[发明专利]面向离散车间生产过程的数字孪生系统及其构建方法

权利要求书

1.面向离散车间生产过程的数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生系统包括物理车间层、孪生虚拟层、应用服务层和跨域功能层；其中，所述物理车间层包括离散车间内的生产资源和感知控制实体；

所述孪生虚拟层为离散车间内的生产资源和感知控制实体提供数字模型，并对其进行实时数据采集；

所述跨域功能层集成了物理车间层和孪生虚拟层的各类信息数据结果，针对实际生产过程需求提供相应的功能服务。

2.根据权利要求1所述的面向离散车间生产过程的数字孪生系统，其特征在于，所述物理车间层为离散加工车间实体，所述离散车间生产资源，指离散车间生产过程的人员、设备、物料、环境及其产生的底层实时数据；

所述感知控制实体，分为车间数据采集感知部分和车间设备控制部分，所述车间数据采集感知部分包含各类传感器设备、RFID射频识别系统、UWB定位器、工业摄像机，用于实时获取离散车间生产过程中的各类底层信息数据；所述设备控制部分包含控制设备，其将系统对离散车间的优化控制指令和预测警报信息传递给对应的设备，并控制相应的设备执行优化命令。

3.根据权利要求1所述的面向离散车间生产过程的数字孪生系统，其特征在于，所述孪生虚拟层为离散车间在虚拟空间的数字模型集合，是与离散加工车间实体向对应的虚拟车间，所述孪生虚拟层实时映射离散车间实体的生产过程和信息数据，并对车间设备进行状态管理与反馈。

4.根据权利要求1所述的面向离散车间生产过程的数字孪生系统，其特征在于，所述孪生虚拟平台为Unity 3D虚拟平台，所述平台为孪生虚拟车间提供构建工具和运行支撑环境。

5.根据权利要求1所述的面向离散车间生产过程的数字孪生系统，其特征在于，所述跨域功能层包括车间局域网络和数据管理平台，所述车间局域网络，为离散车间系统中相关的基础网络设备，用于为离散车间中各生产设备和系统中各层级提供实时的数据通讯保障；

所述数据管理平台，主要指数字孪生系统的信息集成环境，用于对离散车间采集感知的信息数据进行分析处理，对多源异构的数据进行统一集成，以及对不同用途数据进行分类等，为系统的运行提供数据支撑。

6.面向离散车间生产过程的数字孪生系统构建方法，其特征在于：所述构建方法包括以下步骤：

步骤一，确定建模方案，对实际离散车间内部各要素对象进行分析测量，根据分析结果和测量的数据，来设计模型尺寸比例、物理结构以及特征体现形式，对模型的外观轮廓进行确定，进而确定对应的建模方案；

步骤二，分解车间要素模型，对较大的要素对象进行分解建模；

步骤三，车间要素三维模型的建立，根据确定好的建模方案，对分解后的模型按照真实的物理状态信息在3ds Max建模软件中进行三维建模；

步骤四，虚拟车间三维场景构建，将上一步构建好的各要素三维模型导入虚拟平台中，选定虚拟车间的原点位置，在同一坐标系中参照离散车间对各模型进行布局；

步骤五，实现车间模型的动态行为，将离散车间中的要素对象分为静态要素动态要素，对应的简历静态模型和动态模型；根据要素对象的运动特征对其模型的动态行为进行定义和描述；采用对象跟踪的方式，对模型挂载驱动脚本来实现其动态行为，并控制模型与车间要素对象的动作相同；

步骤六，对虚拟环境中车间要素三维模型动态行为的实现进行分析，采用面向对象模型跟踪的方式来实现三维模型的动态行为，对模型对象的实时跟踪，实现对离散车间生产过程的映射。

7.根据权利要求6所述的面向离散车间生产过程的数字孪生系统构建方法，其特征在于：所述步骤六中，三维模型的动态行为包含平移动作、旋转动作和缩放动作或者为其组合动作；其中，

平移动作为：模型的位置坐标值按某一方向进行变换得到新的位置坐标；

旋转动作为：通过坐标旋转轴与对应轴上的旋转角度组成的四维旋转矩阵来实现；

缩放转动作为：通过三个坐标方向上的缩放因子组成的四维比例矩阵。