CN117421004A - 一种面向复杂系统场景的数字孪生平台构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向复杂系统场景的数字孪生平台构建方法，属于数字孪生平台构建技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种面向复杂系统场景的数字孪生平台构建方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：基于时序型和关系型数据库构建复杂系统场景的数字孪生平台作为模型层，实现对时序数据和业务数据的读取；使用多种前端应用构建数字孪生虚拟实体作为视图层，搭建在复杂系统场景中数字孪生平台的用户交互页面；使用Python语言构建平台内部控制器，包括工具包、路由、系统配置文件要素，内置时序数据库接口、机理模型接口实现与时序数据库和机理模型的交互通信；本发明应用于构建数字孪生平台。
Description
技术领域
本发明提供一种面向复杂系统场景的数字孪生平台构建方法，属于数字孪生平台构建技术领域。
背景技术
随着工业4.0时代的到来，工业装备系统呈现出复杂化趋势，对设备运行维护的难度更大，要求更高；数字孪生技术作为工业互联网时代最受关注的新兴技术，为解决复杂装备系统故障诊断、预测性维护、协调优化等难点提供新的思路，构建面向复杂系统场景的数字孪生平台对实现复杂系统数字转型，提升装备系统智能化水平，助力智能制造企业降本增效具有重要意义。
然而，目前面向复杂系统场景的数字孪生平台构建成果较少，有研究人员提出了一些通用数字孪生平台搭建方法，如基于Python和Flask框架数字孪生运行平台、数字孪生低代码开发平台以及一些基于数字孪生技术的通用软件框架，但上述通用数字孪生平台构建方法并不适合复杂系统场景的数字孪生平台构建，难以解决复杂系统高并发时序性数据，基于此，需要面向复杂系统场景特性研究出能够满足其要求的数字孪生平台架构方法。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种面向复杂系统场景的数字孪生平台构建方法的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种面向复杂系统场景的数字孪生平台构建方法，包括如下的构建步骤：
步骤S1：基于时序型和关系型数据库构建复杂系统场景的数字孪生平台作为模型层，实现对时序数据和业务数据的读取；
步骤S2：使用HTML5、DIV、CSS、JQuery的前端应用构建数字孪生虚拟实体作为视图层，搭建在复杂系统场景中数字孪生平台的用户交互页面；
步骤S3：使用Python语言构建平台内部控制器，包括工具包、路由、系统配置文件要素，内置时序数据库接口、机理模型接口实现与时序数据库和机理模型的交互通信；
步骤S4：使用Python语言编写，以数据机理混合驱动建立平台机理模型，实现复杂场景数字孪生系统行为的监测、预测诊断、优化协同功能。
所述步骤S1中构建复杂系统场景的数字孪生平台的具体方法为：分别安装时序型数据库和关系型数据库，配置数据库接口，完成时序型数据库和关系型数据库设计后，搭建数字孪生平台时序型和关系型数据架构，然后根据时序型数据库和关系型数据库的表结构，设计Django Model类。
所述步骤S2中构建数字孪生虚拟实体的具体方法为：
使用HTML5、DIV、CSS、JQuery的前端应用构建前端Html页面，构建复杂系统场景数字孪生虚拟实体，与物理实体一一对应；
配置AppConfig、Urls和Views，定义视图层与内部控制器的路由关系；
设置静态文件夹，存放Css、Images、Js前端文件。
所述步骤S3中构建平台内部控制器的具体方法为：
设计业务Controller：按照复杂系统业务构建控制器，每个控制器内置多类业务函数，实现与视图层、模型层和机理模型交互通信；
设计Tools工具包：按照通用业务函数构建工具包，工具包包含每个控制器均需要的工具函数，用于处理数据格式、时间以及业务通用需求；
设计Constant常量表：向Constant常量表存放数字孪生平台系统常量。
所述步骤S4中建立平台机理模型的具体方法为：
设计Library文件夹，用于存放各类机理模型：
在Library文件下配置Behavior文件夹，用于存放行为函数模型；
在Library文件下配置Event文件夹，用于存放事件函数模型；
在Library文件下配置Mechanism文件夹，用于存放业务机理模型。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供一种面向复杂系统场景的数字孪生平台构建方法，针对复杂系统场景的应用需求，能够集成多类机理模型和处理高并发时序性数据，可快速实现面向复杂系统场景的数字孪生软件平台搭建，平台具体在Apache+Python+Django环境下使用，使用MVC架构设计，能够集成多类机理模型，处理高并发时序性数据，本发明对复杂系统数字孪生平台的构建具有重要参考借鉴意义。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明面向复杂系统场景的数字孪生平台的架构示意图；
图2为本发明面向复杂系统场景的数字孪生平台的逻辑结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明提供的数字孪生平台在Apache+Python+Django环境下使用，R-TSDB数据架构（关系型数据库+时序型数据库）采用MySQL数据库和InfluxDB 2.7数据库作为支撑，平台构建方法如下：
步骤S1：构建模型层。构造R-TSDB数据架构构建复杂系统场景的数字孪生平台，实现对时序数据和业务数据的读取任务。
步骤S1的具体实施步骤如下：
步骤S11：安装时序型数据库InfluxDB 2.7和关系型数据库MySQL，配置MySQL数据库接口（pymysql）和InfluxDB接口，完成时序型数据库和关系型数据库物理设计，搭建数字孪生平台R-TSDB数据架构。
步骤S12：根据时序型数据库InfluxDB 2.7和关系型数据库MySQL的表结构，设计Django Model类；在Django项目中的models.py文件中：从django.db模块中导入models，按照表名称依次新建model类，并在类内定义表内字段、内外键信息，完成Model类的创建。
步骤S2：构建视图层。使用HTML5+DIV+CSS+JQuery前端技术构建数字孪生虚拟实体，搭建复杂系统场景的数字孪生平台的用户交互页面。
步骤S2的具体实施步骤如下：
步骤S21：使用HTML5+DIV+CSS+JQuery前端技术构建前端Html页面，采用Gif、动画形式展示物理实体的实时状态，编写好的HTML静态页面导入到项目Templates文件夹中。
步骤S22：配置AppConfig文件，定义项目根目录；在项目apps.py文件中引入django.apps.AppConfig包，并按照“项目名称+Config”名字新建AppConfig类，定义类内变量name为“项目名称”。
配置Urls文件，定义视图层与内部控制器的路由关系；在项目中urls.py文件夹中引入django.urls.path包，配置urlpatterns中的path变量，指定路由信息、view中的处理函数名称和路由名称。
编写View文件，在项目中views.py文件夹中新建函数，函数名称应当与Urls文件中的处理函数名称一致，完成视图层与内部控制器的路由关系定义。
步骤S23：设置静态文件夹，存放Css、Images和Js等前端文件，在项目中新建static文件夹，并在其新建子文件夹css、img和js，将对应文件拷贝到对应子文件夹中。
在项目根目录的Settings.py文件中增加STATIC_URL = "项目名称/static/"。
在Templates文件夹中的Html静态页面汇中增加{% load static %}{{ context }}代码，完成css、img和js在静态页面中的导入。
步骤S3：构建内部控制器；使用Python语言构建平台内部控制器，整个架构的核心环节之一，其内含有工具包、路由、系统配置文件等基本要素，内置时序数据库接口、机理模型接口等API实现与时序数据库和机理模型的交互通信。
步骤S3的具体实施步骤如下：
步骤S31：设计业务Controller：在控制器中按照业务名称新建类，引入数据库接口和工具包。在业务控制器中设计业务函数，使用接口和工具包完成业务逻辑处理。
步骤S32：设计Tools工具包：按照通用业务函数构建工具包，工具包包含每个控制器均需要的工具函数，用于处理数据格式、时间以及业务通用需求。
步骤S33：设计Constant常量表：Constant常量表存放数字孪生平台经常使用的系统常量。这些系统常量如存放于数据库中会增加数据库负担，降低平台运行效率。将系统参数存放到常量表，业务控制器可通过引入常量表实现对系统参数的读取。
步骤S4的具体实施步骤如下：
步骤S41：设计Library文件夹，用于存放各类机理模型。
步骤S42：在Library文件下配置Behavior文件夹，用于存放行为函数模型。行为函数模型用于记录数字孪生体的业务行为动作。行为函数模型可由一个或多个行为动作函数按照一定次序编排形成。
步骤S43：在Library文件下配置Event文件夹，用于存放事件函数模型。事件函数模型记录数字孪生体所存在的突发事件以及事件处理流程。事件函数模型由一个或多个事件处理函数按照一定次序编排形成。
步骤S44：在Library文件下配置Mechanism文件夹，用于存放业务机理模型。机理模型使用Python作为编程语言，采用机理模型+数据混合驱动方式，利用Pytorch、Pandas开源Python模块构建业务函数和训练算法模型。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种面向复杂系统场景的数字孪生平台构建方法，其特征在于：包括如下的构建步骤：
步骤S1：基于时序型和关系型数据库构建复杂系统场景的数字孪生平台作为模型层，实现对时序数据和业务数据的读取；
步骤S2：使用HTML5、DIV、CSS、JQuery的前端应用构建数字孪生虚拟实体作为视图层，搭建在复杂系统场景中数字孪生平台的用户交互页面；
步骤S3：使用Python语言构建平台内部控制器，包括工具包、路由、系统配置文件要素，内置时序数据库接口、机理模型接口实现与时序数据库和机理模型的交互通信；
步骤S4：使用Python语言编写，以数据机理混合驱动建立平台机理模型，实现复杂场景数字孪生系统行为的监测、预测诊断、优化协同功能。
2.根据权利要求1所述的一种面向复杂系统场景的数字孪生平台构建方法，其特征在于：所述步骤S1中构建复杂系统场景的数字孪生平台的具体方法为：分别安装时序型数据库和关系型数据库，配置数据库接口，完成时序型数据库和关系型数据库设计后，搭建数字孪生平台时序型和关系型数据架构，然后根据时序型数据库和关系型数据库的表结构，设计Django Model类。
3.根据权利要求2所述的一种面向复杂系统场景的数字孪生平台构建方法，其特征在于：所述步骤S2中构建数字孪生虚拟实体的具体方法为：
使用HTML5、DIV、CSS、JQuery的前端应用构建前端Html页面，构建复杂系统场景数字孪生虚拟实体，与物理实体一一对应；
配置AppConfig、Urls和Views，定义视图层与内部控制器的路由关系；
设置静态文件夹，存放Css、Images、Js前端文件。
4.根据权利要求3所述的一种面向复杂系统场景的数字孪生平台构建方法，其特征在于：所述步骤S3中构建平台内部控制器的具体方法为：
设计业务Controller：按照复杂系统业务构建控制器，每个控制器内置多类业务函数，实现与视图层、模型层和机理模型交互通信；
设计Tools工具包：按照通用业务函数构建工具包，工具包包含每个控制器均需要的工具函数，用于处理数据格式、时间以及业务通用需求；
设计Constant常量表：向Constant常量表存放数字孪生平台系统常量。
5.根据权利要求4所述的一种面向复杂系统场景的数字孪生平台构建方法，其特征在于：所述步骤S4中建立平台机理模型的具体方法为：
设计Library文件夹，用于存放各类机理模型：
在Library文件下配置Behavior文件夹，用于存放行为函数模型；
在Library文件下配置Event文件夹，用于存放事件函数模型；
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