一种基于数据空间的复杂系统级数字孪生构建方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于数据空间的复杂系统级数字孪生构建方法，包括：构建复杂系统级数字孪生的模型空间、复杂系统级数字孪生的数据空间；定义保障要素、要素类群、作业群组对应的网络节点、群落和路径图及其在保障过程中的时间和空间状态，构建复杂系统级数字孪生的状态空间；基于保障要素负载及作业流程执行、业务映射响应，构建复杂系统级数字孪生的行为空间，最终构建复杂系统级数字孪生的四维映射模型。本发明专利技术有效描述并关联复杂系统中各个构成元素的模型、数据、状态与行为，为复杂系统及其运行过程的表征、分析与优化决策等提供依据，有利于提高复杂系统运行效率和调控能力，使舰面保障系统数字孪生与现实舰面保障系统精准同步运行。同步运行。同步运行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数据空间的复杂系统级数字孪生构建方法


[0001]本专利技术属于一种面向服务的典型复杂系统——舰面保障系统中数字孪生的应用
，其中涉及一种基于数据空间的复杂系统级数字孪生构建方法。

技术介绍

[0002]舰面保障系统是用于指挥和保障多型舰载机群在甲板上各类保障作业的工程系统，对舰载机的出动回收效能起着关键性的影响。舰面保障系统保障作业过程中，飞机涉及的保障工序繁多，需要完成充氧充氮、加油、挂弹等一系列工序，实现飞机起飞降落、调运、飞机保障等功能，整个系统中包含了整体的保障作业计划、各项保障作业以及保障作业开展过程中所涉及到的人员、设备和环境要素，其中涉及到数百个人员站位、多个作业阶段、百余项保障作业和上千套设备，是一个典型的复杂系统工程。其复杂性体现为，HB系统由强实时、准实时、非实时多型异构系统组成，其可靠性、安全性、技术体制与研发管理都存在差异。其所涉及的作业流程复杂，包含多个作业阶段，众多设备、人员和作业活动，任务的完成需要依靠人员、场景、环境等多主体协同，不仅依靠各部门资源相互协同，共同完成保障任务，还需要对资源进行合理的规划。同时，舰面保障系统是一个多任务并行的系统，保障、调运、起飞、着舰等不同作业同时执行，在有限的保障资源与空间位置的条件下，非同质作业之间可能会存在时间和空间上的冲突，且系统时刻处于动态变化的过程中，难以事先精确求解以预先安排。因此，通过分层级描述复杂系统成为关键，通过对系统中保障要素构建数字孪生模型，能够为保障系统进行精细化的描述，为之后解决调度与决策等提供依据，以支撑舰面保障系统科学可控地运行。同时也有利于提升舰面保障系统保障能力与可靠性。
[0003]随着舰面保障系统的发展，传统的基于还原论的设计过程，即将复杂大系统分解为不同的模块，然后分别实现，再还原成大系统的方式在一定程度上忽略了模块之间的交互特性，难以应对大系统的复杂性，难以描述多种功能与多种要素间的映射关系。因此，通过一种新的方法实现对舰面保障系统的构模，对其中的模型、数据、状态、行为进行舰面保障系统的分析与度量，有效地实现对系统保障过程的刻画，对提升舰面保障系统的保障能力、维护系统可靠运行具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题为：克服现有舰面保障系统描述技术的不足，提出一种基于数据空间的复杂系统级数字孪生构建方法，构建一个针对舰面保障系统的数字孪生模型，该模型描述并关联了舰面保障系统的构成元素的模型、数据、状态与行为的数字孪生模型，解决了以往针对舰面保障系统这一复杂系统要素描述不全、关联关系不明、时空状态不齐等问题，为后续复杂系统及其运行过程的表征、分析与优化决策提供依据，提升舰面保障系统的运行效率和调控能力。
[0005]本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：一种基于数据空间的复杂系统级数字孪生构建方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1：将复杂系统即舰面保障系统中的各种保障要素封装成为网络节点模型；基于要素节点功能属性和需求特征将要素节点聚类形成要素群落并构建要素网络群组模型；不同作业群组间根据作业任务流程形成作业群组网络路径模型；不同作业群组网络路径模型组合构成整个舰面保障系统孪生模型；进而形成舰面保障系统数字孪生的模型空间；
[0007]步骤2：将舰面保障系统中保障要素及其执行保障作业过程中产生的数据进行分类；挖掘数据间的显隐性关联，对数据的内在关联关系进行表征；根据孪生数据与保障业务间的映射关联关系，形成数据与作业的映射关联网络，对孪生数据的业务映射关联进行表征；进而构建舰面保障系统数字孪生的数据空间；
[0008]步骤3：基于步骤1和步骤2注入的模型与数据，描述保障要素、要素类群、作业群组及其对应的网络节点、群落、及路径图在保障过程中的时空状态及其特征；针对保障过程中的保障时序迁移、保障位置变换进行匹配，使得保障过程中时空变化保持一致；针对不匹配的保障要素时间、空间状态进行时空逻辑关系校准，并将校准结果返回状态空间描述，形成状态空间的时空状态闭环描述；进而构建舰面保障系统数字孪生的状态空间；
[0009]步骤4：根据舰面保障系统作业指令属性和需求特征，根据保障要素状态描述和业务映射关联分析，对保障要素的时空状态和业务映射约束条件分别进行判别；当时空状态与约束条件同时满足时，即完成保障要素与作业需求匹配，进而完成保障动作响应；将保障动作响应注入状态空间，针对动作响应后的舰面保障系统的时间、空间状态进行匹配与校准，提高动作响应的精准性；进而构建舰面保障系统数字孪生的动作空间；
[0010]步骤5：融合步骤1
‑
4中生成的舰面保障系统级的数字孪生的模型空间、数据空间、状态空间和行为空间，构建舰面保障系统数字孪生的四维映射模型；舰面保障系统数字孪生四维映射模型基于数据空间，针对复杂系统的虚拟空间内数据运行流程及舰面保障系统状态，实现舰面保障系统的数字孪生体与现实世界中舰面保障系统的同步运行。
[0011]所述步骤1中，舰面保障系统数字孪生的模型空间构建如下：
[0012](1)将舰面保障系统中的各种保障要素封装成为要素网络节点模型，保障要素类别包括保障人员、保障资源、保障环境其中N
s
为舰面保障系统数字孪生中保障要素类别的数目，N
i
表示i类要素中要素节点的数目，f(m)表示不同的要素节点具有不同的功能属性，进而完成不同类别的保障作业；
[0013](2)所封装的要素节点模型基于相同功能属性f(m)将要素节点聚类形成要素类群，进而形成网络群落
[0014](3)不同作业群组间根据作业任务关联形成作业群落关联模型其包括舰面保障系统的各类二级子系统T
(p)
＝{G1，G2，...，G
n
}，其中n表示任务T
p
中的单个作业群组个数；
[0015](4)不同作业群落关联模型聚合形成整个舰面保障系统孪生网络模型Net＝{T
(1)
，T
(2)
，...}。
[0016]所述步骤2中，舰面保障系统数字孪生的数据空间构建如下：
[0017](1)孪生数据空间中包含基本描述信息d1、感知环境数据d2、模型仿真数据d3和历史运行数据d4四种不同类别数据，数据类别定为class；所述基本描述信息d1指舰面保障系统的描述；感知环境数据d2指舰面保障系统所监测到的环境数据；模型仿真数据d3指舰面保
障系统级数字孪生中包含的各类模型在运行过程中产生的多种仿真数据；历史运行数据d4指舰面保障系统历史运行过程中所产生的数据；
[0018](2)孪生数据空间还包括上述四种数据之间它们融合而成的关联数据，对关联数据进行挖掘，分别定义为数据间的显隐性关联d
d
和作业业务映射关联d
t
；所述挖掘数据间的显隐性关联d
d
，所述d
d
为舰面保障系统中数据间的关联关系，所述显隐性关联d
d本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数据空间的复杂系统级数字孪生构建方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤1：将复杂系统即舰面保障系统中的各种保障要素封装成为网络节点模型；基于要素节点功能属性和需求特征将要素节点聚类形成要素群落并构建要素网络群组模型；不同作业群组间根据作业任务流程形成作业群组网络路径模型；不同作业群组网络路径模型组合构成整个舰面保障系统孪生模型；进而形成舰面保障系统数字孪生的模型空间；步骤2：将舰面保障系统中保障要素及其执行保障作业过程中产生的数据进行分类；挖掘数据间的显隐性关联，对数据的内在关联关系进行表征；根据孪生数据与保障业务间的映射关联关系，形成数据与作业的映射关联网络，对孪生数据的业务映射关联进行表征；进而构建舰面保障系统数字孪生的数据空间；步骤3：基于步骤1和步骤2注入的模型与数据，描述保障要素、要素类群、作业群组及其对应的网络节点、群落、及路径图在保障过程中的时空状态及其特征；针对保障过程中的保障时序迁移、保障位置变换进行匹配，使得保障过程中时空变化保持一致；针对不匹配的保障要素时间、空间状态进行时空逻辑关系校准，并将校准结果返回状态空间描述，形成状态空间的时空状态闭环描述；进而构建舰面保障系统数字孪生的状态空间；步骤4：根据舰面保障系统作业指令属性和需求特征，根据保障要素状态描述和业务映射关联分析，对保障要素的时空状态和业务映射约束条件分别进行判别；当时空状态与约束条件同时满足时，即完成保障要素与作业需求匹配，进而完成保障动作响应；将保障动作响应注入状态空间，针对动作响应后的舰面保障系统的时间、空间状态进行匹配与校准，提高动作响应的精准性；进而构建舰面保障系统数字孪生的动作空间；步骤5：融合步骤1
‑
4中生成的舰面保障系统级的数字孪生的模型空间、数据空间、状态空间和行为空间，构建舰面保障系统数字孪生的四维映射模型；舰面保障系统数字孪生四维映射模型基于数据空间，针对复杂系统的虚拟空间内数据运行流程及舰面保障系统状态，实现舰面保障系统的数字孪生体与现实世界中舰面保障系统的同步运行。2.根据权利要求1中所述的基于数据空间的复杂系统级数字孪生构建方法，其特征在于：所述步骤1中，舰面保障系统数字孪生的模型空间构建如下：(1)将舰面保障系统中的各种保障要素封装成为要素网络节点模型，保障要素类别包括保障人员、保障资源、保障环境其中N
s
为舰面保障系统数字孪生中保障要素类别的数目，N
i
表示i类要素中要素节点的数目，f(m)表示不同的要素节点具有不同的功能属性，进而完成不同类别的保障作业；(2)所封装的要素节点模型基于相同功能属性f(m)将要素节点聚类形成要素类群，进而形成网络群落(3)不同作业群组间根据作业任务关联形成作业群落关联模型其包括舰面保障系统的各类二级子系统T
(p)
＝{G1，G2，...，G
n
}，其中n表示任务T
p
中的单个作业群组个数；(4)不同作业群落关联模型聚合形成整个舰面保障系统孪生网络模型Net＝{T
(1)
，T
(2)
，...}。3.根据权利要求1中所述的基于数据空间的复杂系统级数字孪生构建方法，其特征在于：所述步骤2中，舰面保障系统数字孪生的数据空间构建如下：
(1)孪生数据空间中包含基本描述信息d1、感知环境数据d2、模型仿真数据d3和历史运行数据d4四种不同类别数据，数据类别定为class；所述基本描述信息d1指舰面保障系统的描述；感知环境数据d2指舰面保障系统所监测到的环境数据；模型仿真数据d3指舰面保障系统级数字孪生中包含的各类模型在运行过程中产生的多种仿真数据；历史运行数据d4指舰面保障系统历史运行过程中所产生的数据；(2)孪生数据空间还包括上述四种数据之间它们融合而成的关联数据，对关联数据进行挖掘，分别定义为数据间的显隐性关联d
d
和作业业务映射关联d
t
；所述挖掘数据间的显隐性关联d
d
，所述d
d
为舰面保障系统中数据间的关联关系，所述显隐性关联d
d
，数据间的隐性关联主要包括数据间的各类关联数据；所述作业业务映射关联d
t
为数据空间中除数据间存在关联关系外，各类数据还与舰面保障系统中各种作业存在业务映射关联；(3)所述数据空间内所有数据应包含data＝{class，relation{d
d
，d
t
}}，其中class表示数据类型，d
d
表示数据间的关联关系，d
t
表示数据与作业任务间的业务映射关联。4.根据权利要求1中所述的基于数据空间的复杂系统级数字孪生构建方法，其特征在于：所述步骤3中，状态空间构建具体步骤：(1)根据舰面保障系统数字孪生的模型空间与数据空间中的信息，对舰面保障系统内的保障要素、要素群落及作业群组对应的网络节点、群落及路径图的时空状态及特征进行描述；定义时间状态T＝{t
ij
}，t
ij
表示舰面保障系统中不同对象或对象的不同细节的不同步采样时间点，i表示时间状态，j表示时间采样来源；定义多尺度空间状态W＝{w
ij
}，w
ij
表示舰面保障系统中多尺度下具体对象空间特征数据，其中i表示空间状态，j表示空间采样来源；假设舰面保障系统单个保障要素共采集到n个状态{S(t
n1
，w
n1
)，S(t
n2
，w
n2
)，...，S(t
nm
，w
nm
)}，其中t
nm
表示第n个时间状态时，第m个时间采样来...

【专利技术属性】
技术研发人员：程颖，刘洪廷，高燕姗，陶飞，戚庆林，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：