【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的智能产线雾边协同数据采集感知系统及方法
[0001]本专利技术属于工业数据采集
，特别涉及一种基于数字孪生的智能产线雾边协同数据采集感知系统及方法
。
技术介绍
[0002]数字孪生技术自提出以来便受到广泛关注，被认为是推动工业智能化的重要技术手段，其思想是构建并融合产线实体的几何
、
物理
、
行为
、
规则模型，建立产线实体的虚拟孪生模型，通过产线实体与虚拟孪生模型的虚实交互，实现对产线实体的实时监测
、
状态预测及运维控制
。
虚实交互的本质是产线实体和孪生模型之间的数据传输，因此智能产线的数据采集感知是建立智能产线数字孪生模型的关键
。
[0003]智能产线通常具有要素复杂
、
设备类型多样的特点，目前有关智能产线数据采集的研究也大多集中于设计并实现兼容不同要素与设备的数据采集系统
。
但是，智能产线同时也具有数据总量大
、
价值密度低的特点，同时构建产线数字孪生模型及虚实交互也对智能产线数据采集提出了高实时性和高可用性的要求，现有的智能产线数据采集系统和方法难以满足上述要求
。
例如专利公开号为
CN106357426A
的专利技术，公布了一种基于工业云的大规模分布式智能数据采集系统及方法，专利公开号为
CN105785958A
的专利技术，公布了一种基于智慧工厂的多功能数据采集器
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.
一种基于数字孪生的智能产线雾边协同数据采集感知系统，其特征在于，包括边缘采集装置和雾端中控主机；所述的边缘采集装置是微型电脑；微型电脑搭载数据采集模块
、
数据处理模块和设备通讯模块的发布子模块，用于直接连接产线要素进行数据采集，同时将处理后的数据实时传输给雾端中控主机；所述产线要素包括产线设备
、
物料
、
人员构成工业产线的所有物理实体，在产线生产运行过程中通过内置接口或者附加传感器向外界发送数据；所述的雾端中控主机具有数据计算和存储能力
、
友好用户交互界面，其上部署设备通讯模块的订阅子模块和代理子模块
、
数据模型构建模块
、
任务管理模块
、
监视报警模块以及数据存储模块，用于向用户提供要素数据模型构建
、
采集任务管理
、
监控报警接口，同时根据用户指令向边缘采集装置下发数据采集任务
。2.
根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能产线雾边协同数据采集感知系统，其特征在于，所述的数据采集模块：用于从产线要素所有物理实体中获取数据并将其转换为数据采集通道以方便用户设计
、
配置数据采集方案，包括外部传感器采集子模块
、
设备数据采集子模块
、
人工输入数据采集子模块
、
控制系统数据采集子模块和采集通道管理子模块，其中：所述的外部传感器采集子模块：用于采集产线外部附加传感器的数据；所述的设备数据采集子模块：用于采集支持
OPC UA、MTConnect、Focas
通讯协议的设备的数据；所述的人工输入数据采集子模块：用于向产线操作人员
、
技术人员
、
管理人员相关人员提供数据输入接口并采集用户输入的数据；所述的控制系统数据采集子模块：用于从
MES
制造执行系统
、ERP
企业资源规划系统中采集车间调度
、
质量管理
、
人员管理
、
产线资源等数据；所述的采集通道管理子模块：用于管理边缘采集装置的采集通道，进行采集通道的添加
、
删除
、
修改；一个采集通道对应边缘采集装置采集的一种数据，包括：采集数据名称，采集通道编号，数据类型，数据来源，数据采集频率，数据描述；所述的数据处理模块：用于实时处理边缘采集装置采集到的原始数据，提高数据采集质量同时保证采集效率与实时性，包括数据预处理子模块，状态感知子模块，其中：所述的数据预处理子模块：用于根据采集任务中用户创建并配置的预处理模型对边缘采集装置采集到的原始数据进行数据清洗
、
缺失值处理
、
重复值去除
、
归一化
、
特征提取
、
数据压缩操作；所述的状态感知子模块：用于根据采集任务中用户创建并配置的状态感知映射模型从预处理后的实时数据中映射出产线要素对象的实时状态信息
。3.
根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的智能产线雾边协同数据采集感知系统，其特征在于，所述的设备通讯模块：用于在雾端中控主机和边缘采集装置之间传输采集数据和控制指令，包括搭载在边缘采集装置中的发布子模块，以及搭载在雾端中控主机中的订阅子模块和代理子模块，其中：所述的发布子模块：用于将经过数据处理
、
状态感知后的边缘采集装置采集数据或要素状态以采集通道为单位按照主题的形式发送给代理子模块，一个主题对应一个采集通
道，包括：主题路径
、
主题内容，仅当采集到新数据时边缘采集装置才会发布一次主题；所述的订阅子模块：用于根据采集任务中用户设置的需要进行数据采集的采集通道订阅相应的主题，获取发布子模块发布的最新数据；所述的代理子模块：用于接收边缘采集装置发布的主题消息，并将主题消息转发给订阅了对应主题的雾端中控主机，同时也用于处理边缘采集装置
、
雾端中控主机发起的连接
、
断开连接
、
订阅
、
取消订阅请求；所述的数据模型构建模块：包括要素数据结构模型构建子模块
、
数据预处理模型构建子模块
、
状态感知映射模型构建子模块，其中：所述的要素数据结构模型构建子模块：用于构建产线要素的数据结构模型，描述产线要素的数据属性及产线要素之间的连接关系；所述的数据预处理模型构建子模块：用于构建数据预处理模型，数据预处理模型对边缘采集装置采集到的原始数据进行实时预处理；所述的状态感知映射模型构建子模块：用于构建产线要素状态感知映射模型，状态感知映射模型使用预处理后的采集数据对产线生产运行过程中能够反映产线要素实时工作情况的工作参数或性能指标进行实时感知预测；所述的任务管理模块：用于创建
、
修改
、
停止
、
删除数据采集任务；一个数据采集任务包括：产线数据结构模型以及与数据结构模型中每个要素数据属性对应的数据采集通道
、
数据预处理模型
、
状态感知映射模型；每个要素数据属性对应一个数据采集通道，对应关系是一对一或多对一；数据预处理模型和状态感知映射模型不是必须项；当用户创建采集任务后，采集任务管理模块将用户设置的需要进行采集的数据属性信息发送给发布子模块和订阅子模块，将用户创建并设置的数据预处理模型与状态感知映射模型发送给数据处理模块；当用户停止采集任务时，采集任务管理模块将停止指令发送给数据采集模块和发布子模块，所有边缘采集装置停止采集和发布数据；当用户修改或删除采集任务时，采集任务管理模块将指令发送给数据处理模块
、
数据采集模块
、
设备通讯模块；修改或清空相关的采集发布
、
订阅
、
数据预处理
、
状态感知映射模型信息；所述的监视报警模块：对工作时边缘采集装置的工作性能
、
资源使用和雾边设备间的信号通讯与数据传输情况进行监视，发现异常时向用户发出警报，包括边缘采集装置性能监视子模块
、
网络传输状态监视子模块
、
异常报警子模块，其中，所述的边缘采集装置性能监视子模块：用于对边缘采集装置的性能参数和资源使用情况进行实时监视，监视的参数包括
CPU
利用率
、
内存使用量
、
磁盘剩余容量
、
网卡实际吞吐量
、USB
接口实时传输速率；当边缘采集装置的某项或多项参数高于设定的性能报警阈值以及边缘采集装置出现故障时，向异常报警子模块和采集任务管理模块发送边缘采集装置异常信息；所述的网络传输状态监视子模块：用于监视雾边协同数据采集系统整体网络传输是否正常，包括雾端中控主机订阅子模块与代理子模块
、
边缘采集装置发布子模块与代理子模块
、
边缘采集装置设备数据采集子模块与带有网络连接功能的产线设备之间的连接，进行数据采集时若发现某个连接在超过设定的最长通讯间隔内没有信号传输，就尝试发送信号判断通讯链路是否正常，若不正常则尝试恢复通讯链路，记录异常信息并发送给异常报警子模块以及采集任务管理模块；
所述的异常报警子模块：用于接收记录边缘采集装置性能监视子模块与网络传输状态监视子模块发来的异常信息，并将相应的异常信息以警报形式发送给产线技术人员与管理人员...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐俊，马梓玮，孙铮，张大伟，朱倪黎，梅雪松，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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