CN109116751A - 基于数字孪生技术的数字化***及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于数字孪生技术的数字化***及其构建方法，数字化***包括：相互通信的数据空间子***和数据门户模块，数据空间子***和数据门户模块作为一个整体，构成目标物理实体对应的基于数字孪生技术的数字化***；数据空间子***与目标物理实体之间为映射关系，且数据空间子***用于存储目标物理实体的描述信息、知识集合和全生命周期过程中的全部类别的数据；数据门户模块用于为数据空间子***与外部***之间的信息交互提供通信接口，外部***包含有目标物理实体及其他数字化***和/或信息***。本发明能够准确表达与物理实体之间映射关系，且能够明确***各组成部分以及各部分具体内容定义，进而提供了数字孪生技术的应用标准。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，具体涉及一种基于数字孪生技术的数字化***及其构建方法。
背景技术
数字孪生的概念雏形由美国密歇根大学的Grieves教授于2003年首次提出，逐步发展与完善，其概念模型于2011年被提出，包括物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品以及两者之间的数据和信息交互接口。数字孪生的定义为充分利用物理模型、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，反映了相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是以数字化方式在虚拟空间创建物理实体的实时镜像，是物理实体在虚拟空间的仿真模型，通过物理实体和数字双胞胎之间进行数据和信息交互完成对物理实体的完整和精确的数字化描述，可用于对物理实体在物理环境中的行为和状态进行模拟、监控、诊断、预测和控制。
现有技术中，数字孪生概念模型的提出者在2011年提出其三维结构，包括物理空间的实体模型和虚拟空间的虚拟模型，且之间的数据和信息交互。三维结构模型是数字孪生的基础模型，构建核心是虚拟模型和物理空间与虚拟空间的数据连接。部署时的关键问题是两者之间的继承与连接尚未实现，而是将虚拟模型作为参考，由人来担任两者之间的连接。在该技术方案中，学者提出通过构建统一存储库(Unified Repository，UR)来实现两者之间的连接功能。其后，有学者将数字孪生三维结构扩展到五维结构模型，包括物理实体、虚拟模型、服务***、孪生数据和连接。另外，在数字双胞胎的构建流程方面，有学者提出使用自动化建模语言(Automation ML)针对与数字双胞胎相连的不同***间的数据传输进行建模，在数字空间实现对物理实体的映射。
然而，现有的“三维结构模型”和“五维结构模型”均处于概念模型阶段，模块构成内容目前尚无标准，模块之间的互联互通关系描述并不具体，如何以数字化的表达方式建立物理实体在数字空间的映射尚无明确的实施方法。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于数字孪生技术的数字化***及其构建方法，能够准确表达与物理实体之间映射关系，且能够明确***各组成部分以及各部分具体内容定义，进而提供了数字孪生技术的应用标准。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于数字孪生技术的数字化***，所述数字化***包括：相互通信的数据空间子***和数据门户模块，数据空间子***和数据门户模块作为一个整体，构成目标物理实体对应的基于数字孪生技术的数字化***；
所述数据空间子***与目标物理实体之间为映射关系，且该数据空间子***用于存储所述目标物理实体的描述信息、知识集合以及全生命周期过程中的全部类别的数据；
所述数据门户模块用于为所述数据空间子***与外部***之间的信息交互提供通信接口，其中，所述外部***中包含有所述目标物理实体，还包含有其他物理实体对应的数字化***和/或信息***。
一实施例中，所述数据空间子***包括：相互通信的本体模块、知识体模块和数据体模块，且所述本体模块、知识体模块、数据体模块和数据门户模块作为一个整体，构成目标物理实体对应的基于数字孪生技术的数字化***；
所述本体模块用于存储目标物理实体的功能、性能和物理特性的描述信息，并分别向知识体模块、数据体模块和数据门户模块提供目标物理实体的功能、性能和物理特性的描述信息；
所述知识体模块用于存储以聚合体的形式表示的目标物理实体对应的知识集合；
所述数据体模块用于存储和管理由所述本体模块和所述知识体模块中的数据组成的所述目标物理实体的全生命周期过程中的全部类别的数据。
一实施例中，所述本体模块包括：分类单元、构件单元和联系单元；
所述分类单元用于对所述物理实体及该物理实体的从属部件的描述信息进行分类，并存储分类信息；
所述构件单元用于存储描述所述目标物理实体的组成部分以及各组成部分的参数，其中，所述组成部分的参数包括材料数据、几何尺寸数据和功能数据；
所述联系单元用于存储所述目标物理实体中各个组成部分之间的对应关系，其中，所述对应关系包括各个组成部分之间的内部关系和所述目标物理实体作为一个整体的外部关系。
一实施例中，所述知识体模块包括：知识模型单元和资料单元；
所述知识模型单元用于反映所述目标物理实体的知识结构，包括结构仿真模型、电磁模型、动力学模型、热力学模型、材料状态演化模型、应力分析模型和疲劳损伤模型中的一种或任意组合；
所述资料单元用于以结构数据或非结构数据的形式对所述目标物理实体的知识结构进行描述，包括文档、多媒体文件和程序中的一种或任意组合。
一实施例中，所述数据体模块用于以数据体的形式对所述目标物理实体的全生命周期内的数据在数字空间进行分类与关联，并存储该分类与关联的结果；
其中，所述数据体由数据组织关系和数据集合组成；且所述数据体划分为时序数据和非时序数据。
一实施例中，所述数据门户模块包括：响应接口单元、服务池单元、索引单元和安全单元；
所述响应接口单元用于处理所述本体模块、知识体模块和数据体模块与所述外部***之间的交互请求；
所述服务池单元用于处理面向服务的响应；
所述索引单元用于对所述本体模块、知识体模块和数据体模块中的信息进行索引；
所述安全单元用于对数据交互的过程进行认证和鉴权。
第二方面，本发明提供一种所述的基于数字孪生技术的数字化***的构建方法，所述数据空间子***包括相互通信的本体模块、知识体模块和数据体模块；所述构建方法包括：
建立与所述目标物理实体对应的所述数据空间子***；
在该数据空间子***中分别添加所述本体模块、知识体模块和数据体模块；
分别在所述本体模块、知识体模块和数据体模块中添加各自对应的单元，并在各个单元中添加对应的描述信息；
以及，根据所述数据空间子***中的所述本体模块、知识体模块和数据体模块建立所述数据门户模块。
一实施例中，所述分别在所述本体模块、知识体模块和数据体模块中添加各自对应的单元，并在各个单元中添加对应的描述信息，包括：
在所述本体模块中增加分类单元、构件单元和联系单元，并在所述分类单元、构件单元和联系单元中添加对应的描述信息；
建立所述知识体模块与所述本体模块之间的关联关系，并根据所述本体模块中的分类单元、构件单元和联系单元中的描述信息，在所述知识体模块中添加知识模型单元和资料单元；
以及，在所述数据体模块中，根据所述本体模块与所述知识体模块的描述信息，存储和管理由所述本体模块和所述知识体模块中的数据组成的所述目标物理实体的全生命周期过程中的全部类别的数据。
一实施例中，所述本体模块和所述知识体模块中的各个信息均对应有唯一标识；
所述数据体模块根据所述本体模块和所述知识体模块中的各个信息对应的唯一标识，基于数据库表或计算机语义描述的方式对各个信息进行分布式存储。
一实施例中，所述根据所述数据空间子***中的所述本体模块、知识体模块和数据体模块建立所述数据门户模块，包括：
根据所述数据空间子***中的所述本体模块、知识体模块和数据体模块，分别建立响应用于组成所述数据门户模块的接口单元、服务池单元、索引单元和安全单元。
由上述技术方案可知，本发明提供一种基于数字孪生技术的数字化***，通过相互通信的数据空间子***和数据门户模块；所述数据空间子***与目标物理实体之间为映射关系，且该数据空间子***用于存储所述目标物理实体的描述信息、知识集合以及全生命周期过程中的全部类别的数据；所述数据门户模块用于为所述数据空间子***与外部***之间的信息交互提供通信接口，其中，所述外部***中包含有所述目标物理实体，还包含有其他物理实体对应的数字化***和/或信息***，能够准确表达与物理实体之间映射关系，且能够明确***各组成部分以及各部分具体内容定义，进而提供了数字孪生技术的应用标准，为设计人员根据物理实体自身情况进行数字化模型构建提供方法依据，具有重要的理论意义和现实的应用需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例一中的基于数字孪生技术的数字化***的结构示意图。
图2为本发明的数字化***中的数据空间子***的结构示意图。
图3为本发明的数据空间子***中的本体模块的结构示意图。
图4为本发明的液压泵的分类举例示意图。
图5为本发明的斜盘式轴向柱塞泵结构示意图。
图6为本发明的数据空间子***中的知识体模块的结构示意图。
图7为本发明的数据空间子***中的数据门户模块的结构示意图。
图8为本发明的基于数字孪生技术的数字化***与目标物理实体组成的结构模型示意图。
图9为本发明的实施例二中的基于数字孪生技术的数字化***的构建方法的流程示意图。
图10为本发明的斜盘式轴向柱塞泵的知识体模块的知识结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术所存在的问题，本发明提供一种基于数字孪生技术的数字化***及其构建方法，其中，现有技术中基于数字孪生技术的三维结构模型，以产品生产阶段为例，即建立全注释的三维模型，建立流程单(Bill of Process，BOP)和制造材料单(Manufacturing Bill of Materials，MBOM)，并将其移交至制造厂商对其进行数字化产品流程仿真。在虚拟空间端，识别物理实体的特性并将其作为物理实体的设计特性参数标签，当交付生产时从虚拟空间端获取标签并创建UR，从而建立虚拟轻量模型。在物理实体端，获取生产信息化管理***(Manufacturing Execution System，MES)的BOP中的该类标签并上传到UR，再将其传输至生产工厂仿真端以复制每个工厂中每个产品的实际制造过程。生产工厂仿真端与UR进行实时交流，将自物理实体获取的数据展示于虚拟空间端。针对现有技术中基于数字孪生技术的五维结构模型，物理实体的组成部分为各种功能子***，如控制子***等，并通过子***间的协作以实现功能。虚拟模型是物理实体的数字化镜像，包括几何、物理、行为和规则4层模型。其中：几何模型描述几何参数，物理模型分析物理属性，行为模型响应外界驱动和扰动作用，规则模型对物理实体的运行规则建模。服务***集成了各类信息***，孪生数据包含物理实体、虚拟模型和服务***的所有相关数据，连接将以上四个部分进行两两连接实现实时有效的数据传输以保证各部分间的一致性。以及，在数字双胞胎的构建流程方面所提出使用自动化建模语言(AutomationML)针对与数字双胞胎相连的不同***间的数据传输进行建模，在数字空间实现对物理实体的映射。Aitor Moreno针对金属板冲孔机提出数字双胞胎的构建流程。物理空间描述包含物理实体行为和与其它***之间的联系两部分。虚拟空间描述包含物理实体的3D建模、物理实体行为提取和知识表示、对物理实体与其它移动部件的交互进行建模、对物理实体行为进行建模。最终通过以太网/因特网互联协议进行不同数字双胞胎之间的连接。针对上述现有技术，本发明的实施例通过设置相互通信的数据空间子***和数据门户模块；所述数据空间子***与目标物理实体之间为映射关系，且该数据空间子***用于存储所述目标物理实体的描述信息、知识集合以及全生命周期过程中的全部类别的数据；所述数据门户模块用于为所述数据空间子***与外部***之间的信息交互提供通信接口，其中，所述外部***中包含有所述目标物理实体，还包含有其他物理实体对应的数字化***和/或信息***等方式，能够准确表达与物理实体之间映射关系，且能够明确***各组成部分以及各部分具体内容定义，进而提供了数字孪生技术的应用标准，为设计人员根据物理实体自身情况进行数字化模型构建提供方法依据，具有重要的理论意义和现实的应用需求。具体通过下述实施例一和二来进行详细说明。
本发明的实施例一提供一种基于数字孪生技术的数字化***的具体实施方式，参见图1，所述基于数字孪生技术的数字化***具体包括如下内容：
相互通信的数据空间子***和数据门户模块，数据空间子***和数据门户模块作为一个整体，构成目标物理实体对应的基于数字孪生技术的数字化***。
所述数据空间子***与目标物理实体之间为映射关系，且该数据空间子***用于存储所述目标物理实体的描述信息、知识集合以及全生命周期过程中的全部类别的数据。
所述数据门户模块用于为所述数据空间子***与外部***之间的信息交互提供通信接口，其中，所述外部***中包含有所述目标物理实体，还包含有其他物理实体对应的数字化***和/或信息***。
可以理解的是，所述目标物理实体为与当前数字化***唯一对应的物理实体，该物理实体可以根据实际应用需求选取，可以为机械结构体等实体，例如所述目标物理实体可以为一种泵，且具体可以为一种斜盘式轴向柱塞泵等。所述数据空间子***与目标物理实体之间为映射关系是指所述数据空间子***在虚拟空间中以数字化形式完全反映相对应的目标物理实体的全生命周期过程，即指将现实世界的物理实体以及利用数字化技术营造的与物理实体对应的数字化映像。所述外部***中包含有目标物理实体，还可以包含有其他物理实体对应的数字化***和其他信息***中的一个或全部。
从上述描述可知，本发明的基于数字孪生技术的数字化***，能够准确表达与物理实体之间映射关系，且能够明确***各组成部分以及各部分具体内容定义，进而提供了数字孪生技术的应用标准。
在一种具体实施方式中，本发明还提供所述基于数字孪生技术的数字化***中所述数据空间子***的具体实施方式，参见图2，所述数据空间子***具体包括如下内容：
相互通信的本体模块、知识体模块和数据体模块，且所述本体模块、知识体模块、数据体模块和数据门户模块作为一个整体，构成目标物理实体对应的基于数字孪生技术的数字化***。
可以理解的是，所述本体模块、知识体模块及数据体模块分别作为一个整体，三者之间相互关联。
其一，所述本体模块用于存储目标物理实体的功能、性能和物理特性的描述信息，并分别向知识体模块、数据体模块和数据门户模块提供目标物理实体的功能、性能和物理特性的描述信息。
在上述描述中，所述本体模块依据物理实体本身，对物理实体自身的描述，具有超写实性，如物理实体的功能、性能和物理特性等，是对物理实体的分属类型、性质及有关关系的集合及其联系的描述。
其二，所述知识体模块用于存储以聚合体的形式表示的目标物理实体对应的知识集合。
在上述描述中，所述知识体模块是与物理实体相关联的知识的集合，反映物理实体在知识层面的管理与组织或图谱。物理实体的知识体的终极理想表现形态是存在一个统一的模型可以覆盖物理实体的所有理论和知识，可用于建立物理实体的完整且精确的数字化描述或通过模型仿真来对物理实体进行行为预测。然而目前，物理实体具有多种物理特性，存在多种物理结构模型、材料模型等，无法通过单一的模型完成知识体的描述，需要通过物理实体的机理、设计和行为等的聚合体的形式描述。聚合体的组成部分包括由表现形态为模型和无法以模型表达的其他资料部分。
其三，所述数据体模块用于存储和管理由所述本体模块和所述知识体模块中的数据组成的所述目标物理实体的全生命周期过程中的全部类别的数据。
在上述描述中，所述数据体模块是物理实体的数据组织关系以及在该组织关系下的数据集合，对物理实体全生命周期内的数据在数字空间进行分类与关联，即实际的存储与管理，是基于数字孪生技术的数字化***的核心组成部分之一。数据体由数据组织关系和数据集合组成，包含了物理实体全生命周期过程中的所有类别数据，能够实现全生命周期各阶段的信息流通，同时记录了物理实体在全生命周期的数字化数据档案，记录了物理实体在全生命周期各阶段的形成过程、状态和行为，随时间的增加而不断累积，规模逐渐增长。数据体可分类为与时间相关的时序数据和与时间无关的其他类数据。同时，不仅不同类别数据间可能具有相关关系，而且同一类数据可能与多类数据存在相关关系。其相关关系描述可由数据库表或计算机语义描述。
从上述描述可知，本发明的基于数字孪生技术的数字化***，能够准确表达与物理实体之间映射关系，且能够明确***各组成部分以及各部分具体内容定义，进而提供了数字孪生技术的应用标准，为设计人员根据物理实体自身情况进行数字化模型构建提供方法依据，具有重要的理论意义和现实的应用需求。
在一种具体实施方式中，本发明还提供所述基于数字孪生技术的数字化***中所述本体模块的具体实施方式，参见图3，所述本体模块具体包括如下内容：
分类单元、构件单元和联系单元，且包含有该分类单元、构件单元和联系单元的本体模块作为一个整体与所述知识体模块之间相互关联。
其一，所述分类单元用于对所述物理实体及该物理实体的从属部件的描述信息进行分类，并存储分类信息。
在上述描述中，所述分类单元是对物理实体的客观一致的描述，在数字空间中与物理空间现实描述保持一致。类似于对生物的分类按照“纲-目-科”的划分，本体的每一个分类都有一个唯一识别的符号来表示。以泵为分析对象举例，泵是把原动机的机械能转换为液体压力能，用来增压输送液体的机械。而液压泵是泵的一种，为液压传动提供加压液体的一种液压元件，是液压***的能源。液压泵的分类参见图4，按结构形式可分为：齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵。齿轮泵按啮合形式可分为：外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵；柱塞泵根据柱塞的排列和运动方向不同，可分为：轴向柱塞泵和径向柱塞泵，而轴向柱塞泵按传动轴和旋转缸体的轴线是否一致，可分为：斜盘式轴向柱塞泵和斜轴式轴向柱塞泵。因此，外啮合齿轮泵的分类为：泵-液压泵-齿轮泵-外啮合齿轮泵，斜盘式轴向柱塞泵的分类为：泵-液压泵-柱塞泵-轴向柱塞泵-斜盘式轴向柱塞泵。
其二，所述构件单元用于存储描述所述目标物理实体的组成部分以及各组成部分的参数，其中，所述组成部分的参数包括材料数据、几何尺寸数据和功能数据。
在上述描述中，所述构件单元构件描述物理实体的组成部分以及各组成部分的参数，其描述颗粒度是指工业上最小可替换的部分，如变压器的构件为铁芯、线圈等。组成部分参数包含材料数据、几何尺寸数据和功能数据等。例如，斜盘式轴向柱塞泵的组成部分为：柱塞1、缸体2、配油盘3、传动轴4、斜盘5、滑靴6、回程盘7和中心弹簧8等，参见图5，组成部分参数包括：柱塞数量z，柱塞结构尺寸参数如柱塞直径d、名义长度l和柱塞分布圆直径D等，缸体结构尺寸参数如缸体内、外直径D1、D2和高度H等，滑靴结构型式与结构尺寸参数，斜盘倾斜角δ等。
其三，所述联系单元用于存储所述目标物理实体中各个组成部分之间的对应关系，其中，所述对应关系包括各个组成部分之间的内部关系和所述目标物理实体作为一个整体的外部关系。
在上述描述中，所述联系单元是描述构件中各个部分之间的关系，包含内部和外部两方面。内部联系即构件各个部分之间的联系，包括：物理连接、相对位置、因果因素、输入、输出、反馈等；外部联系描述了物理实体作为整体统一对外的特征和功能信息，如操动机构在断路器的安装位置，其输入与输出等。以图5中的斜盘式轴向柱塞泵为例，其构件内部联系如：柱塞1安放在缸体2中的柱塞孔中的位置、配油盘3与传动轴4连接的位置、柱塞1相对于缸体2进行旋转运动，其相对于缸体2的位移是δ与缸体旋转角的函数等。将斜盘式轴向柱塞泵作为整体，其外部联系如：与滤油器、液压缸、液压马达、油箱、节流阀、溢流阀、开停阀等各类阀元件等组成起重机或起落架多类液压***；其输入为原动机的动力，与原动机相连接，将其机械能转换为液体压力能，为液压***提供动力；其输出为油压，与液压***的执行元件：液压缸或液压马达相连接，将液体压力能转换成机械能。
在一种具体实施方式中，本发明还提供所述基于数字孪生技术的数字化***中所述知识体模块的具体实施方式，参见图6，所述知识体模块具体包括如下内容：
知识模型单元和资料单元，且包含有该知识模型单元和资料单元的所述知识体模块作为一个整体与所述数据体模型相互关联。
其一，所述知识模型单元用于反映所述目标物理实体的知识结构，包括结构仿真模型、电磁模型、动力学模型、热力学模型、材料状态演化模型、应力分析模型和疲劳损伤模型中的一种或任意组合。
在上述描述中，所述知识模型单元中的知识模型用于反映物理实体的不同侧面，包含结构仿真模型、电磁模型、动力学模型、热力学模型、材料状态演化模型、应力分析模型、疲劳损伤模型等，有些表征了因果关系，有些表征了相关关系等。模型是计算机可执行运算的，能够通过计算机仿真和分析来实时反映物理实体的真实状态。
其二，所述资料单元用于以结构数据或非结构数据的形式对所述目标物理实体的知识结构进行描述，包括文档、多媒体文件和程序中的一种或任意组合。
在上述描述中，所述资料单元中的资料以结构或非结构数据的形式对有关知识的描述，如：文档、多媒体文件、程序等。
以图5中的斜盘式轴向柱塞泵为例，其知识模型包括：基本数学模型，根据结构进行运动学分析、流量分析、压力分析而得到的位移、速度、加速度、流量和压力等公式，其排量V和流量q公式见公式(1)和(2)；
其中，仿真模型包含有：
(1)动力学仿真模型，如使用AMESim软件/ADAMS软件自带的液压模块和斜轴泵动力学模型耦合对传动轴进行分析；其中，AMESim(Advanced Modeling Environment forperforming Simulation of engineering systems)为多学科领域复杂***建模仿真平台。用户可以在这个单一平台上建立复杂的多学科领域的***模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析，也可以在这个平台上研究任何元件或***的稳态和动态性能。例如在燃油喷射、制动***、动力传动、液压***、机电***和冷却***中的应用。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械***几何模型，其求解器采用多刚体***动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立***动力学方程，对虚拟机械***进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械***的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
(2)应力应变分析仿真模型，如使用ANSYS软件基于动力学模型分析受力对结构进行构建；其中，ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
(3)疲劳分析模型，基于应力应变分析结果进行分析构建；
(4)热力学仿真模型，如使用SINDA/FLUINT软件采用经验公式(如代表换热能力的努谢尔特Nu与代表流型的雷诺数Re和代表物性的普朗特Pr数间的拟合关联式)构建流动与传热关系等。SINDA/FLUINT为一种大型热流分析软件。
资料包括：照片，如斜盘式轴向柱塞泵及各个构件，红外照相机对液压***磨损、泄露部分进行热点显示温度检测；程序，如用于解算具有各向异性的轴向柱塞泵摩擦副间隙油膜特性的CASPAR程序。
式中，z为柱塞数，n为转速，ηv为容积效率。
在一种具体实施方式中，本发明还提供所述基于数字孪生技术的数字化***中所述数据体模块的具体实施方式，所述数据体模块具体包括如下内容：
所述数据体模块用于以数据体的形式对所述目标物理实体的全生命周期内的数据在数字空间进行分类与关联，并存储该分类与关联的结果；其中，所述数据体由数据组织关系和数据集合组成；且所述数据体划分为时序数据和非时序数据。
以斜盘式轴向柱塞泵为例，其性能参数表示了泵在全生命周期各阶段的性能和状态，为与时间相关的时序数据；其结构尺寸参数记录了物理实体泵的基本信息，部分为与时间无关的其他类数据，如柱塞数量z，柱塞直径d，柱塞分布圆直径D等。性能参数列举如下：
压力：工作压力p、额定压力p0、最高压力pmax，泵的极限输入压力；
转速：额定转速n0，最高转速nmax，最低转速nmin；
排量及流量：排量V，额定流量qvn，平均理论流量qvt，实际流量qv，瞬时流量qvsh，流量不均匀系数δq，部分公式见(3)-(5)。
qv＝qvt-△q (4)
δq＝[(qvsh)max-(qvsh)min]/qvt (5)
式中，n为转速，△q为在一定压力下的泄漏量，(qvsh)max为最大瞬时流量，(qvsh)min为最小瞬时流量。
功率和效率：输出功率P，输入功率Pp，总效率η，容积效率ηv，机械功率ηm。部分公式见(6)-(10)。
P＝△pqv/60 (6)
Pp＝△pqv/η (7)
η＝(△pqv)/Pp (8)
ηv＝qv/(nV) (9)
式中，△p为泵的进出口压差，T为泵的输入转矩。
数据体中记录了液压泵的各性能参数的关系，如上述公式所列，不同数据类别间具有联系，如qvt与泵的n和V存在相关关系。各个参数实时和历史的数据按照所述的关系进行存储，并能够检索到。
在一种具体实施方式中，本发明还提供所述基于数字孪生技术的数字化***中所述数据门户模块的具体实施方式，参见图7，所述数据门户模块具体包括如下内容：
响应接口单元、服务池单元、索引单元和安全单元；
所述响应接口单元用于处理所述本体模块、知识体模块和数据体模块与所述外部***之间的交互请求；所述服务池单元用于处理面向服务的响应；所述索引单元用于对所述本体模块、知识体模块和数据体模块中的信息进行索引；所述安全单元用于对数据交互的过程进行认证和鉴权。
在上述描述中，数据门户是所述基于数字孪生技术的数字化***与外界进行安全、快速、轻量的信息和数据交互的接口，实现所述基于数字孪生技术的数字化***与外界的交互。交互的方式可以是API或者面向服务。交互信息包括：物理实体与所述基于数字孪生技术的数字化***的信息交互、所述基于数字孪生技术的数字化***在数字空间与其他的所述基于数字孪生技术的数字化***的信息交互和所述基于数字孪生技术的数字化***与其他信息***的信息交互三方面。
数据门户模块至少由响应接口单元、服务池单元、索引单元和安全单元共四部分构成，构建起基于数字孪生技术的数字化***对外的数据交互通道。响应接口处理与外界交互的请求(包括外部对内的请求和内部对外的请求)；服务池处理面向服务的响应；索引模块对基于数字孪生技术的数字化***内部信息进行索引，以满足快速查询响应；安全模块对数据交互的过程进行认证和鉴权，保证基于数字孪生技术的数字化***的安全。
在一种具体应用实例中，本发明的基于数字孪生技术的数字化***与目标物理实体组成的结构模型如图8所示，A表示目标物理实体，A’表示其对应的基于数字孪生技术的数字化***，a表示本体，b表示知识体，c表示数据体，d表示数据门户，本体a、知识体b、数据体c在数字空间分别从三个侧面对目标物理实体A进行了描述，数据门户d是基于数字孪生技术的数字化***A’与外界进行信息交互的窗口。上述四个部分两两连接，本体a分别向知识体b、数据体c和数据门户d提供目标物理实体A的分类、构件和联系信息，并提供部分可以让基于数字孪生技术的数字化***A’内部可以识别的参数标识；知识体b中的模型和资料可以描述本体a中构件和联系部分之中蕴含的物理模型关系和相关关系，同时提供部分可以让基于数字孪生技术的数字化***A’内部可以识别的参数标识；c中存储和管理的数据包罗了本体a和知识体b中所包含的数据类别以及其他描述信息，在其中以数据的形式对目标物理实体A进行描述；数据门户d对本体a、知识体b和数据体c中的数据/部件/关系等建立索引，提供安全、快速且便于进行维护和管理的接口，同时包含数字空间中基于数字孪生技术的数字化***A’之间的交互和与外部其他基于数字孪生技术的数字化***A’、其它***之间信息的交互。因而，本体a、知识体b、数据体c和数据门户d构成了一个结构整体，以数字化的方式对目标物理实体A进行了映像构建。
本发明的实施例二提供所述基于数字孪生技术的数字化***的构建方法的具体实施方式，参见图9，所述基于数字孪生技术的数字化***的构建方法具体包括如下内容：
S1：建立与所述目标物理实体对应的所述数据空间子***；
S2：在该数据空间子***中分别添加所述本体模块、知识体模块和数据体模块；
S3：分别在所述本体模块、知识体模块和数据体模块中添加各自对应的单元，并在各个单元中添加对应的描述信息。
在S3中，首先在所述本体模块中增加分类单元、构件单元和联系单元，并在所述分类单元、构件单元和联系单元中添加对应的描述信息；建立所述知识体模块与所述本体模块之间的关联关系，并根据所述本体模块中的分类单元、构件单元和联系单元中的描述信息，在所述知识体模块中添加知识模型单元和资料单元；以及，在所述数据体模块中，根据所述本体模块与所述知识体模块的描述信息，存储和管理由所述本体模块和所述知识体模块中的数据组成的所述目标物理实体的全生命周期过程中的全部类别的数据。
S4：根据所述数据空间子***中的所述本体模块、知识体模块和数据体模块建立所述数据门户模块。
在S4中，根据所述数据空间子***中的所述本体模块、知识体模块和数据体模块，分别建立响应用于组成所述数据门户模块的接口单元、服务池单元、索引单元和安全单元。
其中，所述本体模块和所述知识体模块中的各个信息均对应有唯一标识；且所述数据体模块根据所述本体模块和所述知识体模块中的各个信息对应的唯一标识，基于数据库表或计算机语义描述的方式对各个信息进行分布式存储。
从上述描述可知，本发明的基于数字孪生技术的数字化***的构建方法，能够准确表达与物理实体之间映射关系，且能够明确***各组成部分以及各部分具体内容定义，进而提供了数字孪生技术的应用标准，为设计人员根据物理实体自身情况进行数字化模型构建提供方法依据，具有重要的理论意义和现实的应用需求。
为进一步的说明本方案，本发明还提供一种基于数字孪生技术的数字化***的构建方法的应用实例，采用面向对象的编程实现方法，在面向对象方法中，对象是属性(数据)以及这些属性上的专用操作的封装体，类是一组具有相同属性和操作的对象描述，继承是类之间一种基本关系，指某个类的层次关联中的不同类的共享属性和操作的机制。该阶段需要分别针对本体模块、知识体模块、数据体模块和数据门户模块建立对象、类以及关联关系，具体实现步骤如下：
(1)本体模块的实现过程如下：
基于目标物理实体，建立其相对应的基于数字孪生技术的数字化***，建立本体对象模型，并对其增加分类、构件和联系类模块，并对其添加描述。
以斜盘式轴向柱塞泵为本体构建对象，对斜盘式轴向柱塞泵增加三个类模块。分类模块：泵-液压泵-柱塞泵-轴向柱塞泵-斜盘式轴向柱塞泵。构件类模块：柱塞、缸体、配油盘、传动轴、斜盘、滑靴、回程盘和中心弹簧等，组成参数包括柱塞数量、柱塞结构尺寸、缸体尺寸、配油盘结构参数等。联系类模块分为内部联系和外部联系，内部联系：各个构件之间的安装连接位置、构件之间的输入输出如柱塞1的速度与传动轴4的转速和斜盘5的角度参数的函数关系；外部联系：将斜盘式轴向柱塞泵作为整体用符号表示，在液压***中与其他组成部分如油箱、液压缸、滤油器等的安装位置，原动机对泵的输入转矩和泵对液压缸/液压马达的输出性能参数之间的函数关系。
(2)知识体模块的实现过程如下：
建立相对应的知识体对象，并建立其与本体对象的关联，继承本体对象的分类信息。依据知识体构成描述，添加模型类和其他知识类。
基于斜盘式轴向柱塞泵本体构建对象构建其知识体对象，继承其分类信息，添加知识模型类和资料类，其知识结构参见图10，知识模型类中包含有基本数学模型和仿真模型，所述仿真模型由动力学分析、应力应变分析、疲劳分析和热力学分析等相关内容组成；所述资料类包含有照片和程序，所述照片由构件照片和红外照相机检测照片组成，所述程序为CASPAR软件程序，其中，CASPAR软件为专门针对轴向柱塞泵/马达的仿真分析软件，该软件能仿真分析油膜厚度场、压力场、温度场以及在压力载荷和热载荷作用下的表面变形。
(3)数据体模块的实现过程如下：
建立数据体对象，根据本体对象的分类信息，调用本体和知识体对象中的数据类别，由数据库表或计算机语义描述的方式对时序数据和网状数据进行可分布式的存储。
基于斜盘式轴向柱塞泵对象构建其数据体对象，继承其本体分类信息，调用其本体中的数据类别如柱塞的结构尺寸参数，调用其知识体中的数据类别如压力、转速、排量、流量、功率和效率等性能参数，参见表1，将其以二维数据库表形式描述如下：
表1斜盘式轴向柱塞泵的部分参数影响关系
注：其中，1表示有影响关系，0表示无影响关系，此处0已省略。
数据存储的示例如表2所示。
表2斜盘式轴向柱塞泵的部分数据存储表(数据为非真实数据)
(4)数据门户模块的实现过程如下：
建立数据门户对象，获取本体对象的分类信息，降低模型的存储大小，降低***之间的信息传输时间、成本和速度，实现模型轻量化。基于数字孪生技术的数字化***中数据体对象中存储的数据庞大而复杂，若无好的索引处理，会导致处理效率十分低下。索引化即对数据进行主体和特征分析，赋予标志的过程。针对数据门户对象，建立数据体对象各类数据的索引，对基于数字孪生技术的数字化***中模型的本体、知识体和数据体对象的内容进行快速管理和维护。同时，利用面向对象建模技术对安全性进行分等，将安全性语义表达成数据库***支持的安全性模型。
以斜盘式轴向柱塞泵为例，其数据门户构建包含响应接口单元、服务池单元、索引单元和安全单元。
一种实现方式是：响应接口可以是基于Webservice的接口；服务池单元是由一系列基于webservice的方法构成；索引单元针对斜盘式轴向柱塞泵对象构建其数据门户，继承其本体分类信息，对其本体、知识体对象和数据体对象中的各类数据增加索引，建立本体标识，作为面向服务的接口对数据进行管理和维护；安全模块负责在数据交互过程中的认证和鉴权，保证安全。
从上述描述可知，本发明应用实例中的基于数字孪生技术的数字化***的构建方法，能够为在数字空间建立物理实体的数字映像提供清晰的新思路、方法和实施途径，具有可行性，且构建方法简单明了，容易实现，同时能够实现与外界安全、快速、轻量的信息交互，为工业互联网应用的规模化开发部署提供了数据模型支撑，让数据的互联互通变为现实，从而促进工业互联网的真正落地。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于硬件+程序类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
虽然本申请提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。
虽然本说明书实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或终端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他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、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本说明书实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、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。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
本领域技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、***或计算机程序产品。因此，本说明书实施例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，本说明书实施例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。
本说明书实施例可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书实施例，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种基于数字孪生技术的数字化***，其特征在于，所述数字化***包括：相互通信的数据空间子***和数据门户模块，数据空间子***和数据门户模块作为一个整体，构成目标物理实体对应的基于数字孪生技术的数字化***；
所述数据空间子***与目标物理实体之间为映射关系，且该数据空间子***用于存储所述目标物理实体的描述信息、知识集合以及全生命周期过程中的全部类别的数据；
所述数据门户模块用于为所述数据空间子***与外部***之间的信息交互提供通信接口，其中，所述外部***中包含有所述目标物理实体，还包含有其他物理实体对应的数字化***和/或信息***。
2.根据权利要求1所述的数字化***，其特征在于，所述数据空间子***包括：相互通信的本体模块、知识体模块和数据体模块，且所述本体模块、知识体模块、数据体模块和数据门户模块作为一个整体，构成目标物理实体对应的基于数字孪生技术的数字化***；
所述本体模块用于存储目标物理实体的功能、性能和物理特性的描述信息，并分别向知识体模块、数据体模块和数据门户模块提供目标物理实体的功能、性能和物理特性的描述信息；
所述知识体模块用于存储以聚合体的形式表示的目标物理实体对应的知识集合；
所述数据体模块用于存储和管理由所述本体模块和所述知识体模块中的数据组成的所述目标物理实体的全生命周期过程中的全部类别的数据。
3.根据权利要求2所述的数字化***，其特征在于，所述本体模块包括：分类单元、构件单元和联系单元；
所述分类单元用于对所述物理实体及该物理实体的从属部件的描述信息进行分类，并存储分类信息；
所述构件单元用于存储描述所述目标物理实体的组成部分以及各组成部分的参数，其中，所述组成部分的参数包括材料数据、几何尺寸数据和功能数据；
所述联系单元用于存储所述目标物理实体中各个组成部分之间的对应关系，其中，所述对应关系包括各个组成部分之间的内部关系和所述目标物理实体作为一个整体的外部关系。
4.根据权利要求2所述的数字化***，其特征在于，所述知识体模块包括：知识模型单元和资料单元；
所述知识模型单元用于反映所述目标物理实体的知识结构，包括结构仿真模型、电磁模型、动力学模型、热力学模型、材料状态演化模型、应力分析模型和疲劳损伤模型中的一种或任意组合；
所述资料单元用于以结构数据或非结构数据的形式对所述目标物理实体的知识结构进行描述，包括文档、多媒体文件和程序中的一种或任意组合。
5.根据权利要求2所述的数字化***，其特征在于，所述数据体模块用于以数据体的形式对所述目标物理实体的全生命周期内的数据在数字空间进行分类与关联，并存储该分类与关联的结果；
其中，所述数据体由数据组织关系和数据集合组成；且所述数据体划分为时序数据和非时序数据。
6.根据权利要求2所述的数字化***，其特征在于，所述数据门户模块包括：响应接口单元、服务池单元、索引单元和安全单元；
所述响应接口单元用于处理所述本体模块、知识体模块和数据体模块与所述外部***之间的交互请求；
所述服务池单元用于处理面向服务的响应；
所述索引单元用于对所述本体模块、知识体模块和数据体模块中的信息进行索引；
所述安全单元用于对数据交互的过程进行认证和鉴权。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的基于数字孪生技术的数字化***的构建方法，其特征在于，所述数据空间子***包括相互通信的本体模块、知识体模块和数据体模块；所述构建方法包括：
建立与所述目标物理实体对应的所述数据空间子***；
在该数据空间子***中分别添加所述本体模块、知识体模块和数据体模块；
分别在所述本体模块、知识体模块和数据体模块中添加各自对应的单元，并在各个单元中添加对应的描述信息；
以及，根据所述数据空间子***中的所述本体模块、知识体模块和数据体模块建立所述数据门户模块。
8.根据权利要求7所述的构建方法，其特征在于，所述分别在所述本体模块、知识体模块和数据体模块中添加各自对应的单元，并在各个单元中添加对应的描述信息，包括：
在所述本体模块中增加分类单元、构件单元和联系单元，并在所述分类单元、构件单元和联系单元中添加对应的描述信息；
建立所述知识体模块与所述本体模块之间的关联关系，并根据所述本体模块中的分类单元、构件单元和联系单元中的描述信息，在所述知识体模块中添加知识模型单元和资料单元；
以及，在所述数据体模块中，根据所述本体模块与所述知识体模块的描述信息，存储和管理由所述本体模块和所述知识体模块中的数据组成的所述目标物理实体的全生命周期过程中的全部类别的数据。
9.根据权利要求8所述的构建方法，其特征在于，所述本体模块和所述知识体模块中的各个信息均对应有唯一标识；
所述数据体模块根据所述本体模块和所述知识体模块中的各个信息对应的唯一标识，基于数据库表或计算机语义描述的方式对各个信息进行分布式存储。
10.根据权利要求7所述的构建方法，其特征在于，所述根据所述数据空间子***中的所述本体模块、知识体模块和数据体模块建立所述数据门户模块，包括：
根据所述数据空间子***中的所述本体模块、知识体模块和数据体模块，分别建立响应用于组成所述数据门户模块的接口单元、服务池单元、索引单元和安全单元。
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