一种基于私有云平台的柔性生产线数字孪生系统

本发明涉及数字化智能制造领域，特别是涉及一种基于私有云平台的柔性生产线数字孪生系统。

背景技术：

1、智能制造是一个大概念，其内涵随着新型信息技术和制造技术的发展和融合不断演进。从系统构成的角度分析，智能制造系统是由人、信息系统和物理系统协同集成的人-信息-物理系统（human-cyber-physical systems, hcps）。智能制造的根本目标是在提升生产效率的同时，增强制造系统的市场适应性，提供更多个性化、定制化产品。

2、传统制造系统在融合越来越多的信息和通信技术（information andcommunication technologies，ict）过程中，逐步实现数字化并向智能化方向转变。大数据、工业4.0体系、物联网（internet of things，iot）、云计算、信息物理系统（cyber-physical system，cps）、数字孪生（digital twin，dt）以及新一代人工智能技术等新型信息技术层出不穷，从根本上开始转变制造系统的生产模式、工艺甚至理念。

3、数字孪生技术作为实现信息物理融合的核心技术，已应用到工业生产的不同领域中。数字孪生技术能满足仿真、控制、预测、优化等智能制造的核心应用需求，其中连接与交互是实现数字孪生虚实结合高效融合的核心关键。

4、目前数字孪生技术受到各行各业的广泛关注，相关研究也展开较多。公开号为cn109343496a公开了应用于工业生产的数字孪生系统及其形成方法，该方法公开所述的应用于工业生产的数字孪生系统基于工业化的智能生产系统而设置，包括依次连接的物理实体层、数据采集层、数字孪生及其信息模型层、过程优化层，且过程优化层还通过反馈控制连接物理实体层，形成闭环。

5、公开号为cn113110328a公开了一种基于数字孪生技术的生产过程全周期智慧车间系统及解决方法，该方法公开设计规划模块与虚实同步模块。所述设计规划模块，在虚拟组件设计模块中搭建自动化车间数字孪生体所需的虚拟组件，根据实际生产需求进行工艺设计，布置自动化产线，并对产线规划效果和控制程序进行验证。

6、以上方法虽然公开了数字孪生系统的框架和数据同步方法，但是缺失了数字孪生系统在实际应用中hcps如何从“感知-通信-映射-联动-融合”五个方面实现连接交互，也缺少如何应用先进传感技术实时整合人、生产线和信息三个要素的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于私有云平台的柔性生产线数字孪生系统，可从“感知-通信-映射-联动-融合”五个方面实现连接交互，同时具备个性化的柔性生产的数字孪生能力。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案。

3、一种基于私有云平台的柔性生产线数字孪生系统，所述柔性生产线数字孪生系统包括：私有云平台；所述私有云平台包括控制集群系统、分布式存储系统和计算节点系统；所述分布式存储系统与所述控制集群系统通过sdn网络连接，所述控制集群系统与所述计算节点系统通过sdn网络连接，所述计算节点系统与所述分布式存储系统通过sdn网络连接；所述计算节点系统用于通过部署虚拟机的方式实现柔性生产线数字孪生功能；所述控制集群系统用于监测分布式存储系统、计算节点系统和sdn网络；所述分布式存储系统用于进行数据存储。

4、可选的，所述控制集群系统包括至少三台第一计算机；所述分布式存储系统包括至少三台第二计算机；所述计算节点系统包括至少两台第三计算机。

5、可选的，所述第一计算机中安装有存储监视软件、网络监视软件和计算节点监视软件。

6、可选的，sdn网络通过至少两台互为主备的交换机进行数据交互。

7、可选的，所述计算节点系统包括多个计算节点；多个所述计算节点通过共享存储空间的方式进行多个计算节点之间的无缝切换；每个所述计算节点均包括：对外服务模块、接口模块、应用模块、nosql数据库集群和数据总线模块；所述对外服务模块包括：api虚拟机、web前端虚拟机和产线控制接口虚拟机；所述接口模块包括：传感接口虚拟机、视频接口虚拟机和机器人接口虚拟机；所述应用模块包括多个用于数据分析和处理的应用虚拟机；所述nosql数据库集群包括至少3个互为备份的nosql数据库；所述数据总线模块包括多个总线虚拟机。

8、可选的，所述计算节点系统还包括：机器人数据总线网络、视频监控网络、产线传感器网络、外部api网络、前端虚拟机网络、产线控制虚拟机网络和数据分析虚拟机网络；所述机器人数据总线网络、所述视频监控网络和所述产线传感器网络分别与所述机器人接口虚拟机、所述视频接口虚拟机和所述传感接口虚拟机连接；所述外部api网络、所述前端虚拟机网络和所述产线控制虚拟机网络分别与所述api虚拟机、所述web前端虚拟机和所述产线控制接口虚拟机连接；所述数据分析虚拟机网络与所述应用虚拟机连接；所述api虚拟机、所述web前端虚拟机和所述产线控制接口虚拟机、所述传感接口虚拟机、所述视频接口虚拟机、所述机器人接口虚拟机和所述应用虚拟机均与所述数据总线模块连接；数据总线模块与nosql数据库集群连接。

9、可选的，机器人数据总线网络、视频监控网络、产线传感器网络、外部api网络、前端虚拟机网络和产线控制虚拟机网络为物理网络，均与交换机上对应配置的物理端口连接，数据分析虚拟机网络通过sdn网络配置。

10、可选的，柔性生产线数字孪生功能的实现步骤包括：获取柔性生产线场景内的机器人传感数据、视频流数据和产线传感数据；利用传感器数据融合技术对所述机器人传感数据和所述视频流数据进行映射，获得整体点云数据；将所述整体点云数据输入至自训练的pointnet深度神经网络，识别机器人位置和可移动设备位置；将所述整体点云数据输入至预训练的人员识别深度神经网络，识别人员位置；将产线传感数据输入至数字孪生模型中，进行产线状态模拟。

11、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果。

12、一种基于私有云平台的柔性生产线数字孪生系统，所述柔性生产线数字孪生系统包括：私有云平台；所述私有云平台包括控制集群系统、分布式存储系统和计算节点系统；所述分布式存储系统与所述控制集群系统通过sdn网络连接，所述控制集群系统与所述计算节点系统通过sdn网络连接，所述计算节点系统与所述分布式存储系统通过sdn网络连接；所述计算节点系统用于通过部署虚拟机的方式实现柔性生产线数字孪生功能；所述控制集群系统用于监测分布式存储系统、计算节点系统和sdn网络；所述分布式存储系统用于进行数据存储。本发明实施例的柔性生产线数字孪生系统具备基于私有云平台技术的数据收集接口功能、集群化可扩展总线功能、集群化nosql数据库功能、对外服务功能和智能制造应用功能等，在分层分区信息安全理念的网络架构的基础上，应用sdn技术减少硬件投入，本发明从实际角度出发，提出了一种柔性生产线数字孪生系统，加强生产线柔性、适应能力，提升生产线的定制化能力，同时为智能制造应用提供了坚实的数据基础，并通过人-物理-信息空间映射系统实现了智能制造核心元素（感知、通信、映射、联动、融合）的相互关联，同时具备个性化的柔性生产的数字孪生能力。