一种基于云端协同的数字孪生协同实验系统及方法

1.本发明涉及教学实验技术领域，尤其是涉及一种基于云端协同的数字孪生协同实验系统及方法。


背景技术：

2.传统实验室实验具有直观真实的特点，但也受到设备和场地限制，在资源共享、异地协同、时间安排方面缺乏灵活性。此外，学生由于特殊情况(如离校、传染病疫情)等无法进入实验室操作时，对远程接入、线上线下融合实验的需求变得非常迫切。传统工业实训依靠实体硬件，由于设备造价昂贵且占地较大，试验开展场地要求高，资金投入大，投入周期较长。随着设备老化、更新换代以及教学多样化需求，传统实验场地，尤其已建成产线型实验室较难进行更改。学生在学习时也容易受到实验室开放时间限制，不能反复操练、复习，造成纯工业设备实训培训质量不佳。
3.当前数字孪生技术广泛用于工业现场的仿真及远程观测、监控等领域，如在数字空间建立真实物体的模型，通过传感器实现模型与真实物体状态完全同步，从而根据模型分析评估真实物体的状态。但是，常规的数字孪生技术仅提供硬件设备数据到数字空间的信息传输，较少涉及数字空间对硬件设备的反馈。
4.为克服传统实验室的设备和场地限制，当前市面上较多的替代产品为虚拟仿真实验，通常基于软件模拟plc，实现虚拟plc与数字孪生工具的双向通信。用户可以在plc编程ide上编写程序，并通过虚拟plc仿真实现功能，从而驱动数字孪生设备运行并检测预期效果。但数字孪生工具基于编程逻辑，较难真实反映现场设备运行逻辑，因此培训效果有限。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于云端协同的数字孪生协同实验系统及方法。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种基于云端协同的数字孪生协同实验系统，包括学生端、云端、实验室端；
8.所述学生端包括学生电脑，学生电脑与云端通信连接，所述学生电脑用于编写plc程序、进行plc仿真；
9.所述实验室端包括实验室电脑、深度摄像头和实验室设备，实验室电脑与云端通信连接，所述实验室电脑用于开启数字孪生空间，与深度摄像头和实验室设备相连，实验室电脑基于深度摄像头点云数据映射数字孪生空间，结合plc数据判断实验是否通过，并控制实验室设备按照plc数据进行实验。
10.进一步地，学生电脑和实验室电脑通过无线网络与云端通信连接。
11.进一步地，所述实验室电脑建ue4的模型运行环境作为数字孪生空间。
12.一种基于云端协同的数字孪生协同实验方法，包括以下步骤：
13.s1、学生端编写plc程序，开启plc仿真，判断是否开启远程仿真，若开启，则执行步
骤s2，否则，执行步骤s3；
14.s2、通过云端数据传输建立学生端与实验室端的连接，将学生端的plc数据通过云端传输至实验室端，实验室端开启数字孪生空间，通过深度摄像头点云数据映射数字孪生空间，结合plc数据，判断实验是否通过，若通过，则控制实验室设备按照plc数据进行实验，完成实验，若不通过，则将数字孪生空间的反馈信息通过云端返回学生端，返回步骤s1；
15.s3、通过仿真软件进行仿真，调整变量参数，完成后返回步骤s1。
16.进一步地，步骤s1中，判断是否开启远程仿真具体为：
17.由学生发起远程仿真请求，实验室管理员获取学生的远程仿真请求信息，获取实验室的设备空闲信息，判断是否通过学生的远程仿真请求，进而判断是否开启远程仿真。
18.进一步地，步骤s2中，学生端与实验室端之间通过云端连接并进行数据传输，具体为：
19.云端根据学生的远程仿真请求信息和分批给学生的设备信息生成秘钥并分发给学生端和实验室端，学生端和实验室端通过加密算法对数据进行加密并上传云端，云端作为中转站将数据转发至学生端和实验室端，学生端和实验室端使用秘钥解密接收到的信息。
20.进一步地，实验室端搭建ue4的模型运行环境作为数字孪生空间。
21.进一步地，所述实验为机械臂碰撞检测实验，实验室设备包括机械臂。
22.进一步地，学生端的plc数据包括机械臂运行的轨迹点，实验室端判断实验是否通过具体为：
23.通过数字同步技术判定机械臂的运动情况，同时运用数字孪生空间的几何碰撞运算，结合plc数据，判断实验是否通过。
24.进一步地，若实验通过，则控制机械臂按照plc数据运动，否则，将碰撞点位作为反馈信息通过云端返回学生端。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
26.(1)通过云端实现数据转发，学生本地的plc数据通过云端转发到实验室电脑，由于不需要实时连接和实时控制，即使出现网络延迟、连接中断等问题，也不影响实验进程。
27.(2)数字孪生系统编程只有在运行时需要大量的cpu和gpu运算资源，本发明将plc数据转发到实验室端，由实验室端开启数字孪生空间，判断实验是否通过，学生端不需要高配置电脑，能够更加合理地配置资源，提高资源利用率，降低设备投入经费。
28.(3)学生本地plc仿真结合实验室端数字孪生空间的模拟，仿真合格且数字孪生空间模拟实验可以通过后再控制实验室设备进行实验，可以保证实验的安全进行。
附图说明
29.图1为数字孪生协同实验系统的结构示意图；
30.图2为数字孪生协同实验方法的流程图；
31.附图标记：1、学生端，11、学生电脑，2、云端，3、实验室端，31、实验室电脑，32、深度摄像头，33、实验室设备。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
33.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。
34.实施例1：
35.一种基于云端协同的数字孪生协同实验系统，如图1所示，包括学生端、云端、实验室端；
36.其中，学生端包括学生电脑，学生电脑与云端通信连接，学生电脑用于编写plc程序、进行plc仿真；
37.实验室端包括实验室电脑、深度摄像头和实验室设备，实验室电脑与云端通信连接，实验室电脑用于开启数字孪生空间，与深度摄像头和实验室设备相连，实验室电脑基于深度摄像头点云数据映射数字孪生空间，结合plc数据判断实验是否通过，并控制实验室设备按照plc数据进行实验。
38.其中，学生电脑和实验室电脑通过无线网络与云端通信连接。实验室电脑建ue4的模型运行环境作为数字孪生空间。
39.一种基于云端协同的数字孪生协同实验方法，如图2所示，包括以下步骤：
40.s1、学生端编写plc程序，开启plc仿真，判断是否开启远程仿真，若开启，则执行步骤s2，否则，执行步骤s3；
41.步骤s1中，学生可以打开plc编程ide，编写plc程序，开启本地plc程序仿真。
42.判断是否开启远程仿真具体为：
43.学生编写好plc程序后，由学生发起远程仿真请求，实验室管理员获取学生的远程仿真请求信息，获取实验室的设备空闲信息，判断是否通过学生的远程仿真请求，进而判断是否开启远程仿真。
44.s2、通过云端数据传输建立学生端与实验室端的连接，将学生端的plc数据通过云端传输至实验室端，实验室端开启数字孪生空间，通过深度摄像头点云数据映射数字孪生空间，结合plc数据，判断实验是否通过，若通过，则控制实验室设备按照plc数据进行实验，完成实验，若不通过，则将数字孪生空间的反馈信息通过云端返回学生端，返回步骤s1；
45.步骤s2中，若实验室管理员通过了学生的远程仿真请求，则分配实验室电脑、实验室设备给学生，通过给到对应的临时验证码完成认证操作。学生端与实验室端之间通过云端连接并进行数据传输，具体为：
46.云端根据学生的远程仿真请求信息和分批给学生的设备信息生成秘钥并分发给学生端和实验室端，学生端和实验室端通过加密算法对数据进行加密并上传云端，云端作为中转站将数据转发至学生端和实验室端，学生端和实验室端使用秘钥解密接收到的信息。
47.s3、通过仿真软件进行仿真，调整变量参数，完成后返回步骤s1。
48.本实施例中，实验为机械臂碰撞检测实验，实验室设备包括机械臂。学生端的plc
数据包括机械臂运行的轨迹点，实验室端判断实验是否通过具体为：
49.通过数字同步技术判定机械臂的运动情况，同时运用数字孪生空间的几何碰撞运算，结合plc数据，判断实验是否通过；若实验通过，则控制机械臂按照plc数据运动，否则，将碰撞点位作为反馈信息通过云端返回学生端。
50.机械臂控制实验是《机器人原理》和《智能制造原理及实践》等课程中关于机械臂运动轨迹规划、控制和优化的重要知识点，属于机械电子工程学生必须掌握的知识。机械臂本身体积较大、价格昂贵、操作具有一定的危险性，且受到具有传播性的传染病影响，学生一般线上学习。将实验装备完全建模及虚拟化较难真实反映现场设备运行逻辑，效果不佳。因此，必须设计能支持线上线下协同的机械臂控制实验系统。
51.要实现线上线下同步实验对计算机配置和通信实时性要求较高。一方面，对学生而言，在自己电脑上构建数字孪生空间时，由于电脑算力不够，不能在规定时间内算出设备的反馈信息，从而影响实验教学任务的正常进行。另一方面，远程通信时由于用户端网络状态不确定性强，容易出现网络延迟、连接中断等问题，因此，通过远程电脑控制的方法，也会影响实验的进行。
52.鉴于此，本技术搭建了基于云端协同的数字孪生协同实验系统，在实验室端的实验室电脑构建数字孪生空间，结合深度摄像机等对实验室设备(机械臂)进行数据采集并映射到数字孪生空间，完成建模，学生在本地编写plc程序，将plc数据通过云端转发到实验室电脑，由实验室电脑里有碰撞检测技术在数字孪生空间中模拟并预判实验者操作，拒绝导致设备碰撞的危险指令。
53.学生首先在本地编写plc程序并进行仿真，仿真合格后再发起远程仿真请求，将plc数据发送到实验室电脑，实验室电脑接收到plc数据后开启数字孪生空间，判断实验是否通过。实验室电脑通过数字孪生空间模拟实验操作，判断实验通过后，由实验室电脑按照plc数据控制机械臂运动。
①
本发明通过云端实现数据转发，学生本地的plc数据通过云端转发到实验室电脑，由于不需要实时连接和实时控制，即使出现网络延迟、连接中断等问题，也不影响实验进程，避免出现设备碰撞、电机堵转、电机烧毁等不安全因素。
②
数字孪生系统编程只有在运行时需要大量的cpu和gpu运算资源，本技术在实验室端使用高配置的服务器作为实验室电脑来实现，不需要为每位学生都分配高配置的电脑，能够更加合理地配置资源，提高资源利用率，降低设备投入经费。
③
学生本地plc仿真结合实验室端数字孪生空间的模拟，可以保证实验的安全进行。
54.需要注意的是，上述系统和方法中，未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征，如构建数字孪生空间、几何碰撞运算等等。
55.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。