[发明专利]一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法

权利要求书

1.一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法，其特征在于：包括以下两个步骤：

S1：数字孪生车间多维多层级模型构建；

S2：数字孪生车间多维多层级模型融合。

2.如权利要求1所述的一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法，其特征在于：S1步骤中，数字孪生车间多维多层级模型构建包括以下步骤：制造系统关系定义、数字孪生车间多维多层级模型定义、元素级可视化模型定义、生产单元可视化模型定义、生产车间可视化模型的形式化定义、元素级机理模型定义、生产单元机理模型定义、生产车间机理模型形式化定义、数字孪生车间信息模型在元素级信息模型定义、数字孪生车间信息模型在单元级信息模型定义、数字孪生车间信息模型在车间级信息模型定义。

3.如权利要求2所述的一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法，其特征在于：

制造系统关系定义如下：

System Structure＝SC,LPN

式中：System Structure代表为制造系统关系；SC代表服务单元；LPN代表物流路径网络；

数字孪生车间多维多层级模型定义为：

TwinModel＝{VisualModel,PrinModel,InfoModel}；

其中：TwinModel代表数字孪生车间多维多层级模型，VisualModel代表可视化模型，可视化模型是数字孪生车间多维多层级模型的可视化展示；PrinModel代表机理模型，机理模型表达了生产车间的生产运行逻辑和机理；InfoModel代表信息模型，信息模型集成了生产车间运行数据。

4.如权利要求3所述的一种数字孪生车间多维多层级模型构建与动态配置方法，其特征在于：

在设备层，数字孪生车间多维多层级模型中的多维度分为三个层面体现，在设备层，设备的数据模型、可视化模型和机理模型形成了三个维度的基本模型要素；在单元层，通过对生产单元内各个设备的关系描述，将多个设备的多维模型通过单元内逻辑关系组合起来形成单元的多维模型；在车间层，通过产品工艺路线和车间物流关系形成生产逻辑，将单元和单元间的物流设备进行有机关联，并将其多维模型进行连接形成车间的多维模型；

元素级可视化模型定义为：

CompVisualModel＝{MotionModel,3DModel}

其中：CompVisualModel代表元素的可视化模型，MotionModel代表元素运动模型，定义了设备部件模型的层次和运动关系；3DModel代表设备各个部件3D模型；

各个元素的可视化模型的组合形成了生产单元的可视化模型，生产单元可视化模型定义为：

SCVisualModel＝{CompVisualModel₁,...,CompVisualModel_i}

式中：SCVisualModel代表单元级可视化模型，CompVisualModel₁代表生产单元中的一个元素的可视化模型，生产单元的可视化模型由若干个元素的可视化模型组成；

生产单元与生产单元通过物流路径进行关联形成了生产车间的可视化模型，故生产车间由生产单元以及生产单元间的物流设备组成，生产车间可视化模型的形式化定义如下：

ShopVisualModel＝{SCVisualModel_i,CompVisualModel_j|1≤i≤n,1≤j≤m}

式中：ShopVisualModel代表生产车间的可视化模型，SCVisualModel_i代表车间中的所有生产单元可视化模型的集合，CompVisualModel_j代表车间中所有车间生产资源可视化模型的集合；n为该生产车间定义的单元数量，m为该生产车间执行单元间物流任务的元素数量；

数字孪生车间机理模型在元素级通过七要素模型进行统一表征，每个要素都是一个在车间中充当特定角色的独立对象，它们封装了内部运行逻辑和与外部环境交互的接口；元素级机理模型定义为：

CompPrinModel＝{CompStateModel,CompLogicModel}

式中：CompPrinModel代表生产设备的机理模型，CompStateModel代表生产设备的状态模型，CompLogicModel代表生产设备的运行逻辑模型；

数字孪生车间机理模型在单元层为物料到达单元后进行上下料操作的单元控制逻辑，生产单元机理模型定义为：

SCPrinModel＝{SCStateModel,SCLogicModel}

式中：SCPrinModel代表生产单元机理模型，SCStateModel代表单元运行状态，SCLogicModel代表生产单元的运行逻辑；

生产单元运行状态是元素状态的有机组合，定义生产单元运行状态及其对应的参数如下：

生产单元输入的允许/禁止取决于该单元是否能够接受新的物料进入缓存或直接加工，输出的允许/禁止则取决于该单元是否能够接受已有物料离开该单元；

生产车间机理模型形式化定义为：

ShopPrinModel＝{ShopStateModel,ShopLogicModel}

式中：ShopPrinModel代表生产车间机理模型，ShopStateModel是车间状态模型，代表了车间运行的不同状态，包括空闲、生产中、故障停产；ShopLogicModel是车间的逻辑模型，该逻辑模型包含了生产逻辑模型和物流网络模型；

数字孪生车间信息模型在元素级为生产设备实时运行数据、仿真执行数据；在单元层为单元任务序列、物料实时数据、加工过程数据；在车间层为车间生产布局、调度方案、运行数据；

数字孪生车间信息模型在元素级信息模型定义为：

CompInfoModel＝{CompSimInfo,CompRealInfo,CompHistoryInfo}

式中：CompInfoModel代表元素的信息模型，CompSimInfo是元素的仿真数据，包括输入数据、输出数据；CompRealInfo是元素的实时数据，通过SCADA系统采集相关数据后对这些数据进行分类存储所得；CompHistoryInfo是历史数据；

数字孪生车间信息模型在单元级信息模型定义为：

SCInfoModel＝{SCSimInfo,SCRealInfo,SCHistoryInfo}

式中：SCInfoModel代表单元信息模型，SCSimInfo是单元的仿真数据，包括输入数据、输出数据；SCRealInfo是单元的实时数据；SCHistoryInfo为历史数据，历史数据由仿真数据和实时数据存储后构成；

数字孪生车间信息模型在车间级信息模型定义为：

ShopInfoModel＝{ShopSimInfo,ShopRealInfo,ShopHistoryInfo}

式中：ShopInfoModel代表车间信息模型，ShopSimInfo是车间的仿真数据，包括输入数据、输出数据，ShopRealInfo是车间的实时数据；历史数据ShopHistoryInfo由仿真数据和实时数据存储后构成。