一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法技术

本发明专利技术公开了一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法，具体为：将数字孪生车间多维虚拟模型定义为信息模型、可视化模型和机理模型三个维度，其中可视化模型是数字孪生车间多维多层级模型的可视化展示，机理模型表达了生产车间的生产运行逻辑和机理，信息模型则集成了生产车间运行数据；在构建数字孪生车间多维多层级模型相关子模型后，分为执行前仿真验证、执行中实时监控、执行后优化迭代三个阶段对多维多层级模型进行融合。本发明专利技术实现了能够面向车间运行管控、优化等应用的数字孪生车间多维多层级模型构建，明确了建模基本步骤，提高了建模效率，提高模型准确率。提高模型准确率。提高模型准确率。

【技术实现步骤摘要】
一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法


[0001]本专利技术属于离散制造系统建模与仿真
，具体涉及一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法。

技术介绍

[0002]离散制造系统是应用最为广泛的一种制造形式，大如高速列车、航空装备，小到电子产品，日用百货都会大量用到离散制造系统进行生产。然而，一方面离散制造系统的生产对象与系统之间高度耦合，无论是产品还是系统都可能发生不确定的变化，另一方面，市场需求的不断变化也带来了新的生产需求，使得当前离散制造系统呈现越来越强的动态性和不确定性，为离散制造系统的高效率运行和管理带来了巨大挑战，带来了车间与NewIT技术结合建设智能车间的需求。
[0003]随着数字孪生技术的提出，其强调的各类数据机床、全生命周期动态演化以及基于模型的优化迭代等特点十分适合于NewIT使能下的智能车间建设，基于数字孪生的生产车间称为数字孪生车间。而要建设数字孪生车间，首先需要构建车间的虚拟模型来映射物理车间并承载一系列车间应用，该虚拟模型的特征在于多维、动态和高保真，能够满足数字孪生车间基于实时数据的过程评估、仿真运行、优化迭代的需求。为此，需要一种构建数字孪生车间多维度虚拟模型并使其能够快速响应变化的方法。
[0004]相关技术中，构建车间多维度虚拟模型通常考虑如何采集实时数据驱动可视化模型的更新，或者建立虚实之间双向的数据传递通道实现生产过程联动控制，探索了如何基于设备实时运行过程中动态数据的变化更新模型的过程。专利号为CN202010602613.8的现有技术中公开了一种基于组合赋权的离散车间生产计划评价方法。并具体公开了通过构建车间生产计划评价指标体系，在仿真完成后得到仿真基础数据并生产计划评价指标体系计算得到仿真评价指标，通过对指标体系进行组合赋权得到各指标值的权重，通过模糊综合评价得到当前方案的评价结果。然而，当新建一个车间，或生产扰动发生时，尤其是对设备进行迭代、更新、重布局以后，构建或重配置数字孪生车间模型的过程涉及到可视化模型、数据模型、机理模型等多维度模型变化，过程较为复杂。因此，如何按照一个统一的规范在生产车间发生变动时对数字孪生车间的组成元素进行快速重配置和多维模型融合是一个值得研究的问题。

技术实现思路

[0005]为解决
技术介绍
中提到的技术问题，本专利技术中提出了一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法，包括以下两个步骤：
[0006]S1：数字孪生车间多维多层级模型构建；
[0007]S2：数字孪生车间多维多层级模型融合。
[0008]优选的，S1步骤中，数字孪生车间多维多层级模型构建包括以下步骤：制造系统关系定义、数字孪生车间多维多层级模型定义、元素级可视化模型定义、生产单元可视化模型
定义、生产车间可视化模型的形式化定义、元素级机理模型定义、生产单元机理模型定义、生产车间机理模型形式化定义、数字孪生车间信息模型在元素级信息模型定义、数字孪生车间信息模型在单元级信息模型定义、数字孪生车间信息模型在车间级信息模型定义。
[0009]优选的，制造系统关系定义如下：
[0010]System Structure＝<SC,LPN>
[0011]式中：System Structure代表为制造系统关系；SC代表服务单元；LPN代表物流路径网络；
[0012]数字孪生车间多维多层级模型定义为：
[0013]TwinModel＝{VisualModel,PrinModel,InfoModel}；
[0014]其中：TwinModel代表数字孪生车间多维多层级模型，VisualModel代表可视化模型，可视化模型是数字孪生车间多维多层级模型的可视化展示；PrinModel代表机理模型，机理模型表达了生产车间的生产运行逻辑和机理；InfoModel代表信息模型，信息模型集成了生产车间运行数据。
[0015]优选的，在设备层，数字孪生车间多维多层级模型中的多维度分为三个层面体现，在设备层，设备的数据模型、可视化模型和机理模型形成了三个维度的基本模型要素；在单元层，通过对生产单元内各个设备的关系描述，将多个设备的多维模型通过单元内逻辑关系组合起来形成单元的多维模型；在车间层，通过产品工艺路线和车间物流关系形成生产逻辑，将单元和单元间的物流设备进行有机关联，并将其多维模型进行连接形成车间的多维模型；
[0016]元素级可视化模型定义为：
[0017]CompVisualModel＝{MotionModel,3DModel}
[0018]其中：CompVisualModel代表元素的可视化模型，MotionModel代表元素运动模型，定义了设备部件模型的层次和运动关系；3DModel代表设备各个部件3D模型；
[0019]各个元素的可视化模型的组合形成了生产单元的可视化模型，生产单元可视化模型定义为：
[0020]SCVisualModel＝{CompVisualModel1,...,CompVisualModel
i
}
[0021]式中：SCVisualModel代表单元级可视化模型，CompVisualModel1代表生产单元中的一个元素的可视化模型，生产单元的可视化模型由若干个元素的可视化模型组成；
[0022]生产单元与生产单元通过物流路径进行关联形成了生产车间的可视化模型，故生产车间由生产单元以及生产单元间的物流设备组成，生产车间可视化模型的形式化定义如下：
[0023]ShopVisualModel＝{SCVisualModel
i
,CompVisualModel
j
|1≤i≤n,1≤j≤m}
[0024]式中：ShopVisualModel代表生产车间的可视化模型，SCVisualModel
i
代表车间中的所有生产单元可视化模型的集合，CompVisualModel
j
代表车间中所有车间生产资源可视化模型的集合；n为该生产车间定义的单元数量，m为该生产车间执行单元间物流任务的元素数量；
[0025]数字孪生车间机理模型在元素级通过七要素模型进行统一表征，每个要素都是一个在车间中充当特定角色的独立对象，它们封装了内部运行逻辑和与外部环境交互的接口；元素级机理模型定义为：
[0026]CompPrinModel＝{CompStateModel,CompLogicModel}
[0027]式中：CompPrinModel代表生产设备的机理模型，CompStateModel代表生产设备的状态模型，CompLogicModel代表生产设备的运行逻辑模型；
[0028]数字孪生车间机理模型在单元层为物料到达单元后进行上下料操作的单元控制逻辑，生产单元机理模型定义为：
[0029]SCPrinModel＝{SCStateModel,SCLogicModel}<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法，其特征在于：包括以下两个步骤：S1：数字孪生车间多维多层级模型构建；S2：数字孪生车间多维多层级模型融合。2.如权利要求1所述的一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法，其特征在于：S1步骤中，数字孪生车间多维多层级模型构建包括以下步骤：制造系统关系定义、数字孪生车间多维多层级模型定义、元素级可视化模型定义、生产单元可视化模型定义、生产车间可视化模型的形式化定义、元素级机理模型定义、生产单元机理模型定义、生产车间机理模型形式化定义、数字孪生车间信息模型在元素级信息模型定义、数字孪生车间信息模型在单元级信息模型定义、数字孪生车间信息模型在车间级信息模型定义。3.如权利要求2所述的一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法，其特征在于：制造系统关系定义如下：System Structure＝&lt;SC,LPN&gt;式中：System Structure代表为制造系统关系；SC代表服务单元；LPN代表物流路径网络；数字孪生车间多维多层级模型定义为：TwinModel＝{VisualModel,PrinModel,InfoModel}；其中：TwinModel代表数字孪生车间多维多层级模型，VisualModel代表可视化模型，可视化模型是数字孪生车间多维多层级模型的可视化展示；PrinModel代表机理模型，机理模型表达了生产车间的生产运行逻辑和机理；InfoModel代表信息模型，信息模型集成了生产车间运行数据。4.如权利要求3所述的一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法，其特征在于：在设备层，数字孪生车间多维多层级模型中的多维度分为三个层面体现，在设备层，设备的数据模型、可视化模型和机理模型形成了三个维度的基本模型要素；在单元层，通过对生产单元内各个设备的关系描述，将多个设备的多维模型通过单元内逻辑关系组合起来形成单元的多维模型；在车间层，通过产品工艺路线和车间物流关系形成生产逻辑，将单元和单元间的物流设备进行有机关联，并将其多维模型进行连接形成车间的多维模型；元素级可视化模型定义为：CompVisualModel＝{MotionModel,3DModel}其中：CompVisualModel代表元素的可视化模型，MotionModel代表元素运动模型，定义了设备部件模型的层次和运动关系；3DModel代表设备各个部件3D模型；各个元素的可视化模型的组合形成了生产单元的可视化模型，生产单元可视化模型定义为：SCVisualModel＝{CompVisualModel1,...,CompVisualModel
i
}式中：SCVisualModel代表单元级可视化模型，CompVisualModel1代表生产单元中的一个元素的可视化模型，生产单元的可视化模型由若干个元素的可视化模型组成；生产单元与生产单元通过物流路径进行关联形成了生产车间的可视化模型，故生产车
间由生产单元以及生产单元间的物流设备组成，生产车间可视化模型的形式化定义如下：ShopVisualModel＝{SCVisualModel
i
,CompVisualModel
j
|1≤i≤n,1≤j≤m}式中：ShopVisualModel代表生产车间的可视化模型，SCVisualModel
i
代表车间中的所有生产单元可视化模型的集合，CompVisualModel
j
代表车间中所有车间生产资源可视化模型的集合；n为该生产车间定义的单元数量，m为该生产车间执行单元间物流任务的元素数量；数字孪生车间机理模型在元素级通过七要素模型进行统一表征，每个要素都是一个在车间中充当特定角色的独立对象，它们封装了内部运行逻辑和与外部环境交互的接口；元素级机理模型定义为：CompPrinModel＝{CompStateModel,CompLogicModel}式中：CompPrinModel代表生产设备的机理模型，CompStateModel代表生产设备的状态模型，CompLogicModel代表生产设备的运行逻辑模型；数字孪生车间机理模型在单元层为物料到达单元后进行上下料操作的单元控制逻辑，生产单元机理模型定义为：SCPrinModel＝{SCStateModel,SCLogicModel}式中：SCPrinModel代表生产单元机理模型，SCStateModel代表单元运行状态，SCLogicModel代表生产单元的运行逻辑；生产单元运行状态是元素状态的有机组合，定义生产单元运行状态及其对应的参数如下：生产单元输入的允许/禁止取决于该单元是否能够接受新的物料进入缓存或直接加工，输出的允许/禁止则取决于该单元是否能够接受已有物料离开该单元；生产车间机理模型形式化定义为：ShopPrinModel＝{ShopStateModel,ShopLogicModel}式中：ShopPrinModel代表生产车间机理模型，ShopStateModel是车间状态模型，代表了车间运行的不同状态，包括空闲、生产中、故障停产；ShopLogicModel是车间的逻辑模型，该逻辑模型包含了生产逻辑模型和物流网络模型；数字孪生车间信息模型在元素级为生产设备实时运行数据、仿真执行数据；在单元层为单元任务序列、物料实时数据、加工过程数据；在车间层为车...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁国富，谢家翔，潘家庆，郑庆，张海柱，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：