数字孪生制造单元协议标准化与工业大数据实时集成方法技术

本发明专利技术公开了一种数字孪生制造单元协议标准化与工业大数据实时集成方法，基于各个工业设备的数据节点建立OPC UA信息模型，生成对应的OPC Server作为边缘侧的实时数据库与上层协议入口，实现底层协议与数据的标准化；基于高并发模式、非阻塞IO读写及平行任务调度等方案，实现对于现场数据的实时获取，同时，接入OPC UA协议，实现协议的标准化；最后，通过云端的大数据集成服务，基于无限数据流，通过集群并行或多核并行的方式，连续、高效地获取边缘端所存储的实时数据；搭建Redis与Kafka实时数据集群，实现海量数据的存储，提供高性能的数据读写，同时结合两种实时数据库在数据一致性与数据实时性上的特点，针对不同的应用场景提供实时数据支撑。

【技术实现步骤摘要】
数字孪生制造单元协议标准化与工业大数据实时集成方法
本专利技术属于智能制造与数字化
，具体涉及一种数字孪生制造单元协议标准化与工业大数据实时集成方法。
技术介绍
数字孪生技术作为智能制造领域的新兴技术，通过建立现实生产环境与虚拟仿真空间的数据关联关系，实现虚拟设备对于现场设备的动作、机理的忠实映射。数字孪生制造单元是一种基于边云协同技术，实现物理实体与孪生模型的虚实同步运行、机理实时计算等的最小制造单元，主要用于智能工厂的单元功能测试与实验性质的研究，各个单元间可以灵活组合，实现个性化的生产需求。实现孪生单元的虚实同步与实时机理计算，其关键在于：(1)面对海量异构的工业数据，复杂多样的数据传输协议时，实时、高效地完成数据的集成以及协议标准化；(2)各个孪生单元间相互解耦，由云端进行统一的任务分发，由边缘层执行特定的数据集成任务。
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，提供一种数字孪生制造单元协议标准化与工业大数据实时集成方法，通过边端与云端的协同运行，实现底层复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.数字孪生制造单元协议标准化与工业大数据实时集成方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、建立现场设备的OPC UA信息模型，为各个数据节点分配其对应的OPC UA节点；/nS2、根据步骤S1获得的OPC UA节点生成OPC Server作为边缘设备的实时数据库，用于提供OPC UA协议访问端口，供云端大数据服务采集边缘设备的实时数据；/nS3、对于数字孪生单元中状态数据通过单一数据协议接口采集的设备，提供基于NIO的边缘数据采集及预处理方案，采集并处理现场设备的数据，写入步骤S2中生成的OPCServer中；基于步骤S3的标准化流程，结合真实设备，解析TCP/IP、RS232/485数据传...

【技术特征摘要】
1.数字孪生制造单元协议标准化与工业大数据实时集成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立现场设备的OPCUA信息模型，为各个数据节点分配其对应的OPCUA节点；
S2、根据步骤S1获得的OPCUA节点生成OPCServer作为边缘设备的实时数据库，用于提供OPCUA协议访问端口，供云端大数据服务采集边缘设备的实时数据；
S3、对于数字孪生单元中状态数据通过单一数据协议接口采集的设备，提供基于NIO的边缘数据采集及预处理方案，采集并处理现场设备的数据，写入步骤S2中生成的OPCServer中；基于步骤S3的标准化流程，结合真实设备，解析TCP/IP、RS232/485数据传输协议，并进一步提供WebSocket与MQTT协议的标准化过程；
S4、对于数字孪生单元中状态数据通过多点数据协议接口采集的设备，提供基于轮询与并发的边缘侧数据采集及预处理方案，采集并处理现场设备的数据，写入步骤S2中生成的OPCServer中；最后基于步骤S4的标准化流程，结合真实设备，解析HTTP数据传输协议，并进一步提供Modbus协议的标准化过程；
S5、基于步骤S3和步骤S4实现的标准化协议OPCUA与步骤S2中提供的OPCServer实时数据库，在本地编写数据集成的任务程序，通过云端将任务分发至各个边缘设备，协同执行实时数据的采集，并将数据存储到边缘层的数据库集群；基于主从复制与分区同步机制，实现云端数据与边缘层的数据同步。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，建立实时数据的节点网络，基于每个结点特有的NodeId，实现对设备数据的快速索引，同时结点网络基于语义箭头相互连接。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2具体为：
S201、将步骤S1中设备的信息模型导出为OPCUAXML文件，使用JAXB工具解析OPC的XML样本文件UANodeSet.xsd，生成OPCUA的内建类型对应的Java文件；
S202、定义每个设备的地址空间类，基于不同的边缘设备部署OPCServer，将所有边缘设备与云端设备的IP加入信任列表，限定数据通讯的局域网络，加密传输信道，每个加入信任列表的设备各自维护由X509加密算法所生成的验证证书；
S203、将OPCServer部署在边缘微设备后，通过边缘微服务应用，将设备的实时数据存储在OPCServer中，云端通过证书文件生成与OPCServer进行通信的Client，从边缘设备的OPCServer中采集实时数据；
S204、实现云端与底层设备的解耦与数据协议的统一，底层设备提供对应的边缘设备IP，OPC的地址空间索引和结点ID，获取指定设备的实时数据。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3具体为：
S301、TCP/IP通信基于Socket连接实现，建立生产设备与边缘设备的TCP连接通信，数据的传输基于Non-BlockingInput/Output(NIO)的方式进行；
S302、针对机器人和AGV进行数据采集处理；
S303、客户端通过TCP/IP协议向机器人发送查询数据帧后，接收到返回的JSON数据帧，为了保证数据的实时更新，建立一个循环读写模式；
S304、边缘设备在连接建立的同时，执行channelActive方法，向机器人发送查询数据帧，同时通过channelRead方法接收到机器人发送至通道的数据；在读取完毕的同时，执行channelReadComplete方法，再次发送数据帧，获取最新数据；当前线程正在进行IO时，EventLoop选择另一个空闲线程进行数据的读写；
S305、将所有数据序列化为二进制数据进行传输，对JSON数据，通过StringDeserializer将二进制数据反序列化为字符串形式；对于数据写入，将字符串形式的数据通过StringSerializer序列化为二进制数据，同时进行JSON数据的检验，确定JSON的数据边界；
S306、基于编码/解码的需要，基于任务队列的方式实现对于写入\读取数据的预处理，将所有的编解码操作加入一个双向链表；对于加入的编解码任务，通过一个标志位进行区分，当任务是一个解码操作时，标记设置为解码任务的标记，并通过头部插入；当任务是一个编码操作时，标记设置为编码任务的标记，并通过尾部进行插入，并设立为最后一个编解码操作分别设置终止位；当执行数据的读取时，执行队列中所有的解码操作；当执行数据的写入时，执行队列中所有的编码操作；
S307、将采集到的数据写入OPCServer，实现TCP/IP协议到OPCUA协议的标准化；
S308、通过阻塞式的方式获取AGV小车数据；
S309、指定串口传输的地址，波特率，数据位，奇偶校验位以及停止位；
S310、循环任务机制的数据传输基于缓冲区；发送端将数据写入缓冲区，接收方等待发送方将数据写入完毕再进行读取；
S311、按照队列机制实现任务的编解码机制；
S312、对于串口数据，通过检验末尾换行符的方式对数据进行切分，当读取到末尾的换行符时，将缓冲区的数据发送给读取方；对于定长数据帧，定义一个解码任务，每读取16字节数据，将数据发送给数据接收方；对于特定变长数据，定义一个解码任务，读取帧的长度数据进行切分，再将切分后的数据发送给数据的接收方；
S313、接收到的二进制数组的每个数据节点数据赋予对应的详细数据信息；
S314、根据AGV的传输协议，将接收到的二进制数组语义化，获取其表达的现场生产数据，再将语义化后的数据通过OPCClient写入对应的OPC数据节点，实现串口协议到OPCUA的标准化；
S315、基于TCP/IP与串口的数据解析与协议标准化模式，实现对于MQTT协议与WebSocket协议的标准化；
S316、MQTT协议的标准化；<...

【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