基于多层次结构模型的3D工业数字孪生体的构建方法与流程

基于多层次结构模型的3d工业数字孪生体的构建方法
技术领域
1.本发明涉及3d工业数字孪生系统，具体涉及一种基于多层次结构模型的3d工业数字孪生体的构建方法。


背景技术：

2.现有3d工业数字孪生系统是基于3d引擎来开发的，开发时需要从3d建模开始-3d模型展uv、制作贴图材质-导入unity及导入设置-位置摆放-孪生体对象需求设置-目标对象模型算法开发等；且3d工业数字孪生系统定制化程度高，导致复用程度低，开发效率低，进而导致3d工业数字孪生系统落地难度高。


技术实现要素：

3.有鉴于此，有必要提供一种适用性广、复用程度高、开发效率高，且对技术要求较低的基于多层次结构模型的3d工业数字孪生体的构建方法。
4.基于多层次结构模型的3d工业数字孪生体的构建方法，包括服务器，还设有3d工业数字孪生体，3d工业数字孪生体由低到高依次设有3d网络模型、孪生体机理模型、数据驱动模型，实现3d工业数字孪生体的多态性和扩展性，且采用参数化模式及组件挂载形式构建3d工业数字孪生体；本发明步骤如下：s1：依据孪生体3d轮廓特征需求，依次设计3d网络模块、孪生体机理模型、数据驱动模型；s2：3d网络模块先后完成多模块组装为基础的3d网格对象模型，以及参数化配置3d网格模型，实现网格模型之间根据需求可进行组合；s3：孪生体机理模型根据孪生机理特征，将机理模型进行参数化配置及组合，构建成孪生体机理模型组；s4：数据驱动模型根据需求可由多个数据驱动模型组合形成新的数据驱动算法模型；s5：根据需求将3d网络模块、孪生体机理模型、数据驱动模型组合搭配，构建孪生体单位，且通过孪生体单位组合成为新的孪生体。
5.进一步地，3d网络模型采用通用性及组件化3d网格方式构建，3d网络模型设有参数化动态配置的3d网格、匹配贴图及材质的素材库，所述参数化动态配置的3d网格设有3d孪体网格位置、尺寸、朝向，所述匹配贴图及材质的素材库设有材质类型、光滑度、金属性、表面细节；匹配贴图及材质的素材库采用通用3ds max进行基础素材制作。
6.进一步地，3d网格采用参数化系数，通过位置、缩放比例、朝向的数字变化共同构成新的外形轮廓，并构建编辑周期管理工具，用于参数化部署配置，以及运行时参数化生成。
7.进一步地，孪生体机理模型采用类型机理模型或类型机理模块方式构建，孪生体机理模型设有状态机理、物理机理、化学机理、图形几何机理、驱动逻辑机理。
8.进一步地，状态机理、物理机理、化学机理、图形几何机理、驱动逻辑机理通过参数化配置实现对同类或相近机理特征的区域覆盖，由若干个机理模块共同构成孪生体机理模型。
9.进一步地，数据驱动模型采用模型模块或服务功能方式构建，数据驱动模型设有基础对象模型、状态管理模型、驱动模型、监测模型、诊断模型、预测模型、决策模型、执行模型，基础对象模型、状态管理模型、驱动模型、监测模型、诊断模型、预测模型、决策模型、执行模型采用若干模块拼接组合或若干层级嵌套方式构建数据驱动模型，且采用通用性数据接口。
10.相对现有技术，本发明的有益效果为，一是通过参数化配置及多层次组装的方式提高在3d引擎中开发制作3d工业数字孪生系统或应用建设过程中数字孪生体对象的复用程度，提高工业数字孪生系统建设生产效率，并降低对开发人员的专业性要求；二是通过在孪生体对象库（目录）选择孪生体对象进行配置的方式，在孪生工厂中可实现孪生体类型专业化效果，对比常规模式下孪生体构建模式极大降低了构建复查度，同时也降低了孪生体构建流程中对开发人员专业素质的要求，从而降低了工业数字孪生工厂开发建设从业人员的门槛；三是对比现有常规工业数字孪生工厂建设流程中每次重复构建设备孪生体且同类不同规格设备分开建设的方式，构建一次多层次多层次结构模型的3d工业数字孪生体可实现同类不同规格孪生设备的多次复用；四是作为基础素材资产，多层次多层次结构模型的3d工业数字孪生体资产可在相同的开发平台的不同项目间重复使用，重复使用次数越高，效率提升越明显，同时可在复用过程中对孪生体对象进行迭代优化，实现孪生体对象的更新进化；五是多层次多层次结构模型的3d工业数字孪生体在孪生体构建过程中采用统一规范数据接口，在后续开发过程中可一定程度提高孪生工厂与物理工厂孪生连接匹配的效率；六是通过工具脚本实现孪生工厂内孪生体对象的工厂化组装及配置，提高孪生工厂的兼容性。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
12.图1是本发明实施例的基于多层次结构模型的3d工业数字孪生体的构建方法示意图。
具体实施方式
13.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式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方式。基于本发明中的实施方式，
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方式，都属于本发明保护的范围。
14.在本技术中所使用的，术语“部件”、“系统”、“平台”、“层”、“控制器”、“终端”、“站”、“节点”、“接口”旨在指代计算机相关实体、或与具有一个或更多个特定功能的操作设备相关的或作为该操作设备的一部分的实体，其中，这样的实体可以是硬件、硬件和软件的组合、软件、或执行中的软件。例如，部件可以是但不限于：在处理器上运行的进程、处理器、硬盘驱动器、包括附加固态存储驱动器(例如，螺丝拧紧或螺栓固定)或者可移除式附加固态存储驱动器的(光存储介质或磁存储介质的)多个存储驱动器；对象；可执行体；执行线程；计算机可执行程序；以及/或者计算机。作为例示，服务器上运行的应用以及服务器两者可以为部件。一个或更多个部件可以驻留在执行的进程和/或线程内，并且部件可以位于一个计算机上以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，本文所描述的部件可以从其上存储有各种数据结构的各种计算机可读存储介质来执行。部件可以经由本地和/或远程进程例如根据具有一个或更多个数据包的信号(例如，来自与本地系统、分布式系统中的另一部件和/或经由信号跨网络例如因特网与其他系统进行交互的一个部件的数据)进行通信。作为另一示例，部件可以是具有由下述电气或电子电路操作的机械部分提供的特定功能的设备，所述电气或电子电路由处理器执行的软件或固件应用来操作，其中，处理器可以在该设备的内部或外部并且执行软件或固件应用的至少一部分。作为又一示例，部件可以是通过没有机械部件的电子部件提供特定功能的设备，电子部件可以在其中包括处理器以执行至少部分提供电子部件的功能的软件或固件。作为又一示例，接口可以包括输入/输出(i/o)部件及其相关联的处理器、应用或应用程序接口(api)部件。虽然前述示例涉及部件的多个方面，但是所例示的方面或特征也适用于系统、平台、接口、层、控制器、终端等。
15.本文中所使用的术语“进行推断(infer)”和“推断(inference)”一般是指根据经由事件和/或数据捕获的一组观察结果来推理或推断系统、环境和/或用户的状态的过程。例如，可以采用推断来识别特定情境(context)或动作，或者可以采用推断来生成关于状态的概率分布。推断可以是概率性的，也就是说，基于数据和事件的考虑对所关注的状态的概率分布的计算。推断还可以指用于由一组事件和/或数据构成较高级别的事件所采用的技术。这样的推断导致由一组观察到的事件和/或所存储的事件数据构造出新事件或动作，而不管事件是否以紧密的时间接近度相关，以及事件和数据是否来自一个或若干个事件和数据源。
16.另外，术语“或”旨在意指包容性的“或”，而非排他性的“或”。也就是说，除非另外指明或者根据上下文是清楚的，否则短语“x采用a或b”旨在意指任何自然的包括性排列。也就是说，以下实例中的任何实例满足短语“x采用a或b”：x采用a；x采用b；或x采用a和b两者。另外，除非另有指定或者根据上下文是明显指的是单数形式，否则在本技术和所附权利要求书中所使用的冠词“一”和“一个”通常应当被解释为意指“一个或更多个”。
17.此外，文中采用的术语“集合”排除空集；例如，其中没有元素的集合。因此，主题公开内容中的“集合”包括一个或更多个元素或实体。作为说明，控制器的集合包括一个或更多个控制器；数据资源的集合包括一个或更多个数据资源；等。同样地，本文中利用的术语“组”指代一个或更多个实体的集合；例如，节点组指代一个或更多个节点。
18.将依据可以包括许多装置、部件、模块等的系统来呈现各个方面或特征。要理解和
认识到的是，各个系统可以包括另外的装置、部件、模块等，以及/或者各个系统可以不包括结合附图所讨论的全部装置、部件、模块等。也可以使用这些方法的组合。
19.工业控制器及其相关联的i/o装置是现代自动化系统的操作的中心。这些控制器与工厂车间(plant floor)的现场装置进行交互，以控制与如产品制造、材料处置、批量处理、监督控制以及其他这样的应用之类的这样的目的有关的自动化过程。工业控制器存储和执行用户定义的控制程序，以实现与受控过程有关的决策。这样的程序可以包括但不限于：梯形逻辑、顺序功能图、功能框图、结构化文本或其他这样的平台。
20.以下将结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。
21.请参阅图1，示出本发明的一种实施例，基于多层次结构模型的3d工业数字孪生体的构建方法，包括服务器，还设有3d工业数字孪生体，3d工业数字孪生体由低到高依次设有3d网络模型、孪生体机理模型、数据驱动模型，实现3d工业数字孪生体的多态性和扩展性，且采用参数化模式及组件挂载形式构建3d工业数字孪生体；3d工业数字孪生体的3d网络模型、孪生体机理模型、数据驱动模型作为不同功能定位的组件，可无明确的层次划分。
22.本发明步骤如下：s1：依据孪生体3d轮廓特征需求，依次设计3d网络模块、孪生体机理模型、数据驱动模型；s2：3d网络模块先后完成多模块组装为基础的3d网格对象模型，以及参数化配置3d网格模型，实现网格模型之间根据需求可进行组合；s3：孪生体机理模型根据孪生机理特征，将机理模型进行参数化配置及组合，构建成孪生体机理模型组；s4：数据驱动模型根据需求可由多个数据驱动模型组合形成新的数据驱动算法模型；s5：根据需求将3d网络模块、孪生体机理模型、数据驱动模型组合搭配，构建孪生体单位，且通过孪生体单位组合成为新的孪生体。
23.进一步地，作为本实施例的优选，3d网络模型采用通用性及组件化3d网格方式构建，3d网络模型设有参数化动态配置的3d网格、匹配贴图及材质的素材库，参数化动态配置的3d网格设有3d孪体网格位置、尺寸、朝向，匹配贴图及材质的素材库设有材质类型、光滑度、金属性、表面细节；匹配贴图及材质的素材库采用通用3ds max进行基础素材制作。
24.进一步地，作为本实施例的优选，3d网格采用参数化系数，通过位置、缩放比例、朝向的数字变化共同构成新的外形轮廓，并构建编辑周期管理工具，用于参数化部署配置，以及运行时参数化生成。
25.进一步地，作为本实施例的优选，孪生体机理模型采用类型机理模型或类型机理模块方式构建，孪生体机理模型设有状态机理、物理机理、化学机理、图形几何机理、驱动逻辑机理。
26.进一步地，作为本实施例的优选，状态机理、物理机理、化学机理、图形几何机理、驱动逻辑机理通过参数化配置实现对同类或相近机理特征的区域覆盖，由若干个机理模块共同构成孪生体机理模型。
27.进一步地，作为本实施例的优选，数据驱动模型采用模型模块或服务功能方式构建，数据驱动模型设有基础对象模型、状态管理模型、驱动模型、监测模型、诊断模型、预测
模型、决策模型、执行模型，基础对象模型、状态管理模型、驱动模型、监测模型、诊断模型、预测模型、决策模型、执行模型采用若干模块拼接组合或若干层级嵌套方式构建数据驱动模型，且采用通用性数据接口。
28.工作原理：本发明以可参数化配置管理的3d网格模型为基础实体，通过对机理模型模块、数据驱动模型模块及服务的组件化注册挂载，拥有相同实体与组件组合的孪生体视为同类孪生体对象。多层次结构模型3d工业数字孪生体，配套孪生体库系统进行管理，将多层次多层次结构模型的3d工业数字孪生体作为孪生体库或开发平台基础素材资产，支持不限次数的复用。
29.需要说明的是，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的创造精神，本领域技术人员还可以做出其他变化，这些依据本发明的创造精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。