CN114936257A - 面向船舶运行数字孪生体的孪生数据集成化管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向船舶运行数字孪生体的孪生数据集成化管理方法，包括：对船舶运行过程中数字孪生体的孪生数据数据源进行采集，构建本体知识库；定义面向船舶运行数字孪生体孪生数据的全局本体和局部本体之间的概念的映射和关系，实现孪生数据统一描述模型构建；根据所建立的船舶运行过程孪生数据的统一描述模型，实现船舶孪生数据的统一存储与管理。本发明针对船舶运行数字孪生体的孪生数据多源、异构以及数据量大的特点，提取不同数据源的语义特征，构建数据的统一描述模型并实现了孪生数据的统一存储与管理，使得船舶运行孪生数据的查询及使用操作更加直观便捷，为船舶数字孪生相关应用提供集成化数据基础。

Description

面向船舶运行数字孪生体的孪生数据集成化管理方法

技术领域

本发明涉及船舶运行管理领域，更具体地说，涉及一种面向船舶运行数字孪生体的孪生数据集成化管理方法。

背景技术

近年来，数字孪生技术在船舶领域有着非常广泛的应用需求和市场前景，通过建立面向船舶运行的数字孪生体，能够以数字化的方式建立船舶物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画真实船舶在真实运行环境中的属性、行为、规则等，在船舶运行状态实时跟踪、运行状态预测、故障分析等方面具有十分重要的意义。在船舶运行过程中，通过数字孪生技术刻画的船舶物理实体、虚拟模型以及服务系统会产生具有多源、异构、数据量大等特征的孪生数据，这些孪生数据是推动数字孪生船舶各部分的运转以及船舶数字孪生相关应用的核心。运行船舶数字孪生体的孪生数据多源、异构、数据量大的特点，现有技术难以实现集成化管理。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种面向船舶运行数字孪生体的孪生数据集成化管理方法，能够使得船舶运行孪生数据的查询、使用以及管控等操作更加直观便捷，为船舶数字孪生相关应用提供集成化数据基础。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种面向船舶运行数字孪生体的孪生数据集成化管理方法，包括以下步骤：

S1、对船舶运行数字孪生体的孪生数据数据源进行收集分析，在此基础上对孪生数据进行本体建模构建本体知识库，即面向船舶运行数字孪生体孪生数据的全局本体知识库与局部本体知识库；所述本体知识库包括以下四部分：

(1)表示船舶运行孪生数据源的概念及相互关系的类；

(2)支持船舶运行孪生数据全局本体和局部本体构建的类的属性；

(3)全局本体和局部本体所包含类之间的属性约束；

(4)描绘船舶运行孪生数据的全局本体和局部本体所包含类的数据实例；

S2、定义面向船舶运行数字孪生体孪生数据的全局本体和局部本体之间的概念的映射和关系，通过定义类之间的对象属性解决数据之间存在的语义异构问题，实现数据统一描述模型构建；

S3、根据所建立的船舶运行孪生数据的统一描述模型，将船舶运行孪生数据本体模型以三元组的形式持久化存储到关系数据库，实现船舶孪生数据的统一存储与管理。

按上述方案，在所述步骤S1中，对船舶运行数字孪生体的所有孪生数据源进行分析的具体过程如下：

(1)确定船舶运行孪生数据本体的具体构建领域；

(2)选择本体构建领域内应该写入本体知识库的概念；

(3)对本体构建领域里内的概念和关系进行分析，确认源中存放数据的来源、类型及与其他数据的规则关系，提取数据特征如下：

C_i＝{S_i,T_i,R_i}

其中i为孪生数据的编号，C_i为孪生数据i属性的集合，S_i,T_i,R_i是编号为i的数据的属性，S_i表示该孪生数据的来源，T_i表示该孪生数据的类型，R_i为该孪生数据的与其它数据的规则关系。

按上述方案，在所述步骤S1中，表示船舶运行孪生数据的概念及相互关系的局部本体及全局本体构建步骤如下：

(1)定义类和层次结构：根据数据属性集合确立概念间基本关系，采用自顶向下的开发方法确立船舶运行孪生数据全局本体以及船舶基本信息、传感器数据、子系统数据、几何模型数据以及船舶运行状态数据五个局部本体的类等级结构，在protégé内建立相应的本体大类以及细化后的各小类；

(2)定义类的属性：定义船舶运行孪生数据全局本体以及五个局部本体下类的对象属性和数据属性；其中，通过对象属性描述类与类之间的关联，通过数据属性以数据的形式对类本身进行更进一步的描述；

(3)定义属性约束：在本体类的对象属性和数据属性定义完成后，通过对船舶运行孪生数据全局本体以及五个局部本体下类的属性定义属性约束，对该属性添加约束和限制；

(4)创建实例：在概念的对象属性与数据属性确定后，使用Protégé中Cellfie语言将所收集的船舶运行数字孪生体的孪生数据作为实例批量导入相应类下。

按上述方案，在所述步骤S2中，解决语义异构问题方法如下：

(1)通过本体定义语法中的rdfs:subClassof以及rdfs:subpropertyof进行解决外延异构中的包含元素类型异构；

(2)命名异构中的相同实体使用不同名字的异构、外延异构中的等价元素类型异构通过owl:equivalentClass和owl:equivalentProperty语法解决；

(3)属性异构通过使用本体中的rdfs:subPropertyof语法来解决；

(4)格式异构通过类公理或函数、查找转换表来解决，根据温度数据精度不同，通过定义温度值与等级值之间的映射表，解决格式异构问题；

(5)混淆异构通过为产生混淆的术语指定一个标准来解决。

按上述方案，在所述步骤S3中，船舶孪生数据的统一存储与管理实现方法如下：

(1)在Protégé工具中将所建立的船舶运行孪生数据全局本体模型以及五个局部本体导出为.owl文件，即本体信息文件；

(2)使用关系数据库MySQL以三元组的形式来持久化存储所建立的舰船运行过程本体数据，使用Navicat for MySQL数据库可视化工具创建存储所建立本体的数据库；

(3)本体模型与数据库之间的连接通过Jena2工具包来建立，在eclipse通过Jena2的数据库引擎接口创建本体持久模型，实现(1)中的本体信息文件与(2)中建立的数据库的连接，进而在MySQL对本体模型进行持久化存储实现孪生数据的统一存储与管理，包括以下5个步骤：

①加载数据库JDBC驱动；

②创建(2)中所建立存储船舶运行孪生数据本体的数据库与编程IDE的连接；

③为数据库创建一个ModelMaker对象，负责创建本体模型的具体操作，也将模型与数据库进行关联；

④为船舶运行孪生数据本体创建一个基于关系型数据库的语义模型；

⑤对本体数据进行读取并转化成三元组存储到MySQL数据库中。

实施本发明的面向船舶运行数字孪生体的孪生数据集成化管理方法，具有以下有益效果：

1、本发明给出了船舶运行孪生数据源的分析方法，为数字孪生船舶运行过程中的孪生数据统一描述本体模型的建立提供了基础。

2、本发明针对船舶运行孪生数据多源、异构、数据量大的特点，建立了面向船舶运行数字孪生体孪生数据的全局本体知识库与局部本体知识库，解决孪生数据相关概念之间存在的语义异构问题，实现数据统一描述模型构建。

3、本发明将本体模型持久化存储到关系数据库，实现船舶孪生数据的统一存储与管理，使得船舶运行孪生数据的查询及使用操作更加直观便捷，为船舶数字孪生相关应用提供集成化数据基础。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例船舶运行数字孪生体孪生数据集成化管理方法的流程示意图；

图2为本发明实施例船舶基本信息局部本体中部分概念之间的联系示意图；

图3为本发明实施例几何模型数据局部本体中部分概念之间的联系示意图；

图4为本发明实施例船舶运行状态数据局部本体中部分概念之间的联系示意图；

图5为本发明实施例子系统数据局部本体中部分概念之间的联系示意图；

图6为船舶运行数字孪生体孪生数据的统一存储与管理实现过程流程示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的典型应用场景如下：针对船舶运行数字孪生体所产生的多源异构孪生数据，采用本体技术构建孪生数据统一描述模型，在此基础上实现船舶运行数字孪生体孪生数据的集成化管理，便于孪生数据的实时查询以及船舶数字孪生相关应用。如图1所示，该方法主要包括以下步骤：

1)对船舶运行数字孪生体的孪生数据数据源进行收集分析，针对孪生数据使用本体技术进行建模，构建本体知识库，即面向船舶运行数字孪生体的孪生数据的全局本体知识库与局部本体知识库，所述本体知识库包括以下四部分：

①表示船舶运行数字孪生体孪生数据源的概念及相互关系的类

②支持船舶运行数字孪生体孪生数据全局本体和局部本体构建的类的属性

③全局本体和局部本体所包含类之间的属性约束

④描绘船舶运行数字孪生体的孪生数据的全局本体和局部本体所包含类的数据实例；

2)定义面向船舶运行数字孪生体的孪生数据的全局本体和局部本体之间的概念的映射和关系，通过定义类之间的对象属性解决孪生数据之间存在的语义异构问题，实现孪生数据统一描述模型构建；

3)根据所建立的船舶运行数字孪生体的孪生数据的统一描述模型，将船舶运行孪生数据本体模型以三元组的形式持久化存储到关系数据库，实现船舶孪生数据的统一存储与管理。其中，步骤1)中本体知识库模型建立过程中，首先对数字孪生管控下船舶运行的所有孪生数据源进行完整分析，具体步骤包括：

(1)确定本体的领域：本体的领域主要为所有类型的船舶运行孪生数据，包括船舶物理实体、虚拟模型、服务系统的相关数据；

(2)选择应该写入本体知识库的概念：确定的基本概念有发动机、救生艇、液货舱、传感器、数字孪生几何模型、GIS等；

(3)确认源中存放数据的来源、类型及与其他数据的规则关系，提取归纳数据特征如下：

C_i＝{S_i,T_i,R_i}

其中i为孪生数据的编号，C_i为孪生数据i属性的集合，S_i,T_i,R_i是编号为i的数据的属性，S_i表示该孪生数据的来源，T_i表示该孪生数据的类型，R_i为该孪生数据的与其它数据的规则关系。

以船舶运行中发动机数据源中的发动机功率为例，其数据特征如下：

C＝{发动机,int，[属于船舶状态数据

由发动机转速决定，

影响船舶航速]}

根据不同数据源将船舶运行数字孪生体的孪生数据数据源类别主要分为五类：船舶基本信息，传感器数据，子系统数据、几何模型数据、以及船舶运行状态数据，分别构建五个局部本体，方便增加、减少数据源和修改数据源结构。以船舶基本信息本体为例，其部分概念之间的联系示意图如图2所示，步骤1)中所述局部本体知识库构建步骤具体如下：

(1)定义类和层次结构：根据数据特征中孪生数据来源特征S_i、类型T_i和规则关系R_i对概念进行分类，使用Protégé本体建模软件在系统根概念“Thing”下设立二级概念“船舶基本信息”，根据数据属性集合确立概念间基本关系，采用自顶向下的开发方法确立船舶基本信息局部本体的类等级结构，在protégé内建立相应的大类以及细化后的各小类；将船舶基本信息本体模型分为“动力系统”、“救生系统”和“运输系统”三个大类，各大类下再进行小类的细分，如“动力系统类”下再细分为“发动机”、“艏侧推”、“主透平”等；“运输系统类”再细分为“液货舱”、“维护系统”、“船体”等；

(2)定义类的属性：类的属性主要包括对象属性和数据属性两种；其中，对象属性描述了类与类之间的关联，数据属性则通过数据的形式对类本身进行更进一步的描述。示例中，基于规则关系R_i梳理出船舶基本信息各系统间的关系，定义出类与类之间的对象属性，支持本体构建的属性包括概念上、空间上、功能上、时间上以及物理上相关属性；例如：比如发动机在概念上通过“包括”的属性与动力系统联系到一起，在空间上通过“装载于”的关系与船体联系到一起等。数据属性则是对各小类更加详细的描述，例如：对发动机的描述有“额定功率”、“型号”、“尺寸”等；

(3)定义属性约束：在对象属性和数据属性定义完成后，需要对该属性添加约束和限制。例如：对象属性中的“装载于”关系属性需要添加发动机类作为其定义域，船体类作为其值域；对于数据属性，“发动机”类中的“型号”属性需要添加发动机类作为其定义域，“String”作为其数据类型限制；

(4)创建实例：在概念的对象属性与数据属性确定后，需要为类添加实例，由于孪生数据的数据量大的特点，本发明使用Protégé中Cellfie语言将数据作为实例批量导入相应类下。至此，一个完整的船舶基本信息局部本体便成功构建。

几何模型数据本体、船舶运行状态数据本体、子系统数据本体部分概念之间的联系示意图分别如图3、图4、图5所示

船舶运行孪生数据全局本体具体创建过程与局部本体创建过程一致。根据数据特征中孪生数据来源特征S_i、类型T_i和规则关系R_i对概念进行分类，创建船舶运行孪生数据本体，根据数据属性集合确立基本关系，采用自顶向下的开发方法确立船舶运行孪生数据全局本体的类等级结构，从数据组成上看，将其分为船舶静态数据和船舶动态数据两个子类，其中动态数据包括传感器数据、GIS数据、发动机温度及功率、障碍物位置以及货舱温度数据等，静态数据主要包括发动机等实体的重量、尺寸等属性、孪生模型信息等。

根据2)所述的通过定义类之间的对象属性解决语义异构问题，解决语义异构问题过程如下：

(1)通过本体定义语法中的rdfs:subClassof以及rdfs:subpropertyof进行解决外延异构中的包含元素类型异构，如动力系统同时是船舶基本信息类和子系统数据类的子类即属于该种异构；

(2)命名异构即相同实体使用不同名字的异构，在本方法中通过owl:equivalentClass和owl:equivalentProperty语法解决；

(3)属性异构即不同的数据源对相同实体的属性采取不同的定义方法，如模型类的尺寸属性在另一类中被定义为长、宽、高三个属性，可以使用本体中的rdfs:subPropertyof语法来解决；

(4)格式异构通过类公理或函数、查找转换表来解决，例如根据温度数据精度不同，通过定义温度值与等级值(高、中、低)之间的映射表，解决格式异构问题；

(5)混淆异构可通过为产生混淆的术语指定一个标准来解决，如“最近的”就可以在数据源集成的领域内被规定为“五分钟”。

本体构建完成后，通过推理机Racer验证本体的一致性和类层次，它的一个主要功能是检测某一类是否是另一个类的子类，从而建立本体的类层次。基于条件描述，推理机还可以检查某个类是否有实例，还可以检查每一个类的执行条件，以此判别某个数据是否满足成为某个类型成员的条件。

在步骤3)中，船舶孪生数据的统一存储与管理实现过程如下：

(1)在Protégé工具中将所建立的船舶运行孪生数据全局本体模型以及五个局部本体导出为.owl文件，即本体信息文件；

(2)使用关系数据库MySQL以三元组的形式来持久化存储所建立的舰船运行过程本体数据，使用Navicat for MySQL数据库可视化工具创建存储所建立本体的数据库。在MySQL在实现对本体模型进行实现数据的统一存储与管理，使用Navicat for MySQL数据库可视化工具创建数据库；

(3)本体模型与数据库之间的连接通过Jena2工具包来建立，在eclipse通过Jena2的数据库引擎接口创建本体持久模型，实现(1)中的本体信息文件与(2)中建立的数据库的连接，进而在MySQL对本体模型进行持久化存储实现孪生数据的统一存储与管理，主要包括以下5个步骤：

①加载数据库JDBC驱动

②创建(2)中所建立存储船舶运行孪生数据本体的数据库与编程IDE的连接

③为数据库创建一个ModelMaker对象，负责创建本体模型的具体操作，也将模型与数据库进行关联

④使用ModelMaker为为船舶运行孪生数据本体创建一个基于关系型数据库的临时的、默认的语义模型，

⑤将临时模型转换成本体模型(OWL格式)，对本体数据进行读取并转化成三元组存储到MySQL数据库中

(4)该方法把船舶运行孪生数据全局本体以及局部本体文件转化成三元组以URI的形式存储到MySQL数据库中，可以从MySQL数据库中获取已存储的本体数据，方便对船舶运行孪生数据的使用以及管理。Jena使用七个表实现本体的存储，分为Statement Tables和System Tables两类，实现数据存储的数据库表名称及对应的存储功能如表1所示

表1数据库表名称及功能

以Jena_GiTj_Stmt为例，生成的数据表的内容如下表2所示：

表2数据库表具体内容含义

Jena2使用非规范化三元存储方法存储RDF语句，该方法是标准三元存储和规范化三元存储的混合体。该方案使用语句表、文字表和资源表进行存储，短URI直接存储在语句表中，而长URI存储在资源表中。本方法中针对船舶运行数字孪生体孪生数据多源、异构、数据量大的特点，使用非规范化存储方式，能够节省存储空间并提高检索效率。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种面向船舶运行数字孪生体的孪生数据集成化管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对船舶运行数字孪生体的孪生数据数据源进行收集分析，在此基础上对孪生数据进行本体建模构建本体知识库，即面向船舶运行数字孪生体孪生数据的全局本体知识库与局部本体知识库；所述本体知识库包括以下四部分：

(1)表示船舶运行孪生数据源的概念及相互关系的类；

(2)支持船舶运行孪生数据全局本体和局部本体构建的类的属性；

(3)全局本体和局部本体所包含类之间的属性约束；

(4)描绘船舶运行孪生数据的全局本体和局部本体所包含类的数据实例；

S2、定义面向船舶运行数字孪生体孪生数据的全局本体和局部本体之间的概念的映射和关系，通过定义类之间的对象属性解决数据之间存在的语义异构问题，实现数据统一描述模型构建；

S3、根据所建立的船舶运行孪生数据的统一描述模型，将船舶运行孪生数据本体模型以三元组的形式持久化存储到关系数据库，实现船舶孪生数据的统一存储与管理。

2.根据权利要求1所述的面向船舶运行数字孪生体的孪生数据集成化管理方法，其特征在于，在所述步骤S1中，对船舶运行数字孪生体的所有孪生数据源进行分析的具体过程如下：

(1)确定船舶运行孪生数据本体的具体构建领域；

(2)选择本体构建领域内应该写入本体知识库的概念；

(3)对本体构建领域里内的概念和关系进行分析，确认源中存放数据的来源、类型及与其他数据的规则关系，提取数据特征如下：

C_i＝{S_i,T_i,R_i}

其中i为孪生数据的编号，C_i为孪生数据i属性的集合，S_i,T_i,R_i是编号为i的数据的属性，S_i表示该孪生数据的来源，T_i表示该孪生数据的类型，R_i为该孪生数据的与其它数据的规则关系。

3.根据权利要求1所述的面向船舶运行数字孪生体的孪生数据集成化管理方法，其特征在于，在所述步骤S1中，表示船舶运行孪生数据的概念及相互关系的局部本体及全局本体构建步骤如下：

(1)定义类和层次结构：根据数据属性集合确立概念间基本关系，采用自顶向下的开发方法确立船舶运行孪生数据全局本体以及船舶基本信息、传感器数据、子系统数据、几何模型数据以及船舶运行状态数据五个局部本体的类等级结构，在protégé内建立相应的本体大类以及细化后的各小类；

(2)定义类的属性：定义船舶运行孪生数据全局本体以及五个局部本体下类的对象属性和数据属性；其中，通过对象属性描述类与类之间的关联，通过数据属性以数据的形式对类本身进行更进一步的描述；

(3)定义属性约束：在本体类的对象属性和数据属性定义完成后，通过对船舶运行孪生数据全局本体以及五个局部本体下类的属性定义属性约束，对该属性添加约束和限制；

(4)创建实例：在概念的对象属性与数据属性确定后，使用Protégé中Cellfie语言将所收集的船舶运行数字孪生体的孪生数据作为实例批量导入相应类下。

4.根据权利要求1所述的面向船舶运行数字孪生体的孪生数据集成化管理方法，其特征在于，在所述步骤S2中，解决语义异构问题方法如下：

(1)通过本体定义语法中的rdfs:subClassof以及rdfs:subpropertyof进行解决外延异构中的包含元素类型异构；

(2)命名异构中的相同实体使用不同名字的异构、外延异构中的等价元素类型异构通过owl:equivalentClass和owl:equivalentProperty语法解决；

(3)属性异构通过使用本体中的rdfs:subPropertyof语法来解决；

(4)格式异构通过类公理或函数、查找转换表来解决，根据温度数据精度不同，通过定义温度值与等级值之间的映射表，解决格式异构问题；

(5)混淆异构通过为产生混淆的术语指定一个标准来解决。

5.根据权利要求1所述的面向船舶运行数字孪生体的孪生数据集成化管理方法，其特征在于，在所述步骤S3中，船舶孪生数据的统一存储与管理实现方法如下：

(1)在Protégé工具中将所建立的船舶运行孪生数据全局本体模型以及五个局部本体导出为.owl文件，即本体信息文件；

(2)使用关系数据库MySQL以三元组的形式来持久化存储所建立的舰船运行过程本体数据，使用Navicat for MySQL数据库可视化工具创建存储所建立本体的数据库；

(3)本体模型与数据库之间的连接通过Jena2工具包来建立，在eclipse通过Jena2的数据库引擎接口创建本体持久模型，实现(1)中的本体信息文件与(2)中建立的数据库的连接，进而在MySQL对本体模型进行持久化存储实现孪生数据的统一存储与管理，包括以下5个步骤：

①加载数据库JDBC驱动；

②创建(2)中所建立存储船舶运行孪生数据本体的数据库与编程IDE的连接；

③为数据库创建一个ModelMaker对象，负责创建本体模型的具体操作，也将模型与数据库进行关联；

④为船舶运行孪生数据本体创建一个基于关系型数据库的语义模型；

⑤对本体数据进行读取并转化成三元组存储到MySQL数据库中。

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