一种面向数字孪生机加车间的全要素智能感知实现方法

本发明涉及工程计算机，具体是一种面向数字孪生机加车间的全要素智能感知实现方法。

背景技术：

1、数字孪生技术在机械工程领域中的广泛应用，为机加行业的数字化、绿色化、智能化转型提供了新视角，其中虚拟世界能够智能感知物理世界的动态信息成为数字孪生机加车间建设的首要攻关技术，具体包括全要素信息建模、异构协议自适应识别、边缘侧数据处理以及系统集成。

2、对于全要素信息建模，车间各元素的信息交互方式不统一、系统间的信息传递不畅等原因，导致信息孤岛现象，因此，完善的信息建模是实现感知物理世界的基石；对于异构协议自适应识别，企业往往在满足自身生产需求的前提下采购来源于不同制造商的产品，致使各类机加设备对外开放的通信协议大相径庭，并且部分数据源需加装各类传感器获取，那么虚拟空间如何智能地接入各类通信协议，实现异构协议的自适应识别与匹配是智能感知的先决条件；对于边缘侧数据处理，传统方法中将海量、高维、低价值密度的数据直接传入数字孪生系统进行计算，从而因高带宽的数据传输、高内存的数据计算等因素导致感知时延大幅增加，因此研究数据边缘处理的方法是智能感知的时效保障；对于系统集成，将发明的技术方法进行有效封装，并部署至适配的硬件环境中，形成一套为数字孪生技术服务的成套系统，是数字孪生技术在工程应用层面的期盼。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向数字孪生机加车间的全要素智能感知实现方法，以解决因信息交互低效、通信协议复杂多样、数据感知质量低等因素造成的机加车间数字化感知能力薄弱问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种面向数字孪生机加车间的全要素智能感知实现方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：进行面向数字孪生机加车间的需求分析与总结归纳，建立全要素的车间数据模型，并定义模型对外交互接口；

5、步骤s2：针对车间中不同元素内嵌的异构通信协议，制定协议自适应识别与匹配机制，建立起元素与上位机之间点对点的通信链路；

6、步骤s3：通过轻量级大数据处理算法对采集到的多源异构数据进行初步处理，得到低冗余和高价值度的数据，处理后的数据打包成两份，一份存储至数据库，另一份传输至下一计算单元；

7、步骤s4：进行软件和硬件一体化封装。

8、在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：

9、在一种可选方案中：所述步骤s1的具体步骤如下：

10、步骤s1-1：以数字孪生机加车间的用户需求为导向，总结归纳需要感知的数据源，按照“主对象-子对象-数据点位-数据类型”的归纳格式生成数据需求列表；

11、步骤s1-2：车间内各类元素通过统一标准化的框架构建对应的信息模型；

12、步骤s1-3：考虑数字化车间内已存在的多元数字化系统，为上述构建好的信息模型定义多形式的数据交互接口，实现信息模型的通用性、可协作性，避免产生信息孤岛。

13、在一种可选方案中：在所述步骤s1-2中，信息模型包括设备资源、环境资源、物料资源、业务资源、人力资源五大块的信息模型，并且构建子元素与子元素之间、子元素与主元素、主元素与主元素之间的逻辑关系模型，实现不同资源模块之间的关联关系表述。

14、在一种可选方案中：所述步骤s2的具体实现如下：

15、步骤s2-1：机加车间内的通信模式分为工业以太网、工业串行以及无线三种模式，通过解析感知对象的类别、厂家和型号，并进行初步识别，将其支持的通信协议锁定至三种模式中的其中一种或者多种，若未识别成功，则告知用户此对象未开通通信接口；

16、步骤s2-2：通过网络探索器以识别到的通信模式进行通信协议的测试，解析感知对象反馈的报文，根据报文头的特征匹配通信协议，若匹配失败，则重新导入该物理对象的通信动态链接库，若匹配成功，加载通信参数，建立起数字孪生系统与物理对象的通信链路。

17、在一种可选方案中：在所述步骤s2-2中，通信参数包括通信地址、端口号和串口信息。

18、在一种可选方案中：所述步骤s3的具体实现如下：

19、步骤s3-1：根据不同物理对象的数据特征构建多类别、多维度的数据处理模型；

20、步骤s3-2：将通用型、简易型算法添加至大数据处理算法库中，并以“标识-类-属性-算法包”的形式进行存储；

21、步骤s3-3：将基于步骤s2采集到的数据源作为数据处理模型的输入，同时在算法库中匹配对应的大数据算法，完成对海量、高维、低价值密度数据的多维度处理，并将处理完成的数据以时序形式打包两份；

22、步骤s3-4：一份数据包按照逻辑关系存储至关系型数据库，另一份数据包通过发布/订阅式传输至下一计算单元。

23、在一种可选方案中：在所述步骤s3-1中，多类别表现为结构化数据处理、非结构化处理、流数据处理和间歇记录数据处理类型；多维度处理表现为数据的去噪声、补缺失和平滑处理。

24、在一种可选方案中：在所述步骤s4中，软件部分包括信息模型存储单元、工业协议识别与匹配单元、边缘计算单元以及支撑上述单元运行的操作系统；硬件部分包括系统主板的选型和传输媒介的选型。

25、相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

26、1、本发明有效提高了车间各要素信息的交互效率。大部分制造企业内的软件系统来自于不同的软件开发商，各系统之间独立开发、互不干涉，导致系统与车间内各要素的感知信息频繁交互，且交互内容重复性强，传统的感知系统将数据采集上来存储至数据库中，各大车间系统在数据库中各取所需，这虽然减少了系统与设备之间的交互频率，但是增加了系统与数据库之间的交互，并且由于缺少具备关联关系的数据模型，无法有效缓解信息交互内容的重复性问题；本发明通过构建全要素、强逻辑关联的数据模型，且开发适配车间各级系统的数据交互接口，解决了信息交互方式不统一、系统间的信息传递不畅等现象。

27、2、本发明在一定程度上提升了智能连接能力。大部分机加车间内涉及的机加设备、传感设备、物流设备、仓储设备、物料检测设备等品型多样，存在数十种甚至几十种的通信协议，传统感知系统通过研发者事先现场采样，记录各设备的通信协议，再将其导入系统中，不具备通用性和智能性；本发明通过工业协议自适应识别机制自动判别待联网的设备协议，并自主加载通过协议库中匹配正确的协议包，实现联网设备的智能连接与载入。

28、3、本发明减少数据传输带宽，提升数据质量。一般情况下，架构师习惯将数字孪生计算单元放至云服务器中，通过工业无线感知底层数据源，这将导致海量、高维、低价值密度的数据在同一帧中涌入传输信道，造成信道堵塞与传输延迟，传统方法通过拓宽网络传输信道或者在工业现场部署私有云的方式试图解决传输时延问题，但当车间资源达到tb级别时，通过提升通信能力进而提升传输时延需要付出高成本的代价；本发明通过构建基于边缘计算的数据初处理方法实现数据源先优化再输出，一方面通过数据清洗、过滤可以有效降低数据容量，另一方面通过数据补缺失、平滑处理可以提升数据可利用率，进而大大提升了数据传输效率和后续计算单元的计算效率。