CN115984481A - 一种可视化工业数字仿真管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可视化工业数字仿真管理系统，该系统包括：三维建模模块、可视化模块、数据接入模块，其中，三维建模模块用于获取工业场景信息并基于工业场景信息建立三维场景模型；数据接入模块用于实时获取工业场景中多个传感器设备的设备信息，并将设备信息发送至可视化模块；可视化模块用于将获取到的设备信息与三维场景模型结合，对工业场景中的设备信息进行可视化呈现。本发明通过综合工业场景内所有设备的位置及运行情况进行可视化呈现，实现虚拟三维设备与真实机组的镜像对应，让用户在三维可视化环境能看到实现设备的运行参数、生产工艺流程、设备部件等，便于用户集中、直观的进行监管，提高管理效率的同时节省大量的时间和人力资源。

Description

一种可视化工业数字仿真管理系统

技术领域

本发明涉及工业管理技术领域，具体涉及一种可视化工业数字仿真管理系统。

背景技术

随着科学技术的发展，现阶段的工业生产不仅部门增多，管理体系愈加完善，生产设备也已经发展到高度自动化与信息化阶段，生产过程存在大量信息需要通过人工进行收集、统计、分析、管理，其过程需要大量的技术人员投入大量的时间和精力。同时由于信息的多源异构、异地分散特征易形成信息孤岛，企业内部缺乏集中、直观的可视化监管安全手段，无法及时根据当前的设备生产情况进行管理，信息无法在工业生产上发挥应有价值。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种可视化工业数字仿真管理系统，以解决现有的工业管理无法及时根据当前的设备生产情况进行可视化管理的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明实施例提供了一种可视化工业数字仿真管理系统，包括：

三维建模模块、可视化模块、数据接入模块，其中，

所述三维建模模块用于获取工业场景信息并基于所述工业场景信息建立三维场景模型；

所述数据接入模块用于实时获取工业场景中多个传感器设备的设备信息，并将所述设备信息发送至可视化模块；

所述可视化模块用于将获取到的设备信息与所述三维场景模型结合，对工业场景中的设备信息进行可视化呈现。

可选的，所述三维建模模块基于所述工业场景信息建立三维场景模型，包括：

从所述工业场景信息中提取二维平面图和预设三维建筑构件；

对所述二维平面图进行解析得到多个图元组合；

将所述图元组合的数据格式与所述预设三维建筑构件的数据格式进行匹配，得到匹配成功的三维构件；

基于所述三维构件生成三维场景模型。

可选的，所述对所述二维平面图进行解析得到多个图元组合，包括：

根据预设的物体关键特征对所述二维平面图进行解析得到各图层对应的图元；

将多个图层内的所述图元进行组合，得到多个图元组合。

可选的，所述三维建模模块还用于：

获取所述三维场景的场景数据量和初始加载信息；

基于预设数据量阈值和所述场景数据量对所述三维场景进行区块分割，得到多个区块数据；

根据所述初始加载信息中的位置信息和视角信息选取对应的区块数据进行加载。

可选的，所述基于预设数据量阈值和所述场景数据量对所述三维场景进行区块分割，包括：

根据所述预设数据量阈值和所述场景数据量判断所述三维场景可划分的区块数量；

基于所述区块数量将所述三维场景均等划分为多个面积相同的区块。

可选的，所述基于预设数据量阈值和所述场景数据量对所述三维场景进行区块分割，还包括：

在划分过程中判断分割线上是否存在预设的不宜分割物体；

若存在，则获取所述分割线两侧区块的数据量并对比数据量的大小；

根据对比结果，将所述不宜分割物体完整划分于数据量较小的区块。

可选的，所述可视化模块将获取到的设备信息与所述三维场景模型结合，包括：

从所述设备信息中提取设备位置信息和数据信息；

基于所述设备位置信息从所述三维场景模型中提取对应设备模型的模型位置信息；

根据所述模型位置信息将所述数据信息与所述对应设备模型结合。

可选的，所述系统还包括：业务模块，所述业务模块包括调度模块和监控模块，其中，

所述调度模块用于根据预设的运行模式进行资源调配和存储调配；

所述监控模块用于获取场景监控设备的监控数据。

可选的，所述业务模块还包括：告警平台，用于获取设备运行数据和监控数据；对所述运行数据进行故障分析，得到故障信息并进行故障告警；对所述监控数据进行安全监测，当监测结果存在安全风险时进行安全告警。

可选的，所述系统还包括：后台管理模块，用于对三维建模模块、可视化模块、数据接入模块、数据存储和用户管理权限进行统一管理。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供了一种可视化工业数字仿真管理系统，通过三维建模模块、可视化模块、数据接入模块，其中，三维建模模块用于获取工业场景信息并基于工业场景信息建立三维场景模型；数据接入模块用于实时获取工业场景中多个传感器设备的设备信息，并将设备信息发送至可视化模块；可视化模块用于将获取到的设备信息与三维场景模型结合，对工业场景中的设备信息进行可视化呈现。本发明通过综合工业场景内所有设备的位置及运行情况进行可视化呈现，实现虚拟三维设备与真实机组的镜像对应，让用户在三维可视化环境能看到实现设备的运行参数、生产工艺流程、设备部件与原理等，便于用户集中、直观的进行监管，提高管理效率的同时节省大量的时间和人力资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的可视化工业数字仿真管理系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例中可视化工业数字仿真管理系统的系统架构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明实施例，提供了一种可视化工业数字仿真管理系统实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在本实施例中提供了一种可视化工业数字仿真管理系统，可用于工厂管理，如图1-2所示，该可视化工业数字仿真管理系统包括：三维建模模块、可视化模块、数据接入模块，其中，

三维建模模块用于获取工业场景信息并基于工业场景信息建立三维场景模型。具体的，通过三维建模模块，能够快速实现场景实地建模，可更加直观且准确的展现出工业场景内各部分的情况。同时通过三维建模可以实现虚拟三维设备与真实机组的镜像对应，在后续需要进行管理时，可以快速准确的对设备进行定位。

数据接入模块用于实时获取工业场景中多个传感器设备的设备信息，并将设备信息发送至可视化模块。具体的，数据接入模块可以快速接入工业各种传感器设备的数据，同时可以根据需求进行协议扩展、设备扩充和可视化配置。

可视化模块用于将获取到的设备信息与三维场景模型结合，对工业场景中的设备信息进行可视化呈现。具体的，通过三维可视化呈现，不仅可以展现出工业场景内各部分的分布情况，还可以将工业场景内设备信息及实时数据在三维场景内进行综合呈现，便于用户根据呈现的信息进行管理。展现方式可以通过例如管理部门中控屏、手机客户端、网络管理平台等，可以对不同权限的用户提供不同的展示形式及展示内容。由于建模场景与实际场景对应，可在可视化界面设定一块区域，实时展示当前位置和主定图主要设备信息，方便操作人员实现场景跳转、设备定位、实时位置等。

具体的，通过综合工业场景内所有设备的位置及运行情况进行可视化呈现，实现虚拟三维设备与真实机组的镜像对应，让用户在三维可视化环境能看到实现设备的运行参数、生产工艺流程、设备部件等，便于用户集中、直观的进行监管，提高管理效率的同时节省大量的时间和人力资源。

具体地，在一实施例中，上述的三维建模模块基于工业场景信息建立三维场景模型，包括：

从工业场景信息中提取二维平面图和预设三维建筑构件。具体的，二位平面图可以为从技术部门直接获取的CAD图纸，也可以通过无人机对工业场景进行拍摄的方式获取二维平面图。

对二维平面图进行解析得到多个图元组合。具体的，通过解析可以对二维平面图中每个图层中的图元进行识别，并通过组合得到工业场景中的图元组合信息。

将图元组合的数据格式与预设三维建筑构件的数据格式进行匹配，得到匹配成功的三维构件。具体的，通过对物体的关键特征在编码特征上的差异进行关键特征的分析，指出原始构建结构特征、类型、前后相关性等差异性，并据此描述物体特性Symbol：

Symbol:{Type,{Attr1,Attr2,…AttrN}}

其中Type定义了物体的组成成分，{Attr1,Attr2,…AttrN}是特征集合，按特征的关键性排列，为每个Symbol建立了一个特有的约束关系图，构成了Symbol集合(预设三维建筑构件的集合)。

通过将图元组合与预设三维建筑构件进行匹配。匹配时，以关键特征为出发点生成特征树，按广度优先遍历路径。如果图元组合符合某预设三维建筑构件的所有特征，则认为识别成功。基于关键特征的搜索方法可以有效提高匹配速度。

基于三维构件生成三维场景模型。具体的，每一个三维构建都能够与二维平面图上的特征对应，根据对应关系可以对三维构建进行组合生成最终的三维场景模型。

具体的，还可以在通过无人机对工业场景进行拍摄后根据拍摄数据直接进行三维建模，通过在无人机上搭载微型倾斜相机，从垂直、倾斜等不同角度进行高分辨率的倾斜航空摄影数据采集，并根据倾斜影像批量提取及贴纹理，此方式可以有效降低三维建模成本，并且能够有效解决航摄影像无法监测建筑物高度变化的问题。人机倾斜摄影后期，可以通过应用例如reparo建模软件平台对采集的数据进行三维建模，此建模方式集倾斜摄影、空中精密定位和基于密集匹配的自动建模技术于一体，建模过程简单且模型效果好。

具体地，在一实施例中，上述的对二维平面图进行解析得到多个图元组合，包括：

根据预设的物体关键特征对二维平面图进行解析得到各图层对应的图元；将多个图层内的图元进行组合，得到多个图元组合。具体的，通过提取每个图层的图元并对图元进行组合，每个具体图形均可由一组图元组合而成，通过图元组合可以反映出场景中各物体的几何性质。

具体地，在一实施例中，上述的三维建模模块还用于：

获取三维场景的场景数据量和初始加载信息；基于预设数据量阈值和场景数据量对三维场景进行区块分割，得到多个区块数据；根据初始加载信息中的位置信息和视角信息选取对应的区块数据进行加载。具体的，根据初始加载位置(设为O)对应的位置信息pos(x,y,z,1)和方向信息dir(x’,y’,z’,0)，计算得到加载基准点L，以L所在区块为中心，加载该区块及周围一圈区块。

L点的确定方法可简化表示如下：首先L位于视角所在射线上。当k＝|y’|/|x’|≦1时，L到O点的距离为，当k＝|y’|/|x’|>1时，L到O点的距离为k。程序在运行过程中，将实时计算当前加载区块，若已加载区块不在该范围内，则释放该区块数据；若当前加载区块中有未加载的，则立刻加载。通过此加载方式，无论初始加载的观察点在什么位置，当前加载区块总能包含观察点所在区块；同时，在加载区块数量一定的情况下，上述方法保证了以视角为中心，90°范围内总能观察到最多的区块。

具体地，在一实施例中，上述的基于预设数据量阈值和场景数据量对三维场景进行区块分割，包括：

根据预设数据量阈值和场景数据量判断三维场景可划分的区块数量；基于区块数量将三维场景均等划分为多个面积相同的区块。具体的，由于在三维仿真可视化环境中面对复杂而且庞大的地理位置坐标、厂房结构、大量设备模型及动画时，将会极大影响运行效率和计算效率，导致帧率降低、影响整体展现效果甚至卡顿；通过对三维场景进行区块分割，在场景初始加载时，根据位置信息和视角信息确定需要加载的区块并进行加载，可以有效降低数据加载量，避免不会出现延迟、失真等情况出现，提高视觉效果。

具体地，在一实施例中，上述的基于预设数据量阈值和场景数据量对三维场景进行区块分割，还包括：

在划分过程中判断分割线上是否存在预设的不宜分割物体；若存在，则获取分割线两侧区块的数据量并对比数据量的大小；根据对比结果，将不宜分割物体完整划分于数据量较小的区块。

具体的，此过程是为了避免进行区块呈现时，出现半栋建筑或者半棵树等情况，增加视觉合理性。

具体地，在一实施例中，上述的可视化模块将获取到的设备信息与三维场景模型结合，包括：

从设备信息中提取设备位置信息和数据信息；基于设备位置信息从三维场景模型中提取对应设备模型的模型位置信息；根据模型位置信息将数据信息与对应设备模型结合。

具体的，通过数据实时交互，将设备数据在三维场景模型上进行呈现，通过三维场景模型模拟工业场景中的设备运行状态并对实际数据进行映射呈现。让用户在三维可视化环境能看到实现设备的运行参数、生产工艺流程、设备部件等，便于用户集中、直观的进行监管，提高管理效率的同时节省大量的时间和人力资源。

具体地，在一实施例中，上述的系统还包括：业务模块，业务模块包括调度模块和监控模块，其中，

调度模块用于根据预设的运行模式进行资源调配和存储调配。具体的，调度模块能够灵活承载各种配置需求，在小框架基础上，结合微架构调度算法，在基础模块之间，进行灵活调配，调配核心包括物理存储调配、系统资源调配，还可根据需求增加可配置的云服务。调度模块，在传统算法基础上搭建微架构算法，利用AI智能进行赋能，根据当前运行模式进行管理、配置、纠错、预测。调度模块实现调度可使用例如Quartz Scheduler技术，构建任务调度Service。

存储调度的功能点主要在于根据存储需求，结合现有存储架构，和存储资源，合理安排存储方案，并能够根据历史存储信息给出合理化扩展方案，提供给决策者。可能需要进行删除的历史数据，需要通过决策者进行鉴权认证后，统一确认，历史数据的备份和恢复设置有有周期性的可配置方案防止数据误删，同时留有备份恢复数据可以为系统提供更好的保障。

调度模块可采用微框架，运行速度快，资源占用小，运行时模式是通过可扩展动态运行库Scheduler Service DLL方式进行，从而方便后期扩展和无缝升级。

监控模块用于获取场景监控设备的监控数据。具体的，在三维场景中，会根据实地监控信息架设监控设备，场景设备和实际设备对应；在需要播放监控数据时，通过在可视化模块屏幕上点击，即可弹出查看相关监控视频，根据需要可以放大缩小、旋转、移动调整摄像头参数，以进行实际观察；对监控数据进行存储生成历史监控信息，从而提供历史监控回放功能。

具体地，在一实施例中，上述的业务模块还包括：告警平台，用于获取设备运行数据和监控数据。对运行数据进行故障分析，得到故障信息并进行故障告警。对监控数据进行安全监测，当监测结果存在安全风险时进行安全告警。

具体的，故障告警和安全告警会根据具体的故障信息或安全风险生成明确的告警提示；告警提示会在可视化模块屏幕主界面有明确位置，高亮显示。告警信息来源于生产过程数据异常，或者监控系统判决出来的异常状态，实时进行展示。同时，告警平台会将具体的告警提示通过多渠道例如短信、邮件、声音等发送至相关部门，便于及时采取措施降低损失。

具体地，在一实施例中，上述的系统还包括：后台管理模块，用于对三维建模模块、可视化模块、数据接入模块、数据存储和用户管理权限进行统一管理。

具体的，可视化模块管理：可根据需求对显示内容进行调整。数据接入模块管理：包括前端配置管理和管理配置项；前端配置管理通过统一配置界面，选择相关属性项，连入HLBus总线，接入实际点位信息，需要在web前端配置结束后保存入后台数据库，服务段会扫描配置表，发现变化则会调用中间层接口，自动完成数据链路测试；配置项包括：协议类型、协议版本、接入名称、接入地址、描述项、扩展项、采样频率、数据格式等。存储管理：获取客户存储需求并根据存储需求对历史数据的存储周期进行配置管理；通过网络增加云服务存储或者物理文件机柜服务器，进行分布式处理、云端处理、集群处理。用户管理权限管理：可根据账号密码登录，实现分权限管理。权限管理不同的用户，具有不同的权限。不同权限细分不同的功能，特殊功能仅限于高级操用户；用户权限管理在后台管理平台中实现；对特定用户，可以再后台系统中进行细分功能项。

具体地，在一实施例中，上述的后台管理模块还用于安全管理、设备档案信息及点位管理、视频监控管理。

具体的，安全管理包括客户端脚本安全和服务器端应用安全：

1、客户端脚本安全

防御跨站脚本攻击(XSS)：a.输入检查，使用filter来过滤敏感的关键字；b.将cookie与用户ip地址进行绑定；c.为cookie植入HttpOnly标识。

防御跨站点请求伪造(CSRF)：生成验证码进行验证。

2、服务器端应用安全

①防止SQL注入攻击：

Sql注入的两个关键条件：第一个是用户能够控制输入；第二个是原本程序要执行的代码，拼接了用户输入的数据。

根据上面两个关键条件，系统为防止sql注入使用了以下方法：

第一：使用预编译语句，这也是防御sql注入最有效的方法，完全摒弃代码的直接拼接所带来的危险。

第二：关闭web服务器的错误回显功能，这样可以防止攻击者对系统进行攻击后，通过回显的详细错误信息对攻击内容进行调整，对攻击者提供极大的便利。

第三：数据库自身使用最小权限原则，系统程序不使用最高权限的root对数据库进行连接，而是使用能满足系统需求的最小权限账户进行数据库连接，而且多个数据库之间使用不同的账户，保证每个数据库都有独立对应的账户

②文件上传漏洞：

文件上传漏洞是指用户上传了一个可执行的脚本文件，并通过脚本文件获得了执行服务器端命令的能力，会导致严重的安全后果。可通过定时进行漏铜检测、文件检测等方式进行防御。

③认证与会话管理：

认证实际上就是一个验证凭证的过程，需要谨慎管理用户密码。

可通过利用将cookie中植入HttpOnly解决会话保持带来的安全隐患问题，需要还给Session设置了一个有效时间，来保证在有效时间后Session将自动销毁，以防止Session长连接所带来的安全隐患。

④访问控制：

访问控制实际上就是建立用户和权限之间的对应关系，本系统采用的是“基于角色的访问控制”，根据相应功能模块的划分相应的权限，并将相应的权限分配给不同的角色，再将角色分配给用户，用户就拥有了该角色所持有的权限。

设备档案信息及点位管理：设备点位管理是某一台设备中，各个运行状态的信息，相关管理人员可通过设备点位信息，来具体分析设备此时状态，从而精确得出产量和消耗的对比。

可通过例如封装KEPServer技术进行管理，设备点位主要是PLC设备点位信息，不同的设备类型分为不同的解决方案，例如当设备型号为S7-400类型时，设备点位信息的管理以及数据的展示可通过KEPServer来进行集中统一管理，跨平台之间的调用是通过KEPServer来读取数据，从而实现设备点位数据的读取和写入，但如设备型号为S7-1500时，设备点位信息可通过西门子提供的API进行点位管理。

视频监控管理包括：

1.远程访问：传统的视频监控一般是在小范围内进行，而用户普遍要求访问地点不受地域限制，能随时随地访问被监控地点。

2.多人同时访问同一个监控点。

现有技术中，通常一个监控点一般是被一个监控中心(用户)所访问。同一个监控点很可能会同时被多个用户所访问，并且这些用户之间可能毫无关系。通过视频监控管理强化对访问权限的管理。

3.监控点趋向分散，同时监控趋向集中。

属于同一用户的监控点越来越分散，不受地域所限。对分散的监控点进行集中的管理与控制。

4.要求监控系统具有开放性和扩展性。

同一系统应当支持多种不同类型的监控设备，用户数、被监控点的数量可以方便地增减。

5.数据存储。

增加对视频数据的存储、检索和备份等功能。

6.信息安全。

可通过加密等多是方式加强视频数据的安全性，防止数据泄露。

7.智能视频监控。

通过视频监控识别不同的物体，发现监控画面中的异常情况，并快速发出警报和提供有用信息，从而更加有效地协助安全人员处理危机，并最大限度地降低误报和漏报现象，对袭击和处理突发事件提供帮助。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种可视化工业数字仿真管理系统，其特征在于，包括：三维建模模块、可视化模块、数据接入模块，其中，

所述三维建模模块用于获取工业场景信息并基于所述工业场景信息建立三维场景模型；

所述数据接入模块用于实时获取工业场景中多个传感器设备的设备信息，并将所述设备信息发送至可视化模块；

所述可视化模块用于将获取到的设备信息与所述三维场景模型结合，对工业场景中的设备信息进行可视化呈现。

2.根据权利要求1所述的可视化工业数字仿真管理系统，其特征在于，所述三维建模模块基于所述工业场景信息建立三维场景模型，包括：

从所述工业场景信息中提取二维平面图和预设三维建筑构件；

对所述二维平面图进行解析得到多个图元组合；

将所述图元组合的数据格式与所述预设三维建筑构件的数据格式进行匹配，得到匹配成功的三维构件；

基于所述三维构件生成三维场景模型。

3.根据权利要求2所述的可视化工业数字仿真管理系统，其特征在于，所述对所述二维平面图进行解析得到多个图元组合，包括：

根据预设的物体关键特征对所述二维平面图进行解析得到各图层对应的图元；

将多个图层内的所述图元进行组合，得到多个图元组合。

4.根据权利要求1所述的可视化工业数字仿真管理系统，其特征在于，所述三维建模模块还用于：

获取所述三维场景的场景数据量和初始加载信息；

基于预设数据量阈值和所述场景数据量对所述三维场景进行区块分割，得到多个区块数据；

根据所述初始加载信息中的位置信息和视角信息选取对应的区块数据进行加载。

5.根据权利要求4所述的可视化工业数字仿真管理系统，其特征在于，所述基于预设数据量阈值和所述场景数据量对所述三维场景进行区块分割，包括：

根据所述预设数据量阈值和所述场景数据量判断所述三维场景可划分的区块数量；

基于所述区块数量将所述三维场景均等划分为多个面积相同的区块。

6.根据权利要求5所述的可视化工业数字仿真管理系统，其特征在于，所述基于预设数据量阈值和所述场景数据量对所述三维场景进行区块分割，还包括：

在划分过程中判断分割线上是否存在预设的不宜分割物体；

若存在，则获取所述分割线两侧区块的数据量并对比数据量的大小；

根据对比结果，将所述不宜分割物体完整划分于数据量较小的区块。

7.根据权利要求1所述的可视化工业数字仿真管理系统，其特征在于，所述可视化模块将获取到的设备信息与所述三维场景模型结合，包括：

从所述设备信息中提取设备位置信息和数据信息；

基于所述设备位置信息从所述三维场景模型中提取对应设备模型的模型位置信息；

根据所述模型位置信息将所述数据信息与所述对应设备模型结合。

8.根据权利要求1所述的可视化工业数字仿真管理系统，其特征在于，所述系统还包括：业务模块，所述业务模块包括调度模块和监控模块，其中，

所述调度模块用于根据预设的运行模式进行资源调配和存储调配；

所述监控模块用于获取场景监控设备的监控数据。

9.根据权利要求8所述的可视化工业数字仿真管理系统，其特征在于，所述业务模块还包括：告警平台，用于获取设备运行数据和监控数据；对所述运行数据进行故障分析，得到故障信息并进行故障告警；对所述监控数据进行安全监测，当监测结果存在安全风险时进行安全告警。

10.根据权利要求1所述的可视化工业数字仿真管理系统，其特征在于，所述系统还包括：后台管理模块，用于对三维建模模块、可视化模块、数据接入模块、数据存储和用户管理权限进行统一管理。

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