CN115351524A - 一种数字孪生多层级模型组装方法 - Google Patents

一种数字孪生多层级模型组装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数字孪生多层级模型组装方法，该方法适用于具备多层级特征的数字孪生车间几何模型，包括数字孪生车间几何模型层级划分模块、同层级几何模型的空间关系构建模块、数字孪生车间几何模型组装顺序规划模块、数字孪生车间几何模型组装实施模块及数字孪生车间几何模型更新策略模块。本发明考虑了数字孪生模型构建对象的几何特征，减少了对非关键几何特征的模型组装，提高了模型组装过程的合理性及高效性。

Description

一种数字孪生多层级模型组装方法
技术领域
本发明属于电子工程和计算机科学领域，具体涉及一种数字孪生多层级模型组装方法。
背景技术
构建数字孪生车间的重要步骤之一是在虚拟空间构建物理车间对应的虚拟模型，为全面刻画物理车间的特征，在模型构建过程中一般考虑物理车间所涉及的多学科多领域模型。其中几何模型是数字孪生车间模型的关键组成部分，主要用于刻画车间的空间位置、形状、大小等几何信息。由于车间具备多层级特征，如何实现从单元级模型到系统级模型再到系统级模型的组装是亟需进行开展研究的，发明人尚未检索到数字孪生车间中有关几何模型组装的相关方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种数字孪生多层级模型组装方法，实现模型的组装并支持模型的动态更新以保证与物理对象的一致性；组装过程中考虑了模型构建对象的特征将模型划分为，并采用串行和并行相结合的模型组装模式，减少了模型组装过程中非必要的工作，提高了模型组装过程的合理性以及高效性。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种数字孪生多层级模型组装方法，包括：
步骤(1)、数字孪生车间模型层级划分，根据车间特征及其包含的生产要素，将数字孪生车间几何模型划分为零件级几何模型、部件级几何模型、设备级几何模型、生产线级几何模型和车间级几何模型多个层级，完成数字孪生车间模型层级划分，所述数字孪生车间模型，为利用三维建模软件构建的几何模型；
步骤(2)、数字孪生车间模型几何特征选择，判断零件级、部件级、设备级、生产线级和车间级各层级模型是否包含关键几何特征，若包含关键特征，则进一步确定各包含关键几何特征的生产要素模型间空间关系，否则将包含非关键特征的生产要素作为一个整体进行几何模型的组装；所述关键特征为使用者重点关注的生产要素的形状、尺寸、角度几何信息；所述非关键特征为使用者相对不关注的几何信息；
步骤(3)构建零件级、部件级、设备级、生产线级和车间级不同层级生产要素模型之间的空间关系，具体包括：
(3.1)首先选定零件级模型Pi，判定其他零件级模型Pj与Pi是否存在空间关系，其中i≠j；所述空间关系，包含配合关系、位置关系和连接关系，若存在空间关系，将Pj与Pi关系表示出来，并将属于同一个部件的Pi构建为一个集合；
(3.2)判断部件级模型Ci与其他部件级模型Cj是否空间关系，所述空间关系为配合关系、位置关系或连接关系；若存在空间关系，将空间关系以符号形式表示，并明确部件级模型Ci所隶属于的设备模型；
(3.3)构建设备级模型Mi之间的位置关系及机械连接关系，并明确设备级模型Mi所属于的生产线模型；
(3.4)明确生产线模型之间的三维空间位置关系，建立车间的三维坐标系O-XYZ，基于车间的三维坐标系将生产线位置进行坐标表示，从而得到不同生产线之间的相对位置关系；
步骤(4)、根据零件级、部件级、设备级、生产线级和车间级不同层级生产要素之间的空间关系，构建数字孪生几何模型组装顺序；数字孪生几何模型的模型组装顺序采用从底层到顶层的组装方式，即从数字孪生零件级模型-部件级模型-设备级模型-生产线级模型-车间级模型逐层组装；数字孪生几何模型的模型组装采用串行组装和并行组装混合模式，在保证数字孪生几何模型的模型组装能够正确组装的同时，提升数字孪生几何模型的模型组装效率；所述串行组装方式为几何模型，具有明确的先后顺序，需依次完成几何模型的组装；所述并行组装方式为几何模型间无明确先后顺序，能够同时进行不同几何模型的组装；几何模型的组装顺序构建具体包括：
(4.1)采用并行组装方式对(3.1)中构建的集合中零件级模型进行组装，集合内各零件级模型根据构建的配合关系、位置关系或连接关系确定几何模型的组装顺序；
(4.2)采用并行组装方式对不同设备级模型所包含的部件级模型进行组装，组装顺序根据步骤(3.2)构建的空间关系确定，所述空间关系包括位置关系、配合关系和连接关系；
(4.3)根据生产线所包含的设备类型，将设备级模型划分为不同集合，不同集合之间的组装过程采用并行组装方式，设备级模型间的组装顺序根据步骤(3.3)构建的空间关系确定；
(4.4)根据步骤(3.4)确定的生产线级模型之间的三维空间位置关系，采用串行组装方式对生产线级模型组装；
步骤(5)、利用建模软件依据步骤(1)划分的数字孪生车间模型层级、步骤(2)选择需组装的数字孪生车间几何模型、步骤(3)构建的零件级、部件级、设备级、生产线级和车间级不同层级生产要素几何模型之间的空间关系及步骤(4)确定的几何模型的组装顺序，实现数字孪生模型零件级-部件级-设备级-生产线级-车间级模型的逐层级组装，得到组装后的数字孪生车间几何模型；
步骤(6)、根据步骤(5)组装后的数字孪生车间几何模型特征及实际服务需求，确定步骤(5)组装后模型更新参数及模型更新策略。
本发明设计的一种数字孪生多层级模型组装方法，该方法用于具备多层级特征的数字孪生车间几何模型。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明不仅将数字孪生车间模型划分为多个层级，且将模型组装过程中涉及的模型划分为包含关键几何特征的模型及仅包含非关键几何特征的模型，从而简化组装流程，减少对模型组装工作量。
(2)本发明在数字孪生车间几何模型组装顺序规划过程中采用串行组装和并行组装相结合的方式，支持模型组装的协作，从而提升了模型组装效率。
附图说明
图1为本发明的一种数字孪生多层级模型组装方法的流程框图；
图2为本发明的各层级数字孪生模型空间关系构建的流程框图；
图3为本发明的数字孪生多层级模型组装顺序确定的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
本发明涉及一种数字孪生多层级模型组装方法，该方法适用于车间具备多层级特征的几何模型。构建数字孪生车间的重要步骤之一是在虚拟空间构建物理车间对应的虚拟模型，几何模型是数字孪生车间模型的关键组成部分，主要用于刻画车间包含生产要素的空间位置、形状、大小等几何信息。由于车间具备多层级特征，如何实现从单元级模型到系统级模型再到系统级模型的组装是需要进行开展研究的。本发明公开的方法包括数字孪生车间几何模型层级划分模块、几何模型的空间关系分析模块、几何模型的组装顺序规划模块、几何模型组装实施模块和数字孪生车间几何模型参数确定以及更新策略制定模块。组装过程中考虑了模型构建对象的特征，减少了模型组装过程中非必要的工作，并采用串行和并行混合的模型组装模式，提高了模型组装过程的合理性以及高效性。
本发明的流程框图如图1所示，其中图1涉及的关键步骤各层级数字孪生几何模型空间关系构建的流程框图和数字孪生多层级几何模型组装顺序确定的流程框图如图2、3所示，具体实施方式如下：
(1)针对目标物理车间，将数字孪生车间模型进行层级划分，将车间所含各类生产要素根据实际需求划分为零件级几何模型、部件级几何模型、设备级几何模型、生产线级几何模型和车间级几何模型五个层级模型。
(2)对(1)中划分的五个层级模型所包含的具体几何模型进行分析，对包含关键特征的模型需进行进一步空间关系的分析，对仅包含非关键特征的模型作为一个整体进行模型的组装，以减少模型组装的工作量。
(3)分析与构建各层级模型间的空间关系，模型间空间关系构成流程框图如图2所示，具体包括：
①首先选定零件级模型Pi，判定其他零件级模型Pj与Pi是(i≠j)否存在空间关系。所述空间关系包含配合关系Rcoor、位置关系Rpos和连接关系Rccon。若存在空间关系，将Pj与Pi关系表示出来，并将同属于统一的部件的Pi构建为一个集合
Figure BDA0003822206870000041
其表达式如下所示，其中
Figure BDA0003822206870000042
表示零件级模型Pj与Pi的空间关系。
Figure BDA0003822206870000043
Figure BDA0003822206870000044
②判断部件级模型Ci与其他部件级模型Cj与Ci是否空间关系，所述空间关系，包括配合关系Rcoor、位置关系Rpos和连接关系Rccon，若存在空间关系，将配合关系、位置关系或连接关系以符号形式表示，并明确部件级模型ci所隶属于的设备Mn，其表达式如下所示，其中
Figure BDA0003822206870000045
表示部件级模型Cj与Ci的空间关系；
Figure BDA0003822206870000046
Figure BDA0003822206870000047
③构建设备级模型Mi之间的位置关系Rpos及机械连接关系Rmech，并明确设备级模型Mi所属于的生产线PLn,其表达式如下所示，其中
Figure BDA0003822206870000048
表示设备级模型Mi与Mj的空间关系；
Figure BDA0003822206870000049
Figure BDA00038222068700000410
④明确生产线模型PLi之间的三维空间位置关系Rpos，建立车间的三维坐标系O-XYZ，基于车间的三维坐标系将生产线位置进行坐标表示，得到不同生产线之间的相对位置关系,其表达式如下所示，其中
Figure BDA00038222068700000411
表示生产线级模型PLi与PLj的空间关系；
Figure BDA00038222068700000412
Figure BDA0003822206870000051
(4)、确定模型组装顺序。模型组装顺序采用从零件级模型到部件级模型到设备级模型到生产线级模型再到车间级模型的逐层级组装方式。模型组装采用串联和并联混合组装模式，在确保模型能够正确组装的同时，提升模型组装效率，数字孪生多层级几何模型组装顺序确定的流程框图如图3所示，具体包括：
①零件级模型组装过程根据所属部件划分为多个集合，不同集合之间不具备空间关系采用并行组装方式，
Figure BDA0003822206870000052
集合内各零件级几何模型根据(3)中①确定的空间关系进行模型串行组装,支持形成部件级数字孪生几何模型；
②不同设备级模型包含的部件级模型一般不具备空间关系，故采用并行组装模式。同一设备级模型组装顺序根据(3)中②确定的空间关系进行模型串行组装，支持设备级数字孪生几何模型构建；
③根据生产线级模型所包含的设备级模型，将设备级模型划分为面向不同生产线级模型的不同集合，属于不同生产线级模型的设备级模型采用并行组装方式，属于同一生产线级模型的设备间组装顺序根据(3)中③确定的空间关系进行模型串行组装，支持生产线级数字孪生几何模型构建；
④根据(3)中④确定的生产线级模型间关系进行模型串行组装，形成最终目标车间的数字孪生几何模型。
(5)、依据确定的目标数字孪生车间模型的层级关系、模型间的空间关系以及模型组装顺序，基于几何模型构建相关软件实施模型的组装。
(6)、根据所物理车间的具体特征以及实际服务需求，选取模型更新参数，并根据参数特征确定模型更新策略。
综上所述，本发明公开了一种数字孪生多层级模型组装方法，包括数字孪生车间几何模型层级划分模块、不同层级以及同层级几何模型的空间关系分析模块、数字孪生车间几何模型的组装顺序规划模块、数字孪生车间几何模型组装实施模块及数字孪生车间几何模型更新策略模块。考虑了模型构建对象的特征，减少了模型组装过程中非必要的工作，提高了模型组装过程的合理性以及高效性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种数字孪生多层级模型组装方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
步骤(1)、数字孪生车间模型层级划分，根据车间特征及其包含的生产要素，将数字孪生车间几何模型划分为零件级几何模型、部件级几何模型、设备级几何模型、生产线级几何模型和车间级几何模型多个层级，完成数字孪生车间模型层级划分。所述数字孪生车间模型，为利用三维建模软件构建的几何模型；
步骤(2)、数字孪生车间模型几何特征选择，判断零件级、部件级、设备级、生产线级和车间级各层级模型是否包含关键几何特征，若包含关键特征，则进一步确定各包含关键几何特征的生产要素模型间空间关系，否则将包含非关键特征的生产要素作为一个整体进行几何模型的组装；所述关键特征为使用者重点关注的生产要素的形状、尺寸、角度几何信息；所述非关键特征为使用者相对不关注的几何信息；
步骤(3)、构建零件级、部件级、设备级、生产线级和车间级不同层级生产要素几何模型之间的空间关系，具体包括：
(3.1)首先选定零件级模型Pi，判定其他零件级模型Pj与Pi是否存在空间关系，其中i≠j；所述空间关系，包含配合关系、位置关系和连接关系，若存在空间关系，将Pj与Pi关系表示出来，并将属于同一个部件的Pi构建为一个集合；
(3.2)判断部件级模型Ci与其他部件级模型Cj是否空间关系，所述空间关系为配合关系、位置关系或连接关系；若存在空间关系，将空间关系以符号形式表示，并明确部件级模型Ci所隶属于的设备模型；
(3.3)构建设备级模型Mi之间的位置关系及机械连接关系，并明确设备级模型Mi所属于的生产线模型；
(3.4)明确生产线模型之间的三维空间位置关系，建立车间的三维坐标系O-XYZ，基于车间的三维坐标系将生产线位置进行坐标表示，从而得到不同生产线之间的相对位置关系；
步骤(4)、根据零件级、部件级、设备级、生产线级和车间级不同层级生产要素之间的空间关系，构建数字孪生几何模型组装顺序；数字孪生几何模型的模型组装顺序采用从底层到顶层的组装方式，即从数字孪生零件级模型-部件级模型-设备级模型-生产线级模型-车间级模型逐层组装；数字孪生几何模型的模型组装采用串行组装和并行组装混合模式，在保证数字孪生几何模型的模型组装能够正确组装的同时，提升数字孪生几何模型的模型组装效率；所述串行组装方式为几何模型具有明确的先后顺序，需依次完成几何模型的组装；所述并行组装方式为几何模型间无明确先后顺序，能够同时进行不同几何模型的组装；几何模型的组装顺序构建具体包括：
(4.1)采用并行组装方式对(3.1)中构建的集合中零件级模型进行组装，集合内各零件级模型根据构建的配合关系、位置关系或连接关系确定几何模型的组装顺序；
(4.2)采用并行组装方式对不同设备级模型所包含的部件级模型进行组装，组装顺序根据步骤(3.2)构建的空间关系确定，所述空间关系包括位置关系、配合关系和连接关系；
(4.3)根据生产线所包含的设备类型，将设备级模型划分为不同集合，不同集合之间的组装过程采用并行组装方式，设备级模型间的组装顺序根据步骤(3.3)构建的空间关系确定；
(4.4)根据步骤(3.4)确定的生产线级模型之间的三维空间位置关系，采用串行组装方式对生产线级模型组装；
步骤(5)、利用建模软件依据步骤(1)划分的数字孪生车间模型层级、步骤(2)选择需组装的数字孪生车间几何模型、步骤(3)构建的零件级、部件级、设备级、生产线级和车间级不同层级生产要素几何模型之间的空间关系及步骤(4)确定的几何模型的组装顺序，实现数字孪生模型零件级-部件级-设备级-生产线级-车间级模型的逐层级组装，得到组装后的数字孪生车间几何模型；
步骤(6)、根据步骤(5)组装后的数字孪生车间几何模型特征及实际服务需求，确定步骤(5)组装后模型更新参数及模型更新策略。
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