CN114143214A - 基于数字多维建模的物联网控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及物联网控制领域，为了便于物联网数字多维建模并控制，提供了一种基于数字多维建模的物联网控制系统，包括：三维网格模型转换模块，虚拟逻辑数字信号转换模块，信号模型绑定存储模块及控制功能模块。一种控制方法，包括：步骤1、将物联网模型转换为三维网格模型；步骤2、将逻辑控制器转换为虚拟逻辑数字信号；步骤3、将虚拟逻辑数字信号与三维网络模型进行绑定并存储；步骤4、采用控制功能模块对当前物联网进行相应控制。采用上述方式便于物联网数字多维建模并对其进行控制。

Description

基于数字多维建模的物联网控制系统及方法
技术领域
本发明涉及物联网控制领域，具体是一种基于数字多维建模的物联网控制系统及方法。
背景技术
当今随着物联网覆盖领域的增加，数字化物联网的重要性也逐步提高，数字多维建模技术在物联网中的应用越来越受到人们的重视。数字多维建模技术是为物理对象建立对应的虚拟数字模型，该模型可以通过接收来自物理对象的数据而实时演化，从而与物理对象在整个生命周期上保持一致。数字多维建模技术可以通过采集物联网的连网设备和传感器来模拟整个物联网的工作状态和运行流程，还可以对物联网中的生产线或项目模型进行分析、预测、诊断、训练等，并将仿真结果反馈给物联网，从而对物联网进行优化和决策。
然而现有的数字多维建模技术还存在不少问题：在开发数字多维建模的过程中，大多数模型都是CAD或者BIM格式，不仅数据量庞大还缺少兼容性；由于物联网的需求是随着开发过程不断变化的，不仅增加了开发难度而且开发时间也难以评估，并且缺少一个测试环境，能够帮助企业去做快速的环境测试验证，以较低的成本进行快速试错。
发明内容
为了便于物联网数字多维建模并控制，本发明提供了一种基于数字多维建模的物联网控制系统及方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
基于数字多维建模的物联网控制系统，包括：
三维网格模型转换模块：用于将物联网模型转换为三维网格模型；
虚拟逻辑数字信号转换模块：用于将逻辑控制器转换为虚拟逻辑数字信号；
信号模型绑定存储模块：用于将虚拟逻辑数字信号与三维网络模型进行绑定并存储；
控制功能模块：用于对当前物联网进行仿真检测，异常检测及实时控制。
进一步地，所述三维网格模型转换模块中设置有用于调整三维网格模型的控制网格。
进一步地，所述控制网格为参数曲面的控制网格、三角网格或预先定义的网格模板。
进一步地，所述信号模型绑定存储模块中设置有数据多维仓库模型，所述数据多维仓库模型用于存储信息、生成数据维度表并可对同类型数据和功能进行检索。
基于数字多维建模的物联网控制方法，包括：
步骤1、将物联网模型转换为三维网格模型；
步骤2、将逻辑控制器转换为虚拟逻辑数字信号；
步骤3、将虚拟逻辑数字信号与三维网络模型进行绑定并存储；
步骤4、采用控制功能模块对当前物联网进行相应控制。
进一步地，所述步骤1包括：
步骤11、提取物联网模型的三维数据，包括空间坐标矢量、面片和法线纹理；
步骤12、将模型转换区域的大小、边界和顶点附着在三维网格模型表面的控制网格中；
步骤13、根据提取的三维数据分别建立模型转换区域与控制网格间点的映射；
步骤14、依据用户转换要求编辑控制网格；
步骤15、根据映射关系反算出三维网格模型转换区域点的新位置。
进一步地，所述步骤12还包括：依层次细化整个控制网格：采用全局自适应网格细化方法减小网格尺寸单元大小，提高单元网格的阶数。
进一步地，所述步骤15还包括对三维网格模型与控制网格重叠的区域进行自适应细分。
进一步地，所述步骤2包括：
步骤21、对物联网通讯协议进行适配；
步骤22、对逻辑控制器进行分割，将其分割为能够独立模拟一段功能的小单元；
步骤23、对通讯接口进行对接。
进一步地，所述步骤3具体为：通过建立虚拟逻辑数字信号属性集合来对真实的物理逻辑信号进行功能定义以完成三维网格模型和虚拟逻辑数字信号的绑定。
本发明相比于现有技术具有的有益效果是：该方法可以在模拟数字物联网运行过程的同时，有效减少建模开发数据量，并能够快速适配各种物联网设备模型；还可以通过物联网的多维数据采集分析来实现当前物联网的仿真检测和实时控制，减少人力成本并提高运行效率，方便用户更及时、更准确的掌控物联网整个生命周期状况；可以帮助用户快速地把原型包括算法模型在虚拟环境中进行大量测试，可以在投产或较前期阶段对结构、算法或原型做测试验证，大幅提高迭代效率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。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。
基于数字多维建模的物联网控制系统，包括：
三维网格模型转换模块：用于将物联网模型转换为三维网格模型；
虚拟逻辑数字信号转换模块：用于将逻辑控制器转换为虚拟逻辑数字信号；
信号模型绑定存储模块：用于将虚拟逻辑数字信号与三维网络模型进行绑定并存储；
控制功能模块：用于对当前物联网进行仿真检测，异常检测及实时控制。
具体的，所述三维网格模型转换模块中设置有用于调整三维网格模型的控制网格，所述控制网格为参数曲面的控制网格、三角网格或预先定义的网格模板。
所述信号模型绑定存储模块中设置有数据多维仓库模型，所述数据多维仓库模型用于存储信息、生成数据维度表并可对同类型数据和功能进行检索。
基于数字多维建模的物联网控制方法，包括：
步骤1、将物联网模型转换为三维网格模型；
步骤2、将逻辑控制器转换为虚拟逻辑数字信号；
步骤3、将虚拟逻辑数字信号与三维网络模型进行绑定并存储；
步骤4、采用控制功能模块对当前物联网进行相应控制。
具体的，所述步骤1包括：
步骤11、在三维网格模型转换模块中提取物联网模型的三维数据，包括空间坐标矢量、面片和法线纹理等；
步骤12、将模型转换区域的大小、边界和顶点附着在三维网格模型表面的控制网格中；
步骤13、根据提取的三维数据分别建立模型转换区域与控制网格间点的映射；
步骤14、依据用户转换要求编辑控制网格；
步骤15、根据映射关系反算出三维网格模型转换区域点的新位置。
上述步骤中，提取物联网模型的三维数据时可以在三维网格模型转换模块中移除或简化一些不必要的特征细节，然后先将物联网模型三维数据中的大小，边界和顶点附着在控制网格中，建立一个基础的模型框架再依层次细化整个控制网格，在细化网格模型中需要应用全局自适应网格细化方法减小网格尺寸单元大小，提高单元网格的阶数来保证不丢失转换过程中的物联网三维数据。
为了达到精确转换的目的，对三维网格模型与控制网格重叠的区域进行自适应细分，以保证物联网原始模型转换到三维网格模型时纹理层次保证不变，同时减少三维面片数，方便用户通过控制网格来调整三维网格模型。
物联网中的设备和传感器都存在可编程逻辑控制器，在虚拟逻辑数字信号转换模块中需要将可编程逻辑控制器模拟映射成数字建模可以识别的虚拟逻辑数字信号，包括对逻辑控制器物理层面上的运行逻辑、生产流程等逻辑进行模拟，在数据层面需要对设备的运行状态，所处的压力，液位等信号转化为标准的数字可控信号，用来提供数字模型的输入输出控制，具体包括：
步骤21、对物联网通讯协议进行适配，包括但不限于OPCUA、MQTT、ModbusRTU、ModbusTCP协议等；
步骤22、建立模拟控制单元将逻辑控制器分割成不同的小单元，每个小单元独立模拟一段功能包括执行逻辑运算，顺序控制和定时等；
步骤23、对通讯接口进行对接保证输入输出端都能让三维网络模型识别绑定。
步骤3、将虚拟逻辑数字信号与三维网络模型进行绑定并存储：在信号模型绑定存储模块中对三维网格模型和虚拟逻辑数字信号进行绑定，首先对虚拟逻辑数字信号进行数据分析，通过建立虚拟逻辑数字信号属性集合来对真实的物理逻辑信号进行功能定义，这样在物联网设备和传感器的感知层周期性传递数据过程中，三维网格模型可以根据虚拟逻辑数字信号属性集合来分析诊断数据模式，从而生成对应的预测或解决方案，完成对三维网格模型和虚拟逻辑数字信号的绑定。
优选的，在信号模型绑定存储模块中还建立了一个数据多维仓库模型，用来存储三维网格模型数据，虚拟逻辑数字信号属性集合和预测或解决方案等。在本系统实际运行过程中，数据多维仓库模型将不断迭代存储内容，同时生成一张数据维度表，实现对同类型数据和功能进行检索，减少了控制功能模块运行复杂度。
步骤4、采用控制功能模块对当前物联网进行相应控制。
控制功能模块是由不同的数字多维建模通过独立或者相互联系的方式形成自动自主控制功能系统，包括常用的仿真逻辑，异常检测和实时控制等主要功能。控制功能模块利用数据多维仓库模型和物联网设备传感器采集数据，通过调整参数尺度阈值在虚拟空间中完成映射，从而在相对应的物联网全生命周期中达到控制效果。
具体的，仿真逻辑可以将包含了确定性规律和完整机理的数据模型转化成解决方案来模拟物联网设备和传感器的运行状态，保证数据模型准确率并拥有了完整的历史采集信息和模拟环境数据，能够正确地反映物联网设备和传感器的特性和参数。异常检测可以对实时采集的数据信息进行智能分析，预测最佳维护时间点，也可以提供维护周期的参考依据，还可以针对物联网设备运行过程中出现的各种故障特征，将物联网传感器的历史数据通过机器学习训练出针对不同故障现象的数字化特征模型，将其形成对设备故障状态进行判决的依据，形成自治化的智能诊断和判决实时数据状态并推送预警消息通知用户。实时控制可以让用户通过虚拟模型反向控制真实物联网设备和传感器，从而实现在物联网数据模型驱动的虚拟空间中用户与物联网物理层级进行交互控制。

Claims (10)

1.基于数字多维建模的物联网控制系统，其特征在于，包括：
三维网格模型转换模块：用于将物联网模型转换为三维网格模型；
虚拟逻辑数字信号转换模块：用于将逻辑控制器转换为虚拟逻辑数字信号；
信号模型绑定存储模块：用于将虚拟逻辑数字信号与三维网络模型进行绑定并存储；
控制功能模块：用于对当前物联网进行仿真检测，异常检测及实时控制。
2.根据权利要求1所述的基于数字多维建模的物联网控制系统，其特征在于，所述三维网格模型转换模块中设置有用于调整三维网格模型的控制网格。
3.根据权利要求2所述的基于数字多维建模的物联网控制系统，其特征在于，所述控制网格为参数曲面的控制网格、三角网格或预先定义的网格模板。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于数字多维建模的物联网控制系统，其特征在于，所述信号模型绑定存储模块中设置有数据多维仓库模型，所述数据多维仓库模型用于存储信息、生成数据维度表并可对同类型数据和功能进行检索。
5.基于数字多维建模的物联网控制方法，其特征在于，包括：
步骤1、将物联网模型转换为三维网格模型；
步骤2、将逻辑控制器转换为虚拟逻辑数字信号；
步骤3、将虚拟逻辑数字信号与三维网络模型进行绑定并存储；
步骤4、采用控制功能模块对当前物联网进行相应控制。
6.根据权利要求5所述的基于数字多维建模的物联网控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤11、提取物联网模型的三维数据，包括空间坐标矢量、面片和法线纹理；
步骤12、将模型转换区域的大小、边界和顶点附着在三维网格模型表面的控制网格中；
步骤13、根据提取的三维数据分别建立模型转换区域与控制网格间点的映射；
步骤14、依据用户转换要求编辑控制网格；
步骤15、根据映射关系反算出三维网格模型转换区域点的新位置。
7.根据权利要求6所述的基于数字多维建模的物联网控制方法，其特征在于，所述步骤12还包括：依层次细化整个控制网格：采用全局自适应网格细化方法减小网格尺寸单元大小，提高单元网格的阶数。
8.根据权利要求6所述的基于数字多维建模的物联网控制方法，其特征在于，所述步骤15还包括对三维网格模型与控制网格重叠的区域进行自适应细分。
9.根据权利要求5所述的基于数字多维建模的物联网控制方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤21、对物联网通讯协议进行适配；
步骤22、对逻辑控制器进行分割，将其分割为能够独立模拟一段功能的小单元；
步骤23、对通讯接口进行对接。
10.根据权利要求5所述的基于数字多维建模的物联网控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：通过建立虚拟逻辑数字信号属性集合来对真实的物理逻辑信号进行功能定义以完成三维网格模型和虚拟逻辑数字信号的绑定。
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