一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法技术

本发明专利技术公开了一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，建立设备的OPC UA信息模型；生成OPC Server，并调用相应的OPC Client解析设备的传输协议与数据格式，统一为OPC UA协议与OPC Binary/XML的数据格式；然后建立设备的数字孪生模型，配置虚实设备单的协变数据结点；监听节点变化并调用相应的回调函数，将数据发布至数据中间件，由孪生模型中对应的数据结点订阅数据，实现虚实设备的同步运行。本发明专利技术基于的发布订阅模式实现，耦合性低，节省了大量的I/O操作，数据实时性强。

【技术实现步骤摘要】
一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法
本专利技术属于智能制造与数字化
，具体涉及一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法。
技术介绍
数字孪生技术是智能制造领域的一项新兴技术，主要用于实现制造物理世界与信息世界的交互与共融，在航空航天、汽车制造、仿真测试等场景有着重要的作用。数字孪生技术有以下几个方面的应用需求：(1)数字孪生体的建模；(2)物理世界与信息世界的融合；(3)物理世界与虚拟世界的同步运行；(4)基于信息物理融合的服务应用。目前大多数研究将数字孪生作为一个提供运行与仿真的平台，而实现仿真的方式主要是先验式的，即在运行前对产品进行先验仿真进行效果评估，而缺少基于实时信息的决策方式。同时，基于设备的运动仿真多为基于历史数据的仿真，而基于实时数据的仿真目前较少。其关键在于没有实现孪生模型与物理设备之间的虚实同步。而实现物理设备与孪生模型的虚实同步主要有以下方面的困难：(1)设备由于生产厂商，数据传输标准等不同，会使用不同的数据传输协议，同时定义不同的数据格式用于传输，导致传输协议的复杂化，传输数据的异构化，从而使多物理设备的数据集成愈发困难；(2)由于需要建立物理设备与孪生模型的同步运行，必须保证数据的实时性，而其中需要产生大量的IO操作，而采用传统的关系型数据库，则会降低数据的实时性；(3)缺少一个可靠的信息模型，实现孪生模型与物理设备的数据结点映射。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，实现孪生模型与物理设备之间的数据互通与同步运行。本专利技术采用以下技术方案：一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，包括以下步骤：S1、根据物理设备的工程参数、当前工况以及虚实结点映射关系建立OPCUA信息模型；S2、基于步骤S1中的信息模型，使用opcua-modeler将设备信息模型导出为XML文件，解析XML文件，反序列化生成结点集，生成一个OPCUA地址空间以集成数据结点；S3、启动Web应用，生成OPCClient实例，用于实现数据的读、写与发布/订阅功能；S4、定义数据协议标准化模块，实现设备传输协议到OPCUA的转换，统一数据格式，实现生产环境中的多协议解析与多源异构数据的标准化；S5、基于物理设备的运动特征与尺寸外形，建立其对应的数字孪生体，以映射物理设备的运动轨迹和内部机理；S6、基于一个数据中间件Redis，建立物理设备和孪生模型的数据联结；S7、基于步骤S5定义的孪生模型、步骤S1定义的OPCUA信息模型和步骤S6采用的Redis中间件定义物理模型与孪生模型的协变数据结点；S8、物理设备向Redis发布机器臂转轴的运动数据，基于发布/订阅模式，实现物理设备到孪生模型的数据推送，孪生模型根据接收到的订阅数据，更新运动状态，实现物理设备与孪生模型的同步运行。具体的，步骤S1中，首先分析数据结点间的关联关系，用相应的语义箭头连接；基于OPCUA的Alarm&Event功能，分析设备运行过程中可能出现的警报与突发事件，建立数据与事件间的触发机制，并用语义箭头连接事件的源头结点与导向结点，实现事件触发关系的语义化；引入面向对象思想，抽象设备数据结点的共有属性，定义相应的类型结点，实现数据结点的复用。具体的，步骤S2中，使用JAXB工具解析官方的UANodeSet.xsd，生成OPCUA的内建类型结点对应的Java文件；结合获取的Java文件，为每一种OPCUA的基本结点类型定义对应的解析程序；导入NodeSet.xml文件，解析OPCUA信息模型，获取结点点集；在OPCUA中定义一个机器人专属的地址空间类RobotNamespace，以实现设备信息模型到OPCServer的集成，地址空间包含的信息包括：设备在OPCUA中的特定URI，服务器节点信息，设备结点信息，订阅管理；定义一个证书生成器，按照X509加密算法生成Server/Client验证证书；添加OPCServer的配置信息，加密OPC的Client/Server传输信道；启动Server。具体的，步骤S3中，Web应用以SpringBoot作为后台开发环境；读取证书生成器生成的Client证书文件，Client依据证书中所支持的服务器端点，查找匹配的Server，进行数据的读写操作；每个Client单独负责一项功能；可以只生成一个OPCClient用于读写设备数据，另一个OPCClient用于实现OPCUA的发布/订阅功能；或指定多个Client，为设备的某个部件数据的采集分配对应的OPCClien。具体的，步骤S4具体为：S401、机器臂的内部传感器与微处理器形成内部系统，采集机器臂的运动节点数据，以以太网的方式向外界传输数据；S402、机器臂以TCP传输协议，由上位机发送请求与机器臂内服务器交互获取数据，数据转发的格式为JSON；S403、依据服务请求的不同类别，返回的数据格式包括实时转动角数据和6轴的转动角速度，选择获取机器臂6轴的实时转动角；S404、解析获取到的JSON数据，提取6轴的转动角生数据；S405、对生数据进行包装，OPCUA接受Variant类型的实例作为写入对象，Variant可以将基本类型转换为OPCUA的内建类型，实现异构数据到OPCBinary的转换；S406、调用负责写入的OPCClient，将采集到的数据写入OPCServer中对应的数据结点里；S407、不同结点拥有不同且唯一的NodeId，OPCClient所有的读写、发布订阅操作都是基于结点特有的NodeId实现的；S408、调用负责读取的OPCClient，调用OPCUA定义的读取服务函数，输入结点的NodeId，读取对应的结点数据，OPCUA的数据在程序中以DataValue的形式封装，调用对应方法获取其内部的基本类型数据。具体的，步骤S5中，基于SolidWorks实现机器臂的建模，将机器臂的各个转动轴、基座模型解构，并将各个部件导出为VRML格式；将导出的VRML格式的运动部件粗糙化，降低部件表面的点云结点数量。具体的，步骤S7具体为：S701、在Webots中提供一个载物平台用于承载机器臂模型；S702、将VRML格式的部件逐个导入Webots中，按照原本的设备外形进行组装，组装的过程中，各个设备的交界处设置连接的铰链节点，铰链节点将作为机器臂各转轴旋转的相对基准轴，与机器臂基座交界的铰链节点将作为绝对基准轴；S703、为每个运动轴配置相应的运动电机，以实现对于运动轴的转动角和转动速度的控制；S704、运动电机应该与机器臂的信息模型中的Axis结点对应，转动角对于其ActualPosition，转动速度对于其ActualSpeed；S705、转轴的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、根据物理设备的工程参数、当前工况以及虚实结点映射关系建立OPC UA信息模型；/nS2、基于步骤S1中的信息模型，使用opcua-modeler将设备信息模型导出为XML文件，解析XML文件，反序列化生成结点集，生成一个OPC UA地址空间以集成数据结点；/nS3、启动Web应用，生成OPC Client实例，用于实现数据的读、写与发布/订阅功能；/nS4、定义数据协议标准化模块，实现设备传输协议到OPC UA的转换，统一数据格式，实现生产环境中的多协议解析与多源异构数据的标准化；/nS5、基于物理设备的运动特征与尺寸外形，建立其对应的数字孪生体，以映射物理设备的运动轨迹和内部机理；/nS6、基于一个数据中间件Redis，建立物理设备和孪生模型的数据联结；/nS7、基于步骤S5定义的孪生模型、步骤S1定义的OPC UA信息模型和步骤S6采用的Redis中间件定义物理模型与孪生模型的协变数据结点；/nS8、物理设备向Redis发布机器臂转轴的运动数据，基于发布/订阅模式，实现物理设备到孪生模型的数据推送，孪生模型根据接收到的订阅数据，更新运动状态，实现物理设备与孪生模型的同步运行。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据物理设备的工程参数、当前工况以及虚实结点映射关系建立OPCUA信息模型；
S2、基于步骤S1中的信息模型，使用opcua-modeler将设备信息模型导出为XML文件，解析XML文件，反序列化生成结点集，生成一个OPCUA地址空间以集成数据结点；
S3、启动Web应用，生成OPCClient实例，用于实现数据的读、写与发布/订阅功能；
S4、定义数据协议标准化模块，实现设备传输协议到OPCUA的转换，统一数据格式，实现生产环境中的多协议解析与多源异构数据的标准化；
S5、基于物理设备的运动特征与尺寸外形，建立其对应的数字孪生体，以映射物理设备的运动轨迹和内部机理；
S6、基于一个数据中间件Redis，建立物理设备和孪生模型的数据联结；
S7、基于步骤S5定义的孪生模型、步骤S1定义的OPCUA信息模型和步骤S6采用的Redis中间件定义物理模型与孪生模型的协变数据结点；
S8、物理设备向Redis发布机器臂转轴的运动数据，基于发布/订阅模式，实现物理设备到孪生模型的数据推送，孪生模型根据接收到的订阅数据，更新运动状态，实现物理设备与孪生模型的同步运行。


2.根据权利要求1所述的基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，步骤S1中，首先分析数据结点间的关联关系，用相应的语义箭头连接；基于OPCUA的Alarm&Event功能，分析设备运行过程中可能出现的警报与突发事件，建立数据与事件间的触发机制，并用语义箭头连接事件的源头结点与导向结点，实现事件触发关系的语义化；引入面向对象思想，抽象设备数据结点的共有属性，定义相应的类型结点，实现数据结点的复用。


3.根据权利要求1所述的基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，步骤S2中，使用JAXB工具解析官方的UANodeSet.xsd，生成OPCUA的内建类型结点对应的Java文件；结合获取的Java文件，为每一种OPCUA的基本结点类型定义对应的解析程序；导入NodeSet.xml文件，解析OPCUA信息模型，获取结点点集；在OPCUA中定义一个机器人专属的地址空间类RobotNamespace，以实现设备信息模型到OPCServer的集成，地址空间包含的信息包括：设备在OPCUA中的特定URI，服务器节点信息，设备结点信息，订阅管理；定义一个证书生成器，按照X509加密算法生成Server/Client验证证书；添加OPCServer的配置信息，加密OPC的Client/Server传输信道；启动Server。


4.根据权利要求1所述的基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，步骤S3中，Web应用以SpringBoot作为后台开发环境；读取证书生成器生成的Client证书文件，Client依据证书中所支持的服务器端点，查找匹配的Server，进行数据的读写操作；每个Client单独负责一项功能；可以只生成一个OPCClient用于读写设备数据，另一个OPCClient用于实现OPCUA的发布/订阅功能；或指定多个Client，为设备的某个部件数据的采集分配对应的OPCClien。


5.根据权利要求1所述的基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，步骤S4具体为：
S401、机器臂的内部传感器与微处理器形成内部系统，采集机器臂的运动节点数据，以以太网的方式向外界传输数据；
S402、机器臂以TCP传输协议，由上位机发送请求与机器臂内服务器交互获取数据，数据转发的格式为JSON；
S403、依据服务请求的不同类别，返回的数据格式包括实时转动角数据和6轴的转动角速度，选择获取...

【专利技术属性】
技术研发人员：周光辉，李涵，张超，张克捷，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61