CN113010930A - 一种数字孪生模型多维多尺度验证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字孪生模型多维多尺度验证方法，包括如下步骤：步骤(1)、在几何维度，基于测量工具三坐标测量机实现对数字孪生模型几何刻画程度的评估；步骤(2)、在物理维度，针对不同尺度不同对象分析功能/性能验证需求，进而在真实场景或实验室环境下设计实验以开展试验分析，从而实现在物理维度的模型验证；步骤(3)、在行为维度，验证行为的顺发性以及行为响应层面的正确性，采用时序图和状态图对行为模型实现验证；步骤(4)、在规则维度，建立规则模型，使各规则模型具备评估、演化、推理等能力，并利用数据激励方法对规则模型进行验证。本发明能够为数字孪生模型的验证提供多维验证方法，并一定程度上为数字孪生模型提供有效应用与服务奠定基础。

Description

一种数字孪生模型多维多尺度验证方法
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模型多维多尺度验证方法。
背景技术
构建映射物理实体的高保真数字孪生模型是数字孪生落地实践的基础，此处数字孪生模型具备几何-物理-行为-规则多维度以及单元级-***级-复杂***级多尺度特征。而数字孪生模型的有效性和正确性是使用数字孪生模型提供高质量服务的重要前提与保证。目前针对数字孪生模型验证方法主要围绕设计相应物理实验开展，发明人尚未检索到数字孪生***中有关于数字孪生模型多维度验证与验证的相关方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种数字孪生模型动态多维多尺度验证方法，该方法适用于具有多维度特征的数字孪生模型。包含设计几何模型验证方法，实现对研究对象几何尺寸等精确度的评估；设计物理模型验证方法，实现对研究对象物理属性等特征的验证；设计行为模型验证方法，实现对研究对象行为顺发性以及行为响应等特征的校验；设计规则模型验证，实现对研究对象疲劳退化等规律的验证。基于多维度验证结果，最终形成对数字孪生模型的综合验证指标，为模型正确性以及有效性提供参考依据。本发明能够在一定程度上为数字孪生模型的验证提供多维验证方法指导，并一定程度上为数字孪生模型提供有效应用与服务奠定基础。该方法涵盖了几何模型验证方法设计、物理模型验证方法设计、行为模型验证方法设计、规则模型验证方法设计，能够基于各维度模型验证结果形成针对数字孪生模型的综合验证结果。验证虚拟模型与物理实体一致性的基础上，在一定程度上为数字孪生模型的验证提供多维验证方法指导，并一定程度上为数字孪生模型提供有效应用与服务奠定基础。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种数字孪生模型多维多尺度验证方法，包括如下步骤：
步骤(1)、在几何维度，基于测量工具三坐标测量机实现对数字孪生模型几何刻画程度的评估；
步骤(2)、在物理维度，针对不同尺度不同对象分析功能/性能验证需求，进而在真实场景或实验室环境下设计实验以开展试验分析，从而实现在物理维度的模型验证；
步骤(3)、在行为维度，验证行为的顺发性以及行为响应层面的正确性，采用时序图和状态图来对行为模型实现验证。利用时序图描述***和环境以及***各部分之间的相互作用，利用状态图描述***的状态转移和为响应事件而执行的动作。所述时序图构建的具体流程为：首先确定交互对象，并为每个对象设置生命线，随后从初始消息开始，依次画出消息，并标识消息发生的时间点，最后对时序发生次序的正确性进行判断；所述状态图构建的具体流程为选择初始状态和终结状态，接着明确对象的各种状态并确定状态可能发生的转移，把必要的动作加到状态或转移上，分析状态的并发和同步情况，最终对状态图进行分析判断，从而实现对模型行为响应的刻画与验证；
步骤(4)、在规则维度，建立规则模型，对物理车间及其模型在几何、物理、行为多个层面上反映的规律规则进行刻画，并将其映射到相应的规则模型上，使各规则模型具备评估、演化、推理等能力。针对规则模型的验证，将物理实际数据输入到逻辑规则模型中以激励逻辑规则模型做出相应的响应，对比规则模型的驱动响应和实际响应，如果两者之间的响应误差在允许范围内，则规则模型有效，否则规则模型不正确或者不准确。
进一步的，所述步骤1，具体包括：
(1.1)创建测量特征，包括测量特征有几何元素和形位公差，所述几何元素包括点、线、面，所述形位公差包括直线度、平面度、垂直度、倾斜度、平行度；
(1.2)在明确测量特征后，依据被测数字孪生模型的特征特点以及尺寸公差的要求，规划测点数和测点分布；
(1.3)在测点规划后，采用遗传算法实现对特征测量路径的规划，每条染色体代表遍历所有待测特征的路径，初始种群为随机产生的有效测量路径的合集，基于交叉和变异操作寻找适用度最优的测量路径；
(1.4)最后依据最优测量路径得到的测量数据，进一步得到包含公差值及其对应的几何特征信息，从而几何维度的模型验证结果。
进一步的，该方法适用于不同尺度对象，包括零件、部件、设备、生产线。
有益效果：
本发明设计的一种数字孪生模型多维多尺度验证方法，该方法适用于基于ANSYS、Twin Builder、CAD等软件构建的数字孪生模型。基于几何特征测量法以验证几何模型的精确度；基于个性化实验方法以衡量物理模型的合理性；基于行为时序图以及状态图以验证行为模型的顺发性以及行为响应的正确性；基于数据激励方法以验证规律规则的准确性。从而得到了数字孪生模型的综合验证结果，为数字孪生模型的验证提供了方法指导，拓展了数字孪生模型验证的维度，并一定程度上为数字孪生模型提供有效应用与服务奠定基础。
附图说明
图1为本发明的一种数字孪生模型多维多尺度验证方法结构框图；
图2为本发明的一种数字孪生模型行为模型验证方法流程框图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
构建映射物理实体的高保真数字孪生模型是数字孪生落地实践的基础，本发明的实施例中，数字孪生模型具备几何-物理-行为-规则多维度以及单元级-***级-复杂***级多尺度特征。而数字孪生模型的有效性和正确性是使用数字孪生模型提供高质量服务的重要前提与保证。目前针对数字孪生模型验证方法主要围绕设计相应物理实验开展，发明人尚未检索到数字孪生***中有关于数字孪生模型多维度验证与验证的相关方法。
为此，根据本发明的实施例，提出一种数字孪生模型多维多尺度验证方法，该方法适用于具有多维度特征的数字孪生模型。包含设计几何模型验证方法，实现对研究对象几何尺寸等精确度的评估；设计物理模型验证方法，实现对研究对象物理属性等特征的验证；设计行为模型验证方法，实现对研究对象行为顺发性以及行为响应等特征的校验；设计规则模型验证，实现对研究对象疲劳退化等规律的验证。基于多维度验证结果，最终形成对数字孪生模型的综合验证指标，为模型正确性以及有效性提供参考依据。本发明能够在一定程度上为数字孪生模型的验证提供多维验证方法指导，并一定程度上为数字孪生模型提供有效应用与服务奠定基础。
本发明的总体框图如图1所示，行为模型验证的流程框图如图2所示，具体实施方式如下：
(1)设计几何维度的模型验证方法，基于测量工具三坐标测量机实现对数字孪生模型几何刻画程度的评估。具体验证流程如下：
①创建测量特征，包括测量特征有点、线、面等几何元素，以及直线度、平面度、垂直度、倾斜度、平行度等形位公差；
②在明确测量特征后，依据被测特征特点以及尺寸公差的要求，进行测点数和测点分布的合理规划；
③在测点规划后，采用遗传算法实现对特征测量路径的规划，每条染色体代表遍历所有待测特征的路径，初始种群为随机产生的有效测量路径的合集，基于交叉和变异操作寻找适用度最优的路径；
④最后依据测量路径得到的测量数据，进一步得到包含公差值及其对应的几何特征等信息，从而几何维度的模型验证结果。
(2)在物理维度，因不同对象的材料特性、材料厚度等因素不同导致难以用通用的方法进行模型验证。此时需要充分考虑验证对象的个性化特征，针对不同层级不同对象分析特定的功能/性能验证需求，进而在真实场景或实验室环境下设计实验以开展试验分析，从而实现在物理维度的模型验证。例如，针对叶片重点会关注叶片强度、叶片疲劳等模型的准确度，可以通过载荷试验、疲劳试验等方式实现验证。
(3)在行为维度，主要验证行为的顺发性以及行为响应层面的正确性，可采用时序图和状态图来对行为模型实现验证。
①利用时序图可以描述***和环境以及***各部分之间的相互作用。时序图构建的具体流程为首先要确定数字孪生模型中的交互的对象，并为每个对象设置生命线，随后从初始消息开始，依次画出消息，并标识消息发生的时间点，最后对时序发生次序的正确性进行判断。
②利用状态图可以描述***的状态转移和为响应事件而执行的动作，状态图构建的具体流程为选择数字孪生模型中预定事件初始状态和终结状态，接着明确对象的各种状态并确定状态可能发生的转移，把必要的动作加到状态或转移上，分析状态的并发和同步情况，最终对状态图进行分析判断，从而实现对模型行为响应的刻画与验证。
步骤(4)、在规则维度，建立规则模型，对物理车间及其模型在几何、物理、行为多个层面上反映的规律规则进行刻画，并将其映射到相应的规则模型上，使各规则模型具备评估、演化、推理等能力。针对规则模型的验证，将物理实际数据输入到逻辑规则模型中以激励逻辑规则模型做出相应的响应，对比规则模型的驱动响应和实际响应，如果两者之间的响应误差在允许范围内，则规则模型有效，否则规则模型不正确或者不准确。
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 (3)

1.一种数字孪生模型多维多尺度验证方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、在几何维度，基于测量工具三坐标测量机实现对数字孪生模型几何刻画程度的评估；
步骤(2)、在物理维度，针对不同尺度不同对象分析功能/性能验证需求，进而在真实场景或实验室环境下设计实验以开展试验分析，从而实现在物理维度的模型验证；
步骤(3)、在行为维度，验证行为的顺发性以及行为响应层面的正确性，采用时序图和状态图来对行为模型实现验证。利用时序图描述***和环境以及***各部分之间的相互作用，利用状态图描述***的状态转移和为响应事件而执行的动作。所述时序图构建的具体流程为：首先确定交互对象，并为每个对象设置生命线，随后从初始消息开始，依次画出消息，并标识消息发生的时间点，最后对时序发生次序的正确性进行判断；所述状态图构建的具体流程为选择初始状态和终结状态，接着明确对象的各种状态并确定状态可能发生的转移，把必要的动作加到状态或转移上，分析状态的并发和同步情况，最终对状态图进行分析判断，从而实现对模型行为响应的刻画与验证；
步骤(4)、在规则维度，建立规则模型，对物理车间及其模型在几何、物理、行为多个层面上反映的规律规则进行刻画，并将其映射到相应的规则模型上，使各规则模型具备评估、演化、推理等能力，针对规则模型的验证，将物理实际数据输入到逻辑规则模型中以激励逻辑规则模型做出相应的响应，对比规则模型的驱动响应和实际响应，如果两者之间的响应误差在允许范围内，则规则模型有效，否则规则模型不正确或者不准确。
2.如权利要求1所述的一种数字孪生模型多维多尺度验证方法，其特征在于，所述步骤1，具体包括：
(1.1)创建测量特征，包括测量特征有几何元素和形位公差，所述几何元素包括点、线、面，所述形位公差包括直线度、平面度、垂直度、倾斜度、平行度；
(1.2)在明确测量特征后，依据被测数字孪生模型的特征特点以及尺寸公差的要求，规划测点数和测点分布；
(1.3)在测点规划后，采用遗传算法实现对特征测量路径的规划，每条染色体代表遍历所有待测特征的路径，初始种群为随机产生的有效测量路径的合集，基于交叉和变异操作寻找适用度最优的测量路径；
(1.4)最后依据最优测量路径得到的测量数据，进一步得到包含公差值及其对应的几何特征信息，从而几何维度的模型验证结果。
3.如权利要求1所述的一种数字孪生模型多维多尺度验证方法，其特征在于，该方法适用于不同尺度对象，包括零件、部件、设备、生产线。
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