CN114815752A - 应用于生产线的数字孪生系统、方法、设备及储备介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种应用于生产线的数字孪生系统、方法、设备及储备介质，包括：数据采集装置，用于通过生产设备实时获取物理生产线状态信息数据，并通过有线传输方式将其实时传输给数字孪生处理装置和/或可视化装置；数字孪生处理装置，用于对数据采集装置采集的信息数据进行处理和分析，并将其传输给可视化装置；可视化装置，用于通过三维可视化引擎，对接收的信息数据进行解析，生成与物理生产线一致的虚拟生产线模型，并进行展示。采用有线传输方式对采集的数据信息进行数据传输，数据传输更加稳定、安全可靠，避免网络信号等干扰，构建的虚拟生产线模型更能突出生产线上各设备组件的联动性，且虚拟生产线模型的运行数据可反映物理实体的变化。
Description
技术领域
本公开一般涉及数字孪生技术领域，尤其涉及一种应用于生产线的数字孪生系统、方法、设备及储备介质。
背景技术
在电子产品生产线设备运行的过程中，经常会出现产品不合格以及设备组件损坏的现象，因此很多生产线都进行了实时的监控。
目前一般根据生产线设备中各组件的组件属性，对生产线设备进行三维建模(3D建模)，形成设备模型，再根据实时获取生产线设备中各组件的组件状态信息控制设备模型进行3D显示，以模拟生产线设备运行。传统的3D建模中，生产线上各设备组件没有联动性，物理数据的变化无法直接体现在构建的设备模型中。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种应用于生产线的数字孪生系统、方法、设备及存储介质。
第一方面，提供一种应用于生产线的数字孪生系统，包括：
数据采集装置，分别与生产设备通信连接，用于通过生产设备实时获取物理生产线状态信息数据，并通过有线传输方式将其实时传输给数字孪生处理装置和/或可视化装置；
数字孪生处理装置，分别与数据采集装置和可视化装置通信连接，用于对所述数据采集装置采集的信息数据进行处理和分析，并将其传输给可视化装置；
可视化装置，分别与数据采集装置和数字孪生处理装置通信连接，用于通过三维可视化引擎，将所述数据采集装置和/或数字孪生处理装置传输的信息数据进行解析，生成与物理生产线一致的虚拟生产线模型，并进行展示。
第二方面，提供一种应用于生产线的数字孪生方法，包括：
数据采集装置通过生产设备实时获取物理生产线状态信息数据，并通过有线传输方式将其实时传输给数字孪生处理装置和/或可视化装置；
数字孪生处理装置对所述数据采集装置采集的信息数据进行处理和分析，并将其传输给可视化装置；
可视化装置通过三维可视化引擎，将所述数据采集装置和/或数字孪生处理装置传输的信息数据进行解析，生成与物理生产线一致的虚拟生产线模型，并进行展示。
第三方面，提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，
当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行本申请各实施例所提供的应用于生产线的数字孪生方法。
第四方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，该程序被处理器执行本申请各实施例所提供的应用于生产线的数字孪生方法。
根据本申请实施例提供的技术方案，通过数字孪生技术实现虚拟生产线与物理生产线的孪生镜像，采用有线传输方式对数据采集装置采集的数据信息进行数据传输，数据传输更加稳定、安全可靠，避免网络信号等干扰；利用数据采集装置采集的数据信息进行建模，使构建的虚拟生产线模型的运行数据可反映物理实体的变化，解决传统建模无法体现物理变化的问题，构建的虚拟生产线模型更能突出生产线上各设备组件的联动性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出了根据本申请实施例提供的应用于生产线的数字孪生系统的示例性结构框图；
图2示出了根据本申请实施例提供的应用于生产线的数字孪生系统的具体结构框图；
图3示出了根据本申请实施例提供的应用于生产线的数字孪生方法的示例性流程框图；
图4示出了根据本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
传统的3D建模中，往往只注重模型的仿真建立，忽略了数据尤其是历史流数据对模型的影响，生产线上各设备组件没有联动性，物理数据的变化无法直接体现在设备模型中。
为解决上述问题，请参考图1，示出了根据本申请实施例提供的应用于生产线的数字孪生系统的示例性结构框图。
如图1所示，在本实施例中，本发明提供的应用于生产线的数字孪生系统100包括：
数据采集装置110，分别与生产设备通信连接，用于通过生产设备实时获取物理生产线状态信息数据，并通过有线传输方式将其实时传输给数字孪生处理装置120和/或可视化装置130；
数字孪生处理装置120，分别与数据采集装置110和可视化装置130通信连接，用于对所述数据采集装置110采集的信息数据进行处理和分析，并将其传输给可视化装置130；
可视化装置130，分别与数据采集装置110和数字孪生处理装置120通信连接，用于通过三维可视化引擎，将所述数据采集装置110和/或数字孪生处理装置120传输的信息数据进行解析，生成与物理生产线一致的虚拟生产线模型，并进行展示。
具体的，数字孪生是综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义，对物理空间进行描述、诊断、预测、决策，进而实现物理空间与赛博空间的交互映射。在数字孪生中，模型是核心，数据是基础。本发明通过数字孪生技术实现虚拟生产线与物理生产线的孪生镜像，采用有线传输方式对数据采集装置110采集的数据信息进行数据传输，数据传输更加稳定、安全可靠，避免网络信号等干扰；利用数据采集装置110采集(如安装在生产设备的各种传感器)的数据信息进行建模，使构建的虚拟生产线模型的运行数据可反映物理实体的变化，解决传统建模无法体现物理变化的问题，构建的虚拟生产线模型更能突出生产线上各设备组件的联动性。
在一个实施例中，所述有线传输方式包括：采用低压电力线高速载波通信进行数据传输。
具体的，采用低压电力线高速载波通信(High Power Line Carrier，简称HPLC)进行数据传输，HPLC是一种高速电力线通信技术，其通过利用电力线作为通信介质进行数据传输，是一种稳定可靠、通信速率快、数据传输安全的数据传输方式，不受网络信号干扰。
在一个实施例中，如图2所示，所述数字孪生处理装置120包括：
物理模型，用于记录物理实体的物理属性信息；
过程模型，用于记录物理实体的实时运行状态信息，以及记录所述物理模型的联动信息；
数字模型，用于对所述物理模型进行数字建模，获得与物理实体相匹配的虚拟实体；所述虚拟实体用于从多维度、多空间尺度、及多时间尺度对物理实体进行刻画和描述；
规则模型，用于解释所述数字模型与物理模型之间的约束、规则及关联关系；
数据流模型，用于对所述物理模型的动态变化过程进行数字建模，获得与物理实体动态变化过程相匹配的虚拟实体的动态变化数据流。
具体的，根据物理实体的物理属性信息如物理实体的形状、位置、结构、材质、颜色等构建物理模型。根据物理模型的动态变化过程，记录物理模型的联动信息，产生动画效果，过程建模后，得到过程模型，它将加载到过程模型引擎中使用。在不考虑视觉展示的情况下，对物理模型的物理属性进行建模，描述真实物理实体的真实属性，产生数字模型。数据流建模是描述物理实体发生变化后一系统数据状态的变化过程，通过这些数据流能计算出物理实体在某个时间内状态的变化结果，数据流建模后将得到数据流模型。
规则模型用于描述数字模型的属性变化后，对可视化装置130显示的3D仿真模型产生影响，驱动上述物理模型(包括几何模型、材质模型和结构模型)和过程模型产生变化，规则建模后得到规则模型，由规则模型引擎加载使用，规则模型库包含生产工艺规则模型库、生产管理规则模型库、产品信息规则模型库、生产物流规则模型库与技术知识规则模型库等；其中，生产工艺规则模型库包含工艺基础信息、工艺清单、工艺路线、工艺要求、工艺参数、生产节拍、标准作业等规则模型信息及其相关逻辑规则；生产管理规则模型库包含生产计划信息、排产规则信息、生产班组信息、生产线产能信息、生产进度信息、生产排程约束信息、生产设备效率信息之间的逻辑规则；产品信息规则模型库包含产品主数据、物料清单、产品生产规则、资源清单之间的信息共享与信息交换；生产物流规则模型库包含物料需求、物流路径、输送方式、配送节拍、在制品转运方式、完成入库、出库等与生产物流相关的规则；技术知识规则模型库包含工艺原理、操作经验、仿真模型、软件算法等。本发明使物理数字建模与3D视觉建模分离，通过规则建模描述两者之间关系，从而更有效反馈真实与虚拟间的关系与仿真级别。
在一个实施例中，如图2所示，所述物理模型至少包括如下一种：
几何模型，用于记录物理实体的形状、位置、尺寸；
结构模型，用于记录多个所述几何模型的相对位置、大小比例结构关系；
材质模型，用于记录物理实体的颜色、质感、纹理、反射参数。
具体的，根据物理实体的形状、位置、大小尺寸等信息，形成几何模型记录，得到设备的几何模型；记录多个几何模型的结构关系，包括相对位置、大小比例等，得到设备的结构模型；对物理实体的颜色、质感、纹理和反射建模，让模型更加逼真，材质等建模后得到设备的材质模型。
在一个实施例中，所述数字孪生处理装置120还包括：
时序数据库，用于保存所述数据流模型记录的动态变化数据流。
具体的，传统的3D建模的防暑，状态回放响应效率差，无法进行生产过程的回放，无法发现生产过程中出现的问题。而本发明中，当需要进行回放时，从时序数据库中某个时刻，重新读取数据流进行回放，实现历史场景的重现，通过数字孪生系统分析问题原因，及时发现生产过程中出现故障的设备、出现故障的原因等。本发明可使数据流模型直接关联至时序数据库进行回放，并且时序数据库中记录每个运行周期物理实体的状态，从而加快回放效率。
在一个实施例中，所述数字孪生处理装置120还包括：
模型数据库，用于保存所述物理模型、过程模型、数字模型和规则模型记录的数据。
具体的，为提高回放效率，每相隔一个时间段，记录下数字模型的数据并直接读取，不必重新计算回放过程中每个时刻的数字模型。
在一个实施例中，所述生产线包括电子产品生产线。
具体的，本发明的数字孪生系统主要应用于电子产品生产线，如用于电能表终端产品上。
第二方面，如图3所示，提供一种应用于生产线的数字孪生方法，图1-2所示的应用于生产线的数字孪生系统可对应执行图3所示的应用于生产线的数字孪生方法200，包括：
S210：数据采集装置110通过生产设备实时获取物理生产线状态信息数据，并通过有线传输方式将其实时传输给数字孪生处理装置120和/或可视化装置130；
S220：数字孪生处理装置120对所述数据采集装置110采集的信息数据进行处理和分析，并将其传输给可视化装置130；
S230：可视化装置130通过三维可视化引擎，将所述数据采集装置110和/或数字孪生处理装置120传输的信息数据进行解析，生成与物理生产线一致的虚拟生产线模型，并进行展示。
具体的，可视化装置130适配个人电脑、手持智能设备等多平台部署，可视化装置130通过三维可视化引擎，在实时获取的物理生产线信息数据的驱动下，对虚拟生产线三维仿真模型进行渲染，从而生成与物理生产线相一致的虚拟生产线模型。本发明通过数字孪生系统可以在虚拟场景中持续地展示物理实体的状态，实现了通过可视化装置130就可以立体直观的查看生产线各流程的实时状态，且显示的3D仿真画面是根据生产线设备的状态信息确定的，可以清楚的了解到生产线设备的运行状态，便于对生产线设备进行可视化管理。
在一个实施例中，所述有线传输方式包括：采用低压电力线高速载波通信进行数据传输。
在一个实施例中，步骤S220中，所述数字孪生处理装置120对所述数据采集装置110采集的信息数据进行处理和分析包括：
S221：根据物理实体的物理属性信息构建物理模型；
S222：根据物理实体的实时运行状态信息以及所述物理模型的联动信息构建过程模型；
S223：对所述物理模型进行数字建模，获得与物理实体相匹配的虚拟实体对应的数字模型；所述虚拟实体用于从多维度、多空间尺度、及多时间尺度对物理实体进行刻画和描述；
S224：根据所述数字模型与物理模型之间的约束、规则及关联关系构建规则模型；
S225：对所述物理模型的动态变化过程进行数字建模，获得与物理实体动态变化过程相匹配的虚拟实体的动态变化数据流对应的数据流模型。
在一个实施例中，步骤S221中，所述根据物理实体的物理属性信息构建物理模型包括：
根据物理实体的形状、位置、尺寸构建几何模型；
根据多个所述几何模型的相对位置、大小比例结构关系构建结构模型；
根据物理实体的颜色、质感、纹理、反射参数构建材质模型。
在一个实施例中，所述应用于生产线的数字孪生方法还包括：
将所述数据流模型记录的动态变化数据流保存在时序数据库中，通过所述时序数据库读取数据流进行回放。
在一个实施例中，所述应用于生产线的数字孪生方法还包括：将物理模型、过程模型、数字模型和规则模型记录的数据保存在模型数据库中。
在一个实施例中，应用于生产线的数字孪生方法包括：
当数据采集装置110通过生产设备实时获取物理生产线状态信息数据发生变化时，触发数据流模型更新，更新后的数据流保存至时序数据库中；
规则模型根据变换后的物理生产线状态信息数据计算数据流对数字模型的变化，修改数字模型数据；
根据修改后的数字模型数据，触发过程模型工作，修改几何模型、结构模型和材质模型数据；
根据修改后的几何模型、结构模型和材质模型数据，通过可视化装置130中的3D仿真引擎，重新生成与物理生产线运行状态相一致的虚拟生产线模型。
下面以一具体实施例来对本发明的应用于生产线的数字孪生方法进行示例性说明：
数据采集装置110获取到物理设备的状态数据(如姿态数据)发生变化后，根据数据流建模中的数据流模型，将数据流数据记录于时序数据库，时序数据库中可保留预定时长(如一个月)的物理实体的状态数据变化；
数据采集装置110获取的物理设备的状态数据变化的数据流在保存至时序数据库的同时，规则模型引擎计算出数据流对数字模型的变化，修改数字模型数据；
数字模型变化后，触发过程模型引擎工作，修改物理模型(包括几何模型、结构模型和材质模型)；
几何模型、结构模型和材质模型变化后，通过可视化装置130中的3D仿真引擎，在屏幕上重新渲染设备视觉效果，形成变化后的3D仿真画面，即生成与物理生产线相一致的虚拟生产线模型。
应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。
图4示出了根据本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
如图4所示，作为另一方面，本申请还提供了一种电子设备300，包括一个或多个中央处理单元(CPU)301，其可以根据存储在只读存储器(ROM)302中的程序或者从存储部分308加载到随机访问存储器(RAM)303中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 303中，还存储有系统100操作所需的各种程序和数据。CPU 301、ROM 302以及RAM 303通过总线304彼此相连。输入/输出(I/O)接口305也连接至总线304。
以下部件连接至I/O接口305：包括键盘、鼠标等的输入部分306；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分307；包括硬盘等的存储部分308；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分309。通信部分309经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器310也根据需要连接至I/O接口305。可拆卸介质311，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器310上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分308。
特别地，根据本公开的实施例，上文参考图3描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在机器可读介质上的计算机程序，计算机程序包含用于执行应用于生产线的数字孪生方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分309从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质311被安装。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
作为又一方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中所述装置中所包含的计算机可读存储介质；也可以是单独存在，未装配入设备中的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有一个或者一个以上程序，所述程序被一个或者一个以上的处理器用来执行描述于本申请的应用于生产线的数字孪生方法。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这根据所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以通过执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以通过专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本申请实施例中所涉及到的单元或模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元或模块也可以设置在处理器中，例如，各所述单元可以是设置在计算机或移动智能设备中的软件程序，也可以是单独配置的硬件装置。其中，这些单元或模块的名称在某种情况下并不构成对该单元或模块本身的限定。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种应用于生产线的数字孪生系统，其特征在于，包括：
数据采集装置，分别与生产设备通信连接，用于通过生产设备实时获取物理生产线状态信息数据，并通过有线传输方式将其实时传输给数字孪生处理装置和/或可视化装置；
数字孪生处理装置，分别与数据采集装置和可视化装置通信连接，用于对所述数据采集装置采集的信息数据进行处理和分析，并将其传输给可视化装置；
可视化装置，分别与数据采集装置和数字孪生处理装置通信连接，用于通过三维可视化引擎，将所述数据采集装置和/或数字孪生处理装置传输的信息数据进行解析，生成与物理生产线一致的虚拟生产线模型，并进行展示。
2.根据权利要求1所述的应用于生产线的数字孪生系统，其特征在于，所述有线传输方式包括：采用低压电力线高速载波通信进行数据传输。
3.根据权利要求1所述的应用于生产线的数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生处理装置包括：
物理模型，用于记录物理实体的物理属性信息；
过程模型，用于记录物理实体的实时运行状态信息，以及记录所述物理模型的联动信息；
数字模型，用于对所述物理模型进行数字建模，获得与物理实体相匹配的虚拟实体；所述虚拟实体用于从多维度、多空间尺度、及多时间尺度对物理实体进行刻画和描述；
规则模型，用于解释所述数字模型与物理模型之间的约束、规则及关联关系；
数据流模型，用于对所述物理模型的动态变化过程进行数字建模，获得与物理实体动态变化过程相匹配的虚拟实体的动态变化数据流。
4.根据权利要求3所述的应用于生产线的数字孪生系统，其特征在于，所述物理模型至少包括如下一种：
几何模型，用于记录物理实体的形状、位置、尺寸；
结构模型，用于记录多个所述几何模型的相对位置、大小比例结构关系；
材质模型，用于记录物理实体的颜色、质感、纹理、反射参数。
5.根据权利要求1-4任一项所述的应用于生产线的数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生处理装置还包括：
时序数据库，用于保存所述数据流模型记录的动态变化数据流。
6.根据权利要求1-4任一项所述的应用于生产线的数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生处理装置还包括：
模型数据库，用于保存所述物理模型、过程模型、数字模型和规则模型记录的数据。
7.根据权利要求1-6任一项所述的应用于生产线的数字孪生系统，其特征在于，所述生产线包括电子产品生产线。
8.一种应用于生产线的数字孪生方法，其特征在于，包括：
数据采集装置通过生产设备实时获取物理生产线状态信息数据，并通过有线传输方式将其实时传输给数字孪生处理装置和/或可视化装置；
数字孪生处理装置对所述数据采集装置采集的信息数据进行处理和分析，并将其传输给可视化装置；
可视化装置通过三维可视化引擎，将所述数据采集装置和/或数字孪生处理装置传输的信息数据进行解析，生成与物理生产线一致的虚拟生产线模型，并进行展示。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求8所述的应用于生产线的数字孪生方法。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求8所述的应用于生产线的数字孪生方法。
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| CN202210364903.2A CN114815752A (zh) | 2022-04-07 | 2022-04-07 | 应用于生产线的数字孪生系统、方法、设备及储备介质 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114815752A true CN114815752A (zh) | 2022-07-29 |
Family
ID=82535207
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210364903.2A Pending CN114815752A (zh) | 2022-04-07 | 2022-04-07 | 应用于生产线的数字孪生系统、方法、设备及储备介质 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114815752A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024066683A1 (zh) * | 2022-09-29 | 2024-04-04 | 卡奥斯工业智能研究院(青岛)有限公司 | 工业互联网操作系统和产品的处理方法 |
-
2022
- 2022-04-07 CN CN202210364903.2A patent/CN114815752A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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