复杂装备制造过程数字孪生建模与仿真方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种复杂装备制造过程数字孪生建模与仿真方法与系统，该系统包括：车间资源建模模块；车间关系配置模块；数据接口适配与管理模块；生产计划仿真与评价模块；生产过程监控与调节模块。本发明专利技术设计与实现了车间资源多维建模、车间关系配置建模、数据适配与管理、生产计划仿真与评价、生产过程监控与调节等5个主要功能模块。本研究所研制的系统原型，支持数字孪生车间建模、仿真与智能制造执行应用，对复杂装备制造阶段孪生建模和数据交互与融合的深入研究和推广应用具有重要参考价值和借鉴意义。价值和借鉴意义。价值和借鉴意义。

【技术实现步骤摘要】
复杂装备制造过程数字孪生建模与仿真方法与系统


[0001]本专利技术属于数字孪生
，尤其涉及一种用于对复杂装备制造过程进行数字孪生的建模和仿真的方法及系统。

技术介绍

[0002]数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。
[0003]而复杂装备是指结构复杂零部件众多机械设备如高铁、盾构机等。
[0004]数字孪生是未来十大战略技术趋势之一，为当前制造业的创新和发展提供了新的理念和工具，为复杂动态系统的信息物理融合提供了实施途径，将复杂装备创新、制造效率和运维水平提升至一个新的高度。其中制造过程是复杂装备形成的关键环节，制造过程的质量一方面反映了产品设计的优劣，另一方面也为产品的运维产生重要影响。为此，需要在制造阶段研究如何基于数字孪生实现产品制造的高质量、高效率进行。而复杂装备制造过程和环境十分复杂，涉及人、机、料、法、环等多因素，以及设备运行参数、工艺信息、测试信息、仿真数据等多元数据，为制造阶段的产品以及制造过程数字孪生模型的构建带来了巨大挑战。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供一种复杂装备制造过程数字孪生建模与仿真方法与系统，用于快速高效的搭建复杂装备制造过程的数字孪生模型。
[0006]为解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为采用一种复杂装备制造过程数字孪生建模与仿真系统，包括：
[0007]车间资源建模模块，用于对制造复杂装备的物理车间内的生产设备进行建模生成生产设备模型；
[0008]车间关系配置模块，用于调用生产设备模型构建虚拟车间，并对虚拟车间内的生产设备模型进行关系配置；
[0009]数据接口适配与管理模块，用于建立实际物理车间与虚拟车间之间的数据通道，实现数据交互；
[0010]生产计划仿真与评价模块，用于通过虚拟车间对生产计划和过程进行预演，评价不同生产计划下的生产系统性能；
[0011]生产过程监控与调节模块，用于对仿真生产过程进行实时监控以及扰动检测，并对检测到的扰动进行假设分析和可能结果预测，基于分析结果对生产过程做出相应的调节。
[0012]作为一种改进，所述车间资源建模模块包括：
[0013]资源创建与属性编辑模块，用于创建车间内的生产设备的逻辑模型并赋予对应的属性；所述生产设备包括加工设备、物流设备、仓储设备、辅助设备；
[0014]资源运动拓扑建模模块，用于为生产设备创建运动拓模型，从而实现生产设备模型的运行；
[0015]外观结构模型导入与运动调试模块，用于为生产设备创建外观结构模型，并将外观结构模型与运动拓扑模型进行关联；
[0016]模型集成与封装模块，用于将生产设备的具有属性参数的逻辑模型、运动拓扑模型、外观结构模型模型、运行逻辑、监控变量封装成生产设备模型组件供调用。
[0017]作为一种进一步的改进，所述车间关系配置模块包括：
[0018]车间设备布局模块，用于创建虚拟车间，在虚拟车间内布置生产设备组件、车间设施、标识，实现对物理车间的映射；
[0019]车间物流布局模块，用于在虚拟车间内绘制物流路径、关联物流设备模型，实现对物理车间物流关系的映射；
[0020]服务单元配置模块，用于在物流路径上定义虚拟服务节点，并将其关联至加工或仓储设备；生成虚拟服务节点的运行逻辑；
[0021]车间实例库管理模块，用于将完成车间设备布局、物流布局、服务单元配置的虚拟车间及其属性信息进行管理。
[0022]作为另一种更进一步的改进，所述数据接口适配与管理模块包括：
[0023]数据接口适配模块，用于建立封装了连接、断开连接、读取数据、通信日志功能的数据接口抽象类，并利用所述数据接口抽象类将数据转换为统一的格式；
[0024]虚拟传感器配置模块，用于按照数据的类型配置相应的虚拟传感器，并将虚拟传感器按照物理车间层次布置到虚拟车间对应的层次中，实现物理车间和虚拟车间各层次对象的状态、运行参数、位置同步；
[0025]虚拟传感器管理模块，用于对虚拟传感器进行管理。
[0026]作为一种改进，所述生产计划仿真与评价模块包括：
[0027]仿真输入解析模块，用于将物理车间的生产任务、工序信息、生产计划转换为流动实体集；
[0028]三维可视化仿真模块，用于按照生产计划，以三维可视化动画的形式再现生产和物流过程，并获取仿真信息；
[0029]仿真结果统计模块，用于对仿真过程的生产活动的节点时间进行收集和统计，并计算出评价指标；
[0030]生产计划评价模块，用于对所获取的评价指标进行处理，得到不同生产计划下的生产系统性能综合评分。
[0031]作为一种改进，生产过程监控与调节模块包括：
[0032]设备状态监控模块，用于通过虚拟车间的设备状态监测物理车间设备状态；
[0033]执行过程监控模块，用于通过虚拟车间的生产和物流过程监测物理车间执行过程；
[0034]生产进度监控模块，用于通过虚拟车间的工件情况监测物理车间生产进度；
[0035]生产过程调节模块，用于基于设备状态、执行过程、生产进度的检测情况，检测生
产扰动并进行假设分析和动态调节。
[0036]本专利技术还提供一种复杂装备制造过程数字孪生建模与仿真方法，包括：
[0037]对制造复杂装备的物理车间内的生产设备进行建模生成生产设备模型；
[0038]调用生产设备模型构建虚拟车间，并对虚拟车间内的生产设备模型进行关系配置；
[0039]建立实际物理车间与虚拟车间之间的数据通道，实现数据交互；
[0040]通过虚拟车间对生产计划和过程进行预演，评价不同生产计划下的生产系统性能；
[0041]对仿真生产过程进行实时监控以及扰动检测，并对检测到的扰动进行假设分析和可能结果预测，基于分析结果对生产过程做出相应的调节。
[0042]作为一种改进，基于物理车间的更新以及生产过程调节方案对虚拟车间进行重构。
[0043]作为一种改进，创建车间内的生产设备的逻辑模型并赋予对应的属性；
[0044]为生产设备创建运动拓模型，从而实现生产设备模型的运行；
[0045]为生产设备创建外观结构模型，并将外观结构模型与运动拓扑模型进行关联；
[0046]将生产设备的具有属性参数的逻辑模型、运动拓扑模型、外观结构模型模型、运行逻辑、监控变量封装成生产设备模型组件。
[0047]作为一种改进，所述调用生产设备模型构建虚拟车间，并对虚拟车间内的生产设备模型进行关系配置的方法包括：
[0048]创建虚拟车间，在虚拟车间内布置生产设备模型组件、车间设施、标识，实现对物理车间的映射；
[0049本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂装备制造过程数字孪生建模与仿真系统，其特征在于包括：车间资源建模模块，用于对制造复杂装备的物理车间内的生产设备进行建模生成生产设备模型；所述生产设备包括加工设备、物流设备、仓储设备、辅助设备；车间关系配置模块，用于调用生产设备模型构建虚拟车间，并对虚拟车间内的生产设备模型进行关系配置；数据接口适配与管理模块，用于建立实际物理车间与虚拟车间之间的数据通道，实现数据交互；生产计划仿真与评价模块，用于通过虚拟车间对生产计划和过程进行预演，评价不同生产计划下的生产系统性能；生产过程监控与调节模块，用于对仿真生产过程进行实时监控以及扰动检测，并对检测到的扰动进行假设分析和可能结果预测，基于分析结果对生产过程做出相应的调节。2.根据权利要求1所述的一种复杂装备制造过程数字孪生建模与仿真系统，其特征在于所述车间资源建模模块包括：资源创建与属性编辑模块，用于创建车间内的生产设备的逻辑模型并赋予对应的属性；资源运动拓扑建模模块，用于为生产设备创建运动拓模型，从而实现生产设备模型的运行；外观结构模型导入与运动调试模块，用于为生产设备创建外观结构模型，并将外观结构模型与运动拓扑模型进行关联；模型集成与封装模块，用于将生产设备的具有属性参数的逻辑模型、运动拓扑模型、外观结构模型模型、运行逻辑、监控变量封装成生产设备模型组件供调用。3.根据权利要求1所述的一种复杂装备制造过程数字孪生建模与仿真系统，其特征在于所述车间关系配置模块包括：车间设备布局模块，用于创建虚拟车间，在虚拟车间内布置生产设备模型组件、车间设施、标识，实现对物理车间的映射；车间物流布局模块，用于在虚拟车间内绘制物流路径、关联物流设备模型，实现对物理车间物流关系的映射；服务单元配置模块，用于在物流路径上定义虚拟服务节点，并将其关联至加工或仓储设备；生成虚拟服务节点的运行逻辑；车间实例库管理模块，用于将完成车间设备布局、物流布局、服务单元配置的虚拟车间及其属性信息进行管理。4.根据权利要求1所述的一种复杂装备制造过程数字孪生建模与仿真系统，其特征在于所述数据接口适配与管理模块包括：数据接口适配模块，用于建立封装了连接、断开连接、读取数据、通信日志功能的数据接口抽象类，并利用所述数据接口抽象类将数据转换为统一的格式；虚拟传感器配置模块，用于按照数据的类型配置相应的虚拟传感器，并将虚拟传感器按照物理车间层次布置到虚拟车间对应的层次中，实现物理车间和虚拟车间各层次对象的状态、运行参数、位置同步；虚拟传感器管理模块，用于对虚拟传感器进行管理。
5.根据权利要求1所述的一种复杂装备制造过程数字孪生建模与仿真系统，其特征在于所述生产计划仿真与评价模块包括：仿真输入解析模块，用于将物理车间的生产任务、工序信息、生产计划转换为流动实体集；三维可视化仿真模块，用于按照生产计划，以三维可视化动画的形式再现生产和物流过程，并获取仿真信息；仿真结果统计模块，用于对仿真过程的生产活动的节点时间进行收集和统计，并计算出评价指标；生产计划评价模块，用于对所获取的评价指标进行处理，得到不同生产计划下的生产系统性能综合评分。6.根据权利要求1所述的一种复杂装备制造过程数字孪生建模与仿真系统，所述生产过程监控与调节模块包括：设备状态监控模块，用于通过虚拟车间的设备状态监测物理车间设备状态；执行过程监控模块，用于通过虚拟车间的生产和物流过程监测物理车间执行过程；生产进度监控模块，用于通过虚拟车间的工件情况监测物理车间生产进度；...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁国富，谢家翔，郑庆，张海柱，付建林，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：