CN116880902A - 一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架及其应用方法，属于数字孪生技术领域。孪生框架包括：数据控制模块，用以接收设备数据并将其分发到相应的设备数据接收模块；数据接收模块，用于将接收的设备数据传送至数据解析模块；数据解析模块，用于将设备数据序列化为JSON数据对象，通过预置的设备各控制模块的数据键及其对应的数据解析规则，获取孪生需要的设备数据值，并发送到数据验证模块中；数据验证模块，用于设备数据正确性的验证；数据驱动模块，基于孪生设备驱动模块的类型以及接收到的数据，通过改变模型相应属性的方式，驱动设备模型执行相应动作。本发明能够快速搭建出设备孪生的实例，具有极高的通用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架及其应用方法，属于数字孪生技术领域。
背景技术
随着工业4.0的兴起，数字孪生作为其重要组成部分，正在推动着工业的智能化转型。通过数字孪生技术，生产主体可以实现对生产过程的全面监控和管理，提高生产线的灵活性和自动化程度，进而提高生产效率和质量。而又快又好的实现数字孪生的搭建就变成了一个非常重要的问题。
现有技术实现孪生的方法一般是接收、解析、应用的一体模式，通过序列化对象方式进行数据解析，由于不同的设备传输的数据字段不尽相同，数据对象格式不同导致不同的设备数据无法通用，因此现有孪生框架需要针对不同设备创建不同的实体类进行数据接收，其开发步骤主要分为两项：（1）开发设备数据类；（2）开发数据接收、解析、验证、控制一体类；其中所涉及的需要实际开发的内容有五部分，需要耗费大量的时间，造成开发周期较长的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架及其应用方法，本发明的框架和方法可以快速灵活的搭建数字孪生实例，优化数字孪生搭建周期长的问题。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架，包括：
数据控制模块，用以接收服务器发送的设备数据，通过对比设备字典预置的设备主键ID以区分设备数据，通过对比设备字典预置的数据接收模块信息，将所述设备数据分发到相应设备的数据接收模块中；
数据接收模块，用于将接收自数据控制模块的设备数据传送至数据解析模块；
数据解析模块，用于将设备数据序列化为JSON数据对象，通过预置的设备各控制模块的数据键及其对应的数据解析规则，获取孪生需要的设备数据值，并发送到数据验证模块中；
数据验证模块，用于将接收到的设备数据值代入预置的无效数据验证规则中，进行设备数据正确性的验证，并将验证通过的数据发送至数据驱动模块；
数据驱动模块，用于基于孪生设备驱动模块的类型以及接收到的数据，通过改变模型相应属性的方式，驱动设备模型执行相应动作。
具体的，所述数据控制模块的设备字典中预置有设备主键ID和数据接收模块的信息；数据接收模块通过委托的方法将其自身信息及所述设备主键ID预注册在数据控制模块。
具体的，所述数据接收模块通过配置文件或者在属性面板中直接填写的方式将设备主键ID与孪生设备建立关联关系。
具体的，所述设备各控制模块的数据键包括孪生设备的位置坐标Position、设备状态Status、设备名称DeviceName、设备型号DeviceType等设备孪生相关数据。
具体的，所述数据驱动模块将解析的数据通过插值的方式补全设备数据间隔，然后根据驱动模块类型修改模型坐标、旋转、颜色的等模型属性，将数据作用于孪生模型中。
第二方面，本发明提供一种基于驱动类数字孪生设备的通用孪生框架的应用方法，具体步骤如下：
步骤1：数据控制模块接收到服务器发送的设备数据，通过对比设备字典预置的设备主键ID以区分设备数据，通过对比设备字典预置的数据接收模块信息，将所述设备数据分发到相应设备的数据接收模块；
步骤2：数据接收模块将接收自数据控制模块的设备数据传送至数据解析模块；
步骤3：数据解析模块将设备数据序列化为JSON数据对象，通过预置的设备各控制模块的数据键及其对应的数据解析规则，获取孪生需要的设备数据值，并发送到数据验证模块；
步骤4：数据验证模块将接收到的设备数据值代入预置的无效数据验证规则中，进行设备数据正确性的验证，并将验证通过的数据发送至数据驱动模块；
步骤5：数据驱动模块基于孪生设备驱动模块的类型以及接收到的数据，通过改变模型相应属性的方式，驱动设备模型执行相应动作。
进一步地，所述步骤1中，所述设备主键ID和数据接收模块的自身信息，是在系统启动时，由数据接收模块通过委托的方法预注册在数据控制模块的设备字典中。
进一步地，所述步骤1中，所述数据接收模块通过配置文件或者在属性面板中直接填写的方式将设备主键ID与孪生设备建立关联关系。
进一步地，所述步骤3中，所述设备各控制模块的数据键包括孪生设备的位置坐标Position、设备状态Status、设备名称DeviceName、设备型号DeviceType等设备孪生相关数据。
进一步地，所述步骤5中，所述数据驱动模块将解析的数据通过插值的方式补全设备数据间隔，然后根据驱动模块类型修改模型坐标、旋转、颜色的等模型属性，将数据作用于孪生模型中。
本发明的一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架及其应用方法，可以快速搭建出设备孪生的实例，而且具有极高的通用性，相同的设备只需修改设备的主键ID，就可以完成相同设备的搭建；不同的设备只需要修改具体的控制模块以及数据解析规则即可适配不同的设备，数据接收、传输等模块可以通用所有的孪生设备。
附图说明
图1是本发明的一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架结构示意图；
图2是实施例一的一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架结构示意图；
图3是实施例二的一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
为能清楚说明本发明方案的技术特点，下面将通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
实施例一
本实施例以焊接机械臂为例，公开了一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架，结合图1和图2所示，所述通用孪生框架的主体结构包括数据控制模块、数据接收模块、数据解析模块、数据证验模块和数据驱动模块，其中一个数据控制模块可以对应连接有多个设备的数据接收模块；对应于焊接机械臂的功能实现，本实施例的数据驱动模块分别用于驱动连接焊接机械臂的旋转控制模块、移动控制模块和特效控制模块。
本实施例的数据控制模块，用以响应并接收服务器推送的设备数据，在系统运行时，数据接收模块会将其自身信息及焊接机械臂的设备主键ID通过委托的方法注册到数据控制模块的设备字典中。当服务器将数据发送至数据控制模块时，数据控制模块首先通过对比设备字典中的设备主键ID，通过设备主键ID识别设备为焊接机械臂后，通过调用数据接收模块设定的数据接收方法将设备数据分发到焊接机械臂的数据接收模块中。
本实施例的数据接收模块，用于将其自身信息及焊接机械臂的设备主键ID通过委托的方法注册在数据控制模块的设备字典中，通过配置文件或者在属性面板中直接填写的方式将设备主键ID与虚拟焊接机械臂建立关联关系，将接收自数据控制模块的设备数据传送至数据解析模块。
本实施例的数据解析模块，配置有设备各控制模块的数据键及其对应的数据解析规则，所述设备各控制模块的数据键用于读取数据内容，数据键的字段名称与数量可以根据设备实际结构需求设定，例如可以包括孪生设备的位置坐标Position、设备状态Status、设备名称DeviceName、设备型号DeviceType等设备孪生相关数据。在本实施例的数据解析模块中，不再将数据反序列化为设备数据的实体类对象，而是将数据序列化为JSON数据对象，通过配置的焊接机械臂各个控制模块的数据键及其对应的数据解析规则从焊接机械臂各个控制模块的数据键中解析出孪生所需的数据值，并发送至数据验证模块；例如，假设焊接机械臂J1关键轴接收到的数据为{"data":{"J1":3}}，则通过JSON数据对象读取应为json["data"]["J1"],获取的值为3，则在框架中设置焊接机械臂J1关键轴的数据键为data|J1，通过切割字符串方式得到J1关键轴的数据位置为json["data"]["J1"]，通过循环读取JSON的方式逐层递进，获取到J1关键轴的数据为3，将其发送至数据验证模块。
本实施例的数据验证模块，配置有焊接机械臂的无效数据验证规则，主要用于验证数据的正确性，根据焊接机械臂的无效数据验证规则，将接收到的数据进行数据验证，防止异常数据影响孪生的效果；具体规则需要根据设备数据具体制定。例如设备在关机状态下，获取到的设备机械臂关键轴数据全部为0，这将导致机械臂做出违反物理规则的动作，所以在判断设备状态为关机状态，则认为机械臂关键轴数据为无效数据，将获取到的数据进行舍弃。
本实施例的数据驱动模块，包括焊接机械臂三种类型的动作控制模块，第一种是控制机械臂旋转的旋转控制模块，第二种是控制机械臂移动的移动控制模块，第三种是控制机械臂完成焊接火花特效的特效控制模块，这三种控制模块继承于统一的控制模块父类，具有统一的数据入口。
本实施例的一种基于焊接机械臂的通用孪生框架，其应用方法的具体步骤包括：
S1、系统启动；
S2、数据接收模块将其自身信息及焊接机械臂的设备主键ID通过委托的方法注册到数据控制模块的设备字典中；
S3、服务器将设备数据推送至数据控制模块；
S4、数据控制模块接收到服务器推送的设备数据后，将设备数据与数据控制模块设备字典中的设备主键ID进行对比匹配，匹配成功后，将设备数据分发到焊接机械臂的数据接收模块中；
S5、数据接收模块将接收到的数据传输到数据解析模块；
数据解析模块将设备数据序列化为JSON数据对象，根据预配置的焊接机械臂各控制模块的数据键及其对应的数据解析规则，提取设备数据中孪生需求的设备数据值，并将其传输至数据验证模块；
S6、数据验证模块根据无效数据验证规则，对提取的数据进行验证；若验证不通过，结束数据传输；若验证通过，则将提取的数据传输到设备驱动模块；
S7、数据驱动模块将数据分发至焊接机械臂相应的各控制模块中去，通过改变模型属性的方式驱动各控制模块。所述改变模型属性的方式是指：将解析的数据依据通过插值的方式补全设备数据间隔，然后根据驱动模块类型修改模型坐标、旋转、颜色的等属性，将数据作用于孪生模型中。
本实施例中的焊接机械臂相应的各控制模块包括旋转控制模块、移动控制模块和特效控制模块；各控制模块根据数据驱动设备模型产生相应动作，旋转模块控制控制机械臂旋转，移动控制模块控制机械臂移动，特效控制模块控制焊接火花特效。
实施例二
本实施例是一种基于本发明通用孪生框架的AGV模型数字孪生的应用。结合图1和图3所示，其中AGV的控制模块共有两种，第一种是位置控制模块，它既控制AGV的位置移动，又控制AGV的航向旋转；第二种是控制AGV顶升的控制模块。本实施例除了控制模块以及数据验证模块，剩余部分以及步骤与实施例一的焊接机械臂模型数字孪生一致。
本发明的一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架，将数字孪生搭建分为5个功能模块，即数据控制模块、数据接收模块、数据解析模块、数据验证模块、数据驱动模块；其中数据控制模块为所有孪生设备共用，一台完整的数字孪生设备只需配置数据接收模块、数据解析模块、数据验证模块、数据驱动模块4部分。因此，基于本框架开发数字孪生只需配置数据接收模块设备ID、孪生模型控制模块种类与数量；数据解析模块相关控制模块的数据键以及数据验证模块规则即可完成数字孪生设备的开发工作，而上述几项配置内容中，涉及需要实际开发的内容只有数据验证模块规则，其他内容均为字段配置工作。
可见，本发明的框架可以快速搭建出设备孪生的实例，而且具有极高的通用性，相同设备的搭建只需修改设备的主键ID，不同的设备只需修改具体的控制模块以及数据解析规则，数据接收、传输等模块可以适配所有的孪生设备。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架，其特征在于，包括：
数据控制模块，用以接收服务器发送的设备数据，通过对比设备字典预置的设备主键ID以区分设备数据，通过对比设备字典预置的数据接收模块信息，将所述设备数据分发到相应设备的数据接收模块中；
数据接收模块，用于将接收自数据控制模块的设备数据传送至数据解析模块；
数据解析模块，用于将设备数据序列化为JSON数据对象，通过预置的设备各控制模块的数据键及其对应的数据解析规则，获取孪生需要的设备数据值，并发送到数据验证模块中；
数据验证模块，用于将接收到的设备数据值代入预置的无效数据验证规则中，进行设备数据正确性的验证，并将验证通过的数据发送至数据驱动模块；
数据驱动模块，用于基于孪生设备驱动模块的类型以及接收到的数据，通过改变模型相应属性的方式，驱动设备模型执行相应动作。
2.如权利要求1所述的一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架，其特征在于，
所述数据控制模块的设备字典中预置有设备主键ID和数据接收模块的信息；数据接收模块通过委托的方法将其自身信息及所述设备主键ID预注册在数据控制模块。
3.如权利要求1所述的一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架，其特征在于，
所述数据接收模块通过配置文件或者在属性面板中直接填写的方式将设备主键ID与孪生设备建立关联关系。
4.如权利要求1所述的一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架，其特征在于，
所述设备各控制模块的数据键包括孪生设备的位置坐标Position、设备状态Status、设备名称DeviceName、设备型号DeviceType。
5.如权利要求1所述的一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架，其特征在于，
所述数据驱动模块将解析的数据通过插值的方式补全设备数据间隔，根据驱动模块类型修改模型属性，将数据作用于孪生模型中。
6.一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架的应用方法，其特征在于，包括：
步骤1：数据控制模块接收到服务器发送的设备数据，通过对比设备字典预置的设备主键ID以区分设备数据，通过对比设备字典预置的数据接收模块的自身信息，将所述设备数据分发到相应的设备数据接收模块；
步骤2：数据接收模块将接收自数据控制模块的设备数据传送至数据解析模块；
步骤3：数据解析模块将设备数据序列化为JSON数据对象，通过预置的设备各控制模块的数据键及其对应的数据解析规则，获取孪生需要的设备数据值，并发送到数据验证模块；
步骤4：设备数据验证模块将接收到的设备数据值代入预置的无效数据验证规则中，进行设备数据正确性的验证，并将验证通过的数据发送至数据驱动模块；
步骤5：数据驱动模块基于孪生设备驱动模块的类型以及接收到的数据，通过改变模型相应属性的方式，驱动设备模型执行相应动作。
7.如权利要求6所述的一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架的应用方法，其特征在于，所述步骤1中，
所述设备主键ID和数据接收模块的自身信息，是在系统启动时，由数据接收模块通过委托的方法预注册在数据控制模块的设备字典中。
8.如权利要求6所述的一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架的应用方法，其特征在于，所述步骤1中，
所述数据接收模块通过配置文件或者在属性面板中直接填写的方式将设备主键ID与孪生设备建立关联关系。
9.如权利要求6所述的一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架的应用方法，其特征在于，所述步骤3中，
所述设备各控制模块的数据键包括孪生设备的位置坐标Position、设备状态Status、设备名称DeviceName、设备型号DeviceType。
10.如权利要求6所述的一种驱动类数字孪生设备的通用孪生框架的应用方法，其特征在于，所述步骤5中，
所述数据驱动模块将解析的数据通过插值的方式补全设备数据间隔，然后根据驱动模块类型修改模型坐标、旋转、颜色属性，将数据作用于孪生模型中。
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