CN110658795B - 一种数字孪生数据精准融合方法和*** - Google Patents

一种数字孪生数据精准融合方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数字孪生数据精准融合方法和***，该方法适用于Xilinx公司Virtex‑5系列FPGA芯片，包括：设计数字孪生数据精准融合前端模块，该模块首先建立BRAM缓存完成异构数字孪生数据的缓存，包括虚拟模型数据、物理实体数据、描述物理实体物理属性的物理属性数据、描述物理实体运行规则的行为规则数据，然后针对每一种类型数据添加数据类型字段和UTC时间戳字段组成新数据帧；设计数字孪生数据精准融合后端模块，该模块首先建立四个BRAM分别缓存接收到的不同类型新数据帧，然后以物理实体数据帧中的时间戳为基准，将虚拟模型数据、物理实体数据、物理属性数据、行为规则数据进行融合。本发明能够在一定程度上提高数字孪生***中异构数据间融合的精准性。

Description

一种数字孪生数据精准融合方法和***
技术领域
本发明属于电子工程和计算机科学领域，具体涉及一种数字孪生数据精准融合方法和***。
背景技术
数字孪生与智能制造的耦合度越来越高，数字孪生技术的落地是推动智能制造发展的关键要素之一，而数字孪生***中存在着异构类型的数据，包括车间物理设备产生的物理实体数据，车间物理设备相对应的虚拟模型产生的与仿真预测相关的虚拟模型数据，描述车间物理设备物理属性的物理数据以及用于描述物理设备工艺流程、行为规则的行为规则数据等，如何将这些异构类型数据进行有效的融合，进而为上层用户输出统一的服务是值得研究的。为此，本发明公开了一种数字孪生数据精准融合方法，该方法适用于Xilinx公司Virtex-5系列FPGA芯片，能够在一定程度上提高数字孪生***中异构数据间融合的精准性。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：提供一种数字孪生数据精准融合方法和***，该方法涵盖了数字孪生数据精准融合前端模块设计和数字孪生数据精准融合后端模块设计，针对异构类型孪生数据有效融合，进而为上层用户输出统一服务的需求，能够在一定程度上提高数字孪生***中异构数据间融合的精准性。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种数字孪生数据精准融合方法，包括：
(1)设计数字孪生数据精准融合前端模块，具体实现如下：
①建立BRAM完成对数字孪生***中虚拟模型数据、物理实体数据、描述物理实体物理属性的物理属性数据、描述物理实体运行规则的行为规则数据的缓存；
②针对BRAM中的每一种不同类型的数据，包括虚拟模型数据、物理实体数据、物理属性数据、行为规则数据，对其添加字段形成新的数据帧：首先添加数据类型字段，该字段用于标识数据的种类；然后添加UTC时间戳字段，该字段用于标识该帧数据的采集时间；
(2)设计数字孪生数据精准融合后端模块，以物理实体数据帧中的UTC时间戳为基准实现孪生数据融合，具体实现如下：
①建立四个BRAM分别完成对(1)中的不同类型新的数据帧进行缓存，即BRAM_1存储虚拟模型数据帧、BRAM_2存储物理实体数据帧、BRAM_3存储物理属性数据帧、BRAM_4存储行为规则数据帧；建立四个FIFO，即FIFO_1、FIFO_2、FIFO_3、FIFO_4；
②读取BRAM_2中的第一个物理实体数据帧，得到该数据帧中的UTC时间戳；
③按序读取BRAM_1中的所有虚拟模型数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些虚拟模型数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_1；
④按序读取BRAM_3中的所有物理属性数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些物理属性数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_3；
⑤按序读取BRAM_4中的所有行为规则数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些行为规则数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_4；
⑥将BRAM_2中的第一个物理实体数据帧存入FIFO_2；
⑦分别读取FIFO_2中的第一个物理实体数据帧、FIFO_1中的第一个虚拟模型数据帧、FIFO_3中的第一个物理属性数据帧、FIFO_4中的第一个行为规则数据帧，并将它们重新组成一帧数据以完成数字孪生数据的融合，其帧格式包括：帧头、数据类型、物理实体数据帧、数据类型、虚拟模型数据帧、数据类型、物理属性数据帧、数据类型、行为规则数据帧、帧尾；如果某个FIFO为空，则融合后的帧格式中的相应字段以零填充，长度为1个字节，如当③中的FIFO_1为空时，则融合后的帧格式表示为：帧头、数据类型、物理实体数据帧、数据类型、零、数据类型、物理属性数据帧、数据类型、行为规则数据帧、帧尾；
⑧分别清空FIFO_1、FIFO_2、FIFO_3、FIFO_4；
⑨返回②读取BRAM_2中的第二个物理实体数据帧，然后执行到⑧，直到BRAM_2中的所有物理实体数据帧读取完毕。
本发明设计的一种数字孪生数据精准融合方法，该方法适用于Xilinx公司Virtex-5系列FPGA芯片。
本发明还提出一种数字孪生数据精准融合***，包括：数字孪生数据精准融合前端模块和数字孪生数据精准融合后端模块；其中，
数字孪生数据精准融合前端模块，实现如下功能：
①建立BRAM完成对数字孪生***中虚拟模型数据、物理实体数据、描述物理实体物理属性的物理属性数据、描述物理实体运行规则的行为规则数据的缓存；
②针对BRAM中的每一种不同类型的数据，包括虚拟模型数据、物理实体数据、物理属性数据、行为规则数据，对其添加字段形成新的数据帧：首先添加数据类型字段，该字段用于标识数据的种类；然后添加UTC时间戳字段，该字段用于标识该帧数据的采集时间；
数字孪生数据精准融合后端模块，以物理实体数据帧中的UTC时间戳为基准实现孪生数据融合，具体实现如下：
①建立四个BRAM分别完成对步骤(1)中的不同类型新的数据帧进行缓存，即BRAM_1存储虚拟模型数据帧、BRAM_2存储物理实体数据帧、BRAM_3存储物理属性数据帧、BRAM_4存储行为规则数据帧；建立四个FIFO，即FIFO_1、FIFO_2、FIFO_3、FIFO_4；
②读取BRAM_2中的第一个物理实体数据帧，得到该数据帧中的UTC时间戳；
③按序读取BRAM_1中的所有虚拟模型数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些虚拟模型数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_1；
④按序读取BRAM_3中的所有物理属性数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些物理属性数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_3；
⑤按序读取BRAM_4中的所有行为规则数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些行为规则数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_4；
⑥将BRAM_2中的第一个物理实体数据帧存入FIFO_2；
⑦分别读取FIFO_2中的第一个物理实体数据帧、FIFO_1中的第一个虚拟模型数据帧、FIFO_3中的第一个物理属性数据帧、FIFO_4中的第一个行为规则数据帧，并将它们重新组成一帧数据以完成数字孪生数据的融合，其帧格式包括：帧头、数据类型、物理实体数据帧、数据类型、虚拟模型数据帧、数据类型、物理属性数据帧、数据类型、行为规则数据帧、帧尾；如果某个FIFO为空，则融合后的帧格式中的相应字段以零填充，长度为1个字节；
⑧分别清空FIFO_1、FIFO_2、FIFO_3、FIFO_4；
⑨返回②读取BRAM_2中的第二个物理实体数据帧，然后执行到⑧，直到BRAM_2中的所有物理实体数据帧读取完毕。
有益效果：
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)基于UTC时间戳的数据融合能够确保各类型数据在时间上的高度一致性，提高数据融合的精准性；
(2)以数字孪生***中的物理实体数据中的时间戳为基准，能够确保各数据融合后的数据有效性，因为物理设备是数字孪生***的基本；
(3)基于多BRAM和多FIFO缓存的处理模式能够提高对每一类型数据中的每一帧数据融合的效率，尽量减少数据的遗漏。
附图说明
图1为本发明的一种数字孪生数据精准融合***结构框图；
图2为本发明的一种数字孪生数据精准融合方法流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
本发明涉及一种数字孪生数据精准融合方法，适用于FPGA等可编程逻辑芯片；例如Xilinx公司Virtex-5系列FPGA芯片。数字孪生***中存在着异构类型的数据，包括车间物理设备产生的物理实体数据，车间物理设备相对应的虚拟模型产生的与仿真预测相关的虚拟模型数据，描述车间物理设备物理属性的物理数据以及用于描述物理设备工艺流程、行为规则的行为规则数据等，如何将这些异构类型数据进行有效的融合，进而为上层用户输出统一的服务是值得研究的。本发明公开的方法包括数字孪生数据精准融合前端模块设计和数字孪生数据精准融合后端模块设计，能够在一定程度上提高数字孪生***中异构数据间融合的精准性。
本发明的结构框图如图1所示，具体实施方式如下：
(1)图1中的1表示数字孪生数据精准融合前端模块，具体实现如下：
①建立BRAM(Block Random Access Memory，块随机存取存储器)完成对数字孪生***中虚拟模型数据、物理实体数据、描述物理实体物理属性的物理属性数据、描述物理实体运行规则的行为规则数据的缓存；
②针对BRAM中的每一种不同类型的数据，包括虚拟模型数据、物理实体数据、物理属性数据、行为规则数据，对其添加字段形成新的数据帧：
首先添加数据类型字段，该字段用于标识数据的种类；
然后添加UTC(协调世界时)时间戳字段，该字段用于标识该帧数据的采集时间，基于UTC时间戳的数据融合能够确保各类型数据在时间上的高度一致性，提高数据融合的精准性；
(2)图1中的2表示数字孪生数据精准融合后端模块，具体实现如下，参见图2：
①建立四个BRAM分别完成对(1)中的不同类型新的数据帧进行缓存，即BRAM_1存储虚拟模型数据帧、BRAM_2存储物理实体数据帧、BRAM_3存储物理属性数据帧、BRAM_4存储行为规则数据帧；建立四个FIFO，即FIFO_1、FIFO_2、FIFO_3、FIFO_4；基于多BRAM和多FIFO缓存的处理模式能够提高对每一类型数据中的每一帧数据融合的效率，尽量减少数据的遗漏；
②读取BRAM_2中的第一个物理实体数据帧，得到该数据帧中的UTC时间戳，以物理实体数据中的时间戳为基准，能够确保数据融合的有效性，因为物理设备是数字孪生***的基本；
③按序读取BRAM_1中的所有虚拟模型数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些虚拟模型数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_1；
④按序读取BRAM_3中的所有物理属性数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些物理属性数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_3；
⑤按序读取BRAM_4中的所有行为规则数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些行为规则数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_4；
⑥将BRAM_2中的第一个物理实体数据帧存入FIFO_2；
⑦分别读取FIFO_2中的第一个物理实体数据帧、FIFO_1中的第一个虚拟模型数据帧、FIFO_3中的第一个物理属性数据帧、FIFO_4中的第一个行为规则数据帧，并将它们重新组成一帧数据以完成数字孪生数据的融合，其帧格式包括：帧头、数据类型、物理实体数据帧、数据类型、虚拟模型数据帧、数据类型、物理属性数据帧、数据类型、行为规则数据帧、帧尾，此处的数据类型字段用来表示数据帧的种类，包括物理实体数据帧、虚拟模型数据帧、物理属性数据帧、行为规则数据帧，为了区别这四种数据帧，数据类型字段的长度需要大于等于2个bit，以数据类型字段长度为2个bit为例，可以用"00"表示物理实体数据帧、"01"表示虚拟模型数据帧、"10"表示物理属性数据帧、"11"表示行为规则数据帧；如果某个FIFO为空，则融合后的帧格式中的相应字段以零填充，长度为1个字节，如当③中的FIFO_1为空时，则融合后的帧格式表示为：帧头、数据类型、物理实体数据帧、数据类型、零、数据类型、物理属性数据帧、数据类型、行为规则数据帧、帧尾；
⑧分别清空FIFO_1、FIFO_2、FIFO_3、FIFO_4；
⑨返回②读取BRAM_2中的第二个物理实体数据帧，然后执行到⑧，直到BRAM_2中的所有物理实体数据帧读取完毕。
综上所述，本发明公开了一种数字孪生数据精准融合方法和***，包括数字孪生数据精准融合前端模块设计和数字孪生数据精准融合后端模块设计，能够在一定程度上提高数字孪生***中异构数据间融合的精准性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种数字孪生数据精准融合方法，其特征在于，包括：
步骤(1)设计数字孪生数据精准融合前端模块，具体实现如下：
①建立BRAM完成对数字孪生***中虚拟模型数据、物理实体数据、描述物理实体物理属性的物理属性数据、描述物理实体运行规则的行为规则数据的缓存；
②针对BRAM中的每一种不同类型的数据，包括虚拟模型数据、物理实体数据、物理属性数据、行为规则数据，对其添加字段形成新的数据帧：首先添加数据类型字段，该字段用于标识数据的种类；然后添加UTC时间戳字段，该字段用于标识该帧数据的采集时间；
步骤(2)设计数字孪生数据精准融合后端模块，以物理实体数据帧中的UTC时间戳为基准实现孪生数据融合，具体实现如下：
①建立四个BRAM分别完成对步骤(1)中的不同类型新的数据帧进行缓存，即BRAM_1存储虚拟模型数据帧、BRAM_2存储物理实体数据帧、BRAM_3存储物理属性数据帧、BRAM_4存储行为规则数据帧；建立四个FIFO，即FIFO_1、FIFO_2、FIFO_3、FIFO_4；
②读取BRAM_2中的第一个物理实体数据帧，得到该数据帧中的UTC时间戳；
③按序读取BRAM_1中的所有虚拟模型数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些虚拟模型数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_1；
④按序读取BRAM_3中的所有物理属性数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些物理属性数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_3；
⑤按序读取BRAM_4中的所有行为规则数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些行为规则数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_4；
⑥将BRAM_2中的第一个物理实体数据帧存入FIFO_2；
⑦分别读取FIFO_2中的第一个物理实体数据帧、FIFO_1中的第一个虚拟模型数据帧、FIFO_3中的第一个物理属性数据帧、FIFO_4中的第一个行为规则数据帧，并将它们重新组成一帧数据以完成数字孪生数据的融合，其帧格式包括：帧头、数据类型、物理实体数据帧、数据类型、虚拟模型数据帧、数据类型、物理属性数据帧、数据类型、行为规则数据帧、帧尾；如果某个FIFO为空，则融合后的帧格式中的相应字段以零填充，长度为1个字节；
⑧分别清空FIFO_1、FIFO_2、FIFO_3、FIFO_4；
⑨返回②读取BRAM_2中的第二个物理实体数据帧，然后执行到⑧，直到BRAM_2中的所有物理实体数据帧读取完毕。
2.如权利要求1所述的一种数字孪生数据精准融合方法，其特征在于，该方法适用于Xilinx公司Virtex-5系列FPGA芯片。
3.一种数字孪生数据精准融合***，其特征在于，包括：数字孪生数据精准融合前端模块和数字孪生数据精准融合后端模块；其中，
数字孪生数据精准融合前端模块，实现如下功能：
①建立BRAM完成对数字孪生***中虚拟模型数据、物理实体数据、描述物理实体物理属性的物理属性数据、描述物理实体运行规则的行为规则数据的缓存；
②针对BRAM中的每一种不同类型的数据，包括虚拟模型数据、物理实体数据、物理属性数据、行为规则数据，对其添加字段形成新的数据帧：首先添加数据类型字段，该字段用于标识数据的种类；然后添加UTC时间戳字段，该字段用于标识该帧数据的采集时间；
数字孪生数据精准融合后端模块，以物理实体数据帧中的UTC时间戳为基准实现孪生数据融合，具体实现如下：
①建立四个BRAM分别完成对步骤(1)中的不同类型新的数据帧进行缓存，即BRAM_1存储虚拟模型数据帧、BRAM_2存储物理实体数据帧、BRAM_3存储物理属性数据帧、BRAM_4存储行为规则数据帧；建立四个FIFO，即FIFO_1、FIFO_2、FIFO_3、FIFO_4；
②读取BRAM_2中的第一个物理实体数据帧，得到该数据帧中的UTC时间戳；
③按序读取BRAM_1中的所有虚拟模型数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些虚拟模型数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_1；
④按序读取BRAM_3中的所有物理属性数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些物理属性数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_3；
⑤按序读取BRAM_4中的所有行为规则数据帧，分别计算它们的UTC时间戳与②中的UTC时间戳之间的差值，当该差值小于等于用户设定值时，说明这些行为规则数据帧与②中的物理实体数据帧在时间维度上保持一致，并将它们存入FIFO_4；
⑥将BRAM_2中的第一个物理实体数据帧存入FIFO_2；
⑦分别读取FIFO_2中的第一个物理实体数据帧、FIFO_1中的第一个虚拟模型数据帧、FIFO_3中的第一个物理属性数据帧、FIFO_4中的第一个行为规则数据帧，并将它们重新组成一帧数据以完成数字孪生数据的融合，其帧格式包括：帧头、数据类型、物理实体数据帧、数据类型、虚拟模型数据帧、数据类型、物理属性数据帧、数据类型、行为规则数据帧、帧尾；如果某个FIFO为空，则融合后的帧格式中的相应字段以零填充，长度为1个字节；
⑧分别清空FIFO_1、FIFO_2、FIFO_3、FIFO_4；
⑨返回②读取BRAM_2中的第二个物理实体数据帧，然后执行到⑧，直到BRAM_2中的所有物理实体数据帧读取完毕。
4.如权利要求3所述的一种数字孪生数据精准融合***，其特征在于，该***适用于Xilinx公司Virtex-5系列FPGA芯片。
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