一种跨域多尺度的数字孪生体构建方法技术

本发明专利技术公开了一种跨域多尺度的数字孪生体构建方法，包括以下步骤：S1、将数字孪生体按照尺寸进行层次划分上；S2、将同一层次的数字孪生体再根据具体的应用场景或涉及的物理域进一步划分；S3、将简单数字孪生模型按照其功能划分成若干部分，进而抽象成若干功能组件进行封装，并预留组件的交互接口；S4、根据划分好的组件形成规范组件库进行统一管理；S5、以组态方式连接各功能组件。与现有的建模方法相比，本发明专利技术为复杂数字孪生体制定了详细具体、具有可操作性的建模方法；同时，定义了组件的标准化结构和接口，使具有相同或相似功能的组件能够复用；另外引入了消息中间件作为数据中心，使不同编程语言编写的组件能够实现交互。使不同编程语言编写的组件能够实现交互。使不同编程语言编写的组件能够实现交互。

【技术实现步骤摘要】
一种跨域多尺度的数字孪生体构建方法


[0001]本专利技术属于数字化
，特别涉及一种跨域多尺度的数字孪生体构建方法。

技术介绍

[0002]2003年，密歇根大学的Grieves教授在产品全生命周期管理的课程上首次提出了“与物理产品等价的虚拟化表达”概念，被认为是数字孪生概念的雏形。在之后的一段时间里，这一概念又被称为“镜像空间模型”、“信息镜像模型”，但并未引起广泛的关注。2011年，NASA正式将这一概念命名为数字孪生，并将其应用于航天器的健康维护等问题。随后传感器、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术的发展，使得数字孪生的实现成为了可能。2017年
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2019年，数字孪生连续三年被Gartner公司列为十大战略技术趋势之一。同时，国内外众多高校的学者和以西门子、微软等为代表的大型科技公司都相继投入到了数字孪生技术的理论研究和应用实现中。
[0003]数字孪生技术的应用由浅入深可以分为“以虚映实”，“以虚控实”，“以虚预实”，“以虚优实”四个层次，分别可以实现使用虚拟模型同步物理实体的状态、使用虚拟模型控制物理实体、使用虚拟模型对物理实体的状态进行仿真预测、使用虚拟模型对物理实体相关参数进行优化的功能。数字孪生体是指物理实体在数字空间中的虚拟模型，它决定了数字孪生系统的体系架构、运行流程、交互方法，其建模方法一直是实现数字孪生应用的关键技术之一。目前，已经有学者在数字孪生建模方面进行了相关探索，并提出了几种建模框架，包括物理实体、虚拟实体和虚实连接的三维架构，物理实体、虚拟实体、孪生数据、服务及其连接的五维架构；同时，为了实现对物理实体的高保真映射，数字孪生体应从几何、物理、行为、规则等多角度建模。但面对多领域、多尺度的复杂应用场景，仍需要详细具体、可实施的建模方法的指导。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种跨域多尺度的数字孪生体构建方法，与现有的建模方法相比，本专利技术为复杂数字孪生体制定了详细具体、具有可操作性的建模方法；同时，定义了组件的标准化结构和接口，使具有相同或相似功能的组件能够复用；另外引入了消息中间件作为数据中心，使不同编程语言编写的组件能够实现交互。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种跨域多尺度的数字孪生体构建方法，包括以下步骤：
[0006]S1、根据数字孪生体在不同尺度上表达的资源表达、颗粒度、数据类型进行层次划分，使相同层次的模型的表达要素在同一尺度上；
[0007]S2、将同一层次的数字孪生体再根据具体的应用场景或涉及的物理域进一步划分，形成具有明确输入、输出，只涉及单个物理域的简单模型；
[0008]S3、在层次和场景划分的基础上，将简单数字孪生模型按照其功能划分成若干部分，进而抽象成若干功能组件进行封装，并预留组件的交互接口；
[0009]S4、根据划分好的组件，形成规范组件库进行统一管理；
[0010]S5、以组态方式连接各功能组件。
[0011]进一步地，所述步骤S1具体为：将数字孪生体按照尺寸划分为系统、单元、设备、零件四个层次：
[0012]Composition＝(System,Unit,Equipment,Part)
[0013]System是系统，由空间内所有设备及环境共同组成，系统层关注的数据通常是整个系统的运行状态、运行规则、系统的输入和输出；Unit是单元，由多台相同或不同类型设备组成，以实现某个特定功能，单元层关注的数据与所实现功能的质量、进度有关；Equipment为设备，是物理空间中的动作执行终端，不同类型设备的功能不同，设备层关注的数据包括几何尺寸和位置坐标；Part为零件，是与设备行为或功能直接相关的部分，零件层关注的数据与材料属性、温度、振动相关。
[0014]进一步地，所述步骤S3包括以下子步骤：
[0015]S31、将组件按照功能分为基础组件、表达类组件和服务类组件；基础组件是数字孪生体能够正常运行的基础设施，表达类组件用于实现数据的可视化，服务类组件与基于机理模型或数据模型的功能实现相关；
[0016]S32、对组件的结构做标准化，使得组件能够相互调用、连接；
[0017]S33、组件中与数据交互、功能相关的参数提前预留接口，预留的接口应包括名称、ID、IP、层次、场景、数据输入来源、数据输出对象、其他可变参数和对组件功能的描述。
[0018]进一步地，所述步骤S4具体为：
[0019]S41、采用代码对划分的组件进行开发；
[0020]S42、将开发好的组件全部保存在组件库中。
[0021]进一步地，所述步骤S5具体为：基于生产者
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消费者原则，引入消息中间件作为数字孪生体的数据中心，数据采集组件的输出、控制组件和数据存储的输入以及一般组件的输入输出都通过消息中间件完成。
[0022]本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种跨域多尺度的数字孪生体构建方法，与现有的建模方法相比，本专利技术为复杂数字孪生体制定了详细具体、具有可操作性的建模方法；同时，定义了组件的标准化结构和接口，使具有相同或相似功能的组件能够复用；另外引入了消息中间件作为数据中心，使不同编程语言编写的组件能够实现交互。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的跨域多尺度的数字孪生体构建方法的流程图；
[0024]图2为本专利技术车间案例的层次划分示意图；
[0025]图3为本专利技术车间案例的场景划分示意图；
[0026]图4为本专利技术车间案例的组件划分示意图；
[0027]图5为本专利技术车间案例的组件结构示意图；
[0028]图6为本专利技术车间案例的模型新建、修改、删除流程图；
[0029]图7为本专利技术车间案例的组件连接方式对比图。
具体实施方式
[0030]跨域多尺度的数字孪生体构建方法是一种基于约化思想的建模方法，将复杂的应用场景根据其表达信息的尺度、涉及的物理域进行切分，将一个复杂的数字孪生体划分为多个简单模型，忽略细节信息，确定模型的感控要素，再以组件的方式将模型的功能进行封装，最后通过组态设计完成数字孪生体的动态更新、调用、集成和扩展。本专利技术提出了一种基于4C架构(Composition
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Context
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Component
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Code)的跨域多尺度的数字孪生体构建方法，Composition是层次，Context是场景，Component是组件，Code是代码。
[0031]下面结合附图，以某离散制造车间为例，构建其数字孪生体，进一步说明本专利技术的技术方案。
[0032]如图1所示，本专利技术的一种跨域多尺度的数字孪生体构建方法，包括以下步骤：
[0033]S1、根据数字孪生体在不同尺度上表达的资源表达、颗粒度、数据类型进行层次划分，使相同层次的模型的表达要素在同一尺度上；
[0034]如图2所示，本实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跨域多尺度的数字孪生体构建方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将数字孪生体按照尺寸进行层次划分，使相同层次的模型的表达要素在同一尺度上；S2、将同一层次的数字孪生体再根据具体的应用场景或涉及的物理域进一步划分，形成具有明确输入、输出，只涉及单个物理域的简单数字孪生模型；S3、将简单数字孪生模型按照其功能划分成若干部分，进而抽象成若干功能组件进行封装，并预留组件的交互接口；S4、根据划分好的组件，形成规范组件库进行统一管理；S5、以组态方式连接各功能组件。2.根据权利要求1所述的一种跨域多尺度的数字孪生体构建方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：将数字孪生体按照尺寸划分为系统、单元、设备、零件四个层次：Composition＝(System,Unit,Equipment,Part)System是系统，由空间内所有设备及环境共同组成，系统层关注的数据通常是整个系统的运行状态、运行规则、系统的输入和输出；Unit是单元，由多台相同或不同类型设备组成，以实现某个特定功能，单元层关注的数据与所实现功能的质量、进度有关；Equipment为设备，是物理空间中的动作执行终端，不同类型设备的功能不同，设备层关注的数据包括几何尺寸和位置坐标；P...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾文杰，王伟，张振族，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：