CN115454395A - 工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法及装置 - Google Patents

工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法及装置 Download PDF

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戈忠信
张奕楠
嵇月强
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Hangzhou Uwntek Automation System Co ltd
Zhejiang University ZJU
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Abstract

本发明公开了一种工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法及装置，包括：根据单元设备模型，构建工业数字孪生的模型XML文件；根据所述模型XML文件，使用编程语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，生成可执行文件或C代码文件；获取数值求解器，用于对所述可执行文件或C代码文件进行求解；将所述模型XML文件、可执行文件或C代码文件、数值求解器封装成一个计算接口。构建得到的接口能对石化、电力、公用工程等复杂工程场景中的现场设备进行数字建模与模拟映射，是构建工业数字孪生平台的最小组成部分。

Description

工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法及装置
技术领域
本申请涉及工业系统数字孪生领域，尤其涉及一种工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法及装置。
背景技术
工业控制系统作为工业领域的“大脑”和“中枢”，已广泛应用于能源、电力、交通、制造等典型行业。工业控制系统由工业控制装置(DCS、PLC、FCS、SIS、NC、SCADA)、工业检测装置(信息流、物质流、能量流等各种变量的感知和转换)、执行机构(气动的、液动的、电动的、混合的调节阀、执行器和定位器)、显示单元、辅助单元、工业控制对象(冶金、化工、炼油、电力、交通、国防、公用工程等工业设备、流程)、工业控制软件(先进控制软件、过程优化软件、软测量软件、故障诊断软件等)、工业控制网络(传感器、控制网、系统网、管理网)等组成。
随着虚拟化、智能感知、高速通信等技术的飞速发展引使得物理空间与虚拟空间之间的鸿沟正在逐渐消失。学术界和工业界都越来越强调以网络与物理结合为特征的数字孪生的重要性。数字孪生，是指充分利用物理设备模型、传感器采集信息、运行历史记录等真实世界的数据，集成多学科、多物理量、多尺度的仿真过程，在数字化的虚拟空间中完成对实体设备的映射，并对其全生命周期进行完整而准确的反映。
要构建数字孪生体，需要从真实的实体对象上采集大量数据基于数字孪生体可以进行各种仿真分析、技术测试、数据挖掘，甚至可以进行人工智能的应用。相比于直接在实体设备上应用这些技术，使用数字孪生体能够在确保与现实物理设备的实验结果保持一致的同时，避免出现异常后造成的现实设备的损失。工业流程控制系统的现场设备往往规模更大，由于工业生产的特殊，因工艺调整而导致的工业设备停机的成本往往巨大且难以承受。除非产能差到无法忍受的地步，否则不会轻易停机，这些特点使得现有的工业工艺的测试和推进变得十分困难。基于数字孪生系统的数字化建模能够实现离线仿真，帮助优化流程工艺设计。
现有的数字孪生系统都是基于某一特定设备或过程进行建模，不具备大型场景的建模与联合仿真能力。一些平台的设备库数据库有限，且平台开发遵循的标准不尽相同，故其可拓展性有限，难以满足用户自定义的需求。因此，有必要开发一款工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法及装置，实现大型场景全流程建模与跨场景、跨平台联合仿真。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法及装置，以解决大型场景全流程建模与跨场景、跨平台联合仿真的问题。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法，包括：
根据单元设备模型，构建工业数字孪生的模型XML文件；
根据所述模型XML文件，使用编程语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，生成可执行文件或C代码文件；
获取数值求解器，用于对所述可执行文件或C代码文件进行求解；
将所述模型XML文件、可执行文件或C代码文件、数值求解器封装成一个计算接口。
进一步地，根据单元设备模型，构建工业数字孪生的模型XML文件，包括：
根据单元设备模型的名称、用途，设定单元设备模型概述；
根据单元设备模型所需数据单位，设定单位类型；
根据单元设备模型所需变量类型，设定变量类别；
根据单元设备模型所需数据类型，设定数据类型；
根据单元设备模型运行特征，设定开始时间、结束时间、运行步长；
根据设定的单元设备模型概述、单位类型、变量类别、数据类型、开始时间、结束时间、运行步长，构建形成工业数字孪生的模型XML文件。
进一步地，根据所述模型XML文件，使用编程语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，生成可执行文件或C代码文件；
根据所述模型XML文件，使用Python语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行编程，得到Python代码，在再对所述Python代码进行编译，得到可执行文件或C代码文件；或，
根据所述模型XML文件，使用Matlab语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行编程，得到Matlab代码，在再对所述Matlab代码进行编译，得到可执行文件或C代码文件；或，
根据所述模型XML文件，使用Modelica语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行编程，得到Modelica代码，在再对所述Modelica代码进行编译，得到可执行文件或C代码文件。
进一步地，所述数值求解器能够对微分方程、代数方程、偏微分方程或差分方程进行求解。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种工业数字孪生系统单元设备计算接口构建装置，包括：
构建模块，用于根据单元设备模型，构建工业数字孪生的模型XML文件；
生成模块，用于根据所述模型XML文件，使用编程语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，生成可执行文件或C代码文件；
获取模块，用于获取数值求解器，用于对所述可执行文件或C代码文件进行求解；
封装模块，用于将所述模型XML文件、可执行文件或C代码文件、数值求解器封装成一个计算接口。
根据本申请实施例的第三方面，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；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。
根据本申请实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请根据单元设备模型相关属性，构建模型的XML文件，减少了模型的存储空间，对模型参数的更改仅需要改变XML文件相关参数，无需修改模型代码；使用不同编程语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，生成可执行文件或C代码文件的统一格式，使得不同编程语言构建的模型可以在同一平台上进行联合仿真；获取求解器，用于对代码描述的数学方程进行求解；将所述XML文件、可执行文件或C代码文件、数值求解器封装成一个计算接口，可被仿真平台本地调用或远程调用实现联合仿真。
本申请的方法，克服了计算接口不统一导致无法联合仿真的问题，使得多个单元设备可通过统一接口进行连接与数据交换，进而实现大型场景全流程建模与跨场景、跨平台联合仿真。并可以基于相应专业的装备、工艺和应用要求，开发集成基于重大工程的行业模型库、算法库与知识库。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法的流程图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种工业数字孪生系统单元设备计算接口构建装置的框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
图1是根据一示例性实施例示出的一种工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法的流程图，如图1所示，该方法应用于终端中，可以包括以下步骤：
S1：根据单元设备模型，构建工业数字孪生的模型XML文件；
S2：根据所述模型XML文件，使用编程语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，生成可执行文件或C代码文件；
S3：获取数值求解器，用于对所述可执行文件或C代码文件进行求解；
S4：将所述模型XML文件、可执行文件或C代码文件、数值求解器封装成一个计算接口。
由上述实施例可知，本申请根据单元设备模型相关属性，构建模型的XML文件，减少了模型的存储空间，对模型参数的更改仅需要改变XML文件相关参数，无需修改模型代码；使用不同编程语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，生成可执行文件或C代码文件的统一格式，使得不同编程语言构建的模型可以在同一平台上进行联合仿真；获取求解器，用于对代码描述的数学方程进行求解；将所述XML文件、可执行文件或C代码文件、数值求解器封装成一个计算接口，可被仿真平台本地调用或远程调用实现联合仿真。
在S1的具体实施中：根据单元设备模型，构建工业数字孪生的模型XML文件；该步骤可以包括以下子步骤：
S11：根据单元设备模型的名称、用途，设定单元设备模型概述；
具体地，所述概述包括模型的名称、模型的作者、模型的版本及模型构建时间；用户可根据模型信息，以字符串的形式自定义设定模型的名称、用途、模型概述、作者、模型版本及模型构建时间，方便二次开发时，开发人员能对模型有直观的认识。以超超临界直流锅炉汽水系统中的换热器模型为例，模型的名称为：HeaterExchanger，模型概述为：The fluegas passes through the heat exchanger to exchange heat with the workingmedium(water vapor)in the heat exchanger,and the flue gas releases heat toheat the water vapor，作者为：UWTech，模型版本为：V1.0，模型构建时间为：2022.01.01。
S12：根据单元设备模型所需数据单位，设定单位类型；
具体地，所述单位类型包括计算单位与显示单位，所述计算单位包括长度(米)、质量(千克)、时间(秒)、电流(安培)、热力学温度(开尔文)、物质的量(摩尔)和发光强度(坎德拉)，显示单位可由用户自定义，由计算单位通过加权计算得到；出于统一量纲的设计，计算单位用于模型内部的计算。显示单位可由使用者根据需求自定设定，显示单位是通过计算单位加权计算得到，例如：速度(米/秒)可由长度(米)除以时间(秒)得到。以超超临界直流锅炉汽水系统中的换热器模型为例，模型中用到显示单位为：千焦/开尔文，开尔文/秒，可由计算单位加权得到：焦耳＝千克*米2*秒-2。
S13：根据单元设备模型所需变量类型，设定变量类别；
具体地，所述变量类型包括输入变量、输出变量、局部变量及全局变量，输入变量为模型计算公式所需的参数，输出变量为模型计算得到的参数结果，局部变量仅在某一公式中可以使用，全局变量可在整个模型中使用，如时间变量。以超超临界直流锅炉汽水系统中的换热器模型为例，输入变量为入口焓值、进口压力、进口温度，输出变量为出口焓值、出口压力、出口温度，局部变量为蒸汽流量，烟气流量，烟气传给管壁的热量，由管壁传给蒸汽的热量。
S14：根据单元设备模型所需数据类型，设定数据类型；
具体地，所述数据类型包括整型数据、浮点型数据、字符串型数据、布尔类型数据和枚举类型数据，模型计算过程中需要根据不同的数据类型，如整型、浮点型、字符串型、布尔型与枚举型，设计不同的数值计算函数、数值比较函数。以超超临界直流锅炉汽水系统中的换热器模型为例，该模型使用了浮点型数据作为入口焓值、进口压力、进口温度，出口焓值、出口压力、出口温度，蒸汽流量，烟气流量，烟气传给管壁的热量，由管壁传给蒸汽的热量的数据类型。
S15：根据单元设备模型运行特征，设定开始时间、结束时间、运行步长；
具体地，模型运行特征决定了模型的运行过程，开始时间、结束时间的不同设定会导致参数初始值的不同，运行步长会影响模型计算的精确度。以超超临界直流锅炉汽水系统中的换热器模型为例，由于该模型为稳态模型，故设置模型的开始时间为0，结束时间为：1s，步长为：0.002。
S16：根据设定的单元设备模型概述、单位类型、变量类别、数据类型、开始时间、结束时间、运行步长，构建形成工业数字孪生的模型XML文件。
具体地，通过将单元设备模型概述、单位类型、变量类别、数据类型、开始时间、结束时间、运行步长以结构性文本的形式构建形成工业数字孪生的模型XML文件，减少了模型的存储空间，对模型参数的更改仅需要改变XML文件相关参数，而无需修改模型代码。
在S2的具体实施中：根据所述模型XML文件，使用编程语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，生成可执行文件或C代码文件；
具体地，使用不同的编程语言代码化所述单元设备的运算逻辑，对相关的数学方程通过编程的方式进行描述，对生成的代码进行编译得到可执行文件或C代码文件。
该步骤可以为以下任一步骤：
S21：根据所述模型XML文件，使用Python语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行编程，得到Python代码，在再对所述Python代码进行编译，得到可执行文件或C代码文件；
具体地，Python语言包含丰富的科学计算库，可调用相关库函数对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，并通过编译生成可执行文件或C代码文件。
S22：根据所述模型XML文件，使用Matlab语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行编程，得到Matlab代码，在再对所述Matlab代码进行编译，得到可执行文件或C代码文件；
具体地，Matlab包含模块式模型构建组件如Simulink和丰富的模块组件库，可对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，并通过编译生成可执行文件或C代码文件。
S23：根据所述模型XML文件，使用Modelica语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行编程，得到Modelica代码，在再对所述Modelica代码进行编译，得到可执行文件或C代码文件。以超超临界直流锅炉汽水系统中的换热器模型为例，Modelica代码为：
withinModelica.Thermal.HeatTransfer.Components；
model ThermalConductor
extends Interfaces.Element1D；
parameterSI.ThermalConductance G
"Constant thermal conductance of material"；
equation
Q_flow＝G*dT；
具体地，Modelica模型的行为主要通过方程来实现而非算法，Modelica模型主要变量描述和方程描述构成，变量视为实例内部数据的存储器，方程则描述了实例的行为，可对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，并通过编译生成可执行文件或C代码文件。
在S3的具体实施中：获取数值求解器，用于对所述可执行文件或C代码文件进行求解；
具体地，数值求解器的求解方法分为直接求解法和迭代法。直接法是基于高斯消元法，迭代法是采用逐步逼近的方法，计算得到方程的数值解。所述数值求解器能够对微分方程、代数方程、偏微分方程或差分方程进行求解。
在S4的具体实施中：将所述模型XML文件、可执行文件或C代码文件、数值求解器封装成一个计算接口。
具体地，通过文件压缩的方式将所述XML文件、可执行文件或C代码文件、数值求解器封装成一个计算接口，可被仿真平台本地调用或远程调用实现联合仿真。
与前述的工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法的实施例相对应，本申请还提供了工业数字孪生系统单元设备计算接口构建装置的实施例。
图2是根据一示例性实施例示出的一种工业数字孪生系统单元设备计算接口构建装置框图。参照图2，该装置包括：
构建模块21，用于根据单元设备模型，构建工业数字孪生的模型XML文件；
生成模块22，用于根据所述模型XML文件，使用编程语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，生成可执行文件或C代码文件；
获取模块23，用于获取数值求解器，用于对所述可执行文件或C代码文件进行求解；
封装模块24，用于将所述模型XML文件、可执行文件或C代码文件、数值求解器封装成一个计算接口。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
相应的，本申请还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法。
相应的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如上述的工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种工业数字孪生系统单元设备计算接口构建方法，其特征在于，包括：
根据单元设备模型，构建工业数字孪生的模型XML文件；
根据所述模型XML文件，使用编程语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，生成可执行文件或C代码文件；
获取数值求解器，用于对所述可执行文件或C代码文件进行求解；
将所述模型XML文件、可执行文件或C代码文件、数值求解器封装成一个计算接口。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据单元设备模型，构建工业数字孪生的模型XML文件，包括：
根据单元设备模型的名称、用途，设定单元设备模型概述；
根据单元设备模型所需数据单位，设定单位类型；
根据单元设备模型所需变量类型，设定变量类别；
根据单元设备模型所需数据类型，设定数据类型；
根据单元设备模型运行特征，设定开始时间、结束时间、运行步长；
根据设定的单元设备模型概述、单位类型、变量类别、数据类型、开始时间、结束时间、运行步长，构建形成工业数字孪生的模型XML文件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述模型XML文件，使用编程语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，生成可执行文件或C代码文件；
根据所述模型XML文件，使用Python语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行编程，得到Python代码，在再对所述Python代码进行编译，得到可执行文件或C代码文件；或，
根据所述模型XML文件，使用Matlab语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行编程，得到Matlab代码，在再对所述Matlab代码进行编译，得到可执行文件或C代码文件；或，
根据所述模型XML文件，使用Modelica语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行编程，得到Modelica代码，在再对所述Modelica代码进行编译，得到可执行文件或C代码文件。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数值求解器能够对微分方程、代数方程、偏微分方程或差分方程进行求解。
5.一种工业数字孪生系统单元设备计算接口构建装置，其特征在于，包括：
构建模块，用于根据单元设备模型，构建工业数字孪生的模型XML文件；
生成模块，用于根据所述模型XML文件，使用编程语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，生成可执行文件或C代码文件；
获取模块，用于获取数值求解器，用于对所述可执行文件或C代码文件进行求解；
封装模块，用于将所述模型XML文件、可执行文件或C代码文件、数值求解器封装成一个计算接口。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，根据单元设备模型，构建工业数字孪生的模型XML文件，包括：
根据单元设备模型的名称、用途，设定单元设备模型概述；
根据单元设备模型所需数据单位，设定单位类型；
根据单元设备模型所需变量类型，设定变量类别；
根据单元设备模型所需数据类型，设定数据类型；
根据单元设备模型运行特征，设定开始时间、结束时间、运行步长；
根据设定的单元设备模型概述、单位类型、变量类别、数据类型、开始时间、结束时间、运行步长，构建形成工业数字孪生的模型XML文件。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，根据所述模型XML文件，使用编程语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行代码化，生成可执行文件或C代码文件；
根据所述模型XML文件，使用Python语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行编程，得到Python代码，在再对所述Python代码进行编译，得到可执行文件或C代码文件；或，
根据所述模型XML文件，使用Matlab语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行编程，得到Matlab代码，在再对所述Matlab代码进行编译，得到可执行文件或C代码文件；或，
根据所述模型XML文件，使用Modelica语言对所述单元设备模型的运算逻辑进行编程，得到Modelica代码，在再对所述Modelica代码进行编译，得到可执行文件或C代码文件。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述数值求解器能够对微分方程、代数方程、偏微分方程或差分方程进行求解。
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，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-4任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述方法的步骤。
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Lehtomäki Digital twin model for a gas turbine

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