CN115809567A - 一种车间数字孪生模型的构建方法、装置及设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种车间数字孪生模型的构建方法、装置及设备，涉及智能机械技术领域，该方法包括：根据与物理车间相关的数据信息，构建虚拟车间的功能模型；虚拟车间与物理车间对应；根据功能模型所需要的信息资源和功能模型，构建虚拟车间的信息模型；信息模型用于描述信息资源的数据结构和语义；根据功能模型和信息模型，构建虚拟车间的过程模型；过程模型用于描述在构建车间数字孪生模型时信息流动的过程；根据功能模型、信息模型和过程模型，构建车间数字孪生模型。如此，从系统功能、信息、过程、本体四个维度实现从顶层设计到系统实现的建模过程，避免了重要信息被忽略的情况，提高了建模过程语义一致性、结构化和自动化。

Description

一种车间数字孪生模型的构建方法、装置及设备

技术领域

本申请涉及智能机械技术领域，尤其是涉及一种车间数字孪生模型的构建方法、装置及设备。

背景技术

车间数字孪生模型的构建过程复杂、功能模块和数据类型多样，导致在构建车间数字孪生模型时易出现内容重复或遗漏，传统的单一设计结构的建模方法难以实现车间数字孪生模型系统性的建模要求。

发明内容

本申请的目的在于提供一种车间数字孪生模型的构建方法、装置及设备，从而解决目前的构建车间数字孪生模型时易出现内容重复或遗漏的问题。

第一方面，为了达到上述目的，本申请实施例提供一种车间数字孪生模型的构建方法，包括：

根据与物理车间相关的数据信息，构建虚拟车间的功能模型；所述虚拟车间与所述物理车间对应；

根据所述功能模型所需要的信息资源和所述功能模型，构建所述虚拟车间的信息模型；所述信息模型用于描述所述信息资源的数据结构和语义；

根据所述功能模型和所述信息模型，构建所述虚拟车间的过程模型；所述过程模型用于描述在构建车间数字孪生模型时信息流动的过程；

根据所述功能模型、所述信息模型和所述过程模型，构建车间数字孪生模型。

第二方面，为了达到上述目的，本申请实施例提供一种车间数字孪生模型的构建装置，包括：

第一构建模块，用于根据与物理车间相关的数据信息，构建虚拟车间的功能模型；所述虚拟车间与所述物理车间对应；

第二构建模块，用于根据所述功能模型所需要的信息资源和所述功能模型，构建所述虚拟车间的信息模型；所述信息模型用于描述所述信息资源的数据结构和语义；

第三构建模块，用于根据所述功能模型和所述信息模型，构建所述虚拟车间的过程模型；所述过程模型用于描述在构建车间数字孪生模型时信息流动的过程；

第四构建模块，用于根据所述功能模型、所述信息模型和所述过程模型，构建车间数字孪生模型。

第三方面，为了达到上述目的，本申请实施例提供一种车间数字孪生模型的构建设备，包括收发机、存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权第一方面所述的车间数字孪生模型的构建方法。

第四方面，为了达到上述目的，本申请实施例提供一种可读存储介质，其上存储有程序或指令，其特征在于，所述程序或指令被处理器执行时实现如第一方面所述的车间数字孪生模型的构建方法。

本申请的上述技术方案至少具有如下有益效果：

本申请实施例的车间数字孪生模型的构建方法，首先，根据与物理车间相关的数据信息，构建虚拟车间的功能模型；所述虚拟车间与所述物理车间对应；其次，根据所述功能模型所需要的信息资源和所述功能模型，构建所述虚拟车间的信息模型；所述信息模型用于描述所述信息资源的数据结构和语义；如此，能够建立符合系统需求的数据结构模型，从而避免在车间数字孪生模型构建过程中数据和物理对象的不完整、不准确、不一致等问题；然后，根据所述功能模型和所述信息模型，构建所述虚拟车间的过程模型；所述过程模型用于描述在构建车间数字孪生模型时信息流动的过程；最后，根据所述功能模型、所述信息模型和所述过程模型，构建车间数字孪生模型。这样，从系统功能、信息、过程、本体四个维度实现车间数字孪生模型的建模过程，提高了建模过程语义一致性、结构化和自动化。

附图说明

图1为本申请实施例的车间数字孪生模型的构建方法的流程示意图；

图2为本申请实施例的车间数字孪生模型的A-0图；

图3为本申请实施例的车间数字孪生模型的A0图；

图4为本申请实施例的车间数字孪生模型的A1图；

图5为本申请实施例的IDEF1x信息建模示意图；

图6为本申请实施例的车间惊天建模UOB分解示意图；

图7为本申请实施例的车间数字孪生模型信息过程流网示意图；

图8为本申请实施例的数据集成UOB分解示意图；

图9为本申请实施例的车间数字孪生模型信息过程流网示意图；

图10为本申请实施例中车间数字孪生模型运行过程本体模型示意图；

图11为本申请实施例的产品状态转移图；

图12为本申请实施例中的精密制造车间数字孪生平台结构图；

图13为本申请实施例的车间数字孪生模型的构建装置的结构示意图；

图14为本申请实施例的车间数字孪生模型的构建设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

在本申请的各种实施例中，应理解，下述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

在本申请所提供的实施例中，应理解，“与A相应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其它信息确定B。

在进行本申请实施例的说明时，首先对下面描述中所用到的一些概念进行解释说明。

数字孪生车间是在新一代信息技术与制造技术的驱动下，由物理车间、虚拟车间、车间服务系统、车间孪生数据组成，集成和融合了物理车间、虚拟车间、车间服务系统全要素、全业务数据的一种车间运行新模式。

车间数字孪生模型是对物理车间生产全要素和工艺全流程在信息世界的数字化映射和表达，构建与物理车间静态场景、逻辑规则、动作行为完全一致的高保真虚拟车间模型是实现数字孪生车间的基础。传统建模仿真方法主要侧重于三维模型的还原度和保真度，数字孪生车间在构建高保真虚拟三维模型的基础之上，还关注车间动态运行过程中的变化关系，真实地复刻物理对象的几何、物理、行为及规则。

集成化计算机辅助制造定义方法(Integrated Computer Aided ManufacturingDEFinition method，IDEF)是一种比较经典的系统设计和分析方法，在对复杂系统的结构化分析与描述上具有较强的表达能力与直观性。也就是说，IDEF是一套针对复杂信息系统进行建模分析和系统设计的综合建模方法。IDEF方法族群包括IDEF0(功能建模，FunctionModeling)、IDEF1x(信息建模，Information Modeling)、IDEF2(仿真建模设计，SimulationModel Design)、IDEF3(过程描述获取方法，Process Description Capture)、IDEF4(面向对象的设计，Object-Oriented Design)、IDEF5(本体获取描述，Ontology DescriptionCapture)、IDEF6(设计原理，Design Rationale Capture)、IDEF7(信息系统审定，Information System Auditing)、IDEF8(用户界面建模，User Interface Modeling)等。

如图1所示，本申请实施例提供一种车间数字孪生模型的构建方法，包括：

步骤101，根据与物理车间相关的数据信息，构建虚拟车间的功能模型；虚拟车间与物理车间对应；即：本步骤中虚拟车间物理车间为实体车间，虚拟车间是与实体车间相对的车间；

本步骤为从功能维度进行建模，具体是分析车间数字孪生模型的功能作用、设计虚拟车间结构组成、描述各功能模块间相互关系，进而全面描述车间数字孪生模型的功能、活动、数据流及子模块间的关系；具体的，本步骤可以是利用IDEF0通过功能分解、功能之间关系的分配来描述车间数字孪生模型功能，即：根据该数据信息，利用IDEF0构建该功能模型；

步骤102，根据功能模型所需要的信息资源和功能模型，构建虚拟车间的信息模型；该信息模型用于描述信息资源的数据结构和语义；

这里，需要说明的是，车间数字孪生模型的运行监控、信息展示和仿真预测等依赖于数据间的集成和交互，然而制造车间中的数据类型多源、数据属性不同、数据量大且存在数据间的相互交叉。因此，在完成系统功能建模后，需要对车间数字孪生模型进行信息建模，通过抽象化方式定义数据结构和语义信息，建立符合系统需求的数据结构模型，便于车间数字孪生模型的数据传输、更新、查询、管理和存储。

因此，本步骤从信息维度进行建模，定义虚拟车间数据结构和语义信息，描述车间数据采集、传输、更新、查询、管理和存储过程，以及车间内部数据间的逻辑关系，进而通过结构化数据模型表达制造车间复杂多源数据；其中，本步骤可以利用IDEF1x，并根据该信息资源和该功能模型，构建该信息模型；

步骤103，根据功能模型和信息模型，构建虚拟车间的过程模型；该过程模型用于描述在构建车间数字孪生模型时信息流动的过程；

在步骤102中，已对车间数字孪生模型进行了信息建模，明确了构建车间数字孪生模型所需的数据结构并进行了语义定义。然而，为了获得在构建车间数字孪生模型时信息流动过程的准确描述，本步骤将从过程维度进行建模，基于车间运行逻辑和信息流动过程，以过程为核心描述车间事件发生的因果关系、状态改变的优先级，进而描述车间实际生产过程的状态变化和行为特征；其中，本步骤具体可以是利用IDEF3方法从过程维度进行建模；

步骤104，根据功能模型、信息模型和过程模型，构建车间数字孪生模型。

本申请实施例的车间数字孪生模型的构建方法，首先，根据与物理车间相关的数据信息，构建虚拟车间的功能模型；所述虚拟车间与所述物理车间对应；其次，根据所述功能模型所需要的信息资源和所述功能模型，构建所述虚拟车间的信息模型；所述信息模型用于描述所述信息资源的数据结构和语义；如此，能够建立符合系统需求的数据结构模型，从而避免在车间数字孪生模型构建过程中数据和物理对象的不完整、不准确、不一致等问题；然后，根据所述功能模型和所述信息模型，构建所述虚拟车间的过程模型；所述过程模型用于描述在构建车间数字孪生模型时信息流动的过程；最后，根据所述功能模型、所述信息模型和所述过程模型，构建车间数字孪生模型。这样，从系统功能、信息、过程、本体四个维度实现车间数字孪生模型的建模过程，提高了建模过程语义一致性、结构化和自动化。

作为一个具体的实现方式，与物理车间相关的数据信息包括以下至少一项：几何数据、三维模型、属性信息、实时数据和历史数据。

这里，需要说明的是，几何数据、三维数据、属性信息还可以统称为静态数据，其中，静态数据还可以报扩资源数据等；其中，几何数据例如包括物理车间的尺寸信息、物理车间内的布局信息；三维模型例如包括：物理车间内的设备三维模型、产线三维模型、产品三维模型、工序三维模型和厂房等基础设施三维模型等；属性信息例如标识产品属性、人员属性、设备属性的数据集合。

实时数据用于驱动功能模型中的车间静态模型动态映射，根据监控对象可将实时数据分为产品实时数据、人物实时数据、设备实时数据和看板实时数据等。其中，产品实时数据包括产品的工艺信息、位置信息和状态信息，分别表示产品的加工状态、实时位置和工序状态。人物的实时数据是指人物的位置信息和动作状态信息，表示某个工人在某个位置的操作。设备实时数据按照类型的不同可以分为机床、小车和机器人，分别表示不同设备的实时状态。对于机床而言，还包括设备报警信息用于对机床健康状态实时监控，以及加工信息用于表示机床当前工序内容。看板实时数据是对车间生产要素信息的精确展示，根据看板类型可分为涵盖车间全部内容的全局看板和针对某一对象的局部看板。

历史数据包括车间历史数据，车间历史数据主要用于工时预测模型中工时影响因素的特征提取和预测算法的学习训练。工时预测结果数据作为车间运行状态仿真模型的输入参数。

下面，结合图2，对从功能维度进行建模的过程进行简要说明：

从功能角度来说，车间数字孪生模型由若干个子系统组成，在构建车间数字孪生模型时我们首先需要对系统的功能作用、结构组成、功能间的相互关系等进行表示，因此，可以利用IDEF0，采用逐层分解的方法严格的从顶层依次向下层对系统进行结构化的分析得到虚拟车间功能模型。其中，功能建模的设计原理是在顶层对车间数字孪生模型的主要功能进行说明，然后按照实际的流程和结构关系，把顶层功能逐层分解成范围更小、细节更明确的子功能，每一个上层的功能模块都由下层若干个功能模块及其数据来说明。在进行车间数字孪生模型功能建模时，可以采用图形语言来对系统的需求和功能结构以及相互关系进行定义，其中，图形的主要元素包括用来描述系统功能活动的简单盒子，用来描述数据流(信息流)以及各功能模块之间结构关系的箭头，以及简单的文字说明。对于一个活动过程来说，不仅要表示其中重要的功能活动，还要明确完成这项活动的具体步骤、数据、操作、设施等要素，如图2所示，表示“从功能角度构建车间数字孪生模型”的活动及其要素。

图2是由一个盒子和若干个接口箭头组成的，表示的是车间数字孪生模型的A-0图，该图是用来明确系统范围和定义系统内外关系的。图中，A0盒子表示的是从功能角度构建车间数字孪生模型这一活动(Activity)，盒子的内容通常是以动词结构的短语来体现系统的活动特性，盒子是IDEF0功能建模的最基本元件。四个方向的箭头组成了A0活动的ICOM码，分别表示与A0活动相关的输入(Input)、控制(Control)、输出(Output)和机制(Mechanisms)，这些箭头的内容可以是抽象数据、具体对象或者其他，需要特别注意的是在活动图形中的箭头代表的是约束关系而不是数据流或者过程顺序。图中几何数据、三维模型、实时数据、历史数据共同组成了A0活动的输入，表示执行“从功能角度构建车间数字孪生模型”这个活动所需要使用、消耗、变换的数据和内容。车间生产布局、静态建模准则、网络协议、同步建模方法、工时预测算法、系统运行指标和实际生产环境共同组成A0活动的控制部分，表示完成A0活动的条件、规则、方法和约束。几何数据采集、物联网系统、制造执行系统、机床数据采集系统、硬件设施、软件平台和局域网共同组成A0活动的机制，表示实现A0活动所需要的硬件设施、软件支持和系统环境条件等。仿真预测、实时监控和车间三维模型是A0活动的输出，表示经过活动处理和系统实施后产生的结果，一个活动的输出可以作为另一个活动的输入、控制或者机制。

对于上层活动模型，通常还需要进行调用(Call)，即调用下层更为详细的活动模块来解释当前的功能活动。经过层层调用形成一个具有阶梯结构的系统功能模型，进而更深入地理解系统结构并且明确各功能模块的范围。

在上述内容的基础上，如图3所示，作为一个可选的实现方式，步骤101，根据与物理车间相关的数据信息，构建虚拟车间的功能模型，包括：

(1)根据几何数据、所述三维模型、所述属性信息，以及与几何数据、属性信息和三维模型对应的第一控制信息和第一机制信息，构建功能模型中的车间静态模型；

如图3所示，几何数据、三维模型和属性信息为构建车间静态模型的输入，第一控制信息包括车间生产布局、静态建模准则、模型关系定义、静态模型指标、车间运行逻辑、系统实施方案和系统设计方案；第一机制信息包括三维建模软件、格式转换、模型渲染优化、纹理贴图、仿真平台；虚拟车间三维模型、人物三维模型、设备三维模型、产品三维模型、看板模型为构建车间静态模型活动的输出。

(2)根据所述属性信息、所述实时数据、所述车间静态模型中的虚拟车间三维模型，以及与所述属性信息、所述实时数据和所述虚拟车间三维模型对应的第二控制信息和第二机制信息，构建所述功能模型中的可视化监控系统；

如图3所示，本步骤中，属性信息、实时数据、虚拟车间三维模型为构建可视化监控系统活动的输入，第二控制信息包括车间运行逻辑、系统实施方案、系统设计方案、数据通讯协议和系统集成方案等；第二机制信息包括仿真平台、系统数据库、局域网、硬件设施等；产品实时状态、人物实时状态、设备实时状态和生产数据实时展示为构建可视化监控系统的输出。

(3)根据所述历史数据、对所述历史数据和所述实时数据进行预处理后的仿真数据、所述第二机制信息中的系统数据库信息，以及与所述历史数据、所述仿真数据和所述系统数据库信息对应的第三控制信息和第三机制信息，构建车间仿真预测系统。

如图3所示，本步骤中，系统数据库、历史数据，以及对历史数据和实时数据进行预处理后的仿真数据为构建车间仿真预测系统活动的输入，第三控制信息包括特征提取、聚类分析、神经网络算法、工时预测方案，第三机制信息包括软件平台、算法库；生产数据实时展示、工时预测和仿真评估为构建车间仿真预测系统活动的输出。

也就是说，车间数字孪生模型按功能可分为车间静态建模、车间可视化监控、车间仿真预测三个模块。因此，本可选实现方式将“从功能角度构建车间数字孪生模型”功能活动进行了更详细的分解，从而可以得到如图3所示的车间数字孪生模型A0图。由图3可以看出，A0图对车间数字孪生模型进行了详细的功能划分和结构划分，是车间数字孪生模型实际的顶层功能图形，从A0图中可以看到从功能角度构建车间数字孪生模型活动包含构建车间静态模型、构建可视化监控模型和构建车间仿真预测系统三个子活动。具体的：

子活动1“构建车间静态模型”：采集车间几何数据、三维模型和属性信息，利用三维建模软件采用特定的静态建模方法(静态建模准则)对物理实体进行分析和建模，基于车间生产布局在仿真平台上构建符合系统需求的虚拟车间全要素三维模型(车间静态模型)。

子活动2“构建可视化监控系统”：在获得虚拟车间三维模型的基础上，基于数据传输方式与其他信息系统(如：制造执行系统(Manufactruing Execution System，MES；企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP)系统))进行数据通讯与交互，获得制造车间实时数据，以实时数据驱动车间三维模型动态映射，实现车间运行状态可视化监控。

子活动3“构建车间仿真预测系统”：基于加工历史数据对工时影响因素进行量化分析，构建工时预测模型实现产品加工工时预测，在此基础上构建车间仿真模型对车间运行状态重要指标进行量化和评估。

在A0图中不仅能够清楚地反映每个活动对应的输入、输出、控制和机制，同时能够明确在不同子模块中重复使用的对象和数据，避免在系统构建时的疏漏。例如，属性信息表示的是产品属性、人员属性、设备属性的数据集合，属性信息在构建车间静态模型时作为静态数据对车间中的产品、人员、设备等进行定义和注册，在构建可视化监控系统时作为动态数据用于查询和更新相应对象的实时状态。因此属性信息既是“构建车间静态模型”活动的输入，也是“构建可视化监控系统”的输入。也就是说，利用IDEF0从功能角度对车间数字孪生模型进行构建，能够清楚地反映构建过程中的每个活动所需要的信息，避免在系统构建时的信息疏漏。

作为一个具体的实现方式，如图3所示，车间静态模型包括以下至少一项：虚拟车间三维模型、人物三维模型、设备三维模型、产品三维模型和看板模型；其中，看板模型用于精确展示车间生产要素信息，具体是以数字的行驶精确地展示车间实时生产信息。

作为一个可选的实现方式，如图4所示，根据属性信息、实时数据、车间静态模型中的虚拟车间三维模型，以及与属性信息、实时数据和虚拟车间三维模型对应的第二控制信息和第二机制信息，构建功能模型中的可视化监控系统，包括：

(1)根据实时数据和虚拟车间三维模型，以及与实时数据和虚拟车间三维模型对应的第四控制信息和第四机制信息，构建车间运行状态监控模型；

如图4所示，构建车间运行状态监控模型活动的输入包括实时数据和车间三维模型，输出包括视角管理、全局监控、物料流转监控；第四控制信息包括车间运行逻辑、监听反馈机制、事件驱动机制、数据通讯机制；第四机制信息包括系统数据库、局域网、软件平台、数据接口。

(2)根据实时数据和设备三维模型，以及与实时数据和设备三维模型对应的第五控制信息和第五机制信息，构建设备状态监控模型；

如图4所示，构建设备状态监控模型活动的输入包括实时数据和设备三维模型，输出包括设备动作监控、设备运行监控、设备运行数据；第五控制信息包括数据通讯机制、关节父子关系、运动模型匹配、运动形成约束、运动碰撞检测；第五机制信息包括系统数据库、局域网、软件平台、传感器、数据接口。

(3)根据所述实时数据和所述产品三维模型，以及与所述实时数据和所述产品三维模型对应的第六控制信息和第六机制信息，构建产品状态监控模型；

如图4所示，构建产品状态监控模型的输入包括实时数据和产品三维模型，输出包括产品工艺监控、产品位置监控、产品工艺数据；第六控制信息包括数据通讯机制、产品工艺数据、产品工艺流程、更新机制；第六机制信息包括系统数据库、局域网、软件平台、超宽带技术、定位技术。

(4)根据实时数据和人物三维模型，以及与实时数据和人物三维模型对应的第七控制信息和第七机制信息，构建人物状态监控模型；

如图4所示，构建人物状态监控模型活动的输入包括实时数据和人物三维模型，输出包括人物运动监控、任务位置监控、人物基础数据；第七控制信息包括数据通讯机制、状态机、状态转移算法、人物动作动画、关节姿态约束；第七机制信息包括系统数据库、局域网、软件平台、超宽带技术、定位技术。

(5)根据所述实时数据、所述产品状态监控模型输出的产品工艺数据、所述设备状态监控模型输出的设备运行数据、所述人物状态监控模型输出的人物基础数据，以及与所述实时数据、所述产品工艺数据、所述设备运行数据和所述人物基础数据对应的第八控制信息和第八机制信息，构建生产数据监控模型；

如图4所示，构建生产数据监控模型活动的输入包括人物基础数据、设备运行数据、产品工艺数据、实时数据、和UI看板，输出包括生产数据展示、仿真数据展示、弹窗数据展示；第八控制信息包括数据通讯机制、人机交互原则、UI设计手册；第八机制信息包括系统数据库、局域网、软件平台、UI组件。

其中，第四控制信息、第五控制信息、第六控制信息、第七控制信息和第八控制信息均与所述第二控制信息相关，例如第四控制信息至第八控制信息为对第二控制信息细化后的内容；第四机制信息、第五机制信息、第六机制信息、第七机制信息和第八机制信息与第二机制信息相关，例如第四机制信息至第八机制信息为对第二机制信息细化后的内容。

也就是说，车间数字孪生模型A1图是对可视化监控模块功能活动的进一步分解，在A1图中将可视化系统更详细分解成车间运行状态监控、设备状态监控、产品状态监控、人物状态监控和生产数据监控，分别对各个活动进行ICOM编码，以箭头和简要的文字表示完成每一项活动所需的要素信息。A1图直观的表达出可视化监控系统是对车间中人物、产品、设备、物流、数据等全要素内容的实时状态监控。为了更好地说明系统功能还可以根据需要将A1图继续进行更为详细的分解得到A2图，依次类推，直到能够清晰地展示各个活动及其相关要素。

作为一个可选的实现方式，步骤102，根据功能模型所需要的信息资源和功能模型，构建所述虚拟车间的信息模型，包括：

获取与所述信息资源对应的原始数据；

本步骤的具体实现包括：首先相关人员首先对系统(车间数字孪生模型)进行需求分析，明确构建该系统的目的及目标功能；然后根据功能模型设计构建车间数字孪生模型的方法，确定在实现上述目的及目标功能时，系统在静态建模、可视化监控、仿真预测等模块的设计、构建、运行和管理过程中所需要的信息资源，并罗列出这些信息资源，最后通过数据采集、系统集成、数据通讯等方式获得与信息资源对应的原始数据。

基于集成化计算机辅助制造定义方法IDEF1x，将原始数据、物理车间的运行逻辑、预先配置的系统数据库和概念模型设计，以及数据需求分析结果，进行有机结合，构建信息模型，所述信息模型为通过图形构造的一个结构化的、规程化的数据结构模型。本步骤具体是指：在信息建模过程中将车间数据需求分析、概念模型设计、车间运行逻辑和系统数据库有机结合，通过简单的图形构造一个结构化的、规程化的数据结构模型来表达制造车间中复杂多源的数据，如此，能够避免在车间数字孪生模型构建过程中数据和物理对象的不完整、不准确、不一致。基于IDEF1x方法的车间数字孪生模型信息建模的示例如图5所示。

这里，需要说明的是，IDEF1信息建模方法是基于P.P.S Chen提出的实体联系模型(Entity Relationship Model)和P.P.Codd提出的关系理论发展起来的，IDEF1将数据作为一种系统资源进行管理和存储，通过建立信息模型来描述系统运行过程中的重要数据及其关联关系。IDEF1x是IDEF1改进图形表达和语义增强后的扩展版本。

与常规的系统数据库设计方法不同的是，利用IDEF1x对虚拟车间信息建模针对的是车间数据采集、存储和管理，以及车间内部数据之间的逻辑关系问题。其中，IDEF1x模型的元素组成包括实体、实体间的联系、属性/关键字。实体是具有相同属性或相同特征的一类客观存在或者抽象事物的集合，实体分为独立标识实体和从属标识实体，实体在IDEF1x图中用盒子表示。联系是实体间的一种逻辑连接，在IDEF1x图中用连线和动词短语表示，联系包括连接联系、分类联系和非确定联系。属性表示实体的某种特征或者性质(如产品、设备、人物等)，在IDEF1x盒子内的文本就是该实体的属性。

结合上述内容，本申请实施例中，车间数字孪生模型的实体包括车间三维静态模型、产品、设备、人物、看板等。按照系统功能模型将车间数字孪生模型分为静态建模、可视化监控、仿真预测三部分，将数据分为静态数据、实时数据和历史数据。静态数据包括车间几何数据、模型数据、布局信息、资源数据以及产品、设备、人物等基本信息，用于构建车间静态三维模型。实时数据用于驱动车间三维模型动态映射，根据监控对象可将实时数据分为产品实时数据、人物实时数据、设备实时数据和看板实时数据。产品实时数据包括产品的工艺信息、位置信息和状态信息，分别表示产品的加工状态、实时位置和工序状态。人物的实时数据是指人物的位置信息和动作状态信息，表示某个工人在某个位置的操作。设备实时数据按照类型的不同可以分为机床、小车和机器人，分别表示不同设备的实时状态。对于机床而言，还包括设备报警信息用于对机床健康状态实时监控，以及加工信息用于表示机床当前工序内容。看板数据是对车间生产要素信息的精确展示，根据看板类型可分为涵盖车间全部内容的全局看板和针对某一对象的局部看板。车间历史数据主要用于工时预测模型中工时影响因素的特征提取和预测算法的学习训练。工时预测结果数据作为车间运行状态仿真模型的输入参数。

作为一个可选的实现方式，步骤103，根据功能模型和信息模型，构建虚拟车间的过程模型，包括：

(1)基于IDEF3中的过程流网(Process Flow Network，PFN)构建信息模型描述的信息资源在功能模型中的流动过程；

这里，需要说明的是，PFN图的基本元素包括行为单元(UOB)、联接、参照物、交汇点、分解和细化说明。行为单元表示客观过程、功能、事件、操作、活动、场景等在一个业务过程或一个复杂系统中的情况，在PFN图中用UOB盒子表示。将UOB盒子用联接箭头按照事件发生的先后顺序连接起来，表示UOB中行为之间的先后顺序或约束关系。对于一个复杂的过程，可以将UOB进一步分解成活动层次更低、更具体的多层次过程描述，在IDEF3中每一个UOB的分解都是一个新的过程流图。如图6所示，是车间静态建模行为单元分解后的过程流图。通过UOB的分解可以将车间静态建模这一过程细化为几何数据采集、三维模型构建、产品建模、人物建模、设备建模、布局规划和渲染贴图七个子过程。

数据的获取与交互是车间数字孪生模型稳定运行和实时展示的关键。因此，以车间数字孪生模型中数据流动过程作为PFN图过程建模的核心，通过过程模型表示数据获取、描述、运用和管理等过程在车间数字孪生模型中出现的先后顺序和因果关系。车间数字孪生模型信息过程流网，如图7所示。

车间数字孪生模型是从物理车间中采集用于车间静态建模的几何数据，从不同的信息系统中集成用于车间运行状态驱动的实时数据。实时数据分为两类，一是用于驱动车间中三维模型实时动态映射的模型数据，该类数据是车间数字孪生模型动态运行的驱动源，通过数据实时交互实现车间关键要素的位置和状态实时更新。二是用于表示车间实时生产进度的看板数据，该类数据通过车间数字孪生模型中的看板以数字的形式精确的展示车间实时生产信息。

制造车间生产要素复杂且在生产过程中会产生大量的数据，这些数据分别存储在车间不同的信息系统当中。因此，车间数字孪生模型需要与MES、ERP、物联网等系统进行数据集成，对“数据集成”过程进一步分解得到更具体的数据集成过程。数据集成的UOB分解如图8所示，其具体过程如下：首先设计数据集成方案，并根据集成方案确定数据通讯协议；接着完成网络配置和连接，构造数据通讯环境，完成硬件设施布置；然后设计数据管理架构，在数据管理架构中规定了数据的查询、读取、更新、存储等操作；最后实现信息系统间的数据交互。

其中，构建物理车间与车间数字孪生模型之间的数据通讯，基于物联网、MES等系统实时采集物理车间制造过程产生的数据，并对物理车间正在发生的事件做出动态映射和实时反馈。通过与信息系统的数据传输和实时交互，对系统数据库进行数据更新与推送展示，从而获得车间生产要素信息、生产计划信息、生产过程实时数据，进而实现在虚拟空间中对产品加工状态、人物运行状态、设备动作状态的三维可视化监控。

(2)基于IDEF3中的对象状态转移网络(Object State Transition Network，OSTN)，描述PFN中的关键对象的状态转移过程；

这里，需要说明的是，OSTN(也可以称为状态转移图)以对象为核心，是对PFN中关键对象在参与过程时状态变换的详细描述。以产品为例，如图9所示，是产品在车间数字孪生模型中的状态转移过程。

在图9中，圆圈表示产品在车间数字孪生模型中的某一种状态，箭头所指方向表示状态转移的方向，方盒是实现产品状态变换的参照物，方盒的内容表示产品在发生状态转移时所必须要满足的条件和约束。产品状态转移图描述了产品从物理车间实体到虚拟车间三维模型构建，再到实时数据驱动的产品位置更新和状态更新的可视化监控过程。

(3)根据流动过程和状态转移过程，通过利用图形化语言记录事件发生和状态改变的优先级和因果关系，构建过程模型。

进一步地，作为一个可选的实现方式，该方法还包括：

根据所述功能模型、所述信息模型和所述过程模型，构建所述虚拟车间的本体模型。

这里，需要说明的是，车间数字孪生模型的构建是一个并行的过程，具有任务协作、模块集成、系统交互和知识密集等特点。然而传统的建模方法在集成过程中自动化程度低，模块可移植性不高，且很难保证语义的一致性，因此本可选实现方式将语义本体引入车间数字孪生模型运行过程的描述，具体如通过IDEF5图形化本体获取方法构造车间数字孪生模型的概念模型，为车间数字孪生模型本体的开发提供一种交互的、共享的、结构化的和具有一致性的概念框架。同时，本体的获取能够增强子模块的“可再用性(Reusability)”。在工程领域中，往往会花费大量的人力和物力去构造已经存在的信息和内容，例如，在车间数字孪生模型构建过程中，驱动小车运行的程序与驱动人物运行的程序存在相似的子程序，在系统开发时往往会浪费时间和精力去编写这些相似的子程序，而本体的获取能够很大程度上避免这种情况的发生。

本体(Ontology)是形成物理世界客观现象的根本实体，IDEF5模型中的本体是描述领域内关键实体、重要过程、属性及其相互关系的一种领域建模的通用语言。本体能够在不同的系统、范式、语言和软件间进行语义转换和映射，进而实现不同操作系统之间的交互和继承。本体论是利用精确的语言描述、结构化的语法以及明确的语义定义来对某一领域内客观存在的基本理论和方法，公认的实体集合和语言信息通过概念、术语和实体之间的相互关系进行概念化说明，是领域内种类和关系的概念集合。在本体论中，关系描述客观世界中的确定联系，术语描述客观世界对象或状态。

作为一个具体的实现方式，根据功能模型、信息模型和过程模型，构建虚拟车间的本体模型，包括：

(1)根据信息模型和过程模型，获取功能模型的运行过程相关信息、概念信息与知识信息的原始数据；

(2)利用IDEF5在原始数据中，提取功能模型运行过程中的语义信息，并确定概念信息间的层次关系及活动间的逻辑关系；

这里，需要说明的是，IDEF5以种类划分及种类基本性质作为抓取事物本质特征的方法，进而获取本体知识。种类(kind)是将具有相同性质的一类事物进行划分和归类，对于一个种类来说有且仅有该种类内的成员具有某一种共同的特性。IDEF5方法中的种类与IDEF1x方法中的实体类似，但种类具有更深层次的事物特性和逻辑关系。事物的性质可分为本质的、附属的、限定性的和非限定性的，如表1所示。

表1事物的性质

表1中，数控机床是一种由数控程序控制的机床，凡是由数控程序控制的机床都是数控机床，因此这一性质就是数控机床本质的性质；每一个数控机床都有可识别的序列号，但是拥有序列号的设备都可以是数控机床，因此这一性质是数控机床附属的性质。通过判断一台机床是否由数控程序控制来辨别该物体是否属于数控机床种类，用来作为判断的性质就是数控机床的限定性的性质，因此由数控程序控制的机床是数据机床本质的、限定性的性质。而对于复杂产品结构件而言，其材质可以是铝合金、镁合金、复合材料等，因此材质对于复杂产品结构件而言是一定会有但不能确定的性质，是复杂产品结构件附属的性质。在构建本体时，需要特别注意性质和属性的区分，性质是种类中所有个体所共同具有的直观的、抽象的事物特征，而属性是某一对象经过映射后具有唯一值的特征。例如，材质是复杂产品结构件的性质，而对于某一铝合金复杂产品结构件而言，铝合金材质是它的属性。

(3)根据所述语义信息、所述层次关系和所述逻辑关系，通过图表语言和结构化语义建立所述虚拟车间的本体模型。

这里，需要说明的是，本具体实现方式可以基于IDEF5方法实现，也就是说，在建立虚拟车间的本体模型时，可以利用IDEF5方法，以图表语言和结构化语义为完整描述逻辑提供结构化文本，以构建本体模型，实现可重用性；其中，IDEF5能够利用直观的图形表达、规范化的过程和结构化的结果对实体进行更深层次的描述，进而为领域内知识的获取、展示和存储提供媒介。IDEF5是以图表语言形式为各类图形构造提供可视化支持，以细化说明语言形式为完整描述逻辑提供结构化文本，二者相互支撑共同作用实现本体的构造。

一般来说，本体按照应用范围可以分为三个层次：第一层是领域本体，表示该领域中通用性最高的信息。例如，对于制造车间的一个领域本体，需要包括产品、设备、工艺文件、工具等制造车间领域所需要的通用信息。第二层是实践本体，表示领域中相似工作场景的共同特点，是对领域本体的拓展。例如，开发制造车间中的一条复杂产品结构件数控加工生产线，需要构造一个表征这条生产线特征的实践本体。第三层是专门工作场景本体，表示某一个特定的工作场景中相关的所有对象种类、性质和关系信息。例如，针对某航天企业的数控加工车间，可以在制造车间领域本体和生产线实践本体的基础上创建一个详细描述该企业设施的本体。

简言之，车间数字孪生模型运行过程本体构建流程如下：首先，通过信息采集、数据集成等方式获得车间数字孪生模型运行过程相关信息、概念与知识的原始数据。其次，根据已获得的原始数据对车间数字孪生模型运行过程中涉及的概念、关系和活动进行分析，提取运行过程语义信息并明确概念间的层次关系以及活动间的逻辑关系。然后，通过图表语言和结构化语义建立车间数字孪生模型运行过程的本体模型。即采用IDEF5方法抽取车间数字孪生模型运行过程本体模型的关键概念和属性，构建运行过程本体的核心模型。最后，修改和完善车间数字孪生模型运行过程的本体模型并进行保存。

根据车间管理人员提供的文档信息，明确车间数字孪生模型运行过程的术语及关系。车间数字孪生模型运行过程的部分核心术语如下：制造车间，产品(复杂产品结构件(毛坯、半成品、成品、在制品)、物料)，设备(数控机床、AGV小车、机器人、行车、立体库)，工具(刀具、切削液、千分尺)，数字孪生车间，静态建模(三维模型、车间布局、高保真建模)，可视化监控(可视化看板、车间动态运行、实时监控)，工时预测(工时影响因素、工艺文件、特征提取、工时预测算法)，仿真评估(仿真模型、设备利用率、产能、瓶颈工位)，孪生数据(静态数据、实时数据、几何数据、历史数据、生产进度信息、生产环境信息)，信息系统(物联网系统、MES、ERP、机床数据采集系统)。对这些术语中存在的关系进行统一定义包括：组成关系(Party-of)、驱动关系(Driven-of)、集成关系(Integration-of)、子类关系(subClass-of)、活动关系(Activity-of)、顺序关系(Sequential-of)等。

车间数字孪生模型运行过程包括三个主要活动：静态建模、可视化监控和工时预测。其本体模型，如图10所示。

(1)静态建模类

静态建模类基于数据采集、建模技术和车间布局活动构建包含产品、设备、工人等要素的虚拟车间静态三维模型，为可视化监控类提供平台和基础。静态建模类是二元关系<subClass-of>和<Activity-of>的值域，是二元关系<Sequential-of>的自变量，<subClass-of>约束静态建模类的子类为设备类、产品类、工人类，<Activity-of>约束静态建模的活动内容，<Sequential-of>约束活动的顺序。设备类、产品类是二元关系<Party-of>的值域，约束其组成部分。

(2)可视化监控类

可视化监控类基于虚拟车间三维模型以实时数据驱动车间动态运行，对车间生产数据进行可视化展示并将历史数据通过数据库的形式提供给工时预测类。可视化监控类是二元关系<Driven-of>和<Activity-of>的值域，是二元关系<Sequential-of>的自变量，<Driven-of>约束其驱动关系。实时数据类是二元关系<Integration-of>的值域，约束数据集成关系。<subClass-of>约束车间运行类和数据展示类可展示的信息。

(3)仿真预测类

仿真预测类首先通过历史数据分析和处理，提取工时影响因素，建立工时预测算法，并将预测结果反馈给可视化监控类进行数据展示，同时工时预测数据作为参数驱动车间仿真系统进行仿真评估。仿真预测类是二元关系<Activity-of>的值域，是<Sequential-of>的自变量。

进一步地，作为一个可选的实现方式，步骤104，根据功能模型、信息模型和过程模型，构建车间数字孪生模型，包括：

根据功能模型、信息模型、过程模型和所述本体模型，构建车间数字孪生模型。

本可选实现方式中，基于功能模型、信息模型、过程模型和本体模型构建车间数字孪生模型，实现了从四个维度从顶层设计到系统实现的建模过程，避免了在构建车间数字孪生模型时易出现内容重复或遗漏的问题，解决了传统的单一设计结构的建模方式难以实现车间数字孪生模型系统性的建模要求。

本申请实施例的车间数字孪生模型的构建方法，基于车间数字孪生模型复杂性和IDEF方法类表达的多样性，提出了从功能建模、信息建模、过程建模和本体建模四个维度的车间数字孪生模型结构化建模分析方法。利用IDEF0通过功能分解、功能之间关系的分类来描述车间数字孪生模型功能；利用IDEF1x描述车间数字孪生模型运行过程中的重要信息，并定义数据实体间的相互关系；利用IDEF3以车间数字孪生模型运行过程中数据流动过程为核心准确描述车间过程变化和状态转移；在信息建模和过程建模的基础上，利用IDEF5获取车间数字孪生模型领域的概念、术语和关系，通过车间数字孪生模型运行过程本体建模采集事实和获取知识。有效的避免了单一表达形式可能只对复杂系统中某一种特征进行描述而忽略其它重要信息的问题，为提高车间数字孪生模型建模过程语义一致性、可重用性、结构化和开发自动化奠定了基础。

总结来说，如图11所示，本申请实施例中，首先利用IDEF0模块采用严格的自顶向下的方式逐层分解车间数字孪生模型，利用简单的图形符号和自然语言，以结构化的形式全面地描述系统的功能、活动、数据流以及各个子系统之间的关系；接着利用IDEF1x模块对车间数字孪生模型数据进行语义建模，通过构建实体间的数据关联模型定义系统信息的管理规则和不同子系统间的逻辑关系；然后利用IDEF3模块通过过程流网PFN和对象状态转移图OSTN来描述制造车间运行过程和对象状态及状态变换，进而反映车间在不同时间下产品加工、物料流转、人员流动等生产过程的行为特征；最后，利用IDEF5方法以结构化文本语言描述车间数字孪生模型相关领域的对象、对象的性质和对象关系。

下面，结合具体实例对本申请实施例的方法进行应用验证：

以某精密加工车间为应用对象，利用Microsoft Visual Studio 2017软件，并结合Unity 2017.3.0f3，开发了精密制造车间数字孪生平台。根据本申请提出的基于IDEF的车间数字孪生模型构建方法从功能建模、信息建模、过程建模和本体建模四个维度分析精密制造车间数字孪生模型的系统结构。精密制造车间数字孪生平台由三个子系统组成，分别是虚拟车间三维静态模型子系统、虚拟车间三维可视化监控子系统、车间运行状态仿真预测子系统，通过子系统间的集成与数据交互，实现车间实时可视化监控和车间运行状态仿真预测。精密制造车间数字孪生平台结构如图12所示，其中，虚拟车间三维可视化监控子系统是车间运行状态和生产过程数据动态实时展示的主要平台，虚拟车间三维静态模型子系统分层次构建车间全要素三维模型为车间实时可视化监控提供模型支持，构建车间运行状态仿真预测子系统实现对数控加工工序工时预测和对车间运行状态动态仿真，并将结果通过数据传输的方式反馈给可视化监控平台进行数据展示。

(1)虚拟车间三维静态模型

虚拟车间三维静态模型是在明确系统可视化监控需求的基础上，充分调研车间实际现场生产资源情况，利用商业建模软件对产品、人物、机床、小车和车间等生产要素进行三维建模如图。为了使虚拟车间模型与实际物理车间模型尽可能相似，根据车间实际布局情况对虚拟车间设备层、工位层、车间层的模型进行重组和布局，并对三维模型进行纹理贴图，灯光配置和渲染优化。虚拟车间三维静态模型是车间可视化监控和仿真预测的前提和基础，因此还要完成车间可视化看板的设计和布局，并基于车间实际加工流程的运行逻辑构建虚拟车间同步运行机制。此外针对结构件产品还要构建产品的三维模型库，将同一产品不同阶段的模型进行存储和管理，以便后续在产品工艺状态动态映射中产品三维模型的替换。

(2)虚拟车间三维可视化监控

虚拟车间三维可视化监控是数字孪生车间动态实时监控与预测系统的主要展示平台，在车间三维静态模型的基础上，构建数字孪生车间全局数据交互管理架构实现实时数据的通讯与传输，通过同步建模方法以实时数据驱动虚拟车间三维模型动态运行实现产品、设备、人物、物料流转的动态实时映射。此外，以可视化看板的形式精确展示车间生产进度信息、产品工艺参数、设备运行参数等生产过程数据。

这里，需要说明的是，车间数字孪生模型构建是在信息世界对物理车间从功能、信息、过程、本体四个方面进行建模，描述制造车间的几何模型、运行逻辑、动作状态、仿真预测，进而实现对物理车间行为、状态和性能的模拟和仿真。本申请实施例建立一种基于IDEF的四维度加工车间数字孪生模型。提出从功能模型、信息模型、过程模型和本体模型等四个维度构建车间数字孪生模型，建立了加工车间的四维度数字孪生模型，提高了数字孪生车间建模语义一致性、可重用性、结构化和开发的自动化程度。

(1)利用IDEF0通过功能分解、功能之间关系的分类车间数字孪生模型功能进行分析与描述，将车间数字孪生模型按功能分为车间静态建模、车间可视化监控、车间仿真预测三个模块。

(2)利用IDEF1x描述了车间数字孪生模型运行过程中的重要信息，结合车间数据需求分析、概念模型设计、车间运行逻辑和系统数据库分析对制造车间的复杂数据进行结构化与规程化建模表达。

(3)利用IDEF3以车间数字孪生模型运行过程中数据流动过程为核心准确描述了车间过程变化和状态转移。在信息建模和过程建模的基础上，用图形化语言将制造车间实际生产过程中事件发生和状态改变的优先级和因果关系进行了描述与记录。

(4)利用IDEF5获取车间数字孪生模型运行过程本体模型的概念、术语和关系，通过车间数字孪生模型运行过程本体建模采集事实和获取知识，构建了运行过程本体的核心模型。

如图13所示，本申请实施例还提供一种车间数字孪生模型的构建装置，包括：

第一构建模块1301，用于根据与物理车间相关的数据信息，构建虚拟车间的功能模型；所述虚拟车间与所述物理车间对应；

第二构建模块1302，用于根据所述功能模型所需要的信息资源和所述功能模型，构建所述虚拟车间的信息模型；所述信息模型用于描述所述信息资源的数据结构和语义；

第三构建模块1303，用于根据所述功能模型和所述信息模型，构建所述虚拟车间的过程模型；所述过程模型用于描述在构建车间数字孪生模型时信息流动的过程；

第四构建模块1304，用于根据所述功能模型、所述信息模型和所述过程模型，构建车间数字孪生模型。

可选地，所述与物理车间相关的数据信息包括以下至少一项：几何数据、三维模型、属性信息、实时数据和历史数据。

可选地，所述第一构建模块1301包括：

第一构建子模块，用于根据所述几何数据、所述三维模型、所述属性信息，以及与所述几何数据、所述属性信息和所述三维模型对应的第一控制信息和第一机制信息，构建所述功能模型中的车间静态模型；

第二构建子模块，用于根据所述属性信息、所述实时数据、所述车间静态模型中的虚拟车间三维模型，以及与所述属性信息、所述实时数据和所述虚拟车间三维模型对应的第二控制信息和第二机制信息，构建所述功能模型中的可视化监控系统；

第三构建子模块，用于根据所述历史数据、对所述历史数据和所述实时数据进行预处理后的仿真数据、所述第二机制信息中的系统数据库信息，以及与所述历史数据、所述仿真数据和所述系统数据库信息对应的第三控制信息和第三机制信息，构建车间仿真预测系统。

可选地，所述车间静态模型包括以下至少一项：虚拟车间三维模型、人物三维模型、设备三维模型、产品三维模型和看板模型。

可选地，所述第二构建子模块包括：

第一构建单元，用于根据所述实时数据和所述虚拟车间三维模型，以及与所述实时数据和所述虚拟车间三维模型对应的第四控制信息和第四机制信息，构建车间运行状态监控模型；

第二构建单元，用于根据所述实时数据和所述设备三维模型，以及与所述实时数据和所述设备三维模型对应的第五控制信息和第五机制信息，构建设备状态监控模型；

第三构建单元，用于根据所述实时数据和所述产品三维模型，以及与所述实时数据和所述产品三维模型对应的第六控制信息和第六机制信息，构建产品状态监控模型；

第四构建单元，用于根据所述实时数据和所述人物三维模型，以及与所述实时数据和所述人物三维模型对应的第七控制信息和第七机制信息，构建人物状态监控模型；

第五构建单元，用于根据所述实时数据、所述产品状态监控模型输出的产品工艺数据、所述设备状态监控模型输出的设备运行数据、所述人物状态监控模型输出的人物基础数据，以及与所述实时数据、所述产品工艺数据、所述设备运行数据和所述人物基础数据对应的第八控制信息和第八机制信息，构建生产数据监控模型；

其中，所述第四控制信息、所述第五控制信息、所述第六控制信息、所述第七控制信息、所述第八控制信息与所述第二控制信息相关，所述第四机制信息、所述第五机制信息、所述第六机制信息、所述第七机制信息、第八机制信息与所述第二机制信息相关。

可选地，所述第二构建模块1302包括：

第一获取子模块，用于获取与所述信息资源对应的原始数据；

第四构建子模块，用于基于集成化计算机辅助制造定义方法IDEF1x，将所述原始数据、所述物理车间的运行逻辑、预先配置的系统数据库和概念模型设计，以及数据需求分析结果，进行有机结合，构建所述信息模型，所述信息模型为通过图形构造的一个结构化的、规程化的数据结构模型。

可选地，所述第三构建模块1303包括：

第五构建子模块，用于基于IDEF3中的过程流网PFN构建所述信息模型描述的信息资源在所述功能模型中的流动过程；

第六构建子模块，用于基于IDEF3中的对象状态转移网络OSTN，描述所述PFN中的关键对象的状态转移过程；

第七构建子模块，用于根据所述流动过程和所述状态转移过程，通过利用图形化语言记录事件发生和状态改变的优先级和因果关系，构建所述过程模型。

可选地，所述装置还包括：

第五构建模块，用于根据所述功能模型、所述信息模型和所述过程模型，构建所述虚拟车间的本体模型。

可选地，所述第五构建模块包括：

第二获取子模块，用于根据所述信息模型和所述过程模型，获取所述功能模型的运行过程相关信息、概念信息与知识信息的原始数据；

处理子模块，用于利用IDEF5在所述原始数据中，提取所述功能模型运行过程中的语义信息，并确定所述概念信息间的层次关系及活动间的逻辑关系；

第八构建子模块，用于根据所述语义信息、所述层次关系和所述逻辑关系，通过图表语言和结构化语义建立所述虚拟车间的本体模型。

可选地，所述第四构建模块1304具体用于：根据所述功能模型、所述信息模型、所述过程模型和所述本体模型，构建车间数字孪生模型。

如图14所示，本申请实施例还提供一种车间数字孪生模型的构建设备，包括收发机1410、处理器1400、存储器1420及存储在所述存储器1420上并可在所述处理器1400上运行的程序或指令；所述处理器1400执行所述程序或指令时实现上述车间数字孪生模型的构建方法。

所述收发机1410，用于在处理器1400的控制下接收和发送数据。

其中，在图14中，总线架构可以包括任意数量的互联的总线和桥，具体由处理器1400代表的一个或多个处理器和存储器1420代表的存储器的各种电路链接在一起。总线架构还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路链接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口提供接口。收发机1410可以是多个元件，即包括发送机和接收机，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。针对不同的终端，用户接口1430还可以是能够外接内接需要设备的接口，连接的设备包括但不限于小键盘、显示器、扬声器、麦克风、操纵杆等。

处理器1400负责管理总线架构和通常的处理，存储器1420可以存储处理器1400在执行操作时所使用的数据。

本申请实施例还提供一种可读存储介质，可读存储介质上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如上所述的车间数字孪生模型的构建方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。其中，该计算机可读存储介质，如只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等。

以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (13)

1.一种车间数字孪生模型的构建方法，其特征在于，包括：

根据与物理车间相关的数据信息，构建虚拟车间的功能模型；所述虚拟车间与所述物理车间对应；

根据所述功能模型所需要的信息资源和所述功能模型，构建所述虚拟车间的信息模型；所述信息模型用于描述所述信息资源的数据结构和语义；

根据所述功能模型和所述信息模型，构建所述虚拟车间的过程模型；所述过程模型用于描述在构建车间数字孪生模型时信息流动的过程；

根据所述功能模型、所述信息模型和所述过程模型，构建车间数字孪生模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述与物理车间相关的数据信息包括以下至少一项：几何数据、三维模型、属性信息、实时数据和历史数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据与物理车间相关的数据信息，构建虚拟车间的功能模型，包括：

根据所述几何数据、所述三维模型、所述属性信息，以及与所述几何数据、所述属性信息和所述三维模型对应的第一控制信息和第一机制信息，构建所述功能模型中的车间静态模型；

根据所述属性信息、所述实时数据、所述车间静态模型中的虚拟车间三维模型，以及与所述属性信息、所述实时数据和所述虚拟车间三维模型对应的第二控制信息和第二机制信息，构建所述功能模型中的可视化监控系统；

根据所述历史数据、对所述历史数据和所述实时数据进行预处理后的仿真数据、所述第二机制信息中的系统数据库信息，以及与所述历史数据、所述仿真数据和所述系统数据库信息对应的第三控制信息和第三机制信息，构建车间仿真预测系统。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述车间静态模型包括以下至少一项：虚拟车间三维模型、人物三维模型、设备三维模型、产品三维模型和看板模型。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述属性信息、所述实时数据、所述车间静态模型中的虚拟车间三维模型，以及与所述属性信息、所述实时数据和所述虚拟车间三维模型对应的第二控制信息和第二机制信息，构建所述功能模型中的可视化监控系统，包括：

根据所述实时数据和所述虚拟车间三维模型，以及与所述实时数据和所述虚拟车间三维模型对应的第四控制信息和第四机制信息，构建车间运行状态监控模型；

根据所述实时数据和所述设备三维模型，以及与所述实时数据和所述设备三维模型对应的第五控制信息和第五机制信息，构建设备状态监控模型；

根据所述实时数据和所述产品三维模型，以及与所述实时数据和所述产品三维模型对应的第六控制信息和第六机制信息，构建产品状态监控模型；

根据所述实时数据和所述人物三维模型，以及与所述实时数据和所述人物三维模型对应的第七控制信息和第七机制信息，构建人物状态监控模型；

根据所述实时数据、所述产品状态监控模型输出的产品工艺数据、所述设备状态监控模型输出的设备运行数据、所述人物状态监控模型输出的人物基础数据，以及与所述实时数据、所述产品工艺数据、所述设备运行数据和所述人物基础数据对应的第八控制信息和第八机制信息，构建生产数据监控模型；

其中，所述第四控制信息、所述第五控制信息、所述第六控制信息、所述第七控制信息、所述第八控制信息与所述第二控制信息相关，所述第四机制信息、所述第五机制信息、所述第六机制信息、所述第七机制信息、第八机制信息与所述第二机制信息相关。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述功能模型所需要的信息资源和所述功能模型，构建所述虚拟车间的信息模型，包括：

获取与所述信息资源对应的原始数据；

基于集成化计算机辅助制造定义方法IDEF1x，将所述原始数据、所述物理车间的运行逻辑、预先配置的系统数据库和概念模型设计，以及数据需求分析结果，进行有机结合，构建所述信息模型，所述信息模型为通过图形构造的一个结构化的、规程化的数据结构模型。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述功能模型和所述信息模型，构建所述虚拟车间的过程模型，包括：

基于IDEF3中的过程流网PFN构建所述信息模型描述的信息资源在所述功能模型中的流动过程；

基于IDEF3中的对象状态转移网络OSTN，描述所述PFN中的关键对象的状态转移过程；

根据所述流动过程和所述状态转移过程，通过利用图形化语言记录事件发生和状态改变的优先级和因果关系，构建所述过程模型。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述功能模型、所述信息模型和所述过程模型，构建所述虚拟车间的本体模型。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述功能模型、所述信息模型和所述过程模型，构建所述虚拟车间的本体模型，包括：

根据所述信息模型和所述过程模型，获取所述功能模型的运行过程相关信息、概念信息与知识信息的原始数据；

利用IDEF5在所述原始数据中，提取所述功能模型运行过程中的语义信息，并确定所述概念信息间的层次关系及活动间的逻辑关系；

根据所述语义信息、所述层次关系和所述逻辑关系，通过图表语言和结构化语义建立所述虚拟车间的本体模型。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述功能模型、所述信息模型和所述过程模型，构建车间数字孪生模型，包括：

根据所述功能模型、所述信息模型、所述过程模型和所述本体模型，构建车间数字孪生模型。

11.一种车间数字孪生模型的构建装置，其特征在于，包括：

第一构建模块，用于根据与物理车间相关的数据信息，构建虚拟车间的功能模型；所述虚拟车间与所述物理车间对应；

第二构建模块，用于根据所述功能模型所需要的信息资源和所述功能模型，构建所述虚拟车间的信息模型；所述信息模型用于描述所述信息资源的数据结构和语义；

第三构建模块，用于根据所述功能模型和所述信息模型，构建所述虚拟车间的过程模型；所述过程模型用于描述在构建车间数字孪生模型时信息流动的过程；

第四构建模块，用于根据所述功能模型、所述信息模型和所述过程模型，构建车间数字孪生模型。

12.一种车间数字孪生模型的构建设备，包括收发机、存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至10中任一项所述的车间数字孪生模型的构建方法。

13.一种可读存储介质，其上存储有程序或指令，其特征在于，所述程序或指令被处理器执行时实现如权利要求1至10中任一项所述的车间数字孪生模型的构建方法。

Images