数据分析模块并不断采集物理设备的实时数据进行对比，通过学习模块结合机器不断学习新技术对仿真模型进行修正矫正，能够完善数字孪生体本身的精确程度，更好的反映对应的物理设备的运行趋势。
在一些实施例中，仿真设备模型为设备的生命周期模型或设备组合的行为仿真模型；通过为物理设备建立各种运行模型，可以做到在现辨识泵健康状态，合理调度泵工作状态等。
在一些实施例中，图形化开发平台为低代码图形化开发工具；图形化开发平台方便用户实现软件定制，用户可以通过图形化开发平台，远程进行软件开发和迭代，推动硬件功能的更新和升级，使物理设备更加智能化，功能更灵活强大，从而使设备更快速的适应控制和生产，无需复杂的编码和测试过程。
在一些实施例中，知识自动更新平台包括控制逻辑模块、控制算法模块、数据处理模块、通信连接模块、流程工艺模块和建模仿真模块；知识自动更新平台能够将领域知识，包括控制逻辑、控制算法、数据处理、通信连接、流程工艺和建模仿真等进行封装形成组件模块，不断加入更先进的、更快速的组件模块，并提供解决方案和使用示例，用户可直接应用上述组件模块、解决方案和使用示例，有助于帮助使用不断更新技术，实现功能提升。
在一些实施例中，知识自动更新平台还包括可以复用的编程程序包，提供的可复用的编程程序包供用户使用，能够提高效率。
在一些实施例中，工业互联网连接模块包括北向通信单元和南向通信单元，北向通信单元可实现系统与云平台的无线连接，南向通信单元可实现系统与云平台的有线连接；利用系统自身的工业互联网连接模块使本系统无需通过附加网关通信设备即可与云平台和物理设备进行通信，利用北向通信单元可以通过MQTT、HTTP、Websocket、CoAP等多种标准通信协议和云平台无缝安全连接，利用南向通信单元与各物理设备的接口连接，包括OPC-UA，MODBUS，CANopen等现场总线，用户可通过低代码编程快速实现从物理设备到云平台的数据采集、分析和应用集成。
在一些实施例中，感应控制一体化融合模块包括数据采集单元、数据分析单元和数据传送单元；数据采集单元集成多种传感器数据采集和分析功能，能够实现对物理设备的分布式实时数据采集和传送，数据采集单元本身自带的多模态传感器，能够实现对380V三相电压、电流、转速、振动和温度的采集，同时数据传送单元能提供多通道数字和模拟的输入输出功能，实现优化闭环控制的成本，同时提升了效率和容错能力。
在一些实施例中，边缘计算单元包括数据处理引擎结合组件模块，数据处理引擎结合组件模块用于对数据采集单元的数据和南向通信单元的数据进行实时的流数据处理；由于设备使用环境的网络接入问题有时可能无法充分使用数字孪生体进行控制分析，边缘计算单元通过内置的数据处理引擎结合组件模块能够对物理设备中传感器采集的数据以及南向通信数据进行实时的流数据处理，形成一个基于就地的大数据分析平台，通过数据处理引擎结合组件模块的边缘计算功能，可以基于对电机运行电压、电流、转速、振动和温度信号的分析处理来对电机进行运行状态监测与故障诊断，帮助用户准确掌握电机运行情况及趋势，并以此为依据开展电机的预测性维护，提高维护效果降低维护费用，同时利用边缘计算单元本身的边缘计算能力结合供排水系统中压力、泵启动次数等进行预测趋势分析，帮助用户掌握当前物理设备运行的稳定系数，及时对参数以及外部设施进行问题排查。
在一些实施例中，OTA空中编程单元包括基于MQTT的安全远程访问模块，用户通过基于MQTT的安全远程访问模块实现对系统的远程运行命令、参数管理、更新配置和软件部署；OTA空中编程单元提供一种基于MQTT的安全远程访问模式，用户可以通过基于MQTT的安全远程访问模块能够实现对系统的远程运行命令、参数管理、更新配置和软件部署，较传统的基于VPN或点对点的远程机器访问方式更加简单、效率更高。
基于上述，本发明一种水务数字集成孪生控制系统，通过提供一种数字仿真的物理设备运行趋势的仿真设备模型，能够预测物理设备运行的不利点，达到避免物理设备处于不合理状态的效果。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围执行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种水务数字集成孪生控制系统，其特征在于：包括数字孪生体、图形化开发平台、知识自动更新平台、工业互联网连接模块、感应控制一体化融合模块、边缘计算单元和OTA空中编程单元；
所述数字孪生体至少包括一个能够模拟物理设备运行的仿真设备模型；
所述图形化开发平台用于实现用户对系统的远程软件开发和迭代；
所述知识自动化更新平台用于向用户提供可以直接应用的领域知识，所述领域知识通过所述图形化开发平台向用户展示；
所述工业互联网模块用于实现所述数字孪生体与云平台、所述感应控制一体化融合模块与物理设备的通信连接；
所述感应控制一体化融合模块用于对物理设备运行参数进行实时数据的采集、分析和传送；
所述边缘计算单元相对于所述数字孪生体之外独立工作，所述边缘计算单元能够单独对物理设备的运行数据进行处理分析；
所述OTA空中编程单元实现用户远程对系统和物理设备的运行命令、参数管理、更新配置和软件部署操作。
2.根据权利要求1所述的一种水务数字集成孪生控制系统，其特征在于：所述数字孪生体还包括历史大数据分析模块、学习模块和模型矫正模块，所述数字孪生体利用对历史大数据的分析或学习技术对所述基本模型进行矫正完善。
3.根据权利要求1所述的一种水务数字集成孪生控制系统，其特征在于：所述仿真设备模型为设备的生命周期模型或设备组合的行为仿真模型。
4.根据权利要求1所述的一种水务数字集成孪生控制系统，其特征在于：所述图形化开发平台为低代码图形化开发工具。
5.根据权利要求1所述的一种水务数字集成孪生控制系统，其特征在于：所述知识自动更新平台包括控制逻辑模块、控制算法模块、数据处理模块、通信连接模块、流程工艺模块和建模仿真模块。
6.根据权利要求5所述的一种水务数字集成孪生控制系统，其特征在于：所述知识自动更新平台还包括可以复用的编程程序包。
7.根据权利要求1所述的一种水务数字集成孪生控制系统，其特征在于：所述工业互联网连接模块包括北向通信单元和南向通信单元，所述北向通信单元可实现系统与云平台的无线连接，所述南向通信单元可实现系统与云平台的有线连接。
8.根据权利要求7所述的一种水务数字集成孪生控制系统，其特征在于：所述感应控制一体化融合模块包括数据采集单元、数据分析单元和数据传送单元。
9.根据权利要求8所述的一种水务数字集成孪生控制系统，其特征在于：所述边缘计算单元包括数据处理引擎结合组件模块，所述数据处理引擎结合组件模块用于对所述数据采集单元的数据和所述南向通信单元的数据进行实时的流数据处理。
10.根据权利要求1所述的一种水务数字集成孪生控制系统，其特征在于：所述OTA空中编程单元包括基于MQTT的安全远程访问模块，用户通过所述基于MQTT的安全远程访问模块实现对系统的远程运行命令、参数管理、更新配置和软件部署。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110689450A (zh) * | 2019-09-02 | 2020-01-14 | 上海华高汇元工程服务有限公司 | 一种基于三维可视化模式的智慧水务运营系统 |
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-
2021
- 2021-10-26 CN CN202111250735.6A patent/CN114003990A/zh active Pending
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