一种云边协同工厂数字孪生监控建模系统和建模方法与流程

1.本发明涉及数字孪生监控技术领域，具体为一种云边协同工厂数字孪生监控建模系统和建模方法。


背景技术：

2.数字孪生是充分利用物理模型、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，数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统，数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多，在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造领域。
3.数字孪生技术被广泛应用于工厂的虚拟生产车间，数字孪生技术具有模型可视、逻辑可控和数据协同的虚实交互协同特点，其在工业制造和虚拟生产场景应用广泛，这些应用的共同目标之一是实现制造物理世界和虚拟信息世界的互联互通，实现虚拟世界对物理世界的智能化监控，现有的工厂采用定制化开发数字孪生监控的系统，数字孪生监控建模系统应用于特定的场景中，基于数字孪生对物理空间的整个加工过程进行实时监控，及时更新相关生产信息并反映至可视化管理视图中，同时通过数字孪生虚拟模型及时制定修正后的调度计划，从而提高工厂生产效率。
4.目前采用的数字孪生建模系统和监控方法工厂进行数字孪生监控的系统开发大多数是定制化开发，都是固定无法更改的，数字孪生监控建模系统只能应用于特定的场景或特定的工厂中；当工厂的设备更换或者位置移动等这些静态数据发生变化时，需要人工手动重新对数字孪生监控建模系统修改，从而影响工厂生产效率。


技术实现要素：

5.本发明提供了如下技术方案：一种云边协同工厂数字孪生监控建模系统，包括：云系统，所述云系统包括同步模块、实物建模模块、拓扑构建模块、数字孪生建模模块和上传模块；边系统，所述边系统包括边缘设备模块。
6.作为本发明的一种优选实时方案，所述实物建模模块用于创建工业现场每个实物的数字孪生实物模型，所述数字孪生实物模型具有与实物虚实交互的数据接口。
7.作为本发明的一种优选实时方案，所述拓扑构建模块用于根据整个工业现场各类实物功能模型的数量、拓扑关系和数据传输功能，构建描述整个工业现场各类实物拓扑关系和功能定义的拓扑模型，并将所述数字孪生实物模型与拓扑模型中的实物关联。
8.作为本发明的一种优选实时方案，所述同步模块用于根据拓扑模型构建工业现场物理实体的数据交互逻辑，将数据交互逻辑发送到边系统，使边系统只在本地运行接收到
的数据交互逻辑，对与之相连的工业现场的各类物联网设备的数据进行采集，并将采集到的物理实体数据反馈至同步模块处理生成与物理实体相关的业务数据。
9.作为本发明的一种优选实时方案，所述数据交互逻辑包括工业现场物理设备的包括连接、数据获取和数据处理在内的各项业务逻辑，以及与云边协同模块进行数据交互的通信逻辑。
10.作为本发明的一种优选实时方案，所述数字孪生建模模块用于与拓扑模型保持同步，根据拓扑模型加载和编辑所需数字孪生实物模型，并将编辑好的数字孪生实物模型的数据接口与同步模块中对应的业务数据绑定。
11.作为本发明的一种优选实时方案，所述边缘设备模块运行数据交互逻辑，采集工业现场数据，将数据上报至同步模块。
12.本发明还公开了一种云边协同工厂数字孪生监控建模系统及方法，具体包括下列步骤：s1，为工业现场的实物创建数字孪生实物模型；s2，为工业现场的物理实体创建数学模型，关联形成拓扑模型，将拓扑模型中的节点与数字孪生实物模型关联；s3，边缘设备模块运行数据交互逻辑，采集工业现场数据，将数据上报至同步模块；s4，根据拓扑模型，配置边缘设备模块的数据交互逻辑，与边缘设备通信，获取工业现场实物的数据，对工作现场实物数据进行处理，与拓扑模型中节点关联；s5，根据拓扑模型，将数字孪生实物模型加载到数字孪生体中，编辑数字孪生实物模型，与工业现场虚实映射，将处理后的实物数据与数字孪生实物模型绑定，生成的数字孪生模型。
13.s6，将生成的数字孪生模型上传。
14.本技术中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本技术实施例通过为工业现场的实物创建数字孪生实物模型及数学模型，关联形成拓扑模型，将节点与数字孪生实物模型关联，同时边缘设备模块运行数据交互逻辑，通过拓扑模型与工业现场虚实映射，生成的数字孪生模型，解决数字孪生监控建模系统只能应用于特定的场景，工厂设备更换或者位置移动等静态数据发生变化时，需要人工手动重新对数字孪生监控建模系统修改，从而影响工厂生产效率的技术问题。
15.上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本技术实施例提供了一种云边协同工厂数字孪生监控建模系统的结构框
图。
18.图2为本技术实施例提供了一种云边协同工厂数字孪生监控建模方法的流程示意图。
具体实施方式
19.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。
20.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
22.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
23.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.如图1-2所示，本技术提供了一种云边协同工厂数字孪生监控建模系统和建模方法，通过为工业现场的实物创建数字孪生实物模型及数学模型，关联形成拓扑模型，将节点与数字孪生实物模型关联，同时边缘设备模块运行数据交互逻辑，通过拓扑模型与工业现场虚实映射，生成的数字孪生模型，解决数字孪生监控建模系统只能应用于特定的场景，工厂设备更换或者位置移动等静态数据发生变化时，需要人工手动重新对数字孪生监控建模系统修改，从而影响工厂生产效率的技术问题，具体的，包括：如图1所示，本技术提供了一种云边协同工厂数字孪生监控建模系统，包括：云系统，所述云系统包括同步模块、实物建模模块、拓扑构建模块、数字孪生建模模块和上传模块；边系统，所述边系统包括边缘设备模块。
25.在本实施例中，实物建模模块为进行数字孪生实物建模的功能模块或组件，可以是能够进行三维数字孪生建模的软件或应用，实物建模模块用于对物理实体进行数字孪生模型的建模，并在模型中添加与物理实体虚实交互的数据接口，实物模型通过数据接口传递的数据驱动运行相应的动作，或者产生相应的信息。
26.在本实施例中，拓扑构建模块包括实物构建单元和模型关联单元，实物构建单元用于根据工业现场物理实体的数量、种类，以及实物支持传输的数据、状态、事件等，为每一种物理实体创建数字化语义化描述的实体功能模型，再根据物理实体的关联关系、所属关系、连接关系等进一步构建出描述整个工业现场各类实物拓扑关系的树状拓扑模型，模型关联单元用于将数字孪生实物模型与拓扑模型中的实物关联，同类实物关联相同的数字孪生实物模型，不同的实物关联不同的数字孪生实物模型，这里的同类，是指功能相同、物理外观相同或相近的同一类型实体的统称，如同一型号不同序列号的多个传感器为同类实物，它们关联同一个数字孪生实物模型，最终拓扑模型中的每一个节点都唯一关联到一个数字孪生单体模型，当工厂中的某一类型节点有多个时，拓扑模型中的节点与数字孪生实物模型呈多对一关联关系。
27.在本实施例中，同步模块包括配置单元、通信单元、处理单元，配置单元用于根据拓扑模型构建工业现场物理实体的数据交互逻辑，是云端系统中的可视化配置页面，包含各类数据获取、处理的功能单元，通过将功能单元进行连接配置和参数配置后，形成应用于边缘设备的数据交互逻辑，通信单元用于与边缘设备通信，将数据交互逻辑发送到边缘设备，并接收边缘设备发送的物理实体数据，实现边缘设备与云系统的数据交互，处理单元用于对接收到的数据进行分析、处理，生成与物理实体相关的业务数据，处理单元从接收到的原始数据中，根据拓扑模型描述的实体功能模型和解析规则，筛选出实物相关的数据后将原始数据进行处理，生成业务数据，这些业务数据能够直接应用于云系统的其它单元中。
28.在本实施例中，数字孪生建模模块包括更新单元和编辑单元，更新单元用于与拓扑构建模块实现工业现场拓扑模型的同步，更新单元根据拓扑模型中各个实物关联的数字孪生实物模型信息，将所需数字孪生实物模型加载到数字孪生建模模块中，编辑单元用于根据拓扑模型对数字孪生实物模型的空间位置、旋转、缩放进行编辑，可选的模型编辑单元是基于网页的编辑器页面，提供拓扑模型与实物模型的关联预览功能，提供对实物模型进行三维编辑的功能。
29.在本实施例中，边缘设备模块是与搭载在边系统上的部署在工业现场的具有一定运算和存储能力的设备或硬件一一对应，用户能够通过边缘设备连接工业现场的各类物联网设备获取数据，并连接云系统上传数据，也能够接收云系统下发的控制命令等，边缘设备包括但不限于工业网关、工控机。
30.如图2所示，本发明还公开了一种云边协同工厂数字孪生监控建模方法，具体包括下列步骤：s1，为工业现场的实物创建数字孪生实物模型；s2，为工业现场的物理实体创建数学模型，关联形成拓扑模型，将拓扑模型中的节点与数字孪生实物模型关联；s3，边缘设备模块运行数据交互逻辑，采集工业现场数据，将数据上报至同步模块；
s4，根据拓扑模型，配置边缘设备模块的数据交互逻辑，与边缘设备通信，获取工业现场实物的数据，对工作现场实物数据进行处理，与拓扑模型中节点关联；s5，根据拓扑模型，将数字孪生实物模型加载到数字孪生体中，编辑数字孪生实物模型，与工业现场虚实映射，将处理后的实物数据与数字孪生实物模型绑定，生成的数字孪生模型。
31.s6，将生成的数字孪生模型上传。
32.通过上传模块将生成的数字孪生监控建模模型上传到显示网页中，显示网页也可以在移动端通过联网查看，在显示网页中可以实时查看数字孪生模型的运行状态，包括模型的动作、实时数据、异常提醒等，并忠实反映工业现场的实际情况，通过点击数字孪生模型中的物理实体，可以查看相应物理实体的实时数据信息和故障信息等。
33.尽管结合具体特征及其实施例对本技术进行了描述，显而易见的，在不脱离本技术的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是本技术的示例性说明，且视为已覆盖本技术范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术及其等同技术的范围之内，则本技术意图包括这些改动和变型在内。