CN114270282A - 用于产生整体数字孪生的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于产生包括多个资产的工业设施的整体数字孪生的系统及方法，所述系统包括：转换单元，其适于将从用于所述工业设施的规划和/或操作的不同工具以工具特定数据格式所收集的资产相关数据以及由该工业设施的数据源以数据源特定数据格式所提供的资产相关数据转换成公共图表示；匹配单元，其适于匹配经转换的资产相关数据的图表示以提供所述工业设施的资产之间的映射；以及合并单元，其适于将所述工业设施的映射资产合并为统一图以提供所述工业设施的整体数字孪生。

Description

用于产生整体数字孪生的系统

技术领域

本发明涉及一种用于提供包括多个资产的工业设施的整体数字孪生的方法及系统。

背景技术

工业设施，尤其是自动化系统，可以包括多个不同的组件或资产。这些资产可以包括安装在工业设施中的硬件组件和/或软件组件。有多种不同的软件工具用于规划、操作以及维护工业设施。为了设计并制造工厂自动化解决方案，可以使用几种不同的工具。例如，产品设计者可以使用诸如NX之类的CAD软件工具来执行产品设计。自动化设计者可以使用诸如NX之类的工具、诸如工厂仿真之类的工厂布局工具和/或诸如过程仿真之类的自动化单元设计工具。作为用户的电气工程师可以使用诸如EPLAN之类的布局工具，而自动化工程师可以使用诸如TIA Portal之类的PLC编程工具。不同的工具具有它们自己单独的数据结构以及建模原理。因此，这些不同工具的使用导致与相应工业设施相关的信息的碎片化。不存在工业设施、工厂、站或生产线的整体表示。另外，一旦建造，工业设施的物理安装可能会偏离各种规划。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种工业设施的整体数字孪生，其可以在该设施的不同生命周期阶段进行处理以提高该设施的运行效率。

该目的通过包括权利要求1的特征的计算机实现的方法来实现。

根据第一方面，本发明提供了一种用于提供包括多个资产的工业设施的整体数字孪生的计算机实现的方法，其中该方法包括以下步骤：将从用于工业设施的规划和/或操作的不同工具以工具特定数据格式收集的资产相关数据以及由工业设施的数据源以数据源特定数据格式提供的资产相关数据转换成公共图表示；匹配经转换的资产相关数据的图表示以提供工业设施的资产之间的映射；以及将工业设施的映射资产合并为统一图以提供工业设施的整体数字孪生。

整体数字孪生表示整个工业设施，而不仅仅是部件的集合。整体数字孪生涉及包括由数字孪生表示的紧密互连组件的完整工业设施。整体数字孪生提供预测分析功能，其允许改进产品设计、工艺设计以及维护活动。整体数字孪生可以包括在工业设施的不同生命周期阶段添加到相应产品以及制造过程的多个功能孪生。数字孪生可以被定义为物理产品、生产过程或产品利用的智能动态虚拟表示模型。整体数字孪生使得有可能在以物理方式获取或生产单个物品之前在虚拟世界中复制并预测完整工业设施的物理产品、产品线、制造过程的特性以及性能特征。

在根据本发明第一方面的计算机实现的方法的可能实施例中，工业设施的资产包括安装在工业设施中的硬件组件以及软件组件。

这提供了以下优点：工业设施的整体数字孪生不仅可以表示诸如机器之类的硬件组件，而且可以表示诸如安装在工业设施的控制器中的控制例程之类的软件组件。

在根据本发明第一方面的计算机实现的方法的另一可能实施例中，工业设施的每一个资产均包括相关联的唯一资产标识符。

唯一资产标识符可以在不同的硬件和/或软件组件上以及在用于工业设施的不同生命周期阶段的不同软件工具上使用。

在根据本发明第一方面的计算机实现的方法的另一可能实施例中，针对每一个资产经转换的资产相关数据的公共图表示包括节点，该节点经由边缘连接到其它节点，这些其它节点表示工业设施的具有与相应资产的物理或逻辑关系的其它资产。

在根据本发明第一方面的计算机实现的方法的另一可能实施例中，通过资产相关数据的转换生成的公共图表示作为统一数据存储在中央存储器中。

这具有以下优点：可以提供云平台来执行根据本发明第一方面的计算机实现的方法。

在根据本发明第一方面的计算机实现的方法的另一可能实施例中，通过图匹配算法来执行图表示的匹配。

这允许使用已知的图匹配算法。

在根据本发明第一方面的计算机实现的方法的另一可能实施例中，响应于用户输入来解决在图表示的匹配期间出现的歧义和/或不匹配。

这允许解决矛盾并改善由工业设施的整体数字孪生提供的分析结果。

在根据本发明第一方面的计算机实现的方法的另一可能实施例中，基于接收到的资产相关数据而自动解决在图表示的匹配期间出现的歧义和/或不匹配，资产相关数据涉及受观察到的歧义和/或不匹配影响的资产，观察到的歧义和/或不匹配是由图匹配算法响应于检测到的歧义和/或不匹配而触发。

这具有以下优点：可以在很大程度上自动地解决歧义和/或不匹配而不被用户干扰。

在根据本发明第一方面的计算机实现的方法的另一可能实施例中，图匹配算法是机器学习的。

这具有以下优点：可以避免对用于图匹配算法的软件代码进行繁琐且易于出错的编程。进一步，机器学习可以通过结合过去的成功数据合并来改善图匹配算法的搜索启发。

在根据本发明第一方面的计算机实现的方法的另一可能实施例中，提供资产相关数据的工具包括工业设施的不同生命周期阶段的工具，尤其是工程工具、操作管理工具和/或服务和维护工具。

因此，通过根据本发明第一方面的计算机实现的方法提供的整体数字孪生可以用于工业设施从规划阶段直到工业设施被拆除为止的完整寿命。

在根据本发明第一方面的计算机实现的方法的另一可能实施例中，将所产生的整体数字孪生反馈到用于工业设施的规划和/或操作的工具，以升级相应工具和/或在不同工具之间自动建立交联。

在根据本发明第一方面的计算机实现的方法的另一可能实施例中，处理工业设施的所产生的整体数字孪生以模拟和/或预测工业设施的操作行为。

这允许规划并安排工业设施的预测性维护，从而提高工业设施的生产效率。

在根据本发明第一方面的计算机实现的方法的另一可能实施例中，以数据源特定数据格式提供资产相关数据的工业设施的数据源包括工业设施的传感器资产和/或存储器资产。

在根据本发明第一方面的计算机实现的方法的另一可能实施例中，以工具的工具特定数据格式提供的资产相关数据包括表示资产的图像数据、由资产产生的声音的声学数据、描述资产的文本数据、图形数据、资产拓扑的拓扑数据和/或资产位置的位置数据。

因此，计算机实现的方法可以考虑源自异构数据源的各种不同类型的数据。

根据第二方面，本发明进一步提供了一种用于产生包括多个资产的工业设施的整体数字孪生的系统，系统包括：转换单元，其适合于将从用于工业设施的规划和/或操作的不同工具以工具特定数据格式收集的资产相关数据以及由工业设施的数据源以数据源特定数据格式提供的资产相关数据转换成公共图表示；匹配单元，其适合于匹配经转换的资产相关数据的图表示以便提供工业设施的资产之间的映射；以及合并单元，其适合于将工业设施的映射资产合并为统一图以提供工业设施的整体数字孪生。

根据另一方面，提供了一种包括可执行程序代码的计算机程序产品，可执行程序代码被配置成在被执行时执行根据本发明第一方面的任何实施例的方法。

根据又一方面，提供了一种包括可执行程序代码的非暂时性计算机可读数据存储介质，可执行程序代码被配置成在被执行时执行根据本发明第一方面的任何实施例的方法。

根据另一方面，提供了一种数据流，其包括或被配置成产生可执行程序代码，可执行程序代码被配置成在被执行时执行根据本发明第一方面的任何实施例的方法。

附图说明

在下文中，参考附图更详细地描述本发明的不同方面的可能实施例。

图1示出了根据本发明的用于产生工业设施的整体数字孪生的系统的可能示例性实施例；

图2示出了根据本发明另一方面的用于提供工业设施的整体数字孪生的计算机实现的方法的可能示例性实施例的流程图；

图3、图4、图5示出了用于说明其中执行了计算机实现的方法以提供工业设施的整体数字孪生的示例性用例的图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的系统1的可能结构。图1中所示的技术系统1用于产生包括多个资产4的工业设施IF的整体数字孪生。这些资产4可以包括硬件组件，尤其是机器组件以及安装在工业设施IF的控制器中的软件组件。在优选实施例中，工业设施IE的每一个资产均包括相关联的唯一资产标识符。该唯一资产标识符可以在工业设施IE的不同生命周期阶段中使用的不同软件工具2上使用。在所示的示例性实施例中，不同的软件工具2-1、2-2、2-3……2-N可用于执行与工业设施IF的规划、操作以及维护相关的自动化功能。这些软件工具2例如可以包括诸如布局工具(例如EPLAN)之类的工程工具、PLC编程工具(例如TIA)或诸如NX之类的计算机辅助设计工具。N个不同的软件工具2可用于在工业设施IF的不同生命周期阶段期间执行自动化功能。在可能的实施例中，不同的软件工具2可以被存储在系统1的数据库中。如图1所示，软件工具2可以被加载并提供给相关联的转换单元3-i。转换单元3-i适合于将由不同工具2-i以工具特定数据格式提供并用于工业设施的规划和/或操作的资产相关数据转换为公共图表示。

工业设施可以是包括产生资产相关数据的多个组件或资产4的复杂工业设施IF。在图1的所示示意图中，物理工业设施IF可以包括机器或其它硬件组件4，其包括提供收集的资产相关数据的数据采集单元5。数据采集单元5可以包括集成或附着到工业设施的物理资产4的传感器。传感器可以从包括不同生产线和/或制造机器的工业设施IF的物理组件收集传感器数据。传感器还可以形成工业设施IF的硬件资产。由数据采集单元5提供的所收集的数据可以包括物理资产或组件的资产标识符。

该资产标识符可以包括例如扫描的QR码或RFID。资产标识符可以与相应资产的语义描述连接或相关。例如，资产标识符可以指示相应资产的类型。所收集的数据还可以包括关于物理资产4的位置的位置信息。在可能的实施例中，位置信息可以由室内定位系统提供。进一步，位置数据可以由AGV提供，AGV可以报告它们在工业设施IF的车间中的位置。如可从图1看出，传感器作为工业设施IF的数据源以数据源特定数据格式提供资产相关数据。根据本发明的系统1包括转换单元6，用于将由具有数据源特定数据格式的工业设施IF的数据源或传感器提供的资产相关数据转换为公共图表示。因此，在本发明的系统1中，存在用于转换源自软件工具2的资产相关数据的转换单元3以及用于转换由物理工业设施IF的物理数据源提供的资产相关数据的转换单元6。不同的转换单元3、6将接收到的资产相关数据转换为公共图表示。在可能的实施例中，针对每一个资产经转换的资产相关数据的公共图表示可以包括节点，该节点经由边缘连接到表示同一工业设施IF的其它资产的其他节点，其它资产与相应资产具有物理关系(例如资产之间的距离)或逻辑关系(例如形成相应资产的一部分)。通过资产相关数据的转换产生的公共图表示作为统一数据存储在系统1的中央存储器7中，如图1所示。在可能的实施例中，中央存储器7可以包括知识图数据库。包括物理资产(诸如装置)以及逻辑资产(诸如信息或数据集)的工业设施IF的每一个资产可以由公共图表示中的节点来表示。公共图表示的每一个节点还可以包含描述例如相应资产的类型及其潜在配置的特性。

系统1包括处理单元8，其适合于处理存储在系统1的中央存储器7中的图表示。处理单元8可以包括匹配单元，其适合于匹配经转换的资产相关数据的图表示以便提供工业设施的资产之间的映射。处理单元8还可以包括合并单元，其适合于将工业设施的映射资产合并为统一图以提供工业设施IF的整体数字孪生。工业设施的整体数字孪生然后可以存储在系统1的中央存储器7中以用于进一步处理。在可能的实施例中，图表示的匹配是由处理单元8的处理器使用图匹配算法来执行。图匹配算法可用于连接收集并存储在系统1的中央数据存储器7中的不同视图或图表示。匹配算法可以使用图中编码的拓扑信息以及节点及边的类型信息。在可能的实施例中，为了便于匹配，类型信息可遵循可利用的分层结构。例如，具有作为PLC的SIMATIC PLC的SIMATIC S7-15PLC进而是工业设施IF的资产。

图3、图4、图5示出了由处理单元8执行的不同步骤。图3示出了来自诸如EPLAN、TIA之类的不同工具2的信息和/或来自所执行的扫描的分区信息。系统1知道S7-1515是PLC且ET 200SP E/O是I/O，并且开关5811是开关和输入。在可能的实施例中，匹配算法可以检查网络拓扑是兼容的。由此，可以推断如图4所示的映射结果。如图5所示，可以通过合并来产生统一图。

合并单元可适合于将如图4所示的映射资产合并为统一图，以提供如图5所示的工业设施IF的整体数字孪生HDT。在可能的实施例中，可以响应于用户输入来解决在图表示的匹配期间出现的歧义和/或不匹配。在可能的实施例中，系统1可包括用户接口9以接收来自用户U的用户输入，该用户输入被处理以解决在通过图匹配算法匹配图表示期间出现的歧义和/或不匹配。在可能的实施例中，系统1可以要求用户U识别资产和/或验证工业设施的资产之间的特定连接。利用该信息，匹配算法可以改善匹配过程。用户接口9还可用于接收被处理以解决由匹配算法检测到的冲突的用户输入。例如，来自EPLAN软件工具的数据可能与来自TIAPortal的数据相矛盾，并且用户输入被处理以解决检测到的失配。机器学习(ML)技术可用于通过结合过去成功数据合并来改善匹配算法的搜索启发。在可能的实施例中，整体视图或整体数字孪生HDT可以被反馈到原始数据源，尤其是反馈到不同的软件工具2(如图1中的虚线所示)。该反馈允许升级相应的软件工具2。此外，反馈可被用于在诸如EPLAN、TIA或NX之类的不同软件工具2之间自动建立交联。这进而可以通过操作者或用户利用不同软件工具2-i之间自动建立的交联来改善不同软件工具2-i的并行处理。因此，用户U可以直接经由建立的交联从第一软件工具的某一功能跳转到另一软件工具的第二功能。如可从图1看出，资产相关数据是从不同的工具2-i收集并通过相关联的转换器3自动转换以提供公共图表示。利用根据本发明的系统1，不仅收集来自软件工具2-i的数据，而且收集来自安装在工业设施IF中的物理数据源或传感器的数据。由工业设施IF的数据源以数据源特定格式提供的数据也被自动转换成系统1的公共图表示。由转换器3-i以及6输出的转换数据存储在中央存储器7中。然后，在处理单元8的处理器上运行图匹配算法。如果由于冲突或模糊而出现错误，可以经由系统1的用户接口9向用户U请求更多信息。最后，经匹配及合并的数据可以被反馈到原始数据源，尤其是软件工具2。如果该过程重复多次，则多次匹配的该数据可用于通过机器学习ML导出改善的搜索启发。公共图表示用于使多个不同异构数据源的合并自动化，数据源包括软件数据源(软件工具)以及安装在工业设施IF本身中的物理数据源。系统1将工业设施IF的以其它方式碎片化的信息统一并完成为工业设施IF的整体数字孪生HDT，该整体数字孪生表示在不同生命周期阶段中作为整体的工业设施IF。整体数字孪生HDT提供了工业设施IF的统一视图，其可以被处理以用于规划和/或执行维护、执行工业设施的组件的再设计和/或提供工业设施IF的扩展。进一步，可以处理整体数字孪生HDT以检测在工业设施IF内发生的故障。转换机制可以提供不同数据格式到系统1的统一图格式的转换。

工业设施IF的所产生的整体数字孪生HDT可被进一步处理以模拟和/或预测工业设施的操作行为。以数据源特定数据格式提供资产相关数据的工业设施IF的数据源可以包括工业设施IF的传感器资产以及工业设施IF的存储器资产，例如安装在工业设施IF中的控制器的本地存储器。由来自软件工具2的工具特定数据格式提供的资产相关数据可以包括呈异构数据格式的不同类型的数据。由软件工具2以工具特定数据格式提供的资产相关数据可以包括表示工业设施IF的资产的图像数据。资产相关数据还可以包括由资产4产生的声音的声学数据。资产相关数据还可以包括描述工业设施IF的资产4的文本数据。此外，资产相关数据可以包括图形数据和/或资产拓扑的拓扑数据。进一步，资产相关数据可以包括资产位置的位置数据。

图2示出了用于提供包括多个不同软件和/或硬件组件或资产的工业设施IF的整体数字孪生HDT的计算机实现的方法的可能示例性实施例的流程图。在所示的示例性实施例中，计算机实现的方法包括三个主要步骤。

在第一步骤S1中，将从用于工业设施IF的规划和/或操作的不同工具以工具特定数据格式收集的资产相关数据以及由工业设施IF的数据源以数据源特定数据格式提供的资产相关数据转换为公共图表示。

在另一步骤S2中，匹配经转换的资产相关数据的图表示以提供工业设施的资产之间的映射，也如图4所示。

在另一步骤S3中，将工业设施的映射资产合并为如图5所示的统一图，以提供工业设施的整体数字孪生HDT。可存储整体数字孪生HDT并将其用于进一步处理。进一步，可将整体数字孪生HDT反馈到工具2以升级相应的工具2并在不同的工具2之间自动建立交联。因此，可以由用户利用反馈来提高不同软件工具2的质量并改善不同软件工具2的并行处理。

在可能的实施例中，如图2所示的计算机实现的方法可以在云平台的网络服务器上实现，该网络服务器可以经由诸如互联网之类的数据网络连接到不同客户站点处的多个工业设施IF。转换器6对资产相关数据的转换可以在客户站点处和/或在云平台处进行。在可能的实施例中，诸如图5所示的所创建的整体数字孪生HDT可以显示在如图1所示的系统1的图形用户界面9的显示单元上，但是也可以显示在其中放置硬件组件和/或机器4的工业设施IF的地点处的移动用户终端上以帮助操作员例如在工业设施IF的位置处执行维护活动。所传送的当前整体数字孪生HDT可以并行地(即同时地)提供给执行关于同一工业设施IF的不同功能的不同用户U。例如，在移动手持用户设备的处理器上执行的应用程序可以处理整体数字孪生HDT，以帮助用户在工业设施的物理客户站点处执行维护或修理活动。同时，可处理通过根据本发明的计算机实现的方法产生的整体数字孪生HDT以对工业设施IF进行再设计和/或模拟和/或预测工业设施IF的操作行为。因此，不同的软件工具和/或应用程序可以访问工业设施的整体数字孪生HDT，以帮助不同的用户在同一工业设施的生命周期阶段中执行不同的功能。

可进一步处理整体数字孪生HDT以自动导出用于工业设施IF的不同生命周期阶段的生命周期特定数字孪生，诸如数字产品孪生、数字生产孪生和/或数字性能孪生。数字产品孪生可以在产品的产品开发期间使用。数字生产孪生可以在制造工程期间和/或在生产操作期间使用。数字性能孪生可用于产品模拟以及所制造产品的使用寿命期间。因此，可以处理工业设施IF的所产生的复杂整体数字孪生HDT，以自动导出工业设施IF的不同生命周期阶段的局部视图。导出的数字孪生可以分发给参与根据本发明的系统1的相关联用户S。

与用于工业设施IF的所有生命周期阶段的工业设施IF的复杂整体数字孪生HDT相比，导出的数字孪生需要更少的存储空间。因此，具有有限存储器资源的用户终端可以在接收到的导出数字孪生上而不是在HDT上操作。

Claims (15)

1.一种用于提供包括多个资产的工业设施(IF)的整体数字孪生(HDT)的计算机实现的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

(a)将从用于所述工业设施(IF)的规划和/或操作的不同工具(2)以工具特定数据格式所收集的资产相关数据以及由所述工业设施(IF)的数据源以数据源特定数据格式所提供的资产相关数据转换(S1)为公共图表示；

(b)匹配(S2)经转换的资产相关数据的所述图表示，以提供所述工业设施(IF)的所述资产之间的映射；以及

(c)将所述工业设施(IF)的映射资产合并(S3)为统一图，以提供所述工业设施(IF)的所述整体数字孪生(HDT)。

2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中，所述工业设施(IF)的所述资产(4)包括安装在所述工业设施(IF)中的硬件组件以及软件组件。

3.根据权利要求1或2所述的计算机实现的方法，其中，所述工业设施(IF)的每一个资产(4)均包括相关联的唯一资产标识符。

4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的计算机实现的方法，其中，针对每一个资产所述经转换的资产相关数据的所述公共图表示包括节点，所述节点经由边缘连接到其它节点，所述其它节点表示所述工业设施(IF)的与相应资产具有物理或逻辑关系的其它资产。

5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的计算机实现的方法，其中，通过所述资产相关数据的转换所产生的所述公共图表示作为统一数据被存储在中央存储器(7)中。

6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的计算机实现的方法，其中，通过图匹配算法来执行所述图表示的匹配。

7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的计算机实现的方法，其中，响应于用户输入来解决在所述图表示的匹配期间出现的歧义和/或不匹配。

8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的计算机实现的方法，其中，基于接收到的资产相关数据而自动解决在所述图表示的匹配期间出现的歧义和/或不匹配，所述资产相关数据涉及受观察到的歧义和/或不匹配所影响的资产，所述观察到的歧义和/或不匹配是由所述图匹配算法响应于检测到的歧义和/或不匹配而触发。

9.根据前述权利要求6至8中任一项所述的计算机实现的方法，其中，所述图匹配算法是机器学习的。

10.根据前述权利要求1至9中任一项所述的计算机实现的方法，其中，提供所述资产相关数据的所述工具(2)包括所述工业设施(IF)的不同生命周期阶段的工具，尤其是工程工具、操作管理工具和/或服务和维护工具。

11.根据前述权利要求1至10中任一项所述的计算机实现的方法，其中，将所产生的整体数字孪生(HDT)反馈到用于所述工业设施(IF)的规划和/或操作的所述工具(2)，以升级相应所述工具(2)和/或在所述不同工具(2)之间自动建立交联。

12.根据前述权利要求1至11中任一项所述的计算机实现的方法，其中，处理所述工业设施(IF)的产生的整体数字孪生(HDT)，以模拟和/或预测所述工业设施(IF)的操作行为。

13.根据前述权利要求1至12中任一项所述的计算机实现的方法，其中，以数据源特定数据格式提供资产相关数据的所述工业设施(IF)的数据源包括所述工业设施(IF)的传感器资产和/或存储器资产。

14.根据前述权利要求1至13中任一项所述的计算机实现的方法，其中，以工具(2)的工具特定数据格式提供的资产相关数据包括表示所述资产的图像数据、由所述资产产生的声音的声学数据、描述所述资产的文本数据、图形数据、资产拓扑的拓扑数据和/或资产位置的位置数据。

15.一种用于产生包括多个资产的工业设施(IF)的整体数字孪生(HDT)的系统，所述系统(1)包括：

(a)转换单元(36)，适于将从用于所述工业设施(IF)的规划和/或操作的不同工具(2)以工具特定数据格式所收集的资产相关数据以及由所述工业设施(IF)的数据源以数据源特定数据格式所提供的资产相关数据转换为公共图表示；

(b)匹配单元(8)，适于匹配经转换的资产相关数据的所述图表示，以提供所述工业设施(IF)的所述资产之间的映射；以及

(c)合并单元(8)，适于将所述工业设施(IF)的映射资产合并为统一图，以提供所述工业设施(IF)的所述整体数字孪生(HDT)。

Images