基于数字孪生的智能生产过程精确建模仿真系统及方法与流程

本发明涉及数字孪生技术领域，具体是基于数字孪生的智能生产过程精确建模仿真系统及方法。

背景技术：

数字孪生是指充分利用物理模型、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的全生命周期过程；

随着社会的不断发展，数字孪生技术的应用也越来越广泛，利用数字孪生技术建立生产过程的数字模型，可以对生产的全过程全生命周期进行模拟，但是，在利用数字孪生技术建立生产过程的数字模型的过程中也存在以下问题：

1、随着生产设备的不断使用和老化，生产设备的精确度也在不断的退化，需要不断的对生产设备的精确度进行调整，如若不及时的对生产设备的精确度进行修正，可能会导致严重的生产故障，影响企业产能、浪费原材料，而现有的利用数字孪生技术对生产过程进行模拟时没有很好的解决这一问题；

2、随着生产技术的不断提高，为了提高产量和设备性能，不断的对生产设备进行更新和升级，传统的更新和升级，需要重新制造一套完整的设备，然后不断的对数据进行调试，费时费力；

所以，人们急需一种基于数字孪生的智能生产过程精确建模仿真系统及方法来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于数字孪生的智能生产过程精确建模仿真系统及方法，以解决现有技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于数字孪生的智能生产过程精确建模仿真系统，该建模仿真系统包括用于模型仿真数据采集的数据采集模块、仿真模型数据处理的模型处理模块、模型建立和数据存储的模型仿真模块、设备升级模拟的模型升级模拟模块和设备故障监测和显示的仿真故障提醒模块；

所述数据采集模块的输出端电性连接模型仿真模块的输入端，所述模型仿真模块与模型处理模块和模型升级模拟模块电性连接，所述模型处理模块与仿真故障提醒模块电性连接。

作为优选技术方案，所述模型仿真模块包括数字计算机和存储数据库；

所述数据采集模块包括三维扫描仪和智能传感器；

所述三维扫描仪和智能传感器的输出端电性连接数字计算机的输入端；

所述三维扫描仪用于对生产设备进行模型扫描，获取建模仿真数据，所述智能传感器用于对生产设备的动态数据进行采集；

所述数字计算机用于根据三维扫描仪对生产设备的三维扫描数据，利用建模仿真软件对扫描数据进行3d模型的建立，所述存储数据库用于对生产设备的历史移载数据进行存储和记录，所述移载数据是指坐标系的变化量，作为后期生产的移载数据是否符合精准度的判断依据。

作为优选技术方案，所述模型处理模块包括三维坐标系建立单元、移载标签添加单元和动态指令执行单元；

所述数字计算机的输出端电性连接移载标签添加单元和动态指令执行单元，所述移载标签添加单元的输出端电性连接存储数据库；

所述三维坐标系建立单元用于对数字计算机建立的3d模型中的每一个点进行三维坐标的定位，使得对于3d模型实现精准定位，所述移载标签添加单元用于对历史移载数据进行标签的添加，添加标签的内容包括：移载起始坐标值、移载周期次数和移载时长，所述动态指令执行单元用于根据智能传感器的位移量和角度偏转量，执行数字计算机的指令，驱动3d模型中对应的机械结构三维坐标值的变化，实现对生产设备的动态仿真。

作为优选技术方案，所述故障仿真提醒模块包括移载数据调取单元、移载数据比对单元、模型数据修正单元和故障坐标显示单元；

所述存储数据库的输出端电性连接移载数据调取单元的输入端，所述动态指令执行单元的输出端电性连接移载数据比对单元的输入端，所述移栽数据调取单元的输出端电性连接移载数据比对单元的输入端，所述移栽数据比对单元的输出端电性连接模型数据修正单元和故障坐标显示单元的输入端；

所述移载数据调取单元用于对存储数据库中存储的3d模型历史移载数据进行调取，作为3d模型移载数据比对的参考数据，所述移载数据比对单元用于将调取的3d模型历史移载数据与当前的3d模型移载数据进行比对，判断当前的3d模型移载数据与3d模型的历史移载数据之间的差值，作为判断当前生产设备的移载精确度是否发生变化的依据，所述模型数据修正单元用于根据故障排除之后的生产设备的移载数据对3d模型的移载数据进行及时的修正，保证3d模型移栽数据与生产设备的移载同步，所述故障坐标显示单元通过移载数据对比单元的对比，当当前移载数据与历史移载数据之间的差值超过设定阈值时，对当前移载的机械结构的坐标值进行显示，告诫工作人员此处机械机构精确度误差较大，及时修正，减少了工作人员对于设备故障排查所花费的时间。

利用仿真故障提醒模块，可以将当前生产设备的移载数据与历史移载数据进行比对，可以对当前生产设备的精确度做出判断，可以及时的对生产设备做出检修，同时，实现对生产设备孪生数字模型的自动修正，保证了生产的顺利，减少了人员排查设备故障所花费的时间。

作为优选技术方案，所述模型升级模拟模块包括模型悬挂单元、模型修改单元、模拟运行单元、数据修正单元和模型恢复单元；

所述模型悬挂单元与模型仿真模块电性连接，所述模型悬挂单元的输出端电性连接模型修正单元的输入端，所述模型修正单元的输出端电性连接模拟运行单元的输入端，所述模拟运行单元的输出端电性连接数据修正单元的输入端，所述数据修正单元的输出端电性连接模型恢复单元的输入端，所述模型恢复单元与模型仿真模块电性连接；

所述模型悬挂单元用于将当前3d模型悬挂起，避免对生产设备的孪生模型的运行造成影响，所述模型修改单元用于对当前悬挂的3d模型进行零件的添加、更新或删减，所述模拟运行单元用于输入3d模型的历史移载数据，模拟更新和升级之后的设备运行，检查对应移载机构的坐标值变化是否符合预期效果，所述数据修改单元用于当模拟运行效果不符合预期效果时，对添加、更新或删减的相关零件数据进行调整和修改，继续进行模拟实验，直至符合预期效果，对相关零件数据进行记录，所述模型恢复单元用于将悬挂的模型恢复至原始状态，利用3d模型继续执行原始生产设备的运行仿真。

利用模型升级模拟模块，可以有效的利用3d模型对即将升级的生产设备进行升级模拟运行，可以有效的对升级过程中的数据进行调节，使得升级的设备完全符合生产需求，可以有效的减少设备升级所花费的精力投入，只需利用数字孪生的模型对生产设备的升级进行仿真即可，省时省力。

作为优选技术方案，该建模仿真方法包括以下步骤：

s1、生产设备3d模型的建立和动态仿真；

s2、生产设备与3d模型之间移载数据的比对；

s3、3d模型数据的修正和生产设备的故障显示；

s4、利用3d模型对生产设备的更新和升级进行模拟运行。

作为优选技术方案，所述步骤s1还包括以下步骤：

t1、进行生产设备3d模型的建立；

t2、对3d模型进行三维坐标系的建立；

t3、对生产设备进行动态数据的采集；

t4、驱动3d模型进行生产设备的动态仿真；

t5、进行3d模型动态仿真移载标签的添加；

t6、对移载数据进行记录和存储；

所述步骤t1中，利用三维扫描仪对生产设备的三维数据进行扫描，并根据生产设备的三维数据，利用数字计算机对生产设备的3d模型进行建立，并将生产设备的参数输入3d模型中；所述步骤t2中，利用三维坐标建立单元对成型的生产设备3d模型进行三维坐标系(x,y,z)的建立；所述步骤t3中，利用智能传感器对生产设备工作过程中的位移量l和角度偏转量θ进行采集，作为3d模型位移量和角度偏转量的数据来源；所述步骤t4中，根据智能传感器所采集的动态数据，利用动态指令执行单元接收数字计算机的指令，并驱动3d模型的相关机械结构进行动态指令的执行，实现对生产设备的动态仿真；所述步骤t5中，根据3d模型的动态仿真以及接受的动态仿真操作指令，对3d模型机械结构移载前的坐标值(x始,y始,z始)和移载后的坐标值(x终,y终,z终)进行采集，并通过移载标签添加模块将坐标值变化的相关数据制作成标签添加在此次动态仿真操作中；所述步骤t6中，将一次动态仿真的动态仿真指令、移载起始坐标值(x,y,z)、周期次数g和移载时长t数据连通动态仿真操作一同打包存储进入存储数据库中。

作为优选技术方案，所述步骤s2-s3中还包括以下步骤：

e1、对3d模型历史移载数据进行调取；

e2、对3d模型的当前动态指令进行识别并仿真；

e3、对3d模型的当前仿真移载数据进行采集；

e4、将3d模型当前移载数据与历史移载数据进行比对；

e5、对3d模型当前移载异常数据进行修正，并对生产设备移载故障点进行显示；

利用移载数据调取单元对存储数据库中存储的历史移载数据进行调取，所述移载数据调取单元所调取的历史移载数据为每一天中相同移载周期次数的历史移载数据，包括初始移载坐标数据和终止移载坐标数据，组成初始移载坐标数据集合p＝{p1,p2,p3,…,pn}，其中，终止移载坐标数据集合q＝{q1,q2,q3,…,qn}，其中，

根据公式：

其中，li表示每天第i周期内的机械结构的移载向量值；

根据公式：

其中，表示n个历史移载坐标向量值的平均值，l标表示移载坐标向量值变化阈值；

利用移载数据比对单元对当前移载的移载坐标数据指令进行识别，当前移载坐标数据指令的起始坐标为终止坐标为

根据公式：

其中，lk表示当前移载坐标向量值；

利用移载数据比对单元对当前移载坐标向量值与移载坐标向量值变化阈值进行对比；

当表示当前移载坐标向量值符合设定的阈值标准，不需要对3d模型进行数据修正，也不需要对生产设备进行检修；

当表示当前移载坐标向量值不符合设定的阈值标准，通过模型数据修正单元对3d模型进行数据修正，通过故障坐标显示单元对生产设备的故障坐标位置进行显示。

作为优选技术方案，所述步骤s4还包括以下步骤：

p1、对当前3d模型进行悬挂处理；

p2、对当前悬挂的3d模型进行更新和升级参数修改；

p3、进行历史移载数据的调取，进行模拟运行；

p4、根据模拟运行的效果对相关更新和升级数据进行调整；

p5、将悬挂的生产设备3d模型恢复至原始状态；

利用模型悬挂单元对当前3d模型进行悬挂，即对当前3d模型单独取出，避免在利用3d模型对生产设备进行更新和升级的过程中，对原始3d模型造成参数上的影响，利用模型修改单元对需要对生产设备进行更新和升级的数据进行修改，即对生产设备3d模型进行零件的添加、升级或删减，通过模拟运行单元从存储数据中进行历史移载数据的调取，并将调取的历史移载数据导入悬挂起的3d模型中，对更新和升级之后的3d模型进行模拟运行，当模拟运行出现错误时，利用数据修改单元对更新和升级的相关参数数据进行再次的修改，直至模拟运行符合要求，利用模型恢复单元将悬挂起的3d模型恢复至原始状态，并对更新和升级过程中的相关数据进行记录。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过对仿真模型坐标系的建立，对生产设备的历史移载数据，即坐标值的变化量进行记录和存储，当移载数据与历史数据偏差过大时，可以对3d模型进行及时的修正，同时，进行异常故障提醒，使得可以及时的对生产设备的隐藏故障进行排查并检修，减少了生产事故的发生概率，节约了生产成本，提高了产能，同时，还减少了对于设备检修所花费的人力、物力和财力。

2、设置有模型升级模拟模块，在原有的3d模型上进行相关零件的添加或更新，根据历史数据模拟零件添加或更新之后的运行，通过坐标值的变化，寻找运行过程中存在的问题，对数据进行调试，直至零件的添加或更新与原有设备完美契合，降低了设备更新升级所花费的时间、精力以及金钱，使得设备的升级更新更加的完美。

附图说明

图1为本发明基于数字孪生的智能生产过程精确建模仿真系统的模块组成示意图；

图2为本发明基于数字孪生的智能生产过程精确建模仿真系统的连接示意图；

图3为本发明基于数字孪生的智能生产过程精确建模仿真方法步骤示意图；

图4为本发明基于数字孪生的智能生产过程精确建模仿真方法的步骤s1的细化步骤示意；

图5为本发明基于数字孪生的智能生产过程精确建模仿真方法的步骤s2-s3的步骤细化示意图；

图6为本发明基于数字孪生的智能生产过程精确建模仿真方法的步骤s4的细化步骤示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通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。

如图1-2所示，基于数字孪生的智能生产过程精确建模仿真系统，该建模仿真系统包括用于模型仿真数据采集的数据采集模块、仿真模型数据处理的模型处理模块、模型建立和数据存储的模型仿真模块、设备升级模拟的模型升级模拟模块和设备故障监测和显示的仿真故障提醒模块；

数据采集模块的输出端电性连接模型仿真模块的输入端，模型仿真模块与模型处理模块和模型升级模拟模块电性连接，模型处理模块与仿真故障提醒模块电性连接。

模型仿真模块包括数字计算机和存储数据库；

数据采集模块包括三维扫描仪和智能传感器；

三维扫描仪和智能传感器的输出端电性连接数字计算机的输入端；

三维扫描仪用于对生产设备进行模型扫描，获取建模仿真数据，智能传感器用于对生产设备的动态数据进行采集；

数字计算机用于根据三维扫描仪对生产设备的三维扫描数据，利用建模仿真软件对扫描数据进行3d模型的建立，存储数据库用于对生产设备的历史移载数据进行存储和记录，移载数据是指坐标系的变化量，作为后期生产的移载数据是否符合精准度的判断依据。

模型处理模块包括三维坐标系建立单元、移载标签添加单元和动态指令执行单元；

数字计算机的输出端电性连接移载标签添加单元和动态指令执行单元，移载标签添加单元的输出端电性连接存储数据库；

三维坐标系建立单元用于对数字计算机建立的3d模型中的每一个点进行三维坐标的定位，使得对于3d模型实现精准定位，移载标签添加单元用于对历史移载数据进行标签的添加，添加标签的内容包括：移载起始坐标值、移载周期次数和移载时长，动态指令执行单元用于根据智能传感器的位移量和角度偏转量，执行数字计算机的指令，驱动3d模型中对应的机械结构三维坐标值的变化，实现对生产设备的动态仿真。

故障仿真提醒模块包括移载数据调取单元、移载数据比对单元、模型数据修正单元和故障坐标显示单元；

存储数据库的输出端电性连接移载数据调取单元的输入端，动态指令执行单元的输出端电性连接移载数据比对单元的输入端，移栽数据调取单元的输出端电性连接移载数据比对单元的输入端，移栽数据比对单元的输出端电性连接模型数据修正单元和故障坐标显示单元的输入端；

移载数据调取单元用于对存储数据库中存储的3d模型历史移载数据进行调取，作为3d模型移载数据比对的参考数据，移载数据比对单元用于将调取的3d模型历史移载数据与当前的3d模型移载数据进行比对，判断当前的3d模型移载数据与3d模型的历史移载数据之间的差值，作为判断当前生产设备的移载精确度是否发生变化的依据，模型数据修正单元用于根据故障排除之后的生产设备的移载数据对3d模型的移载数据进行及时的修正，保证3d模型移栽数据与生产设备的移载同步，故障坐标显示单元通过移载数据对比单元的对比，当当前移载数据与历史移载数据之间的差值超过设定阈值时，对当前移载的机械结构的坐标值进行显示，告诫工作人员此处机械机构精确度误差较大，及时修正，减少了工作人员对于设备故障排查所花费的时间。

模型升级模拟模块包括模型悬挂单元、模型修改单元、模拟运行单元、数据修正单元和模型恢复单元；

模型悬挂单元与模型仿真模块电性连接，模型悬挂单元的输出端电性连接模型修正单元的输入端，模型修正单元的输出端电性连接模拟运行单元的输入端，模拟运行单元的输出端电性连接数据修正单元的输入端，数据修正单元的输出端电性连接模型恢复单元的输入端，模型恢复单元与模型仿真模块电性连接；

模型悬挂单元用于将当前3d模型悬挂起，避免对生产设备的孪生模型的运行造成影响，模型修改单元用于对当前悬挂的3d模型进行零件的添加、更新或删减，模拟运行单元用于输入3d模型的历史移载数据，模拟更新和升级之后的设备运行，检查对应移载机构的坐标值变化是否符合预期效果，数据修改单元用于当模拟运行效果不符合预期效果时，对添加、更新或删减的相关零件数据进行调整和修改，继续进行模拟实验，直至符合预期效果，对相关零件数据进行记录，模型恢复单元用于将悬挂的模型恢复至原始状态，利用3d模型继续执行原始生产设备的运行仿真。

如图3-6所示，该建模仿真方法包括以下步骤：

s1、生产设备3d模型的建立和动态仿真；

s2、生产设备与3d模型之间移载数据的比对；

s3、3d模型数据的修正和生产设备的故障显示；

s4、利用3d模型对生产设备的更新和升级进行模拟运行。

步骤s1还包括以下步骤：

t1、进行生产设备3d模型的建立；

t2、对3d模型进行三维坐标系的建立；

t3、对生产设备进行动态数据的采集；

t4、驱动3d模型进行生产设备的动态仿真；

t5、进行3d模型动态仿真移载标签的添加；

t6、对移载数据进行记录和存储；

步骤t1中，利用三维扫描仪对生产设备的三维数据进行扫描，并根据生产设备的三维数据，利用数字计算机对生产设备的3d模型进行建立，并将生产设备的参数输入3d模型中；步骤t2中，利用三维坐标建立单元对成型的生产设备3d模型进行三维坐标系(x,y,z)的建立；步骤t3中，利用智能传感器对生产设备工作过程中的位移量l和角度偏转量θ进行采集，作为3d模型位移量和角度偏转量的数据来源；步骤t4中，根据智能传感器所采集的动态数据，利用动态指令执行单元接收数字计算机的指令，并驱动3d模型的相关机械结构进行动态指令的执行，实现对生产设备的动态仿真；步骤t5中，根据3d模型的动态仿真以及接受的动态仿真操作指令，对3d模型机械结构移载前的坐标值(x始,y始,z始)和移载后的坐标值(x终,y终,z终)进行采集，并通过移载标签添加模块将坐标值变化的相关数据制作成标签添加在此次动态仿真操作中；步骤t6中，将一次动态仿真的动态仿真指令、移载起始坐标值(x,y,z)、周期次数g和移载时长t数据连通动态仿真操作一同打包存储进入存储数据库中。

步骤s2-s3中还包括以下步骤：

e1、对3d模型历史移载数据进行调取；

e2、对3d模型的当前动态指令进行识别并仿真；

e3、对3d模型的当前仿真移载数据进行采集；

e4、将3d模型当前移载数据与历史移载数据进行比对；

e5、对3d模型当前移载异常数据进行修正，并对生产设备移载故障点进行显示；

利用移载数据调取单元对存储数据库中存储的历史移载数据进行调取，移载数据调取单元所调取的历史移载数据为每一天中相同移载周期次数的历史移载数据，包括初始移载坐标数据和终止移载坐标数据，组成初始移载坐标数据集合p＝{p1,p2,p3,…,pn}，其中，终止移载坐标数据集合q＝{q1,q2,q3,…,qn}，其中，

根据公式：

其中，li表示每天第i周期内的机械结构的移载向量值；

根据公式：

其中，表示n个历史移载坐标向量值的平均值，l标表示移载坐标向量值变化阈值；

利用移载数据比对单元对当前移载的移载坐标数据指令进行识别，当前移载坐标数据指令的起始坐标为终止坐标为

根据公式：

其中，lk表示当前移载坐标向量值；

利用移载数据比对单元对当前移载坐标向量值与移载坐标向量值变化阈值进行对比；

当表示当前移载坐标向量值符合设定的阈值标准，不需要对3d模型进行数据修正，也不需要对生产设备进行检修；

当表示当前移载坐标向量值不符合设定的阈值标准，通过模型数据修正单元对3d模型进行数据修正，通过故障坐标显示单元对生产设备的故障坐标位置进行显示。

步骤s4还包括以下步骤：

p1、对当前3d模型进行悬挂处理；

p2、对当前悬挂的3d模型进行更新和升级参数修改；

p3、进行历史移载数据的调取，进行模拟运行；

p4、根据模拟运行的效果对相关更新和升级数据进行调整；

p5、将悬挂的生产设备3d模型恢复至原始状态；

利用模型悬挂单元对当前3d模型进行悬挂，即对当前3d模型单独取出，避免在利用3d模型对生产设备进行更新和升级的过程中，对原始3d模型造成参数上的影响，利用模型修改单元对需要对生产设备进行更新和升级的数据进行修改，即对生产设备3d模型进行零件的添加、升级或删减，通过模拟运行单元从存储数据中进行历史移载数据的调取，并将调取的历史移载数据导入悬挂起的3d模型中，对更新和升级之后的3d模型进行模拟运行，当模拟运行出现错误时，利用数据修改单元对更新和升级的相关参数数据进行再次的修改，直至模拟运行符合要求，利用模型恢复单元将悬挂起的3d模型恢复至原始状态，并对更新和升级过程中的相关数据进行记录。

实施例一：

利用移载数据调取单元对存储数据库中存储的历史移载数据进行调取，移载数据调取单元所调取的历史移载数据为每一天中相同移载周期次数的历史移载数据，包括初始移载坐标数据和终止移载坐标数据，组成初始移载坐标数据集合p＝{p1,p2,p3,…,pn}，其中，终止移载坐标数据集合q＝{q1,q2,q3,…,qn}，其中，

根据公式：

…

其中，li表示每天第i周期内的机械结构的移载向量值；

根据公式：

其中，表示n个历史移载坐标向量值的平均值，l标＝325.50±1表示移载坐标向量值变化阈值；

利用移载数据比对单元对当前移载的移载坐标数据指令进行识别，当前移载坐标数据指令的起始坐标为终止坐标为

根据公式：

当lk＝324.97∈(324.5，326.5)，表示当前移载坐标向量值符合设定的阈值标准，不需要对3d模型进行数据修正，也不需要对生产设备进行检修。

实施例二：

利用移载数据调取单元对存储数据库中存储的历史移载数据进行调取，移载数据调取单元所调取的历史移载数据为每一天中相同移载周期次数的历史移载数据，包括初始移载坐标数据和终止移载坐标数据，组成初始移载坐标数据集合p＝{p1,p2,p3,…,pn}，其中，终止移载坐标数据集合q＝{q1,q2,q3,…,qn}，其中，

根据公式：

…

其中，li表示每天第i周期内的机械结构的移载向量值；

根据公式：

其中，表示n个历史移载坐标向量值的平均值，l标＝325.50±1表示移载坐标向量值变化阈值；

利用移载数据比对单元对当前移载的移载坐标数据指令进行识别，当前移载坐标数据指令的起始坐标为终止坐标为

根据公式：

当表示当前移载坐标向量值不符合设定的阈值标准，通过模型数据修正单元对3d模型进行数据修正，通过故障坐标显示单元对生产设备的起始坐标终止坐标进行显示。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。