面向生产的数字孪生系统技术方案

本发明专利技术公开了一种面向生产的数字孪生系统，涉及数字孪生领域，该系统包括系统管理模块、数据传输模块、数据管理模块、监控视角模块、数据可视化模块、运动驱动模块、状态匹配模块，各个分系统模块相互独立，同时相互有数据或控制关系，通过系统管理模块作为信息数据传递的代理。本发明专利技术的优点在于：通过本发明专利技术，实现了实物设备数字化、运行过程脚本化、系统整线集成化、控制指令下行同步化、现场信息上行并行化，形成整线的执行引擎，构建了面向数字化生产现场或装备虚实实时监控的数字孪生系统。

【技术实现步骤摘要】
面向生产的数字孪生系统
本专利技术涉及数字孪生领域，尤其涉及一种面向生产的数字孪生系统。
技术介绍
数字孪生(DigitalTwain)是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为。作为一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，数字孪生面向产品全生命周期过程，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，提供更加实时、高效、智能的服务，为解决物理世界与信息世界的交互与共融提供有效的解决途径。数字孪生近期得到了广泛和高度关注。全球最具权威的IT研究与顾问咨询公司Gartner连续两年(2016年和2017年)将数字孪生列为当年十大战略科技发展趋势之一。世界最大的武器生产商洛克希德马丁公司2017年11月将数字孪生列为未来国防和航天工业6大顶尖技术之首；2017年12月8日中国科协智能制造学术联合体在世界智能制造大会上将数字孪生列为了世界智能制造十大科技进展之一。于此同时，许多国际著名企业已开始探索数字孪生技术在产品设计、制造和服务等方面的应用。传统的生产线设计一般通过生产线建模与仿真来进行，利用数字化技术构建物理生产线的几何模型模型和逻辑模型，并通过相应仿真算法模拟实际生产线的活动和状态，从而为生产线布局设计及调度决策提供依据。传统的生产线建模与仿真依据工艺规划信息，关注生产线布局和各站位节拍，不能充分反应实际问题，缺乏真实生产数据驱动及对生产系统的全局考虑。目前，有多种面向数字孪生的技术体系架构方式，多数采用的是信号触发辅以动画播放方式，优点是部署简单，缺点是不能真正实现完全的虚实映射。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种构建面向数字化生产现场或装备虚实实时监控的面向生产的数字孪生系统，以解决现有技术中不能实现完全的虚实映射的问题。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的：面向生产的数字孪生系统，包括系统管理模块、数据传输模块、数据管理模块、监控视角模块、数据可视化模块、运动驱动模块、状态匹配模块，各个分系统模块相互独立，同时相互有数据或控制关系，通过系统管理模块作为信息数据传递的代理；系统管理模块用于其他六个模块间的耦合；数据传输模块用于管理由数据入口获取的信息数据以及对于各个模块的数据响应操作；数据管理模块用于整体系统中全部数据的管控；监控视角模块用于使用虚拟相机拍摄监控视角的数字化图像；数据可视化模块是将制造现场运行详细信息数据以直观可视化方式展现的模块；运动驱动模块是数字孪生虚拟制造现场所有运动的数据驱动模块；状态匹配模块在系统初次启动时，利用实时数据及内部运算判断，将数字空间虚拟制造现场的物料状态、运动状态、加工状态与现场匹配一致。作为优化的技术方案，监控视角模块的监控视角包括CCTV视角、跟随视角、固定对象视角、自由视角；所述CCTV视角是通过添加多个虚拟相机方式，将多个对象特定角度同时在界面上显示；所述跟随视角是针对制造全生命周期中某一特定对象，将虚拟相机位置设置为始终跟随，实现对于物料加工全流程的监控；所述固定对象视角是设定某一特定工位为监控对象，相对位置及角度由操作者通过交互设备调节；所述自由视角是相机的角度及方位由操作者通过交互设备随意改变。作为优化的技术方案，监控视角模块通过鼠标、预定义虚拟按钮或快捷键方式进行切换；切换内部逻辑流程是：触发切换命令后通过系统管理模块响应，管理模块管理调度虚拟相机及虚拟相机脚本，同时刷新视角状态；状态更新触发数据可视化模块。作为优化的技术方案，数据可视化模块包括可视化内容层级，可视化展示逻辑、可视化内容播放；所述可视化内容层级，可视化内容层级关系表示可视化对象的父子关系，每一个可视化对象均添加层级属性，作为内容展示的标签进行管理；所述展示逻辑，将可视化对象分类为模型、界面、交互、多媒体信息四类，其中界面为展示根节点，其他三类对象作为其嵌套层，交互为其他三类对象的可调用工具，多媒体信息与模型在架构内部被定义为互斥类对象；所述可视化内容播放，包括从数据传递模块获取数据及触发预定义播放路径两种模式；所述从数据传递模块获取数据，包括获取模型、多媒体信息，添加到特定界面位置进行播放；所述触发预定义播放路径，指预先定义可视化的播放内容，通过接口进行触发。作为优化的技术方案，运动驱动模块划分两类数据驱动类型：其一是位姿数据驱动，包括旋转、位移，采用数据即时更新保证一致性；其二是状态数据驱动，包括夹取、吸放、启动、停止状态布尔值，采用状态位触发及预定义动作保证一致性；所述状态位触发是指运动状态I/O信号发生变化时触发预定义动作；所述预定义动作是指运动方向、位置、坐标均为常值的运动过程。作为优化的技术方案，状态匹配模块分为运动状态匹配、加工状态匹配、物料状态匹配；所述运动状态匹配即制造现场加工设备的运动情况虚实映射，由运动驱动模块通过数据信息进行匹配，匹配过程利用系统启动瞬间数据完成运动驱动过程同步；所述加工状态匹配包括加工对象位置、加工对象状态、设备夹持状态的虚实映射，此项匹配过程是虚拟加工制造前的初始化过程，对于不能获取的数据，通过间接数据获取状态；所述物料状态匹配包括上下料工位物料、加工线体上物料、物料仓库物料以及AGV运送物料的数量、方位虚实映射，数据均通过数据传输模块采集实时现场数据来实现，对于不能获取的数据，通过间接数据组合判断。作为优化的技术方案，分系统模块间的数据传输关系为：系统管理模块中包含了其他六个模块的实例化对象；数据传输模块从系统外采集数据，采集的数据经过数据解析后传递给系统管理模块；数据管理模块提供数据列表，用于数据查找；数据可视化模块发送请求给系统管理模块，对照数据列表查找数据传输模块提供的数据；运动驱动模块更新数据并依照数据调用运动驱动方法；在系统启动之初，系统管理模块调用状态匹配模块依据实时数据进行虚实状态匹配。作为优化的技术方案，分系统模块间的触发关系是模块间相互调用的接口逻辑，六个系统模块之间的接口方法调用，均经由系统管理模块实现。本专利技术的优点在于：本专利技术提出了全新的面向生产的数字孪生系统，面向智能制造中物理空间和虚拟空间实时全要素映射需求，通过物理空间信息数据的实时采集，在虚拟空间中实现数字孪生效果，通过本专利技术，构建了面向数字化生产现场或装备虚实实时监控的数字孪生系统，解决了现有技术中不能实现完全的虚实映射的问题。实现了实物设备数字化、运行过程脚本化、系统整线集成化、控制指令下行同步化、现场信息上行并行化，形成整线的执行引擎。附图说明图1是本专利技术实施例面向生产的数字孪生系统的原理图。图2是本专利技术实施例基于事件注册响应的原理图。图3本专利技术实施例监控视角切换响应的原理图。图4本专利技术实施例层级属性应用示例图。具体实施方式如图1所示，面向生产的数字孪生系统，包括系统管理模块、数据传输模块、数据管理模块、监控视角模块、数据可视化模块、运动驱动模块、状态匹配模块等分系统模块。各个分系统模块相互独立，便于维护，同时相互有数据或控制关系，通过系统管理模块作为信息数据传递的代理。系统管理模块用于其他六个模块间的耦合，包括数据传输、接口调用、触发信号传递等。如数据可视化模块请求数据，需通过数据传输模块实时获取数据，再经由系统管理模块响应映射到数据管理模块中的数据列表，最终数据可视化模块通过请本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向生产的数字孪生系统，其特征在于，包括系统管理模块、数据传输模块、数据管理模块、监控视角模块、数据可视化模块、运动驱动模块、状态匹配模块，各个分系统模块相互独立，同时相互有数据或控制关系，通过系统管理模块作为信息数据传递的代理；系统管理模块用于其他六个模块间的耦合；数据传输模块用于管理由数据入口获取的信息数据以及对于各个模块的数据响应操作；数据管理模块用于整体系统中全部数据的管控；监控视角模块用于使用虚拟相机拍摄监控视角的数字化图像；数据可视化模块是将制造现场运行详细信息数据以直观可视化方式展现的模块；运动驱动模块是数字孪生虚拟制造现场所有运动的数据驱动模块；状态匹配模块在系统初次启动时，利用实时数据及内部运算判断，将数字空间虚拟制造现场的物料状态、运动状态、加工状态与现场匹配一致。

【技术特征摘要】
1.一种面向生产的数字孪生系统，其特征在于，包括系统管理模块、数据传输模块、数据管理模块、监控视角模块、数据可视化模块、运动驱动模块、状态匹配模块，各个分系统模块相互独立，同时相互有数据或控制关系，通过系统管理模块作为信息数据传递的代理；系统管理模块用于其他六个模块间的耦合；数据传输模块用于管理由数据入口获取的信息数据以及对于各个模块的数据响应操作；数据管理模块用于整体系统中全部数据的管控；监控视角模块用于使用虚拟相机拍摄监控视角的数字化图像；数据可视化模块是将制造现场运行详细信息数据以直观可视化方式展现的模块；运动驱动模块是数字孪生虚拟制造现场所有运动的数据驱动模块；状态匹配模块在系统初次启动时，利用实时数据及内部运算判断，将数字空间虚拟制造现场的物料状态、运动状态、加工状态与现场匹配一致。2.如权利要求1所述的面向生产的数字孪生系统，其特征在于：监控视角模块的监控视角包括CCTV视角、跟随视角、固定对象视角、自由视角；所述CCTV视角是通过添加多个虚拟相机方式，将多个对象特定角度同时在界面上显示；所述跟随视角是针对制造全生命周期中某一特定对象，将虚拟相机位置设置为始终跟随，实现对于物料加工全流程的监控；所述固定对象视角是设定某一特定工位为监控对象，相对位置及角度由操作者通过交互设备调节；所述自由视角是相机的角度及方位由操作者通过交互设备随意改变。3.如权利要求1所述的面向生产的数字孪生系统，其特征在于：监控视角模块通过鼠标、预定义虚拟按钮或快捷键方式进行切换；切换内部逻辑流程是：触发切换命令后通过系统管理模块响应，管理模块管理调度虚拟相机及虚拟相机脚本，同时刷新视角状态；状态更新触发数据可视化模块。4.如权利要求1所述的面向生产的数字孪生系统，其特征在于：数据可视化模块包括可视化内容层级，可视化展示逻辑、可视化内容播放；所述可视化内容层级，可视化内容层级关系表示可视化对象的父子关系，每一个可视化对象均添加层级属性，作为内容展示的标签进行管理；所述展示逻辑，将可视化对象分类为模型、界面、交互、多媒体信息四类，其中界面为展示根节点，其他三类对象作为其嵌套层，交互为其他三类对象的可调用工具，多媒体信息与模型在架...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏一雄，陈亮希，张燕龙，郭磊，周金文，周红桥，田富君，李广忠，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：安徽,34