CN116663128A - 一种数字孪生设计模型分解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字孪生设计模型分解方法，包括如下步骤：S1，通过对实物对象设计模型的分析，按照模型的实际组成结构编制出模型分解结构模型MBS；S2，基于对创建工艺流程的分析，依据实物对象实际创建过程建立工作分解结构模型LBS；S3，以实物对象的MBS为基础，根据实际建立的LBS工作结构分解，分析实物对象MBS和LBS之间的映射关系，基于一定的映射规则并结合实际建模情况，运用MBS和LBS构建出数字孪生设计模型的通用分解结构模型CBS。本发明以最终交付的数字孪生设计模型为导向，以实物对象创建工艺过程为依据，充分考虑产品创建过程中的各类要点，完成实物对象建模分解结构的编制，实现数字孪生设计模型的快速创建、高效复用。
Description
技术领域
本发明涉及工艺设计模型技术领域，特别是涉及一种数字孪生设计模型分解方法。
背景技术
当前数字孪生工艺设计模型在工艺流程数字化表达体系中处于设计阶段的下游和建造阶段的上游，受到设计图纸、设计要求、资源（材料、机具）、环境以及创建工艺等方面的限制，任务繁杂，工作量大。
当前数字孪生工艺设计模型主要存在以下问题：
（1）工艺设计模型创建过程主要分为三个阶段：模型建立、各专业协同优化、虚拟仿真漫游（可视化）。此类建模方法以碰撞检查、运维管理、精确算量、建筑分析等应用为主，且并未充分考虑到建模过程的复杂性；
（2）工艺设计模型在不同工程条件下的复用性不足，没有充分考虑到在不同情况下的重复使用。
（3）传统工艺设计模型的创建过程主要包括参数化单元创建、面向最终交付产品的建模两个部分，虽然具有一定的结构性和适用性，但未能将各类工艺知识和约束融入其中，且缺乏标准化的创建流程为依据来开展建模工作。
（4）模型在建立过程中，部分内容需依附于其它单元而存在，虽可单独进行建模，但整体的使用效果、工作效率和适用程度较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字孪生设计模型分解方法，实现工艺设计模型的快速创建、高效复用、有效管理。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种数字孪生设计模型分解方法，包括以下步骤：
S1，通过对实物对象的分析，按照模型的实际组成结构编制出模型分解结构模型（MBS）；
S2，基于对创建工艺流程的分析，依据实物对象实际创建过程建立工作分解结构模型（LBS）；
S3，以实物对象的MBS为基础，根据实际建立的LBS工作结构分解，分析实物对象MBS和LBS之间的映射关系，然后基于一定的映射规则并结合实际建模情况，运用MBS和LBS构建数字孪生设计模型的通用分解结构模型（CBS）。
进一步，所述S1包括：
S1-1，实物对象的分析主要包括规划设计、创建资源等内容；
S1-2，MBS，将一个完整的数字孪生设计模型即总件分解为前置件、部件、组件、零件四种基本配件，并在分解过程中规定各配件的属性信息。本发明将建筑产品数字孪生设计模型的模型分解结构模型（MBS）定义为一个四元组，记为
，
式中，P为MBS节点的集合，表示相关节点在树状结构中的位置，下标表示模型零
部组件的具体位置，其中i为模型零部组件在MBS中所处的层级，j为零部组件在第i层所处
的位置。R为MBS中各节点之间的相互关系的集合，表示与之间存
在层级关系，为的直接下级，k为其在第i+1层所处的位置，i、j、k均为自然数。A为
MBS节点中相关属性的集合，如代表MBS节点的名称，代表节点的编码。F为
MBS节点相关的关联信息集合，表示节点的第k个关联信息。MBS中某一节点可记为。
进一步，所述S2包括：
S2-1，创建工艺流程的分析包括实物对象具体的创建工艺、设计要求等内容；
S2-2，LBS以系统的原理和要求为基础，按工艺流程将实物对象创建相关工作自上而下地分解成多层次结构体系，输入和输出LBS的各项工作，再通过分部分阶段相互映射将MBS与LBS相关联，初步完成实物对象创建信息和建模信息的集成，使得产品创建过程中产生的各类有效信息能以过程模型的形式纳入到建模中。本发明将数字孪生设计模型的工作分解结构模型（LBS）定义为一个四元组，记为
，
式中，U为LBS工作单元的集合，表示实物对象创建工作单元在整个LBS中所处
的位置，其中m表示工作单元在LBS中所处的层次，n表示工作单元在第m层所处的位置，m、n
均为自然数。、、含义与MBS中相对应的符号含义相同，为LBS各工作单元相互关系
的集合，为中相关属性的集合，为LBS工作单元相关的关联信息集合，LBS中某一工
作单元可记为。
进一步，所述S3包括：
S3-1，对于MBS-LBS映射模型，为模型分解结构模型（MBS）的节点，为工作分解结构模型（LBS）的工作单元，两者之间存在一个映射规则，使
得每个和，在通用分解结构模型（CBS）中都有唯一确定的工作单元与之相对应，记为
，
式中，符号“○”表示和的合成，i、j、m、n、p、q均为自然数。
S3-2，映射规则主要有继承映射、变异映射和组合映射。
S3-3，通过对实物对象创建过程和数字孪生设计模型零部组件分解的内容和结构进行判断，确定工作单元和节点在通用分解结构模型中所处的显隐状态，并最终形成MBS-LBS的合成映射矩阵。
S3-4，通过分阶段映射和分部映射初步完成MBS-LBS映射。
S3-5，检查是否完成所有映射，在映射矩阵中，LBS所对应的列可不存在形成通用分解结构模型（CBS）中的节点，但MBS所对应行至少存在一个形成通用分解结构模型（CBS）中的节点，满足条件则完成MBS-LBS映射，否则，不能实现MBS-LBS映射，需重新编制映射矩阵，直至完成MBS-LBS映射，再快速创建通用分解结构模型（CBS）。
S3-6，通用分解结构模型（CBS）不仅实现了MBS和LBS的相互映射，也为同类别模型分解和构建提供了基础信息，可实现同类实物对象模型分解结构和数字孪生设计模型的创建和复用，是一种具有通用特性的工作结构分解模型。因此，本发明将实物对象数字孪生设计模型通用分解结构模型（CBS）定义为一个四元组，记为
，
式中，E为CBS工作单元的集合，表示工作单元在整个CBS中所处的位置，其中p表
示工作单元在CBS中所处的层次，q表示工作单元在第p层所处的位置，p、q均为自然数。
为各工作单元相互关系的集合，为中相关属性的集合，为CBS工作单元的关联信息
集合，CBS中某一工作单元可记为。
本发明由于采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
（1） 本发明打破传统的模型创建方法，融入实物对象创建过程中的的各类工艺知识，根据标准化的创建流程为依据来开展建模工作，充分实现数字孪生设计模型的快速创建。
（2） 本发明依据产品的内在构造和创建过程的实施顺序分别构建MBS和LBS，确保层次结构的合理性与准确性，以实现复杂实物对象建模过程管理与后期参数化复用的需求。
（3） 本发明将MBS和LBS结合使用，细化分解数字孪生设计模型的建模工作，充分考虑分解结构的层次逻辑和复杂内容，为数字孪生设计模型后期管理和使用奠定了基础，实现数字孪生设计模型的有效管理。
（4） 本发明创建通用分解结构模型，不仅实现了MBS和LBS的相互映射，也为同类别模型分解和构建提供了基础信息，可实现同类实物对象模型分解结构和数字孪生设计模型的创建和复用，是一种具有通用特性的工作结构分解模型。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为基于MBS和LBS的施工工艺设计模型分解过程；
图2为MBS与LBS之间的映射；
图3为填充墙砌体的MBS分解；
图4为填充墙砌体的LBS分解；
图5为填充墙砌体施工工艺设计模型的合成映射矩阵，图中映射矩阵为1的点形成通用分解结构模型（CBS）中的节点；
图6为填充墙砌体MBS与LBS之间的映射。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及特点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明技术方案，并不限于本发明。
一种数字孪生设计模型分解方法，应用于建筑施工技术领域，实施以不含门窗洞口和构造柱的填充墙砌体为例，基于MBS和LBS的施工工艺设计模型分解过程如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤一，通过对填充砌体墙的分析，按照模型的实际组成结构编制出模型分解结构模型（MBS）；
1. 依据不含门窗洞口和构造柱填充墙砌体的设计图纸、施工资源（材料、机具）等内容，分析模型的实际组成结构。
2. 如图3所示，以交付成果为导向，将不含门窗洞口和构造柱的填充墙砌体自上而下层层分解成相互联系的工作单元，依次分为前置件、部件、组件、零件四种基本配件。
3. 前置件是上一工艺流程输出的产物，是前置工艺流程验收合格的最终交付成果，同时也是本道工艺流程的基础和开端。填充墙砌体前置件包括梁（零件）、柱（零件）、板（零件）。
4. 部件是直接构成总件的模型单元，是施工工艺设计模型中的核心配件。填充墙砌体部件包括填充墙砌体前置模型、主模型、措施模型。
5. 组件是相关零件的集合，可作为施工设计模型中的过渡部分，也可与其它零件共同形成部件。填充墙砌体组件包括加砌块、顶部斜砌、底部灰砂砖、定位线。
6. 零件是组成施工工艺设计模型的最小单元，是分解结构中最底层、最基本的单元。填充墙砌体零件包括梁、板、柱、加砌块、加砌块水平灰缝、加砌块竖向灰缝、三角形混凝土块、倒三角混凝土快、斜砌混凝土、斜砌砖、底部灰砂砖、灰砂砖水平灰缝、灰砂砖竖向灰缝、基准控制线、砌筑控制线、线管控制线、抹灰控制线、拉结筋、皮数杆、线锤。
7. 定义分解过程中的属性信息，属性信息包括名称、颜色、材质、表面粗糙度、纹理信息。
8. 将填充砌体墙施工设计模型的MBS定义为一个四元组，记为
，
式中，P为MBS节点的集合，表示相关节点在树状结构中的位置，下标表示模型
零部组件的具体位置，其中i为模型零部组件在MBS中所处的层级，j为零部组件在第i层所
处的位置。R为MBS中各节点之间的相互关系的集合，表示与之间
存在层级关系，为的直接下级，k为其在第i+1层所处的位置，i、j、k均为自然数。A
为MBS节点中相关属性的集合，如代表MBS节点的名称，代表节点的编码。F
为MBS节点相关的关联信息集合，表示节点的第k个关联信息。MBS中某一节点可记
为。
步骤二，基于对建造工艺流程的分析，依据填充砌体墙实际建造过程建立工作分解结构模型（LBS）；
1. 依据不含门窗洞口和构造柱填充墙砌体的建造工艺、设计要求、施工环境等内容，分析模型的实际工艺流程。
2. 如图4所示，依据填充砌体墙建造工艺过程，根据建造工艺流程的不同阶段进行细化，确定层次结构。
3. 大层次为墙砌体生产制造的全流程，可分为基层清理、测量放线、排砖撂底、墙体拉结筋植筋、挂线、立皮数杆、制备砂浆、砌块砌筑、顶部斜砌。
4. 小层次为各阶段具体工作内容，如排砖撂底可分为选择组砌方式、绘制排砖图、楼面找平、现场摆砖。
5. 将填充砌体墙施工设计模型的LBS定义为一个四元组，记为
式中，U为LBS工作单元的集合，表示建筑产品建造工作单元在整个LBS中所处
的位置，其中m表示工作单元在LBS中所处的层次，n表示工作单元在第m层所处的位置，m、n
均为自然数。、、含义与MBS中相对应的符号含义相同，为LBS各工作单元相互关系
的集合，为中相关属性的集合，为LBS工作单元相关的关联信息集合，LBS中某一工
作单元可记为。
步骤三，以产品的MBS为基础，根据实际建立的LBS工作结构分解，分析建筑产品MBS和LBS之间的映射关系，然后基于一定的映射规则并结合实际建模情况，运用MBS和LBS构建出施工工艺设计模型的通用分解结构模型（CBS）。
1. 建立映射规则，由于MBS和LBS分解的节点和工作单元之间的相互映射具有很强的复杂性，因此通用分解结构模型中各个单元的属性需确立相关的映射规则进行规范，映射规则主要有继承映射、变异映射和组合映射。通过这三种映射规则协同处理多个映射源数据，获得映射后的数据项。
如图2所示，为MBS与LBS之间的映射。对于MBS-LBS映射模型，为模型分解
结构模型（MBS）的节点，为工作分解结构模型（LBS）的工作单元，两者之间存在一
个映射规则，使得每个和，在通用分解结构模型（CBS）中都有唯一
确定的工作单元与之相对应，记为
，
式中，符号“○”表示和的合成，i、j、m、n、p、q均为自然数。
2. 继承映射在映射前后，来自MBS和LBS中的相关属性信息不发生变化，直接继承到CBS中进行使用。如图6所示，填充砌体墙MBS和LBS中的关联信息集合可直接进行映射，其相关信息和数据不发生变化。
3. 变异映射在映射发生后，CBS的属性信息可在MBS和LBS相关属性的基础上进行某些变化。如图6所示，填充墙砌体施工工艺设计模型LBS中的部分工作单元及属性如楼面找平、钻孔清孔、结构胶配置在产品实际建模过程中并不需要，通过变异映射后就可以在CBS中去除。
4. 组合映射在MBS-LBS映射发生前后，CBS相关工作属性由MBS节点和LBS工作阶段的属性经过聚合处理而形成，是模型分解映射的重要方法，多数关键属性均是通过组合映射从MBS和LBS分解中进行获取的。如图6所示，以填充墙砌体施工工艺设计模型为例，其MBS分解零件拉结筋可与LBS中工作单元中灌浇植筋和拉拔试验检验进行聚合，从而形成CBS拉结筋植筋工作单元，灌浇植筋先进行建立拉结筋模型，拉拢试验检验无需再重复建模，通过组合映射为施工工艺设计模型拉结筋模块建模和分解提供方法。
5. 编制映射矩阵，通过对填充砌体墙建造过程和施工工艺设计模型零部组件分解的内容和结构进行判断，确定该工作单元和节点在通用分解模型中所处的状态，并最终形成MBS-LBS的合成映射矩阵。
6. 如图5所示，展示的是不含门窗洞口和构造柱填充墙砌体施工工艺设计模型部分阶段和分部的映射矩阵，空白的部分表示不发生映射，有标注的部分即为相互映射在CBS结构上的节点，LBS中的部分工作单元在实际建模过程中无法显现，因此在矩阵中不发生映射。根据显隐性状态，楼面找平、钻孔清孔、结构胶配制不发生映射。
7. 依据映射矩阵和映射规则，按分部分阶段逐步完成MBS-LBS的初步映射分解。
8. 检查是否完成所有映射，在映射矩阵中，虽然LBS所对应的列有不存在形成通用分解结构模型（CBS）中的节点，但MBS所对应行都存在一个形成通用分解结构模型（CBS）中的节点，满足条件，则完成MBS-LBS映射。
9. 根据节点快速创建通用分解结构。如图6所示，填充墙砌体主模型填充墙砌体主模型（部件）中形成的通用分解结构模型（CBS）的工作单元为选择组砌方式、绘制排砖图、现场砌砖、灌浇植筋、拉拢试验检验。建模的先后顺序为加砌块（零件）-加砌块水平灰缝（零件）-加砌块竖向灰缝（零件）-灰砂砖水平灰缝（零件）-灰砂砖竖向灰缝（零件）-拉结筋（零件）。
10. 将填充砌体墙施工工艺设计模型通用分解模型结构CBS定义为一个四元组，记为
，
式中，E为CBS工作单元的集合，表示工作单元在整个CBS中所处的位置，其中p表
示工作单元在CBS中所处的层次，q表示工作单元在第p层所处的位置，p、q均为自然数。
为各工作单元相互关系的集合，为中相关属性的集合，为CBS工作单元的关联信息
集合，CBS中某一工作单元可记为。
以上所述仅表达了本发明的一种数字孪生设计模型分解方法，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以多种不同的方法实现模型创建，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种数字孪生设计模型分解方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过对实物对象的分析，按照模型的实际组成结构编制出模型分解结构模型MBS；
S2，基于对创建工艺流程的分析，依据实物对象实际创建过程建立工作分解结构模型LBS；
S3，以实物对象的MBS为基础，根据实际建立的LBS工作结构分解，分析实物对象MBS和LBS之间的映射关系，然后基于一定的映射规则并结合实际建模情况，运用MBS和LBS构建出数字孪生设计模型的通用分解结构模型CBS。
2.根据权利要求1所述的一种数字孪生设计模型分解方法，其特征在于，所述S1包括：
S1-1，实物对象的分析包括规划设计、创建资源；
S1-2，MBS，将一个完整的数字孪生设计模型即总件分解为前置件、部件、组件、零件四种基本配件，并在分解过程中规定各配件的属性信息；将数字孪生设计模型的分解结构模型MBS定义为一个四元组，记为
，
式中，P为MBS节点的集合，表示相关节点在树状结构中的位置，下标表示模型零部组件的具体位置，其中i为模型零部组件在MBS中所处的层级，j为零部组件在第i层所处的位置；R为MBS中各节点之间的相互关系/>的集合，表示/>与/>之间存在层级关系，/>为/>的直接下级，k为其在第i+1层所处的位置，i、j、k均为自然数；A为MBS节点/>中相关属性的集合；F为MBS节点/>相关的关联信息集合；MBS中某一节点可记为。
3.根据权利要求2所述的一种数字孪生设计模型分解方法，其特征在于，所述S2包括：
S2-1，创建工艺流程的分析包括实物对象具体的创建工艺、设计要求；
S2-2，LBS以系统的原理和要求为基础，按工艺流程将实物对象创建相关工作自上而下地分解成多层次结构体系，输入和输出LBS的各项工作，再通过分部分阶段相互映射将MBS与LBS相关联，初步完成实物对象创建信息和建模信息的集成，使得实物对象创建过程中产生的各类有效信息能以过程模型的形式纳入到建模中；将数字孪生设计模型的工作分解结构模型LBS定义为一个四元组，记为
，
式中，U为LBS工作单元的集合，表示实物对象创建工作单元在整个LBS中所处的位置，其中m表示工作单元在LBS中所处的层次，n表示工作单元在第m层所处的位置，m、n均为自然数；/>、/>、/>含义与MBS中相对应的符号含义相同，/>为LBS各工作单元相互关系的集合，/>为/>中相关属性的集合，/>为LBS工作单元相关的关联信息集合，LBS中某一工作单元可记为/>。
4.根据权利要求3所述的一种数字孪生设计模型分解方法，其特征在于，所述S3包括：
S3-1，对于MBS-LBS映射模型，为模型分解结构模型MBS的节点，/>为工作分解结构模型LBS的工作单元，两者之间存在一个映射规则/>，使得每个和/>，在通用分解结构模型CBS中都有唯一确定的工作单元/>与之相对应，记为
，
式中，符号“○”表示和/>的合成，i、j、m、n、p、q均为自然数；
S3-2，映射规则包括继承映射、变异映射和组合映射；
S3-3，通过对实物对象创建过程和数字孪生设计模型零部组件分解的内容和结构进行判断，确定工作单元和节点在通用分解结构模型中所处的显隐状态，并最终形成MBS-LBS的合成映射矩阵；
S3-4，通过分阶段映射和分部映射初步完成MBS-LBS映射；
S3-5，检查是否完成所有映射，在映射矩阵中，LBS所对应的列可不存在形成通用分解结构模型CBS中的节点，但MBS所对应行至少存在一个形成通用分解结构模型CBS中的节点，满足条件则完成MBS-LBS映射，否则，不能实现MBS-LBS映射，需重新编制映射矩阵，直至完成MBS-LBS映射，再快速创建通用分解结构模型CBS；
S3-6，通用分解结构模型CBS不仅实现了MBS和LBS的相互映射，也为同类别模型分解和构建提供了基础信息，可实现同类实物对象模型分解结构和数字孪生设计模型的创建和复用，是一种具有通用特性的工作结构分解模型；将实物对象数字孪生设计模型通用分解结构模型CBS定义为一个四元组，记为
，
式中，E为CBS工作单元的集合，表示工作单元在整个CBS中所处的位置，其中p表示工作单元在CBS中所处的层次，q表示工作单元在第p层所处的位置，p、q均为自然数；/>为各工作单元相互关系的集合，/>为/>中相关属性的集合，/>为CBS工作单元的关联信息集合，CBS中某一工作单元可记为/>。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115392645A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-11-25 | 电子科技大学 | 一种面向装配车间的数字孪生模型的构建方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 何苗等: "基于产品分解结构的复杂产品工作分解技术研究", 《中国机械工程》, vol. 22, no. 16, pages 2 - 3 * |
| 范君艳等: "《数字制造装备与过程的智能控制》", pages: 166 - 167 * |
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