CN116186987A - 一种数字孪生试验监测管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种监测管理系统，为解决现有数字孪生技术在面对精准环境中的产品监测时，会有较大偏差，且缺少相应的分析和预测功能的技术问题，提供一种数字孪生试验监测管理系统，包括数据采集模块、数据交互模块、数字孪生模块、数据管理模块和数据分析模块，针对具体环境中的产品监测，在数字孪生模块中获取融合的三维模型，并进行孪生节点封装、向融合后的三维模型发送实时驱动信号，能够反映试验的全生命周期，孪生的偏差小，同时，本发明还兼具了分析和预测功能，功能更加完善，形成了全面可靠的试验监测管理系统。
Description
技术领域
本发明属于一种监测管理系统，具体涉及一种数字孪生试验监测管理系统。
背景技术
在进行一些长期试验任务时，受任务性质和人员部署等情况限制，只能留下值守人员进行现场状态监测、值守、维护。因此，试验过程中产生的大量数据、图像及音视频等信息的显示，以及传感器和监控等实时数据的分析工作，都需要在远程指挥大厅完成。数字孪生技术的出现为上述功能的实现提供了契机。数字孪生的定义是，充分利用三维物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备全生命周期的过程。数字孪生技术采用数字化的方式创建物理实体在数字空间中的实时镜像，通过物理实体和数字模型的信息交互，可对物理实体在现实物理环境中的状态和行为进行模拟、监控、控制和辅助决策。现有的数字孪生技术多偏向于智慧工厂，在面对精准环境中的产品监测时，会有较大偏差，且缺少相应的分析和预测功能。
发明内容
本发明为解决现有数字孪生技术在面对精准环境中的产品监测时，会有较大偏差，且缺少相应的分析和预测功能的技术问题，提供一种数字孪生试验监测管理系统。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种数字孪生试验监测管理系统，其特殊之处在于，包括数据采集模块、数据交互模块、数字孪生模块、数据管理模块和数据分析模块；
所述数据采集模块，用于采集试验区的环境情况信号、供电情况信号和产品情况信号，形成采集信号，并将采集信号发送至数据交互模块；
所述数据交互模块，用于接收数据采集模块发送的采集信号，依次进行分类、解析和归档存储，得到归档数据，并将归档数据传输至数字孪生模块；
所述数字孪生模块，用于通过三维建模可视化展现试验区，将试验的工艺流程、装配模拟数据和灾难逃生演练数据与三维建模的试验区进行虚拟融合，得到融合后的三维模型，并根据接收的归档数据对融合后的三维模型进行孪生节点封装，并给融合后的三维模型发送实时驱动信号，以反映试验的全生命周期；
所述数据管理模块，用于根据数字孪生模块的结果，对试验区以及试验的全生命周期进行管理；
所述数据综合分析模块，用于根据数字孪生模块的结果进行数据展现，对纳入判读规则的参数的实时值进行监视和比对，根据比对结果发出提醒信息；同时，对试验任务数据进行查看和分析处理，结合归档数据中的传感器数据和数据管理模块中设备的全生命周期数据，根据历史样本数据和实时参数数据进行分析，确定当前监测设备的运行状态和趋势预测。
进一步地，所述数据采集模块包括环境监测组件、供电系统监测组件和产品监测组件；所述环境监测组件、供电系统监测组件和产品监测组件分别通过传感器的方式采集环境情况信号、供电情况信号和产品情况信号，并将采集信号转化为数字采集信号。
进一步地，所述数据交互模块包括数据分类组件、归档服务组件和数据传输组件；
所述数据分类组件，用于将接收数据采集模块发送的采集信号划分为结构化数据和非结构化数据；
所述归档服务组件，用于对结构化数据和非结构化数据进行解析，按照索引方式存储进行归档存储，得到归档数据；
所述数据传输组件，用于将归档数据发送至数字孪生模块和/或将归档数据发送至外部终端。
进一步地，所述数字孪生模块包括层次化建模组件、虚拟仿真组件和数据驱动组件；
所述层次化建模组件，用于通过三维建模可视化展现试验区；
所述虚拟仿真组件，用于将试验的工艺流程、装配模拟数据和灾难逃生演练数据与三维建模的试验区进行虚拟融合，得到融合后的三维模型；
所述数据驱动组件，用于根据接收的归档数据对融合后的三维模型进行孪生节点封装，并给融合后的三维模型发送实时驱动信号。
进一步地，数据管理模块中，所述进行管理包括设备管理、人员管理和监控管理；
所述设备管理包括设备的使用状态、安装位置和维护，从工作、报废到再更新的整个过程的计划管理；
所述人员管理包括试验的所有用户信息；
所述监控管理包括试验区所有监控系统的管理。
进一步地，所述数据综合分析模块包括试验数据查询组件、数据判读处理组件、数据分析处理组件和辅助决策指挥组件；
所述试验数据查询组件，用于根据数字孪生模块的结果进行数据展现；
所述数据判读处理组件，用于对纳入判读规则的参数的实时值进行监视和比对，在比对结果满足触发条件时，发出提醒信息；
所述数据分析处理组件，用于对试验任务数据进行查看和分析处理；
所述辅助决策指挥组件，用于结合归档数据中的传感器数据和数据管理模块中设备的全生命周期数据，根据历史样本数据和实时参数数据进行分析，确定当前监测设备的运行状态和趋势预测。
进一步地，所述试验数据查询组件使用TBOM Studio工具进行数据展现的定义与配置，根据数字孪生模块的结果进行分类组织，并通过导航树进行数据导航展现。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提出的一种数字孪生试验监测管理系统，构建了一种科学的、实时的、全生命周期的试验管理系统，包含了采集数据、传输数据、数据驱动、数据管理以及数据分析，对相应功能提供了可靠、安全、规范的指导。另外，针对具体环境中的产品监测，在数字孪生模块中获取融合的三维模型，并进行孪生节点封装、向融合后的三维模型发送实时驱动信号，能够反映试验的全生命周期，孪生的偏差小，同时，本发明还兼具了分析和预测功能，功能更加完善，形成了全面可靠的试验监测管理系统。
2.本发明中各模块协同工作，为试验人员在远程值守时提供身临其境的感受，实了现远程无人指挥监测的目的，大幅节约了人力和物力成本。管理人员可以精准了解试验区的实时情况，直观地对整个试验及对存储过程进行监控和管理，便于质量控制。
3.本发明的数据综合分析模块，不仅能够进行数据展现、查看、分析处理，还能够在发生异常时发出提醒信息，并预测设备的趋势，依托于本发明的系统，在发生异常时，就能够快速反应并通知人员采取相应措施，避免试验区的损失。
4.本发明通过将虚拟仿真与传感器实时数据相结合，可以在线识别设备的状态，进行故障预测，达到辅助决策的目的，最大程度上保证设备的高可用性并减少停机时间。
5.本发明能够保证所有现场情况及数据均可及时回溯及预测，可达到全生命周期监测的目的。
附图说明
图1为本发明一种数字孪生试验监测管理系统实施例的示意图。
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
本发明提供了一种数字孪生试验监测管理系统，如图1所示为系统结构图，包括数据采集模块、数据交互模块、数字孪生模块、数据管理模块和数据分析模块。
数据采集模块，包括环境监测组件、供电系统监测组件和产品监测组件。环境监测组件又包括了温湿度传感器、烟雾环绕变送器、火焰监测变送器、管道压力变送器和管道流量计。数据采集模块作为采集端，实时对试验场地建筑物内温湿度，空气质量指数，火灾发生情况以及传输管道参数进行监测，当数据变化剧烈或超出设定的阈值范围时进行实时报警，避免值守人员发生危险，能够及时排除隐患。供电系统监测组件包括电压电流监测和开关控制集成，对于异常现象提供报警，降低线路损耗，改善试验区电网的质量。产品监测组件包括光纤应变监测、产品结构检测和老化监测，均可接入PCM监测系统，根据波长变化换算相应的应力应变变化，实现产品存储过程中的全状态监测，并且能够实现与环境监测，多媒体监控的联动。另外，环境监测组件、供电系统监测组件和产品监测组件均通过传感器将采集到的电信号转化为可识别的数字信号，并将其传输给数据交互模块进行后续的分析处理。
数据交互模块，由数据分类组件、归档服务组件和数据传输组件组成，作为数据采集模块与数字孪生模块的中转模块，用于将数据采集模块采集到的数据进行传输交互并进行归档。数据分类组件是将数据采集模块采集到的试验相关的数据，包括试验型号信息、试件信息、试验任务信息、各类传感器信息、工况信息、原始数据、解析数据、过程处理数据、结果数据、其他数据、相关文档以及多媒体文件按类型分为结构化数据与非结构化数据，便于后续归档的保存与使用。归档服务组件将分类好的数据进行解析，其中，各类检测设备的数字信息统一转化为OPC UA格式，将其统一管理，再存储到指定存储设备上，作为初步数据存档，为数字孪生模块提供数据信息支撑，并具有索引和搜索功能。数据传输组件实现了试验区数据至数字孪生模块，以及数字孪生试验监测管理系统至外部其他应用系统的接口实现，可以采用标准化消息传输接口(MQ)，针对部分业务系统也可提供标准传输格式的WebService接口，将数据传输到指定的终端，进行信息交换。
数字孪生模块，由层次化建模组件、虚拟仿真组件和数据驱动组件组成，将数据交互模块传输的各类建筑物和传感器数据与三维可视化建模相融，实时显示监测数据。其中，层次化建模组件首先按机理规则分组，考虑模块化的合理安排，使模型分别在各自的相应高度，位置合理，从而可视化展现出完整的试验区。虚拟仿真组件是将现场的实验工艺流程、实验装配模拟和灾难逃生演练与三维模型进行虚拟融合，模拟现实发展，以在线仿真的方式，对装置和设备进行安装、拆卸等功能支持，如产品吊装、安装、拆卸等。基于建立的容器、管路、阀门、运输车、试验台等三维可视化模型，实现针对关键组件的分解和组装，同时基于已梳理好的工艺流程库，进行模拟装配步骤分解，形成模拟装配脚本，并关联对应三维可视化场景内的关键组件模型的属性、动作和可视化效果，确保按照关键组件模拟装配脚本进行互动展示，实现针对各个关键组件的三维可视化模拟装配。灾难逃生是基于建立的试验现场三维可视化场景，针对试验业务中出现的各级故障，建立相应的故障预案，并支持预案的可视化模拟演练，以及相应的评估分析。数据驱动组件是根据从数据传输组件接收到的数据，对融合后的三维模型进行孪生节点封装，给三维模型实时驱动信号，包括旋转轴实时角度，位移轴实时位置，直接参与仿真对象在所处环境中的作用与变化。孪生节点封装是将网格化的三维模型进行孪生节点添加并绑定，选择旋转型或者位移型的孪生驱动，并进行反向动力学(IK)绑定，定位好实时驱动旋转关节和实时驱动位移关节之后生成自动化的试验场地及产品的智能模型，实现试验及贮存过程的全状态数据的自动采集、数据即时应用和闭环管控。
数据管理模块，由设备管理组件、人员管理组件和监控管理组件三部分组成。受系统已经定义的各项管理，对值守人员进行制约和跟踪，实现试验项目的过程管理和实验数据的追溯管理及试验成本核算。设备管理组件包含对设备的使用状态、安装位置和维护的一系列从工作到报废再更新的整个过程的计划管理；人员管理组件包含对所有的用户信息，包含部门管理、人员管理、角色权限管理，包括Active Directory，LDAP，第三方或自带的用户认证机制，采用HTTPS(The secure hypertext transfer protocol)来传输加密的用户登录信息，加密存储用户的登录信息，并可结合第三方的安全认证系统以及数字签字，以确保用户的真实性。监控管理组件涵盖试验区所有的监控系统，并通过监控管理组件实现对监控录像文件的快速检索，历史录像翻阅及备份。
数据综合分析模块，由试验数据查询组件、数据判读处理组件、数据分析处理组件和辅助决策指挥组件组成。试验数据查询组件使用TBOM Studio工具来进行数据展现的定义与配置，TBOM(Test Bill Of Material)类似PDM中的BOM结构，是试验数据管理系统所专有的试验信息数据结构，支持自定义多层树状结构组织规划数据，能够存储定义的树状结构，可以从各自角度把各种试验信息进行有效组织，便于用户查询使用。不仅包含将采集到的数据进行分类组织，并通过导航树将多维数据导航展现，对于试验任务、试验信息进行入库时，不仅保存文件本身，同时还在数据库中保存相关的描述信息，统一按照试验任务信息、数据属性信息进行管理。数据判读处理组件对所有纳入判读规则的参数的实时值进行监视和比对，一旦某一个或几个参数的实时值满足了触发条件(如实时值超出门限值范围)，数据判读引擎就会检索相应的判读规则进行条件比对，如果这些参数值满足了某判读规则设置的所有条件，那么数据判读模块就会给出该判读规则设置的提醒信息。数据分析处理组件包含对试验任务数据的查看以及试验各项数据的分析处理(与试验具体内容相关)，并可进行数据曲线的局部显示、放大、缩小、X/Y坐标轴自定义，对不同的数据可设置不同颜色显示，直观显示出试验数据所隐含的变化信息，是提供对试验任务数据的查看以及试验缓变数据的分析处理，包含自定义算法接入和数据对比分析。辅助决策指挥是将数据交互模块所传输的传感器数据以及设备管理中关于设备的全生命周期的数据结合起来，根据历史样本数据和实时参数数据进行分析，确定当前监测设备的运行状态，包含单一参数(温度、浓度、应力、位移)变化趋势预报、多参数关联分析预报两个子模块。同时，还可以对设备故障率进行统计分析、趋势分析，当设备状态参数发生突然变化时，根据设定的预报规则和预报模型可以进行故障预报与分析，减少故障发生的可能性，化故障后维修或定期维修为视情维修，大大减少设备的维护成本，提高设备的利用率和使用经济性。以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种数字孪生试验监测管理系统，其特征在于：包括数据采集模块、数据交互模块、数字孪生模块、数据管理模块和数据分析模块；
所述数据采集模块，用于采集试验区的环境情况信号、供电情况信号和产品情况信号，形成采集信号，并将采集信号发送至数据交互模块；
所述数据交互模块，用于接收数据采集模块发送的采集信号，依次进行分类、解析和归档存储，得到归档数据，并将归档数据传输至数字孪生模块；
所述数字孪生模块，用于通过三维建模可视化展现试验区，将试验的工艺流程、装配模拟数据和灾难逃生演练数据与三维建模的试验区进行虚拟融合，得到融合后的三维模型，并根据接收的归档数据对融合后的三维模型进行孪生节点封装，并给融合后的三维模型发送实时驱动信号，以反映试验的全生命周期；
所述数据管理模块，用于根据数字孪生模块的结果，对试验区以及试验的全生命周期进行管理；
所述数据综合分析模块，用于根据数字孪生模块的结果进行数据展现，对纳入判读规则的参数的实时值进行监视和比对，根据比对结果发出提醒信息；同时，对试验任务数据进行查看和分析处理，结合归档数据中的传感器数据和数据管理模块中设备的全生命周期数据，根据历史样本数据和实时参数数据进行分析，确定当前监测设备的运行状态和趋势预测。
2.根据权利要求1所述一种数字孪生试验监测管理系统，其特征在于：所述数据采集模块包括环境监测组件、供电系统监测组件和产品监测组件；所述环境监测组件、供电系统监测组件和产品监测组件分别通过传感器的方式采集环境情况信号、供电情况信号和产品情况信号，并将采集信号转化为数字采集信号。
3.根据权利要求1或2所述一种数字孪生试验监测管理系统，其特征在于：所述数据交互模块包括数据分类组件、归档服务组件和数据传输组件；
所述数据分类组件，用于将接收数据采集模块发送的采集信号划分为结构化数据和非结构化数据；
所述归档服务组件，用于对结构化数据和非结构化数据进行解析，按照索引方式存储进行归档存储，得到归档数据；
所述数据传输组件，用于将归档数据发送至数字孪生模块和/或将归档数据发送至外部终端。
4.根据权利要求3所述一种数字孪生试验监测管理系统，其特征在于：所述数字孪生模块包括层次化建模组件、虚拟仿真组件和数据驱动组件；
所述层次化建模组件，用于通过三维建模可视化展现试验区；
所述虚拟仿真组件，用于将试验的工艺流程、装配模拟数据和灾难逃生演练数据与三维建模的试验区进行虚拟融合，得到融合后的三维模型；
所述数据驱动组件，用于根据接收的归档数据对融合后的三维模型进行孪生节点封装，并给融合后的三维模型发送实时驱动信号。
5.根据权利要求4所述一种数字孪生试验监测管理系统，其特征在于：数据管理模块中，所述进行管理包括设备管理、人员管理和监控管理；
所述设备管理包括设备的使用状态、安装位置和维护，从工作、报废到再更新的整个过程的计划管理；
所述人员管理包括试验的所有用户信息；
所述监控管理包括试验区所有监控系统的管理。
6.根据权利要求5所述一种数字孪生试验监测管理系统，其特征在于：所述数据综合分析模块包括试验数据查询组件、数据判读处理组件、数据分析处理组件和辅助决策指挥组件；
所述试验数据查询组件，用于根据数字孪生模块的结果进行数据展现；
所述数据判读处理组件，用于对纳入判读规则的参数的实时值进行监视和比对，在比对结果满足触发条件时，发出提醒信息；
所述数据分析处理组件，用于对试验任务数据进行查看和分析处理；
所述辅助决策指挥组件，用于结合归档数据中的传感器数据和数据管理模块中设备的全生命周期数据，根据历史样本数据和实时参数数据进行分析，确定当前监测设备的运行状态和趋势预测。
7.根据权利要求6所述一种数字孪生试验监测管理系统，其特征在于：所述试验数据查询组件使用TBOM Studio工具进行数据展现的定义与配置，根据数字孪生模块的结果进行分类组织，并通过导航树进行数据导航展现。
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