基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成方法及系统

技术领域

本发明涉及数字孪生技术领域，尤其涉及基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

最近几年，随着CPS(Cyber-Physical Systems)技术的发展，数字孪生(DigitalTwin)技术逐渐成为研究的热点。通过构建物理实体在数字空间的孪生体，物理空间和数字空间虚实共生，实现了数字世界对物理世界的全面、真实、客观的映射。

凭借以上技术优势，数字孪生技术持续快速发展。它的应用领域已逐渐扩展到产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域，并在相关领域产生了巨大的推动作用。数字孪生技术的技术优势给基于模型的应用分析带来了质的飞跃。然而，目前的研究在物理实体是否满足利用数字孪生技术解决其具体应用服务问题时的必要条件等方面没有相关的成熟经验，即对于使用数字孪生技术解决其具体应用服务问题时，物理实体应满足什么必要条件，当使用数字孪生技术解决其具体应用服务问题时，如何设计优化部署实施方案使得物理实体以更好的性能状态利用数字孪生技术解决其具体应用服务问题尚无系统的理论指导。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成方法及系统，将数字孪生技术与公理化设计相结合，获取了实体制造系统的最优部署实施方案。

为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

第一方面，提出了基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成方法，包括：

将需求域设定为使实体制造系统以更好的性能状态利用数字孪生技术解决其具体应用服务问题；

将功能域设定为使实体制造系统以更好的性能状态利用数字孪生技术解决其具体应用服务问题；

将物理域设定为实现功能域所需的必要条件；

将过程域设定为物理域中设计元素的部署实施方案；

对功能域与物理域之间的设计矩阵、物理域与过程域之间的设计矩阵进行独立性公理分析；

对满足独立性公理的部署实施方案进行信息公理分析，选取信息量最小的部署实施方案为最优部署实施方案。

第二方面，提出了基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成系统，包括：

需求域设定模块，用于将需求域设定为使用数字孪生技术解决物理实体具体应用服务问题所需必要条件；

功能域设定模块，用于将功能域设定为使用数字孪生技术解决物理实体具体应用服务问题所需物理实体未满足的必要条件；

物理域设定模块，用于将物理域设定为实现功能域所需的必要条件；

过程域设定模块，用于将过程域设定为物理域中设计元素的部署实施方案；

独立性公理分析模块，用于对功能域与物理域之间的设计矩阵、物理域与过程域之间的设计矩阵进行独立性公理分析；

最优部署实施方案获取模块，用于对满足独立性公理的部署实施方案进行信息公理分析，选取信息量最小的部署实施方案为最优部署实施方案。

第三方面，提出了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成方法所述的步骤。

第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成方法所述的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1、本公开将数字孪生技术与公理化设计相结合，获取了最优的部署实施方案，使得物理实体以最好的性能状态利用数字孪生技术解决其应用服务问题。

2、本公开首先对功能域和物理域的设计方案、物理域和过程域的设计方案进行了独立性公理分析，使得功能域与物理域之间、物理域与过程域之间的设计均满足独立性公理，在满足独立性公理的基础上，对部署实施方案进行了信息公理分析，确定了最优部署实施方案，从而按该最优部署实施方案对物理实体进行部署后，能够利用数字孪生技术解决物理实体的具体应用服务问题。

3、本公开提出的基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成方法规范了实施流程，为数字孪生系统提供规范化部署实施方案；使得物理实体以最好的性能状态利用数字孪生技术解决其应用服务问题。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本公开实施例1公开的基于数字孪生的物理实体制造系统实施策略方案设计流程图；

图2为本公开实施例1公开的基于数字孪生的物理实体以应用服务为导向的需求；

图3为本公开实施例1公开的基于公理化设计的设计域与物理实体部署实施方案设计的关联关系；

图4为本公开实施例1公开的基于公理化设计的物理实体部署实施方案设计；

图5为本公开实施例1公开的基于数字孪生的数控机床刀具以寿命预测应用服务为导向的部署实施方案功能域和物理域的“Z”型映射树结构图；

图6为本公开实施例1获取的基于数字孪生的数控机床刀具以寿命预测应用服务为导向的部署实施方案示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

实施例1

在该实施例中，公开了基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成方法，包括：

将需求域设定为使用数字孪生技术解决物理实体具体应用服务问题所需必要条件；

将功能域设定为使用数字孪生技术解决物理实体具体应用服务问题所需物理实体未满足的必要条件；

将物理域设定为实现功能域所需的必要条件；

将过程域设定为物理域中设计元素的部署实施方案；

对功能域与物理域之间的设计矩阵、物理域与过程域之间的设计矩阵进行独立性公理分析；

对满足独立性公理的部署实施方案进行信息公理分析，选取信息量最小的部署实施方案为最优部署实施方案。

进一步的，计算功能域与物理域之间的设计矩阵的角相似性和交角性，物理域与过程域之间的设计矩阵的角相似性和交角性，通过角相似性和交角性判断功能域与物理域之间的设计矩阵、物理域与过程域之间的设计矩阵是否满足独立性公理。

进一步的，分别以功能域中设计元素为评价标准以物理域中设计元素为评价指标、以物理域中设计元素为评价标准以功能域中设计元素为评价指标、以物理域中设计元素为评价标准以过程域中设计元素为评价指标、以过程域中设计元素为评价标准以物理域中设计元素为评价指标构建四个判断矩阵，并计算每个判断矩阵中设计元素的权重值，形成相应的比较权重矩阵，根据比较权重矩阵，计算功能域与物理域之间的设计矩阵的角相似性和交角性及物理域与过程域之间的设计矩阵的角相似性和交角性。

进一步的，运用层次分析法对判断矩阵进行分析获得比较权重矩阵。

进一步的，对满足独立性公理的部署实施方案进行信息公理分析，选取信息量最小的部署实施方案为最优部署实施方案的具体过程为：

根据物理实体的具体应用服务选取相应部署实施方案的评估指标；

根据评估指标构建各部署实施方案的评估矩阵；

根据评估矩阵计算获得设计信息区间序列；

根据评估矩阵和设计信息区间序列，计算各部署实施方案的信息量；

选取信息量最少的部署实施方案为最优部署实施方案。

进一步的，建立各部署实施方案的初始评估矩阵，对初始评估矩阵进行标准化，获得各部署实施方案的评估矩阵。

进一步的，计算部署实施方案的信息量的过程为：

计算各评估矩阵与对应设计信息区间序列的接近度；

根据接近度计算各部署实施方案的各评估指标信息量；

将各部署实施方案的各评估指标信息量进行加权，获得各部署实施方案的总信息量，该部署实施方案的总信息量即为部署方案的信息量。

本实施例公开的基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成方法，首先分析物理实体是否满足解决特定应用服务问题所需的所有的必要条件，对未满足的必要条件使用公理化设计理论进行部署实施方案的设计和优化，最后基于该方案进行相关部署，其流程图如图1所示。

其具体步骤在于：(1)根据数字孪生的特点，分析当使用数字孪生技术解决特定应用服务问题时物理实体是否满足所有必要条件；(2)在如图3和图4所示需求域、功能域、物理域、过程域的基础上，对未满足的必要条件使用独立性公理设计理论进行部署实施方案的开发和优化，然后将满足独立性公理的部署实施方案进行信息公理分析，选择信息量最少的部署实施方案为最优部署实施方案；(3)根据最优部署实施方案，对相应的物理实体进行部署，映射数据存储等操作，使其利用数字孪生技术以最佳的性能状态解决特定的应用服务问题。

如图1所示，本实施例公开的基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成方法，包含基于数字孪生的物理实体制造系统以应用服务导向的需求分析及物理实体制造系统实施策略方案设计两部分。

如图2所示，针对不同应用领域的物理实体的制造系统，其应用服务需求不同。在利用数字孪生技术解决物理实体具体应用服务问题时，以物理实体应用需求服务为导向，从基于数字孪生技术的应用服务的必要条件出发，从数字孪生模型构建、数据感知、数据处理和应用服务等四个方面分析其具体需求，组成基于数字孪生的物理实体制造系统以应用服务导向的需求集。

基于数字孪生的物理实体制造系统以应用服务导向的需求集为基础，对以应用服务为导向的物理实体制造系统未满足的必要条件使用公理化设计理论进行部署实施方案的设计优化，及实施策略方案的设计，将满足独立性公理的部署实施方案进行信息公理分析，选择最优部署实施方案。最后基于该最优部署实施方案进行相关部署。

将利用数字孪生技术解决具体应用服务问题时的必要条件设定为需求域，物理实体未满足的必要条件设定为功能域，针对功能域元素的解决方式设定为物理域，过程域即物理域元素具体部署实施方案的集合。

功能域中设计元素包括物理域中使用数字孪生技术解决物理实体具体应用服务问题所需的数字模型、所需数据、所需数据处理和所需的服务支持。

物理域中设计元素包括建立功能域中所需数字模型的建模软件、获取功能域中所需数据的数据获取装置、功能域中数据处理所需的数据处理方法和功能域中所需服务支持的寿命预测服务。

过程域中设计元素包括物理域中设计元素的部署实施方案。

(1)独立公理的数学描述

如图2所示，映射矩阵之间的关系可以由式(1)表示：

{FR}＝[A]{DP}＝[A][B]{PV} (1)

在部署实施方案设计过程中，为了帮助寻找最佳的部署实施方案，suh定义了角相似性S和交角性R两个概念来量化功能域与物理域的设计方案、物理域与过程域的设计方案的独立性。

功能域与物理域的设计方案的独立性计算与物理域与过程域的设计方案的独立性计算原理相同，以功能域与物理域中设计方案的独立性计算为例进行说明。

式(2)和式(3)中

当S和R都等于1的情况下，此设计为非耦合设计，设计矩阵为对角阵；当R和S相等，但不等于1的情况下，此设计为准耦和设计，设计矩阵为三角矩阵；当S和R既不相等也不等于1时，在这种情况下，可以设定耦合阈值来界定此耦合设计是否可以接受。当S和R均大于等于δ时，此耦合设计实例是可以接受的解决方案；而当S和R均小于δ时，此设计实例耦合性较强，解决方案不可以接受，需要基于公理化设计对此方案进行解耦合分析。

如公式(4)所示，其中ω

以功能域中的设计元素为评价标准构建第一判断矩阵M

表1

式中n是判断矩阵的阶次，r是权重矩阵的以i为行、k为列的矩阵元素。

(2)对满足独立性公理的部署实施方案进行信息公理分析，选取信息量最少的部署实施方案为最优部署实施方案，具体包括：

(2.1)理想设计信息区间构造

如果部署实施方案评估指标是经济指标，则该评估指标理想的设计信息区间序列DI构造原理如公式(6)所示。

i、j＝1,2,…,n；DI(i)为评估指标i的理想设计信息区间；DI

设计方案的理想设计信息区间序列构造时，要根据部署实施方案评估指标的特性，恰当选择设计信息区间的最大值和最小值。

按照该方法计算获得其余评估指标的理想的设计信息区间序列。

(2.2)接近度计算

在此利用欧几里德度量理论表示各部署实施方案与理想部署实施方案之间的接近度，如公式(7)所示。

(2.3)评价指标信息量的计算

信息量由满足给定功能特性要求的概率的对数函数确定，如公式(8)所示。

I

(2.4)部署实施方案总信息量的计算

由于不同类型的评估指标对部署实施方案的重要性不同，因此，在计算部署实施方案的总信息量时，采用加权处理方法计算各部署实施方案的总信息量，如公式(9)所示。

I

I

(2.5)最佳部署实施方案选择

根据公式(10)中显示的规则选择总信息量最少的部署实施方案为最优部署实施方案。

I

通过以上理论指导可获得基于数字孪生的物理实体制造系统以应用服务为导向的最优部署实施方案。通过最优部署实施方案指导进行物理实体的升级改造，可使得物理实体能够以更好的性能状态利用数字孪生技术解决其具体应用服务问题。

应用本实施例中公开的基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成方法解决基于数字孪生的数控机床刀具的寿命预测应用服务为导向的部署实施方案设计问题。

通过图2、图3和图4指导建立如图5所示基于数字孪生的数控机床刀具以寿命预测应用服务为导向的部署实施方案功能域和物理域的“Z”型映射树结构图。

功能域包括所需的数字模型、所需数据、所需要的数据处理和服务支持，所需的数字模型包括几何模型FR

物理域包括建模软件、数据获取装置、数据处理方法和寿命预测服务，其中，建模软件包括SolidWorks DP

式(11)中功能域和物理域之间的设计矩阵为对角矩阵(属于非耦合设计)，满足独立性公理，属于合理设计。按同样原理对物理域与过程域之间的设计矩阵进行独立性验证。

式中FR

从等式(11)和(12)可以看出，该设计方案是非耦合方案。假设基于数字孪生的刀具寿命预测部署实施方案开发的耦合阈值设置为ct＝0.75。下面通过公式(2)和(3)界定其耦合设计是否在可接受的范围内。

这里分析与设计矩阵A相对应的领域的设计元素。当功能域中设计元素FR

表2基于AHP的耦合判断相关元素的权重值

通过等式(2)、(3)和表2，可以计算出R＝0.7670和S＝0.7538，R、S均大于设定的耦合阈值0.75。由于R和S都大于设置的耦合阈值，因此图5中的部署实施方案的设计元素是满足独立性公理的可接受方案。以相同的方式，获得了功能域(FR)和物理域(DP)之间以及物理域(DP)和过程域(PV)之间的设计矩阵。设计矩阵均满足独立可憎性，属于合理设计。

从上述分析可知，所有部署实施方案均满足独立性公理。根据图3和图4物理实体的公理化设计技术路线示意图可知，当物理域中的数据获取设备有多个部署实施方案时，需要进行信息公理分析，选取总信息量最小的部署实施方案为最优部署实施方案，在该基于数字孪生的数控机床刀具的寿命预测应用服务中，数据获取设备为各种数据传感器。根据该型号数控机床的技术书、现场技术人员的指导、传感器特性等因素，确定了如表3所示的三种满足独立性公理的传感器部署实施方案。

表3数控机床刀具寿命预测的数字孪生部署实施方案

其中Sc-i是部署实施方案号。S-1、S-2、S-3、S-4分别代表单向加速度传感器、三向加速度传感器、声发传感器和三向力传感器。M-1、M-2、M-3分别表示安装在主轴上、安装在工件上、安装在工作台与工件之间。

根据传感器特性等因素，选定各传感器部署实施方案的评估指标包括技术指标、社会指标和经济指标。对于不同的评估指标，部署实施方案的信息内容计算方法也不同。通过现场工人指导和传感器特性，可以得到不同评估指标的部署实施方案初始值，获得初始评估矩阵EI，然后对初始评估矩阵EI进行标准化，得到标准化的评估矩阵ES。通过公式(6)获得理想的设计信息区间序列DI。通过以上分析以及公式计算可以得到如表表4所示的以数控机床刀具寿命预测为导向的传感器部署实施方案的初始评估矩阵EI、标准化的评估矩阵ES及其理想的设计信息区间序列DI。

表4部署实施方案设计数据及其理想设计矩阵序列

通过层次分析法，可以计算出指标集和子指标集的权重值以及总权重值，如表5所示。由公式(7)-(8)以及表4可得到如表5所示的以数控机床刀具寿命预测为导向的数字孪生部署实施方案的要素值和信息值。

表5部署实施方案的要素值和信息值

通过公式(9)以及表表5可以获得数控机床刀具寿命预测的传感器部署实施方案的总信息矩阵I

通过如图6所示的实施部署，可以使得数控机床以更好的性能状态利用数字孪生技术解决数控机床刀具以寿命预测应用服务为导向的应用问题。

基于数字孪生的数控机床刀具以寿命预测应用服务为导向的实施部署实例验证了本公开中涉及的一种基于数字孪生的物理实体实施策略方案设计的有效性和适用性。

实施例2

在该实施例中，公开了基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成系统，包括：

需求域设定模块，用于将需求域设定为使用数字孪生技术解决物理实体具体应用服务问题所需必要条件；

功能域设定模块，用于将功能域设定为使用数字孪生技术解决物理实体具体应用服务问题所需物理实体未满足的必要条件；

物理域设定模块，用于将物理域设定为实现功能域所需的必要条件；

过程域设定模块，用于将过程域设定为物理域中设计元素的部署实施方案；

独立性公理分析模块，用于对功能域与物理域之间的设计矩阵、物理域与过程域之间的设计矩阵进行独立性公理分析；

最优部署实施方案获取模块，用于对满足独立性公理的部署实施方案进行信息公理分析，选取信息量最小的部署实施方案为最优部署实施方案。

实施例3

在该实施例中，公开了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1公开的基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成方法所述的步骤。

实施例4

在该实施例中，公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1公开的基于数字孪生的实体制造系统部署方案的生成方法所述的步骤。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。