【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数字孪生，特别涉及一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统。
技术介绍
1、随着经济的发展，个性化、多样化、定制化的产品逐渐成为客户的主流需求。如何充分利用物联网、人工智能、大数据等先进技术为车间生产过程提供智能化的仿真支持，实现及时交货、提高客户满意度，成为了提升企业竞争力的关键问题。为了适应目前多品种、中小批量的产品需要，柔性生产成为离散制造车间主要生产方式，由于产品自身的特征，其制造呈现出品种多、批量小、周期短等离散型生产模式的特性，导致车间生产流程变得难以控制，生产场景变得复杂化，生产要素相对独立，信息空间与物理空间的数据缺乏交互与融合。为确保车间生产计划能够满足生产需求，离散车间生产过程的仿真是必不可少的步骤。利用数字孪生技术搭建贴近实际车间场景的数字孪生逻辑模型，实现生产过程中全流程全要素集成与融合，通过模拟实际车间的布局、工艺路径、物流等进行生产过程仿真，对其进行评价，实现生产过程全要素的虚实映射与迭代运行机制，能够提前发现生产问题、提高车间生产效率，减少资源的浪费。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题与不足，本专利技术的目的在于提供一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，结合数字孪生技术、数据库技术、仿真技术，实现离散车间数字孪生逻辑模型的构建与生产过程的仿真。作为一种实现离散车间生产过程的数字孪生仿真系统，其目的是为离散车间构建准确、合理、高效的数字孪生逻辑模型，解决车间生产过程仿真问题，使得能够提前发现车间生产问题、提高生产效
2、本申请方案为：一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，该系统通过生产要素采集模块获取车间实体的各种生产属性，对车间生产要素从几何、物理、行为、规则维度进行抽象，从而构建多维度车间生产逻辑模型。通过依照物理对象建立虚拟场景三维模型，搭建离散车间数字孪生平台，制定与实际环境相同的事件驱动仿真逻辑，通过合同网招标机制进行仿真决策，实现数字孪生平台下的离散车间生产过程仿真。
3、所述生产要素采集模块，用于采集车间生产相关要素，包括生产属性获取部分、数据处理部分和数据传输部分，生产要素可以分为主动型要素(包括机床、物流设备、仓储设备、缓冲设备、控制设备等)与被动要素(包括物料、物流路径等)，生产属性获取部分包括对生产要素类别、数量、加工状态、订单等生产属性获取。数据处理部分包括对获取到的信息进行识别、分类并转化为统一数据格式。数据传输部分将采集到的所有信息传输到数据库，进行存储。
4、实现方法：opc ua作为新一代的opc标准，可以统一各类物联感知设备的传输协议和数据接口，是实现虚实车间之间信息交互的有效手段，以opc ua作为主要传输手段，通过构建opc ua服务器，接入多源数据，并按照信息模型构建opc ua地址空间，用以暴露各类数据的接口，实现多类数据的统一归集和规范传输。依据数据模型，将机床和传感器数据，使用kepopc形成一级opc ua服务端，对于erp、mes、scada等企业系统软件，一般具有专用的数据传输接口，借助spring boot中间件rabbitmq消息队列进行数据传输处理，最终形成opcua服务端。
5、所述多维度车间生产逻辑模型，包括车间生产要素的属性建模(包括几何参数、物理属性)与行为建模(包括生产行为、仿真规则)。属性建模包括对生产元素的布局规则、状态、输入输出类型、容量、处理时间等静态属性的建模，行为建模包括对元素输入输出行为、状态转移以及时间推进步长的建模。
6、实现方法：将车间生产过程中逻辑上完成相似功能的物理实体进行归类处理，从几何参数、物理属性、生产行为和仿真规则维度对实际生产过程中的各类实体制造设备抽象化，以面向对象的方式构建多维度车间生产逻辑模型。
7、所述离散车间数字孪生平台，利用unity3d引擎平台，根据实际车间场景布局，依据模型库中模型快速搭建虚拟场景。
8、所述事件驱动仿真逻辑，通过仿真时钟的推进，将事件不断列入或移出，来保证所有事件按正确事件次序发生的仿真推进逻辑。基于事件调度法的车间数字孪生体系统仿真，首先对仿真对象进行系统输入特性建模，用抽象模型描述实际生产过程。然后根据仿真要求结合真实车间状况筛选所产生的仿真样本，从而确定样本输入发生器。最后基于车间生产流程描述仿真事件处理逻辑，通过触发不同的事件处理逻辑完成系统仿真流程。
9、实现方法：有限状态机模型对元素的行为进行形式化的建模，它描述状态队列及状态之间的转移条件，然后通过定义输入行为与输出行为，对每个状态转移定义其特殊的、形式化的动态行为或处理过程。
10、所述合同网招标机制仿真决策，合同管理者向负责执行任务的个体发布任务；执行任务的个体基于自身信息对任务进行投标并发送给合同管理者；合同管理者评估这些投标并将任务授予给最合适的任务执行个体。
11、实现方法：将车间实体抽象成各种成员agent作为投标者，招标者为车间的决策agent，当有任务需要招标时，招标者会产生并广播招标信息；投标者接收到招标，根据自身能力计算投标值，产生并发送投标信息；招标者接收到所有的投标信息，并对投标进行评估，产生并发出中标信息；投标者接收中标信息，判断是否自己中标，中标者产生反馈信息；投标者接收中标者的反馈，一个任务招标结束。
12、本专利技术基于数字孪生技术与离散生产过程建模技术构建离散车间数字孪生仿真系统。其优势在于：
13、1.系统采用视图、模型和控制分离的设计模式，便于系统的功能扩展和日常维护。
14、2.采用opc ua信息建模方法实现数据交互，通过opc ua协议将各类设备协议进行统一规范，建立数据传输的标准化接口，将不同类型的设备产生的不同格式的信息按照标准的格式进行呈现，达到数据的有效采集和管理，使得数字孪生平台中多源异构数据可以集成和传输。
15、3.提出基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真算法，建立离散车间生产逻辑模型模型，使模型具备几何、物理、行为、规则属性，实现离散车间生产流程的仿真。
16、4.引入统一逻辑模型方法，对元素的行为进行形式化的建模，构建的生产逻辑模型模块化程度高，易于进行模型的独立构建和测试，逻辑模型与仿真算法的可重用性、灵活性高。
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1.一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述仿真系统包含生产要素采集模块，所述生产要素采集模块用于获取车间生产相关要素；根据所述车间生产相关要素构建多维度车间生产逻辑模型，通过依照物理对象建立虚拟场景三维模型，搭建离散车间数字孪生平台，制定与实际环境相同的事件驱动仿真逻辑算法，通过合同网招标机制进行仿真决策，实现数字孪生平台下的离散车间生产过程仿真。
2.根据权利要求1所述的一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述生产要素采集模块包括生产属性获取单元、数据处理单元和数据传输单元，所述生产要素分为主动型要素，包括机床、物流设备、仓储设备、缓冲设备、控制设备，以及被动要素，包括物料、物流路径，生产属性获取单元包括对生产要素类别、数量、加工状态、订单等生产属性获取；数据处理单元包括对获取到的信息进行识别、分类并转化为统一数据格式；数据传输单元将采集到的所有信息传输到数据库进行存储。
3.根据权利要求1所述的一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述多维度车间生产逻辑模型，包括根据车间生产相关要
4.根据权利要求2所述的一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述生产要素采集模块通过构建OPC UA服务器接入多源数据，使用KepOPC形成一级OPC UA服务端，根据Spring Boot中间件RabbitMQ消息队列行数据传输处理，最终形成OPC UA服务端。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述离散车间数字孪生平台利用Unity3D引擎平台，根据实际车间场景布局，依据模型库中模型搭建虚拟场景。
6.根据权利要求1所述的一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述事件驱动仿真逻辑算法，通过仿真时钟的推进，将事件列入或移出；采用有限状态机模型对元素的行为进行形式化的建模，描述状态队列及状态之间的转移条件，然后通过定义输入行为与输出行为，对每个状态转移定义其动态行为或处理过程。
7.根据权利要求4所述的一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，OPC UA服务端中存储信息模型，将车间信息模型划分为五类信息概念模型，分别为设备信息概念模型Device-Inf、人员信息概念模型Person-Inf、物料信息概念模型Material-Inf、环境信息概念模型Environment-Inf以及订单任务信息概念模型Task-Inf；这五类信息该概念模型与整体模型之间都属于局域与整体的关系part-of；对于一个加工车间，首先按照采集数据实例化若干Device-Inf对象、Person-Inf对象、Material-Inf对象、Environment-Inf对象，以表示车间的全部生产要素；然后根据车间中的任务、计划，实例出若干Task-Inf对象，从而实现对车间中任务的描述。
8.根据权利要求6所述的一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述事件驱动仿真逻辑算法由离散事件驱动，首先从数据库读入仿真的输入数据，初始化车间仿真模型布局、物料数据、仿真结束条件，对逻辑模型和物料数据进行排序；第二步检测是否满足结束条件：
9.根据权利要求1所述的一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述合同网招标机制仿真决策具体为，合同管理者向负责执行任务的个体发布任务；执行任务的个体基于自身信息对任务进行投标并发送给合同管理者；合同管理者评估这些投标并将任务授予给最合适的任务执行个体；将车间实体抽象成各种成员Agent作为投标者，招标者为车间的决策Agent，当有任务需要招标时，招标者会产生并广播招标信息；投标者接收到招标，根据自身能力计算投标值，产生并发送投标信息；招标者接收到所有的投标信息，并对投标进行评估，产生并发出中标信息；投标者接收中标信息，判断是否自己中标，中标者产生反馈信息；投标者接收中标者的反馈，一个任务招标结束。
...【技术特征摘要】
1.一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述仿真系统包含生产要素采集模块，所述生产要素采集模块用于获取车间生产相关要素；根据所述车间生产相关要素构建多维度车间生产逻辑模型，通过依照物理对象建立虚拟场景三维模型，搭建离散车间数字孪生平台，制定与实际环境相同的事件驱动仿真逻辑算法，通过合同网招标机制进行仿真决策，实现数字孪生平台下的离散车间生产过程仿真。
2.根据权利要求1所述的一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述生产要素采集模块包括生产属性获取单元、数据处理单元和数据传输单元，所述生产要素分为主动型要素，包括机床、物流设备、仓储设备、缓冲设备、控制设备，以及被动要素，包括物料、物流路径，生产属性获取单元包括对生产要素类别、数量、加工状态、订单等生产属性获取；数据处理单元包括对获取到的信息进行识别、分类并转化为统一数据格式；数据传输单元将采集到的所有信息传输到数据库进行存储。
3.根据权利要求1所述的一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述多维度车间生产逻辑模型，包括根据车间生产相关要素的属性建模，包括根据几何参数、物理属性、以及行为建模，包括根据生产行为、仿真规则，属性建模，包括根据生产元素的布局规则、状态、输入输出类型、容量、处理时间静态属性的建模，行为建模包括对元素输入输出行为、状态转移以及时间推进步长建模；
4.根据权利要求2所述的一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述生产要素采集模块通过构建opc ua服务器接入多源数据，使用kepopc形成一级opc ua服务端，根据spring boot中间件rabbitmq消息队列行数据传输处理，最终形成opc ua服务端。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述离散车间数字孪生平台利用unity3d引擎平台，根据实际车间场景布局，依据模型库中模型搭建虚拟场景。
6.根据权利要求1所述的一种基于离散车间生产逻辑模型的数字孪生仿真系统，其特征在于，所述事件驱动仿...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐敦兵，贺翊哲，张泽群，朱海华，宋家烨，王立平，刘长春，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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