管控无人机地面控制站生产数据的信息物理系统集成模型的制作方法

本发明属于智能制造领域，涉及一种管控无人机地面控制站生产数据的信息物理系统集成模型，用于对无人机地面控制站的车间生产制造过程进行监控和分析。

背景技术：

随着智能制造技术的高速发展，各种关键使能技术为生产制造业提供了前瞻性的发展理念和思路，信息物理系统(cyberphysicalsystems，cps)作为产业变革使能的核心，通过信息系统与物理系统之间基于信息流的状态感知、实时分析、自主决策和精准执行闭环赋能体系的构建，实现基于数字孪生的资源优化配置和快速迭代更新。2017年03月01日工信部信息化和软件服务业司、国家标准化管理委员会工业标准二部联合发布了《信息物理系统白皮书》，白皮书将cps架构划分为单元级cps、系统级cps、系统之系统(systemofsystems，sos)级cps三级结构，并确定了cps的体系架构和技术需求。

数字孪生(digitaltwin)作为智能制造关键技术之一，充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成了多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成虚实映射，从而反映了相对应的实体全生命周期过程，对物理实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模。数字孪生体是信息系统中的一部分，是指与现实世界中的物理实体完全对应和一致的虚拟模型，可实时模拟自身在现实环境中的行为和性能，也称为数字孪生模型。信息物理系统cps可以实现物理实体的全生命周期业务协同和全价值链数字化管理，最终实现虚实深度融合、以虚控实。

如图1所示，信息物理系统cps通过构筑信息空间与物理空间数据交互的闭环通道，能够实现信息虚体与物理实体之间的交互联动，而数字孪生为实现cps提供了清晰的思路、方法和实施途径。以物理实体建模产生的模型为基础，通过实时数据采集、数据集成和监控，动态跟踪物理实体的工作状态和工作进展(如采集测量结果、追溯信息等)，将物理空间中的物理实体在信息空间进行虚拟数字化重建，形成具有感知、分析、决策、执行能力的数字孪生体。

数字孪生管理壳即是对物理系统中软硬件资源、无形资源在虚拟空间中映射成的数字孪生体数据进行统一的语义定义和有效管控，即cps数字孪生管理壳就是物理系统对应的孪生信息管理工具。cps数字孪生管理壳的数据对象按照属性划分为工程、安全、通信、配置、状态、能源等技术域，因此，既有从机床、连接器、传感器、计算机、生产设备等物理系统中直接采集的，也有文档、许可、计划、信息等人工编辑定义的内容。cps数字孪生管理壳的作用是为数据之间的无缝交互提供标准化参考模型。

航空装备全天候、多地域化的应用需求，对装备的功能、性能指标要求越来越高，结构的复杂化和集成的高密度化，造成装备的生产制造难度越来越大，对装备的生产制造过程管控提出了更高的要求。无人机系统作为人机协同的关键元素，在航空装备体系中扮演着越来越重要的角色。大型无人机系统的基本组成包括空中本体部分和地面部分(即地面控制站)，与无人机本体相配套的地面控制站承担着核心大脑控制任务，必须具备飞行状态监测、航路规划、图像处理、飞行性能分析、导航与定位等多种功能，使用信息物理系统cps对无人机地面控制站的生产制造进行监控很有必要，无人机地面控制站的固有功能和性能是信息物理系统cps的重点。

如何对无人机地面控制站的生产数据进行统一化的语义定义和有效的管控，进而规范信息交互方式、增加价值链附加价值，是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供一种管控无人机地面控制站生产数据的信息物理系统集成模型，通过定义数字孪生管理壳的语义结构为数据描述提供柔性可扩展框架，为物理系统和信息系统之间的无缝交互提供标准化参考模型，能够促进无人机地面控制站生产车间各系统之间的分布式协同，提高智能制造能力成熟度等级。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种管控无人机地面控制站生产数据的信息物理系统集成模型，包含物理系统和信息系统，信息系统中包含数字孪生管理壳，数字孪生管理壳对物理系统中软硬件资源在信息系统中映射成的数字孪生体数据进行统一的语义定义和有效管控，为物理系统和信息系统的无缝交互提供标准化参考模型。其中，信息物理系统被划分成三级，即单元级信息物理系统、系统级信息物理系统和sos级信息物理系统，数字孪生管理壳对应也设为单元级数字孪生管理壳、系统级数字孪生管理壳和sos级数字孪生管理壳，分别对应车间数据、生产线数据和设备数据。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种管控无人机地面控制站生产数据的信息物理系统集成模型，在保证本体一致性的前提下，数字孪生管理壳语义结构为数据语义描述提供了柔性可扩展框架，能够对无人机地面控制站生产数据管控对象进行语义化描述。同时，该信息物理系统集成模型通过规范的数字孪生管理壳，能够对无人机地面控制站生产数据管控对象进行数字化处理，以实现基于模型的信息传递，促进各系统之间的分布式协同。并且，该信息物理系统采用了多层级式管理，以统一的形式化语义定义了带有唯一性标识的无人机地面控制站生产制造系统数据，为数据之间的交互提供了标准化参考模型，也为生产系统的智能制造能力成熟度等级提升提供了助力。

本发明提供的一种管控无人机地面控制站生产数据的信息物理系统集成模型，涵盖了无人机地面控制站生产制造系统所涉及数据的主要属性信息和价值状态信息，从数据对象全生命周期的维度，为信息物理系统管理提供了规范的数据对象语义描述。该信息物理系统集成模型规定了信息的互用性和系统的自治性，保证了大系统的单元智能和单元间的智能协同，进而帮助实现生产制造过程横向资产价值链的广度集成、纵向跨层级交互的深度集成，以及贯穿信息物理系统全生命周期的端对端集成，最终构建起分散资源集中调度、集中资源分散使用的无人机地面控制站生产制造系统服务模式，能够显著降低生产运营管理成本，具有间接的经济效益和较大的推广价值。

附图说明

图1是信息物理系统的原理示意图。

图2是实施例中所示的一种管控无人机地面控制站生产数据的信息物理系统集成模型中的数据孪生管理壳的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

在无人机地面控制站的生产制造现场，随着生产设备的智能程度越来越高，生产车间能够柔性高效地进行自治管理，提供的服务和功能也越来越丰富，截至目前，已经形成了一系列的通用标准，比如iec61360等工程标准、iso13849等安全标准、iec61784等通信标准、iec61804等配置标准，这些标准为构建管控无人机地面控制站生产数据的信息物理系统集成模型提供了基础和依据。与此同时，工业物联网的应用和普及使得生产设备作为终端节点能够随时随地、简单快捷地联入互联网，远在不同地域的设备间通信与处于同一车间的设备间数据交互在本质上并无不同。除了机床、连接器、传感器、计算机、生产设备等硬件，以及固件、应用、工程工具等软件资源，诸如数据流、文档、许可、计划、标准、信息、服务等无形资源也是无人机地面控制站生产制造系统的数据构成要素。因此，希望有一个信息物理系统集成模型能达成以下目的：

(1)为了实现本体一致性的目的，所定义的数字孪生管理壳结构必须对无人机地面控制站生产数据管控对象进行语义化描述；

(2)为了实现基于模型的信息传递并具有可扩展性和可移植性，它必须通过规范的数字孪生管理壳对无人机地面控制站生产数据管控对象进行数字化处理；

(3)为了确保各种数据的唯一性，它必须采用多层级式管理，借助多级cps数字孪生管理壳以统一的形式化语义定义无人机地面控制站生产制造系统所涉及的数据；

(4)为了确保无人机地面控制站生产制造系统所涉及数据的有效性和可靠性，它必须涵盖这些数据的主要属性信息和价值状态信息，并带有唯一性标识；

(5)为了保证数字孪生信息的互用性，它必须能够从无人机地面控制站生产数据管控对象全生命周期的维度，为信息物理系统管理提供规范的数据对象语义描述；

(6)为了保证大系统的单元智能和智能协同，它必须具有自治性，这种自治性普遍存在于无人机地面控制站生产制造系统sos级cps、系统级cps和单元级cps中。

根据上述目的，本实施例所提供的一种管控无人机地面控制站生产数据的信息物理系统集成模型，包含物理系统和信息系统，信息系统中包含数字孪生管理壳，数字孪生管理壳对物理系统中软硬件资源、无形资源在虚拟空间中映射成的数字孪生体数据进行统一的语义定义和有效管控，为物理系统和信息系统的无缝交互提供标准化参考模型。

数字孪生管理壳主要由头信息和主体信息两部分组成，头信息和主体信息都受工业数据安全应用保护。头信息依据iso29005、iso/iec6523、iso/iec11179等标准确定数字孪生管理壳的唯一性标识，具有能够识别数字孪生管理壳的主要标识信息。主体信息依据相关标准从工程、安全、通信、配置、状态、能源等技术域确定数字孪生管理壳的相关属性和特征，并通过组件管理器实现隶属层级的组件管理。

在本实施例中，整个信息物理系统被划分成三级，即单元级信息物理系统、系统级信息物理系统和sos级信息物理系统，因此如图2所示，信息系统中的数字孪生管理壳对应也设为单元级数字孪生管理壳、系统级数字孪生管理壳和sos级数字孪生管理壳，分别对应车间数据、生产线数据和设备数据。

(1)sos级数字孪生管理壳：

sos级数字孪生管理壳由sos级头信息和sos级主体信息构成。在保证语义本体一致的前提下，sos级头信息与sos级主体信息的描述语言可以采用但不限于xml、json、automationml等结构化标记语言，以此来对车间数据进行描述。sos级头信息主要包含依据iso29005等相关标准生成的具有惟一性特征的车间数据识别id以及车间数据名称等。sos级主体信息主要包含对车间里的生产线(即系统级cps数字孪生管理壳)进行管理的sos级组件管理器和依据相应标准定义的sos级结构化属性描述。

sos级组件管理器记录了需要进行管理的系统级数字孪生管理壳的清单。

sos级主体信息从至少六个方面对sos级数字孪生管理壳的结构化属性描述，分别是sos级工程域、sos级安全域、sos级通信域、sos级配置域、sos级状态域、sos级能源域。

sos级工程域定义了sos级数字孪生管理壳的车间工程属性参数，并依据iec61360、iso13584、iec61987等相关标准对车间工程属性参数进行结构化属性描述。车间工程属性参数可以包含但不限于车间工艺布局描述、车间人员配置描述、车间生产能力描述、车间产品对象描述。

sos级安全域定义了sos级数字孪生管理壳的车间安全属性参数，并依据iso13849、iso12100、iec61508、iec61511、iec62061等相关标准对车间安全属性参数进行结构化属性描述。车间安全属性参数可以包含但不限于车间的网络安全、基础设施安全、人员安全。

sos级通信域定义了sos级数字孪生管理壳的车间通信属性参数，并依据iec61784、iec62443等相关标准对车间通信属性参数进行结构化属性描述。车间通信属性参数可以包含但不限于车间的网络密级、通信接口。

sos级配置域定义了sos级数字孪生管理壳的车间配置属性参数，并依据iec61804、iec62453、iso15745等相关标准对车间配置属性参数进行结构化属性描述。车间配置属性参数可以包含但不限于车间的产品组成、生产数据。

sos级状态域定义了sos级数字孪生管理壳的车间状态属性参数，并依据iec62890等相关标准对车间状态属性参数进行结构化属性描述。车间状态属性参数可以包含但不限于车间的人员状态、系统状态、物料状态、环境状态、运营状态。

sos级能源域定义了sos级数字孪生管理壳的车间能源属性参数，并依据iso/iec20140等相关标准对车间能源属性参数进行结构化属性描述。车间能源属性参数可以包含但不限于车间的能源效率、生产能耗、废物排放。

(2)系统级数字孪生管理壳

系统级数字孪生管理壳由系统级头信息和系统级主体信息构成。在保证语义本体一致的前提下，头信息与主体信息的描述语言可以采用但不限于xml、json、automationml等结构化标记语言，以此来对生产线数据进行描述。系统级头信息主要包含依据iso29005等标准生成的具有惟一性特征的生产线数据识别id以及生产线数据名称等。系统级主体信息主要包含对生产线上的设备(即单元数字孪生管理壳)进行管理的系统级组件管理器和依据相应标准定义的结构化属性描述。

系统级组件管理器记录了需要进行管理的单元级数字孪生管理壳的清单。系统级主体信息从至少六个方面对系统级数字孪生管理壳的结构化属性描述，分别是系统级工程域、系统级安全域、系统级通信域、系统级配置域、系统级状态域、系统级能源域。

系统级工程域定义了系统级数字孪生管理壳的生产线工程属性参数，并依据iec61360、iso13584、iec61987等相关标准对生产线工程属性参数进行结构化属性描述。生产线工程属性参数可以包含但不限于生产线工艺布局描述、生产线人员配置描述、生产线生产能力描述、生产线产品对象描述。

系统级安全域定义了系统级数字孪生管理壳的生产线安全属性参数，并依据iso13849、iso12100、iec61508、iec61511、iec62061等相关标准对生产线安全属性参数进行结构化属性描述。生产线安全属性参数可以包含但不限于生产线的网络安全、系统安全、人员安全。

系统级通信域定义了系统级数字孪生管理壳的生产线通信属性参数，并依据iec61784、iec62443等相关标准对生产线通信属性参数进行结构化属性描述。生产线通信属性参数可以包含但不限于生产线的系统协议、通信接口、广播方式。

系统级配置域定义了系统级数字孪生管理壳的生产线配置属性参数，并依据iec61804、iec62453、iso15745等相关标准对生产线配置属性参数进行结构化属性描述。生产线配置属性参数可以包含但不限于生产线的产品组成、单元数据。

系统级状态域定义了系统级数字孪生管理壳的生产线状态属性参数，并依据iec62890等相关标准对生产线状态属性参数进行结构化属性描述。生产线状态属性参数可以包含但不限于生产线的人员状态、单元状态、物料状态、环境状态、运行状态。

系统级能源域定义了系统级数字孪生管理壳的生产线能源属性参数，并依据iso/iec20140等相关标准对生产线能源属性参数进行结构化属性描述。生产线能源属性参数可以包含但不限于生产线的能源效率、生产线能耗、废物排放。

(3)单元级数字孪生管理壳

单元级数字孪生管理壳由单元级头信息和单元级主体信息构成，对由若干组件组成的设备的软硬件数据进行管理。在保证语义本体一致的前提下，单元级头信息与单元级主体信息的描述语言可以采用但不限于xml、json、automationml等结构化标记语言，以此来对设备数据进行描述。单元级头信息主要包含依据iso29005等标准生成的具有惟一性特征的设备数据识别id以及设备数据名称等。单元级主体信息主要包含对各类隶属组件进行管理的组件管理器和依据相应标准定义的结构化属性描述

单元级组件管理器用于对设备的机械结构组件、电气工程组件、流体控制组件、软件功能组件、生产规划组件、虚拟验证组件等若干个基本组件进行管理。单元级主体信息从至少六个方面对单元级数字孪生管理壳的结构化属性描述，分别是单元级工程域、单元级安全域、单元级通信域、单元级配置域、单元级状态域、单元级能源域。

单元级工程域定义了单元级数字孪生管理壳的设备工程属性参数，并依据iec61360、iso13584、iec61987等相关标准对设备工程属性参数进行结构化属性描述。设备工程属性参数可以包含但不限于设备机械结构描述、设备电气工程描述、设备控制行为描述。

单元级安全域定义了单元级数字孪生管理壳的设备安全属性参数，并依据iso13849、iso12100、iec61508、iec61511、iec62061等相关标准对设备安全属性参数进行结构化属性描述。设备安全属性参数可以包含但不限于设备的运动安全、操作安全、人员安全。

单元级通信域定义了单元级数字孪生管理壳的设备通信属性参数，并依据iec61784、iec62443等相关标准对设备通信属性参数进行结构化属性描述。设备通信属性参数可以包含但不限于设备的内部协议、通信接口、存储方式。

单元级配置域定义了单元级数字孪生管理壳的设备配置属性参数，并依据iec61804、iec62453、iso15745等相关标准对设备配置属性参数进行结构化属性描述。设备配置属性参数可以包含但不限于设备的数据组成、结构bom、机械结构。

单元级状态域定义了单元级数字孪生管理壳的设备状态属性参数，并依据iec62890等相关标准对设备状态属性参数进行结构化属性描述。设备状态属性参数可以包含但不限于设备的资产状态、运行周期、维护状态、保养状态。

单元级能源域定义了单元级数字孪生管理壳的设备能源属性参数，并依据iso/iec20140等相关标准对设备能源属性参数进行结构化属性描述。设备能源属性参数可以包含但不限于设备的能源效率、设备能耗、废物排放。

物理系统(即无人机地面控制站生产制造系统)按照数字孪生管理壳将生产实测数据传递到信息系统中，并实时展示数字孪生体形成过程，实现基于数字孪生体的生产实测数据监测和生产过程监控，另外，基于生产实测数据，通过物流和进度等智能化的预测与分析，实现质量、制造资源、生产进度的预测与分析，根据预测与分析的结果制定出相应的解决方案并反馈给物理实体，从而实现对实体功能和性能形成过程的动态控制与优化。

本实施例为了对无人机地面控制站生产制造系统所囊括的数据进行统一化的语义定义和有效的管控，进而规范信息交互方式、增加价值链附加价值，践行工业化与信息化深度融合发展理念，采用多层级式管理壳架构，即无人机地面控制站生产制造系统sos级cps数字孪生管理壳、系统级cps数字孪生管理壳、单元级cps数字孪生管理壳。数字孪生管理壳主要由头信息和主体信息两部分组成，头信息和主体信息都受工业数据安全应用保护。头信息依据相应标准确定数字孪生管理壳的唯一性标识，具有能够识别数字孪生管理壳的主要标识信息。主体信息依据相关标准从工程、安全、通信、配置、状态、能源等技术域确定数字孪生管理壳的相关属性和特征，并通过组件管理器实现隶属层级的组件管理。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。