一种数字孪生API平台

技术领域

本发明涉及数字孪生技术领域，特别涉及一种数字孪生API平台。

背景技术

采用数字孪生的组织数量增多，物联网技术的进步使数字孪生的概念成为可能；现在可以很容易地将传感器和执行器连接到物理对象，以获知所处环境和操作数据并从其数字孪生体控制物理对象；通常被表征为从物理对象到数字孪生体再到物理对象的双向数据流；但是，每个数字孪生将涉及多个信息线程，这不仅在物理对象及其孪生体之间，而且在孪生体与企业系统之间，这些系统有助于实时或近实时地创建初始模型并提供支持数据，以构建对象或资产的完整图像。

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。数字孪生实现了现实物理系统向虚拟空间数字化模型的反馈，可以真正在全生命周期范围内，保证数字与物理世界的协调一致；各种基于数字化模型进行的各类仿真、分析、数据积累、挖掘，甚至人工智能的应用，都能确保它与现实物理系统的适用性。

然而，大部分工业数字孪生和企业协同领域的企业往往采用传统的软件订制研发模式，向一些厂商采购软件解决方案来实现自己的业务能力，然而在信息化数字化高速发展的今天，传统的软件交付形式和周期已经不能满足当前那复杂多变的商业环境。

发明内容

本发明提供了一种数字孪生API平台，采用据模块、业务模块、展示模块和访问模块从软件代码研发的方式转变为数字化工作，极大程度降低了业务能力的研发边际成本，实现业务能力敏捷迭代。

本发明提供了一种数字孪生API平台，包括数据模块、业务模块、展示模块和访问模块，所述数据模块、业务模块、展示模块和访问模块依次连接，所述数据模块包括数据库单元和数据引用单元，所述数据库单元包括关系数据库、缓存数据库和存储数据库，所述数据引用单元包括规则引擎子单元、流程引擎子单元、集成服务网关子单元、协同消息网关子单元和可视化引擎子单元；所述业务模块包括设备生命周期单元、自动化管理单元和告警管理单元，所述设备生命周期单元包括设备列表维护子单元和设备状态管理子单元，所述自动化管理单元包括无线网络子单元、设备影子子单元、软固件升级子单元，所述告警管理单元包括规则定义子单元、消息推送子单元、规则匹配子单元、告警统计子单元，所述展示模块包括客户端、服务端和服务数据可视化单元，所述访问模块包括移动终端、PC端和其他终端；

所述规则引擎子单元用于解决规则的定义、编排和运行；所述流程引擎子单元用于解决数字工作流的定义、编排和运行；所述服务集成网关子单元用于集成外部服务，完成平台内外的能力的连接；所述协同消息网关子单元用于识别协同目的的急迫程度，用信息渠道实现协同信息表达；所述可视化引擎子单元用于提供UI组件的搭建能力以及IoT设备的全生命周期2D/3D可视化能力。

进一步地，所述数据模块用于根据平台中服务的数据特点，采用关系型数据库、缓存数据库和存储数据库对平台中的服务数据进行存储，在数据接入方面采用ETL数据中间件的方式完成数据的集成过程，在数据分析与计算方面采用分布式计算架构；所述业务模块用于根据设备生命周期单元、自动化管理单元和告警管理单元将设备利用设备影子，缓存终端设备最新上传的数据和应用程序的指令；所述展示模块用于展示平台所支持的能够运行在客户端、服务端和服务数据可视化单元的部署终端；所述访问模块用于用户访问平台，并通过移动终端、PC端及其他的终端查看平台中的服务信息。

进一步地，所述流程引擎子单元基于Functional Reactive Programming编程范式，选用Reactiv eX响应式框架作为流程运行时的基础能力，将流程构建抽象为流程节点、节点输入输出端口和端口之间的连接关系，在数据结构上描述为一个图机构，分别对应顶点、顶点的入度和出度以及边，在实现上流程引擎子单元使用数据流来描述逻辑关系，把流程节点用函数式编程范式中的纯函数来实现，实现逻辑对从输入端口进来的数据进行的加工而不产生其他副作用的更改，用发布订阅设计模式来实现端口与端口之间的连接，确定数据流的上下游关系，使用Reactive XOperators来处理数据流总的时序逻辑和网关逻辑，使得数据流支持响应式编程。

进一步地，所述集成服务网关子单元基于WoT协议支持IoT设备能力的注册，并且支持http、grpc、mqtt、RabbitMQMessage和KafkaMessage多种服务通信协议，通过流量控制单元对服务流量限流和熔断操作。

进一步地，所述自动化管理单元基于数字孪生技术，构建物联的动态性方程，得到物联网响应系数向量，设定物联网信息的期望输出；具体包括：利用物理模型、传感器更新、运行历史等数字孪生数据构建物联网的动态性方程，确定物联网响应系数矩阵呈现出有时滞性和无时滞性两种情况的表现形式，利用数字孪生技术，计算出物联网连续丢包数与最大时滞性值之间的映射关系，根据物联网连续丢包数与最大时滞性值之间的映射关系，得到物联网信息的期望输出。

进一步地，建物联网的动态性方程为：

其中，s

物联网响应系数矩阵呈现出有时滞性和无时滞性两种情况的表现形式为：

其中，m

物联网连续丢包数与最大时滞性值之间的映射关系为：

其中，m

物联网信息的期望输出为：

其中，

进一步地，根据物联网信息的期望输出，对物联网服务信息进行布局，计算并利用物联网服务信息之间的贡献率相关性，从物联网体系中提取出服务信息的统计性特征，采用设定公式实现物联网服务信息质量的自动化管理。

进一步地，根据物联网信息的期望输出，对物联网服务信息进行布局，具体为：

其中，m

物联网服务信息之间的贡献率相关性为：

其中，l

从物联网体系中提取出服务信息的统计性特征为：

其中，σ

采用设定公式实现物联网服务信息质量的自动化管理为：

其中，d

本发明的有益效果为：

本发明包括依次连接的数据模块、业务模块、展示模块和访问模块，所述数据模块包括数据模块根据平台中服务的数据特点，采用关系型数据库、缓存数据库和存储数据库对平台中的服务数据进行存储，业务模块根据设备生命周期单元、自动化管理单元和告警管理单元将设备利用设备影子，缓存终端设备最新上传的数据和应用程序的指令，展示模块展示平台所支持的能够运行在客户端、服务端和服务数据可视化单元的部署终端，访问模块用于用户访问平台，并通过移动终端、PC端及其他的终端查看平台中的服务信息。本发明从软件代码研发的方式转变为数字化工作，极大程度降低了业务能力的研发边际成本，实现业务能力敏捷迭代。

附图说明

图1为本发明一实施例的方法流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种数字孪生API平台，包括数据模块、业务模块、展示模块和访问模块，所述数据模块、业务模块、展示模块和访问模块依次连接，所述数据模块包括数据库单元和数据引用单元，所述数据库单元包括关系数据库、缓存数据库和存储数据库，所述数据引用单元包括规则引擎子单元、流程引擎子单元、集成服务网关子单元、协同消息网关子单元和可视化引擎子单元；所述业务模块包括设备生命周期单元、自动化管理单元和告警管理单元，所述设备生命周期单元包括设备列表维护子单元和设备状态管理子单元，所述自动化管理单元包括无线网络子单元、设备影子子单元、软固件升级子单元，所述告警管理单元包括规则定义子单元、消息推送子单元、规则匹配子单元、告警统计子单元，所述展示模块包括客户端、服务端和服务数据可视化单元，所述访问模块包括移动终端、PC端和其他终端；

所述规则引擎子单元用于解决规则的定义、编排和运行；所述流程引擎子单元用于解决数字工作流的定义、编排和运行；所述服务集成网关子单元用于集成外部服务，完成平台内外的能力的连接；所述协同消息网关子单元用于识别协同目的的急迫程度，用信息渠道实现协同信息表达；所述可视化引擎子单元用于提供UI组件的搭建能力以及IoT设备的全生命周期2D/3D可视化能力。

规则引擎子单元将通用业务中规则中的对象和变量进行抽象，使用户针对事实对象和类型变量进行单独管理，并且提供了基于业务力度的规则集定义，利用可视化编排将业务规则表单转化为drools语法运行，运行时通过分析drools规则语法，解析出规则对象和规则参数，替换成动态业务上下文中的参数扔到执行器执行，生产出规则运行结果。

流程引擎子单元基于Functional Reactive Programming编程范式，选用ReactiveX响应式框架作为流程运行时的基础能力，将流程构建抽象为流程节点、节点输入输出端口和端口之间的连接关系，在数据结构上描述为一个图机构，分别对应顶点、顶点的入度和出度以及边，在实现上流程引擎子单元使用数据流来描述逻辑关系，把流程节点用函数式编程范式中的纯函数来实现，实现逻辑对从输入端口进来的数据进行的加工而不产生其他副作用的更改，用发布订阅设计模式来实现端口与端口之间的连接，确定数据流的上下游关系，使用Reactive XOperators来处理数据流总的时序逻辑和网关逻辑，使得数据流支持响应式编程。所述集成服务网关子单元基于WoT协议支持IoT设备能力的注册，并且支持http、grpc、mqtt、RabbitMQMessage和KafkaMessage多种服务通信协议，通过流量控制单元对服务流量限流和熔断操作。

可视化引擎子单元基于GrapeJs建立UI搭建引擎和UI集成协议，基于基础UI物料和自定义扩展物料为企业实现UI工作流程；所述可视化引擎子单元基于Leaflet和WebGL建立2D/3D渲染引擎用于刻画物理设备的模型与状态。

所述数据模块用于根据平台中服务的数据特点，采用关系型数据库、缓存数据库和存储数据库对平台中的服务数据进行存储，存储数据库担任主要存储任务，关系数据库和缓存数据库担任辅助存储任务，提高了平台中服务数据的访问速度。数据模块在数据接入方面采用ETL数据中间件的方式完成数据的集成过程，在数据分析与计算方面采用分布式计算架构；所述业务模块用于根据设备生命周期单元、自动化管理单元和告警管理单元将设备利用设备影子，缓存终端设备最新上传的数据和应用程序的指令，打破了由于网络不稳定导致无法获取物联网设备信息的难题；所述展示模块用于展示平台所支持的能够运行在客户端、服务端和服务数据可视化单元的部署终端；所述访问模块用于用户访问平台，并通过移动终端、PC端及其他的终端查看平台中的服务信息。

对于物联网而言，网络时滞性和丢包率是影响物联网服务信息在自动化管理过程中的主要因素，因此，所述自动化管理单元基于数字孪生技术，构建物联的动态性方程，得到物联网响应系数向量，设定物联网信息的期望输出；具体包括：利用物理模型、传感器更新、运行历史等数字孪生数据构建物联网的动态性方程，确定物联网响应系数矩阵呈现出有时滞性和无时滞性两种情况的表现形式，利用数字孪生技术，计算出物联网连续丢包数与最大时滞性值之间的映射关系，根据物联网连续丢包数与最大时滞性值之间的映射关系，得到物联网信息的期望输出。

建物联网的动态性方程为：

其中，s

由于物联网系统在运行过程中会受到很多因素的影响，导致物联网响应系数矩阵呈现出有时滞性和无时滞性两种情况，表示为：

其中，m

利用数字孪生技术，计算物联网连续丢包数与最大时滞性值之间的映射关系为：

其中，m

根据物联网连续丢包数与最大时滞性值之间的映射关系，得到物联网信息的期望输出为：

其中，

以上利用数字孪生技术构建了物联网的动态性方程，物联网连续丢包数与最大时滞性值之间的映射关系，设定物联网信息的期望输出。

物联网服务信息质量管理算法：根据物联网信息的期望输出，对物联网服务信息进行布局，计算并利用物联网服务信息之间的贡献率相关性，从物联网体系中提取出服务信息的统计性特征，采用设定公式实现物联网服务信息质量的自动化管理。

根据物联网信息的期望输出，对物联网服务信息进行布局，具体为：

其中，m

将物联网中所有节点的残差定义为ω

其中，l

利用物联网服务信息之间的贡献率相关性，从物联网体系中提取出服务信息的统计性特征为：

其中，σ

由于物联网服务信息在自动化管理中具有一定的随机性，将其表示为μ

其中，d

利用数字孪生技术设定物联网信息的期望输出，结合物联网服务信息质量管理算法，实现平台软件设计。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。