一种基于数字孪生的数字化车间仿真方法与系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于数字孪生的数字化车间仿真方法与系统，属于制造系统自动化领域。建立虚拟系统和实际系统同步的交错数据传输通道，构建数字孪生模型，并建立数字化车间设备与数字孪生模型之间的虚实关联关系，在数字孪生模型中对数字化车间运行状态进行实时模拟调制，计算实际生产运行过程中的进度延迟；利用自适应演化方法评估各类参数配置,实现平行系统模型的构建；对平行系统模型输出的最佳输出值进行转换，以生产指令的形式通过交错数据传输通道发送至数字化车间设备，数字化车间设备按照给定的指令执行相应的动作。车间设备按照给定的指令执行相应的动作。车间设备按照给定的指令执行相应的动作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的数字化车间仿真方法与系统


[0001]本专利技术属于制造系统自动化领域，具体涉及一种基于数字孪生的数字化车间仿真方法与系统。

技术介绍

[0002]与智能制造的要求相比，传统车间管理系统存在以下问题:在现有的信息化体系架构中，系统的仿真分析及自主决策能力相对较弱；车间信息模型与可视化模型的结合不足，这导致生产制造过程的可视化程度较低，车间生产调度过程中的所涉及的各类状态信息和生产信息变动无法及时地传递给操作者；同时在智能制造的要求下，车间自动化水平、资源复杂度的不断提高，车间生产调度算法应当更加智能化，拥有更强的抗干扰能力及自我调整能力。但由于仿真能力和可视化程度的相对不足，生产调度过程应对非稳态异常的能力和系统的决策能力较低，并且使用者无法直观的获取调度过程中的各类热点信息，只能得到简单的调度结果。随着智能制造的不断发展，上述问题将会阻碍传统车间向智能车间转型。
[0003]数字孪生是实际产品或生产流程的虚拟关联，用于理解和预测对应实体或流程的特性。实现数字孪生首先是三维模型的构建并将模型与生产数据进行对应，在生产的执行阶段，原材料、设备运行状态等热点信息会进行非稳态的调整，数字孪生体要将这些变动实时更新在虚拟空间，这需要孪生体结合传感器的非稳态数据进行快速更新并能够监控和预测实际设备的运行异常，从而为生产决策提供指导。其次，在数字化模型的基础上，孪生体应当可以根据设备的实时加工信息和历史信息、进行实时模拟调制模拟，通过仿真结果对于生产过程中的异常结果进行及时修正或生产验证。
[0004]现有技术中，例如专利文献CN114967494A公开了一种基于模块化开发的云端数字孪生车间仿真系统，包括设备层、边缘层、系统层和应用层，设备层包括实际车间的各种生产设备，边缘层包括数据采集模块和设备控制模块，主要功能为采集设备数据和收发控制指令。系统层包括数据处理模块、数据存储模块、数据分析模块、数据通讯模块、逻辑功能模块和事件处理模块。应用层包括信息展示模块、数字孪生仿真模块和3D可视化交互模块，能够接收设备数据信息实现数据大屏展示，也可进行3D仿真，发送控制指令。但是该技术方案仿真场景单一，缺乏灵活性，无法快速响应新的需求；软件系统本身占用资源较多，不够轻量化，不易拓展。
[0005]再例如专利文献CN113887016A公开了一种基于数字孪生的船舶数字化车间仿真方法与系统，包括数字孪生车间信息建模技术、车间信息系统集成技术、制造过程仿真优化方法、离线虚拟组合设计仿真技术以及数字孪生新型运行流程与架构。本专利技术提供基于数字孪生的船舶数字化车间仿真方法，按照数字孪生新型运行流程与架构进行搭建，通过数字化车间仿真方法对船舶制造车间进行数据采集与建模，搭建船舶制造车间的数字孪生模拟仿真系统，通过车间信息集成系统作为指令运行中介，向仿真系统发送产线数据，同时调度真实厂房的生产计划并对真实生产进行实时控制，对整条产线配置以及运行过程进行优
化，并可根据仿真结果对产线进行持续优化。但是该技术方案不易修改，需要较长的试运行时间来达到稳定生产，严重限制了数字化车间的适应能力。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于数字孪生的数字化车间仿真方法，包括如下步骤：S1、建立虚拟系统和实际系统同步的交错数据传输通道，数字孪生模型根据计算结果通过该通道发送至数字化车间设备，实现虚拟系统和实际系统同步；S2、构建数字化车间设备在信息空间中的数字孪生模型，并建立数字化车间设备与数字孪生模型之间的虚实关联关系，在数字孪生模型中对数字化车间运行状态进行实时模拟调制，计算实际生产运行过程中的进度延迟；S3、基于虚拟场景,利用自适应演化方法评估各类参数配置,实现平行系统模型的构建；S4、对平行系统模型输出的最佳输出值进行转换，以生产指令的形式通过交错数据传输通道发送至数字化车间设备，数字化车间设备按照给定的指令执行相应的动作。
[0007]进一步地，所述步骤S3中，将实际系统S
R
表示为：（1）；其中，是实际系统S
R
在t时刻的状态，是实际系统S
R
在t
‑
1时刻的状态，是在t
‑
1时刻施加给实际系统S
R
的控制量，是实际系统状态迁移规则, 表示实际系统状态在规则作用下迁移，是语义逻辑规则“并且”，表示在观测规则下实际系统S
R
呈现的观测值，表示在t时刻实际系统S
R
的观测值；将式(1)用数值形式来描述： (2)；其中,为实际系统状态迁移方程，为实际系统观测方程。
[0008]进一步地，通过联合求解虚拟系统和实际系统的控制量,使虚拟系统向从时刻t到时刻t+T的虚拟系统目标收敛,同时通过最小化虚拟系统和实际系统表象的差异,使实际系统向预设的虚系统状态收敛，即：
（3）；表示从时刻1到时刻t实际系统S
R
的观测值, 示从时刻1到时刻t虚拟系统的观测值，是虚拟系统在从时刻t到时刻t+T的持续状态。
[0009]进一步地，所述步骤S2具体包括：步骤21：计算数字化车间设备T
i
的执行速率S
U
：S
U
＝min{S
T
,S
H
}；其中S
T
是数字化车间设备T
i
在物流周期内的最小限制速率，S
H
是数字化车间设备T
i
在充足物流储备内的最小限制速率；步骤22：将数字化车间设备T
i
的执行速率S
U
进行排序，选出执行速率最大的执行任务作为聚焦任务；当任务的最大执行时间相同时，启动时间早的任务作为聚焦任务；当任务的最大执行时间与其启动时间都相同时，将下标小的任务作为聚焦任务；步骤23：计算数字化车间设备T
i
的稳态闲置时间，且将其分配给聚焦任务；步骤24：计算数字化车间设备T
i
在线产生的非稳态闲置时间，将非稳态闲置时间分配给就绪队列优先级最高的任务。
[0010]进一步地，S
T
由下式计算：；其中，S
RT
(i)是不同物流周期组成的集合中的最小速率，i是整数；S
RT
(i)由下式计算：；其中，e
i
是数字化车间设备T
i
在最坏情况下的执行时间，P
j
是物流周期，B(T
i
)是数字化车间设备T
i
物流周期的最大阻塞时间，L是物流线体长度；S
H
由下式计算：；其中，n是数字化车间设备T
i
的总数，u
i
是数字化车间设备T
i
的利用率，F(n)是n个数字化车间设备中的利用率上界。
[0011]进一步地，所述步骤23中，实际生产运行过程中的稳态闲置时间ΔT按照以下公式计算：；式中：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的数字化车间仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立虚拟系统和实际系统同步的交错数据传输通道，数字孪生模型根据计算结果通过该通道发送至数字化车间设备，实现虚拟系统和实际系统同步；S2、构建数字化车间设备在信息空间中的数字孪生模型，并建立数字化车间设备与数字孪生模型之间的虚实关联关系，在数字孪生模型中对数字化车间运行状态进行实时模拟调制，计算实际生产运行过程中的进度延迟；S3、基于虚拟场景,利用自适应演化方法评估各类参数配置,实现平行系统模型的构建；S4、对平行系统模型输出的最佳输出值进行转换，以生产指令的形式通过交错数据传输通道发送至数字化车间设备，数字化车间设备按照给定的指令执行相应的动作。2.根据权利要求1所述的数字化车间仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中，将实际系统S
R
表示为：（1）；其中，是实际系统S
R
在t时刻的状态，是实际系统S
R
在t
‑
1时刻的状态，是在t
‑
1时刻施加给实际系统S
R
的控制量，是实际系统状态迁移规则, 表示实际系统状态在规则作用下迁移，是语义逻辑规则“并且”，表示在观测规则下实际系统S
R
呈现的观测值，表示在t时刻实际系统S
R
的观测值；将式(1)用数值形式来描述： (2)；其中,为实际系统状态迁移方程，为实际系统观测方程。3.根据权利要求2所述的数字化车间仿真方法，其特征在于，通过联合求解虚拟系统和实际系统的控制量,使虚拟系统向从时刻t到时刻t+T的虚拟系统目标收敛,同时通过最小化虚拟系统和实际系统表象的差异,使实际系统向预设的虚系统状态收敛，即：（3）；表示从时刻1到时刻t实际系统S
R
的观测值, 示从时刻1到时刻t虚拟系统的观测值，是虚拟系统在从时刻t到时刻t+T的持续状态。
4.根据权利要求1所述的数字化车间仿真方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：步骤21：计算数字化车间设备T
i
的执行速率S
U
：S
U
＝min{S
T
,S
H
}；其中S
T
是数字化车间设备T
i
在物流周期内的最小限制速率，S
H
是数字化车间设备T
i
在充足物流储备内的最小限制速率；步骤22：将数字化车间设备T
i
的执行速率S
U
进行排序，选出执行速率最大的执行任务作为聚焦任务；当任务的最大执行时间相同时，启动时间早的任务作为聚焦任务；当任务的最大执行时间与其启动时间都相同时，将数字化车间设备T
i
的下标小的任务作为聚焦任务；步骤23：计算数字化车间设备T
i
的稳态闲置时间，且将其分配给聚焦任务；步骤24：计算数字化车间设备T
i
在线产生的非稳态闲置时间，将非稳态闲置时间分配给就绪队列优先级最高的任务；步骤25：根据数字化车间设备T
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立新，金戈，
申请(专利权)人：极晨智道信息技术北京有限公司，
类型：发明
国别省市：