一种基于分布式传感网络的实时三维呈现系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于分布式传感网络的实时三维呈现系统，包括：物理空间、信息处理层和虚拟空间；物理空间采集工厂数据，并将工厂数据发送至信息处理层；信息处理层接收工厂数据，并采用数据池对接收到的工厂数据进行预处理和分析计算，进而得到处理后的工厂数据，同时将处理后的工厂数据发送至虚拟空间；虚拟空间接收处理后的工厂数据，并通过数字孪生软件对处理后的工厂数据进行建模和场景还原，以建立所述工业现场的孪生数字模型。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术所提出的技术方案面向工厂的全局控制，用户能够实时快速、准确掌握现场各设备的运行状态，并通过直观的交互界面控制现实工厂的生产过程，当设备异常时能及时的控制与排查。

A Real-time Three-Dimensional Presentation System Based on Distributed Sensor Network

【技术实现步骤摘要】
一种基于分布式传感网络的实时三维呈现系统
本专利技术涉及数字孪生领域，尤其涉及一种基于分布式传感网络的实时三维呈现系统。
技术介绍
在“工业4.0”和“中国制造2025”的浪潮下，制造业巨头西门子提出了“数字化双胞胎”这个令人耳目一新的概念词汇，迅速吸引了全球制造业的目光。这种形势下，传统的工厂模式受到巨大的挑战，数字化工厂的需求急剧增大，因此数字化工厂技术近年来成研究的热点。目前国内外相关研究技术主要包括数字化技术、虚拟现实技术和三维可视化技术等。国外一些发达国家率先提出若干数字化的技术方案，如美国的波音公司利用数字化技术实现了飞机的“无纸化”设计生产。在产品研制过程中，采用数字化模块式组合型式，通过集成控制的数据从上游向下游畅通传递，有效地减少了飞机在加工、组装、测试等方面的作业周期，降低生产制造成本，缩短研制开发时间。在国内，数字化工厂技术的应用还处于起步阶段。目前在航空、汽车、船舶以及机器人智能制造等领域的应用较多，在工厂建设领域多采用虚拟现实技术和三维可视化技术。虚拟仿真技术在数字化工厂上的应用大多集中于通过计算机仿真以达到技能培训或工厂环境漫游展示等目的，如郭建等人利用虚拟仿真技术提出了一种针对机床虚拟仿真教学训练系统的开发方案，通过安全可靠的方式改善工人的操作技能。三维可视化技术大多针对于工厂某项环节、局部区域设备和运行数据可视化等方面的实时监视，如汪华雄等人基于三维可视化技术对工厂动力设备的运行数据可视化处理，从而有效的对动力设备进行监控。上述几种技术应用范围都较为局限。波音公司采用数字化技术仅面向飞机的研制过程，其他生产环节均未涉及相关技术；郭建等人提出机床仿真教学训练系统仅针对工人的技能培训环节，与实际生产环节脱节；汪华雄等采用三维可视化技术实现了设备运行数据可视化，但面向对象仅为工厂的动力设备且未实现远程交互控制等功能。因此以上技术均未完全实现生产过程数字化控制和生产环节可视化监控等数字化工厂的发展需求。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种基于分布式传感网络的实时三维呈现系统；一种基于分布式传感网络的实时三维呈现系统，包括：物理空间、信息处理层和虚拟空间；所述物理空间包括感知层、多种物理设备和控制系统；所述感知层包括多种工业传感器，用于采集工厂数据；所述控制系统包括工业控制器，用于接收所述工厂数据，并将所述工厂数据发送至信息处理层；所述工厂数据包括工厂各物理设备的属性参数和工艺流程数据；所述信息处理层包括物理空间服务端、虚拟空间服务端、数据池和InfuxDB数据库；所述物理空间服务端用于接收所述工厂数据，并将所述工厂数据发送至所述数据池；所述数据池用于对接收到的所述工厂数据进行预处理和分析计算，进而得到处理后的工厂数据，并将所述处理后的工厂数据发送至InfuxDB数据库进行存储，同时将所述处理后的工厂数据通过虚拟空间服务端发送至虚拟空间；所述虚拟空间包括监控运维层和应用层；所述监控运维层包括远程监控模块；所述远程监控模块包括数字孪生子系统；所述数字孪生子系统用于接收所述处理后的工厂数据和预先建立好的各物理设备的三维模型，进而建立一个包含所有工厂生产过程的工厂孪生数字模型，并将所述工厂孪生数字模型发送至应用层；其中，所述工厂孪生数字模型在工作状态下模拟工厂各物理设备在现实环境中的加工过程，以对现实环境中的各物理设备运转状态进行监控；所述应用层用于将接收到的所述工厂孪生数字模型发布于各种应用设备，以通过所述应用设备显示所述工厂孪生数字模型，使用户通过直观的方式体验到与数字化工厂交互式界面的交流；所述数据池还用于实现数据同步映射，以实现物理空间和虚拟空间操作的同步：在使用时，工厂的各物理设备驱动工厂孪生数字模型使其与工厂各物理设备进行协同运动，工厂孪生数字模型驱动各物理设备使其与工厂孪生数字模型进行协同运动，采用数据池进行物理空间和虚拟空间的数据同步映射，驱动工厂孪生数字模型和工厂各物理设备进行实时协同运动，实现工厂孪生数字模型对物理设备的远程实时三维呈现。进一步地，所述多种物理设备采用分布式网络架构组成多个子网络，且各子网络独立运行，互不干扰，所述控制系统将各子网络的工厂数据错峰上传至信息处理层，从而减小数据获取过程中由于拥堵造成的数据包丢失情形的发生。进一步地，所述数据池用于对接收到的所述工厂数据进行预处理和分析计算，进而得到处理后的工厂数据；具体包括：首先对所述工厂数据进行数据清理，即剔除不在预设范围内的异常数据，以提高数据的准确性、一致性和完整性，得到预处理后的工厂数据；然后将预处理后的工厂数据进行分布式计算、边缘计算、云计算或者深度学习，以改善数据质量，得到处理后的工厂数据。进一步地，所述工厂多种各物理设备的三维模型为根据各物理设备的属性参数通过三维建模软件预先建立好的与工厂各物理设备等比例的三维模型；所述属性参数通过实体测量方式或者厂家提供的方式得到。进一步地，所述数据池将所述处理后的工厂数据通过虚拟空间服务端发送至虚拟空间之前，将所述处理后的工厂数据转换为所述工厂孪生数字模型的驱动信号，再发送至虚拟空间，以驱动所述工厂孪生数字模型与工厂各物理设备进行同步运转；在使用时，所述应用设备获取人在所述应用设备上操作所生成的反馈指令，，并通过所述监控运维层和所述虚拟空间服务端将所述反馈指令发送至所述数据池；所述数据池将所述反馈指令转换为工厂各物理设备的状态数据包，并经过控制系统将所述状态数据包发送至各物理设备，以驱动各物理设备与所述工厂孪生数字模型进行同步运转；所述状态数据包即为工厂各物理设备的驱动信号。进一步地，所述物理空间服务器采用ModBusTCP通讯协议或者OPC通讯协议，所述物理空间和信息处理层之间通过ModBusTCP通讯协议或者OPC通讯协议进行通讯；所述虚拟空间服务端采用WebSocket通讯协议所述信息处理层和所述虚拟空间之间通过WebSocket通讯协议进行通讯。进一步地，所述监控运维层还包括历史数据查看模块、辅助决策模块和生产管理模块；所述历史数据查看模块用于根据所述InfluxDB数据库中存储的数据生成工厂各物理设备的运转状态曲线，并将所述运转状态曲线发布至所述应用层的应用设备上，以供查看；所述辅助决策模块用于根据所述InfluxDB数据库中存储的数据、所述运转状态曲线和预设的监控规则对工厂各物理设备进行辅助监控：当所述处理后的工厂数据偏离所述运转状态曲线的距离大于预设的阈值时，发送报警信息，以提醒用户；所述生产管理模块用于将工厂物理设备的孤岛信息随所述工厂孪生数字模型一同发布至所述应用层的应用设备上，以方便用户通过所述工厂孪生数字模型查看对应物理设备的孤岛信息，实现工厂各物理设备的全生命周期管理；所述孤岛信息为工厂各物理设备的历史属性信息；此外，所述生产管理模块还支持设备运行状态查询、设备工况仿真和故障警示的功能。进一步地，所述多种工业传感器包括：三维扫描仪、各物理设备自身的状态监测传感器、工业相机和环境检测传感器；所述工业控制器为PLC控制器或者DCS控制器；所述多种信息采集设备通过RS485数据线或者无线传输的方式将采集的数据传输至所述工业控制器。进一步地，所述工厂数据为所述多种工业传感器采集的多源异构数据。进一步地，所述应用设备为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分布式传感网络的实时三维呈现系统，其特征在于：包括：物理空间、信息处理层和虚拟空间；所述物理空间包括感知层、多种物理设备和控制系统；所述感知层包括多种工业传感器，用于采集工厂数据；所述控制系统包括工业控制器，用于接收所述工厂数据，并将所述工厂数据发送至信息处理层；所述工厂数据包括工厂各物理设备的属性参数和工艺流程数据；所述信息处理层包括物理空间服务端、虚拟空间服务端、数据池和InfuxDB数据库；所述物理空间服务端用于接收所述工厂数据，并将所述工厂数据发送至所述数据池；所述数据池用于对接收到的所述工厂数据进行预处理和分析计算，进而得到处理后的工厂数据，并将所述处理后的工厂数据发送至InfuxDB数据库进行存储，同时将所述处理后的工厂数据通过虚拟空间服务端发送至虚拟空间；所述虚拟空间包括监控运维层和应用层；所述监控运维层包括远程监控模块；所述远程监控模块包括数字孪生子系统；所述数字孪生子系统用于接收所述处理后的工厂数据和预先建立好的各物理设备的三维模型，进而建立一个包含所有工厂生产过程的工厂孪生数字模型，并将所述工厂孪生数字模型发送至应用层；其中，所述工厂孪生数字模型在工作状态下模拟工厂各物理设备在现实环境中的加工过程，以对现实环境中的各物理设备运转状态进行监控；所述应用层用于将接收到的所述工厂孪生数字模型发布于各种应用设备，以通过所述应用设备显示所述工厂孪生数字模型，使用户通过直观的方式体验到与数字化工厂交互式界面的交流；所述数据池还用于实现数据同步映射，以实现物理空间和虚拟空间操作的同步：在使用时，工厂的各物理设备驱动工厂孪生数字模型使其与工厂各物理设备进行协同运动，工厂孪生数字模型驱动各物理设备使其与工厂孪生数字模型进行协同运动，采用数据池进行物理空间和虚拟空间的数据同步映射，驱动工厂孪生数字模型和工厂各物理设备进行实时协同运动，实现工厂孪生数字模型对物理设备的远程实时三维呈现。...

【技术特征摘要】
1.一种基于分布式传感网络的实时三维呈现系统，其特征在于：包括：物理空间、信息处理层和虚拟空间；所述物理空间包括感知层、多种物理设备和控制系统；所述感知层包括多种工业传感器，用于采集工厂数据；所述控制系统包括工业控制器，用于接收所述工厂数据，并将所述工厂数据发送至信息处理层；所述工厂数据包括工厂各物理设备的属性参数和工艺流程数据；所述信息处理层包括物理空间服务端、虚拟空间服务端、数据池和InfuxDB数据库；所述物理空间服务端用于接收所述工厂数据，并将所述工厂数据发送至所述数据池；所述数据池用于对接收到的所述工厂数据进行预处理和分析计算，进而得到处理后的工厂数据，并将所述处理后的工厂数据发送至InfuxDB数据库进行存储，同时将所述处理后的工厂数据通过虚拟空间服务端发送至虚拟空间；所述虚拟空间包括监控运维层和应用层；所述监控运维层包括远程监控模块；所述远程监控模块包括数字孪生子系统；所述数字孪生子系统用于接收所述处理后的工厂数据和预先建立好的各物理设备的三维模型，进而建立一个包含所有工厂生产过程的工厂孪生数字模型，并将所述工厂孪生数字模型发送至应用层；其中，所述工厂孪生数字模型在工作状态下模拟工厂各物理设备在现实环境中的加工过程，以对现实环境中的各物理设备运转状态进行监控；所述应用层用于将接收到的所述工厂孪生数字模型发布于各种应用设备，以通过所述应用设备显示所述工厂孪生数字模型，使用户通过直观的方式体验到与数字化工厂交互式界面的交流；所述数据池还用于实现数据同步映射，以实现物理空间和虚拟空间操作的同步：在使用时，工厂的各物理设备驱动工厂孪生数字模型使其与工厂各物理设备进行协同运动，工厂孪生数字模型驱动各物理设备使其与工厂孪生数字模型进行协同运动，采用数据池进行物理空间和虚拟空间的数据同步映射，驱动工厂孪生数字模型和工厂各物理设备进行实时协同运动，实现工厂孪生数字模型对物理设备的远程实时三维呈现。2.如权利要求1所述的一种基于分布式传感网络的实时三维呈现系统，其特征在于：所述多种物理设备采用分布式网络架构组成多个子网络，且各子网络独立运行，互不干扰，所述控制系统将各子网络的工厂数据错峰上传至信息处理层，从而减小数据获取过程中由于拥堵造成的数据包丢失情形的发生。3.如权利要求1所述的一种基于分布式传感网络的实时三维呈现系统，其特征在于：所述数据池用于对接收到的所述工厂数据进行预处理和分析计算，进而得到处理后的工厂数据；具体包括：首先对所述工厂数据进行数据清理，即剔除不在预设范围内的异常数据，以提高数据的准确性、一致性和完整性，得到预处理后的工厂数据；然后将预处理后的工厂数据进行分布式计算、边缘计算、云计算或者深度学习，以改善数据质量，得到处理后的工厂数据。4.如权利要求1所述的一种基于分布式传感网络的实时三维呈现系统，其特征在于：所述工厂多种各物理设备的三维模型为根据各物理设备的属性参数通过三维建模软件预先建立好...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈高伟，
申请(专利权)人：武汉魅客科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42