一种用于数字孪生的数据获取系统的制作方法

1.本发明涉及数据获取领域，特别是涉及一种用于数字孪生的数据获取系统。


背景技术：

2.数字孪生是充分利用物理模型、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，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
3.传统的制造业，在生产运营管理的过程中，一般都还停留在获取到生产过程中的数据后，直接对数据进行展示的方式中。这样的数据展示方式并不够直观，不利于管理人员直观地了解生产过程中车间的各种设备和生产环境的实时状态。
4.随着数字孪生技术的出现，对生产过程的运营管理也已经开始引入数字孪生技术，通过获取生产过程中的相应数据，将数据映射到虚拟空间中进行生产管理。
5.现有的用于数字孪生的数据获取方式一般采用的是先进行分簇，然后再通过簇头节点和成员节点的配合来获取数据。但是现有的分簇方式并没有跟采集环境的实际情况相结合，从而导致数据获取之后，无法进行有效的数据压缩，影响数据的传输效率。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于公开一种用于数字孪生的数据获取系统，解决现有的生产运营管理过程中，直接对数据进行展示，不利于管理人员直观地了解生产过程中车间的各种设备和生产环境的实时状态的问题。
7.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于数字孪生的数据获取系统，包括数据采集模块，数据采集模块包括状态数据采集单元和环境数据采集单元；状态数据采集单元用于获取生产机械的状态数据；环境数据采集单元用于获取生产车间的环境数据；环境数据采集单元包括分区子单元和采集子单元；分区子单元用于采用如下方式将分成多个子区域：获取生产车间的历史环境数据，将生产车间的历史环境数据存入集合s；第1个子区域获取：s11，获取集合s中数值最大的历史环境数据lgtele，将lgtele作为参考数据，将lgtele从集合s中删除，将lgtele存入集合u1；s12，从集合s中获取距离参考数据最近的历史环境数据nrele；s13，判断nrele与参考数据之间是否符合设定的融合规则，若是，则将nrele存入集合u1且将nrele从集合s中删除，若否，则本次子区域的获取过程结束；s14，将历史环境数据nrele作为新的参考数据，进入s12；第k个子区域的获取：
sk1，获取集合s中数值最大的历史环境数据，将作为参考数据，将从集合s中删除，将存入集合uk；sk2，从集合s中获取距离参考数据最近的历史环境数据；sk3，判断与参考数据之间是否符合设定的融合规则，若是，则将存入集合uk且将从集合s中删除，若否，则本次子区域的获取过程结束；sk4，判断集合s 是否为空集，若是，则将历史环境数据作为新的参考数据，进入sk2，若否，则结束对生产车间进行子区域划分；采集子单元用于获取子区域中的环境数据，并对同一个子区域的环境数据进行压缩处理，获得压缩后的环境数据。
8.优选地，所述采集子单元包括无线传感器节点和基站；无线传感器节点设置在各个子区域中，用于获取子区域中的环境数据，并将环境数据发送至基站；基站用于接收来自各个无线传感器节点的环境数据，并对同一个子区域的环境数据进行压缩处理，获得压缩后的环境数据。
9.优选地，用于数字孪生的数据获取系统还包括数据传输模块，所述基站还用于将压缩后的环境数据发送至数据传输模块。
10.优选地，所述数据传输模块包括5g网络或光纤网络。
11.优选地，用于数字孪生的数据获取系统还包括数字孪生管理模块；数字孪生管理模块用于基于数据传输模块发送过来的状态数据和压缩后的环境数据，使用数字孪生技术对生产车间进行运营管理。
12.优选地，所述数字孪生管理模块包括场景还原单元、数据管理单元和三维展示单元；场景还原单元用于对生产机械和生产车间进行建模，获得生产车间中的生产机械的三维模型以及生产车间的三维模型；数据管理单元用于对状态数据和环境数据进行数据处理，获取处理后的数据；三维展示单元用于根据处理后的数据对生产机械的三维模型进行控制，改变三维模型的状态。
13.优选地，所述生产机械的状态数据包括坐标、转速、转向角度、电压、电流中的一种或多种。
14.优选地，所述生产车间的环境数据包括温度、湿度和悬浮物浓度。
15.优选地，用于数字孪生的数据获取系统还包括预警模块；预警模块包括预警单元和终端单元；预警单元用于根据处理后的数据判断是否存在报警事件，若是，则将报警事件发送至终端单元；终端单元用于接收并显示预警单元发送过来的报警事件。
16.本发明在获取用于对生产车间进行数字孪生的数据的过程中，通过设置不同的单
元来分别获取状态数据和环境数据，在获取环境数据的过程中，采用的是先获取子区域，然后获取子区域中的环境数据，接着基于子区域的划分结果对环境数据进行了有效的压缩处理，最后再传输给数据传输模块。从而有效地提高了数据的传输效率。
附图说明
17.利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
18.图1为本发明一种用于数字孪生的数据获取系统的一种实施例图。
19.图2为本发明获取子区域的一种实施例图。
具体实施方式
20.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
21.如图1所示的一种实施例，本发明提供了一种用于数字孪生的数据获取系统，包括数据采集模块，数据采集模块包括状态数据采集单元和环境数据采集单元；状态数据采集单元用于获取生产机械的状态数据；环境数据采集单元用于获取生产车间的环境数据；环境数据采集单元包括分区子单元和采集子单元；如图2所示，分区子单元用于采用如下方式将分成多个子区域：获取生产车间的历史环境数据，将生产车间的历史环境数据存入集合s；第1个子区域获取：s11，获取集合s中数值最大的历史环境数据lgtele，将lgtele作为参考数据，将lgtele从集合s中删除，将lgtele存入集合u1；s12，从集合s中获取距离参考数据最近的历史环境数据nrele；s13，判断nrele与参考数据之间是否符合设定的融合规则，若是，则将nrele存入集合u1且将nrele从集合s中删除，若否，则本次子区域的获取过程结束；s14，将历史环境数据nrele作为新的参考数据，进入s12；第k个子区域的获取：sk1，获取集合s中数值最大的历史环境数据，将作为参考数据，将从集合s中删除，将存入集合uk；sk2，从集合s中获取距离参考数据最近的历史环境数据；sk3，判断与参考数据之间是否符合设定的融合规则，若是，则将存入集合uk且将从集合s中删除，若否，则本次子区域的获取过程结束；sk4，判断集合s 是否为空集，若是，则将历史环境数据作为新的参考数据，
进入sk2，若否，则结束对生产车间进行子区域划分；采集子单元用于获取子区域中的环境数据，并对同一个子区域的环境数据进行压缩处理，获得压缩后的环境数据。
22.本发明在将生产车间划分成多个子区域的时候，并不是直接分成大小相同的多个子区域，因为车间可能并不规则，因此，本发明采用的是逐个子区域划分的方式来获取最终的划分结果。这样便能够将历史环境数据数值大小相近，而采集距离也相近的地点分到同一个子区域中，在后续对同一个子区域中的无线传感器节点进行分簇后，由于环境数据的数值相似度大，基站在转发数据时，能够利用更小的字节长度来表示同一个簇的成员节点的所获取环境数据，从而有利于簇头节点在转发数据时提高数据压缩的效率，从而节约簇头节点的电量。
23.在上述获取子区域的过程中，参考数据不断地改变，使得子区域能够往外延伸。当判断完一个距离最近的历史环境数据后，便将该历史环境数据作为新的参考数据，再重复之前的划分步骤。另外，本发明在划分的过程中不断地将已经划分出去的环境数据从集合s中删除，因此，在划分的后期，随着集合s中的元素的数量的越来越少，划分速度越来越快，有效地提高了划分的速度。
24.作为优选，对于参考数据和距离参考数据最近的数据，采用如下方式判断两者是否符合设定的融合规则：计算融合系数：式中，表示融合系数，、表示设定的融合权重，表示预设的距离参考值，表示参考数据，表示距离参考数据，表示的采集位置和的采集位置之间的距离，和分别表示和的数值；若融合系数小于设定的比较阈值，则表示和符合设定的融合规则；若融合系数大于等于设定的比较阈值，则表示和不符合设定的融合规则。
25.融合系数主要是从数值和距离两方面进行计算，数值越接近，距离越小，则融合系数越小，表示这两个数据所处的区域的环境越相似，从而有效地将环境近似的区域分到同一个子区域中。
26.优选地，所述采集子单元包括无线传感器节点和基站；无线传感器节点设置在各个子区域中，用于获取子区域中的环境数据，并将环境数据发送至基站；基站用于接收来自各个无线传感器节点的环境数据，并对同一个子区域的环境数据进行压缩处理，获得压缩后的环境数据。
27.无线传感器节点分散设置在子区域中，基站可以设置在生产车间的中间。
28.作为优选，处于同一个子区域中的无线传感器节点通过分簇的方式产生簇头节点和成员节点；成员节点用于获取生产车间的环境数据，并将环境数据发送至簇头节点；簇头节点用于接收来自成员节点的环境数据，并将环境数据发送至基站。
29.优选地，对于同一个簇中的成员节点在同一时刻获得的环境数据，基站可以选出一个环境数据作为基准数据，然后，在表示同一个簇中的其他成员节点的获取的数据的时候，只需要写清楚当前数据与基准数据之间的数值差异即可，同时在编号上也可以通过差值的方式进行表示，从而实现了数据的压缩处理。
30.例如，编号为1705的成员节点在t时刻获取的基站数据为35摄氏度，则用数组存储为[1705，t,35]那么，若一个编号为1698的成员节点在t时刻获取的基站数据为36摄氏度，则压缩的表示方式为[-7，t,+1]，从而缩短了数组中的字节长度，达到压缩的目的。压缩后的数据占用的存储空间更小，因此，数据传输效率更高。
[0031]
作为优选，相邻两次分簇之间的时间间隔采用如下公式计算：式中，sttm表示两次分簇之间的时间间隔，sblk表示子区域中的无线传感器节点的集合，表示sblk中的无线传感器节点q剩余的电量，nsblk表示子区域中的无线传感器节点的数量，stertf表示设定的电量方差比较参数，表示在设定的时间长度内子区域中的无线传感器节点传输的环境数据的大小，表示设定的数据传输量参考值，表示基准时间间隔。
[0032]
时间间隔随着电量的方差和传输的数据量的变化而变化，方差越大，数据量越大，则时间间隔越小，有利于快速平衡无线传感器节点之间的电量消耗，延长无线传感器节点的平均工作时长。
[0033]
优选地，用于数字孪生的数据获取系统还包括数据传输模块，所述基站还用于将压缩后的环境数据发送至数据传输模块。
[0034]
优选地，状态数据采集单元用于将生产机械的状态数据发送至数据传输模块。
[0035]
优选地，所述数据传输模块包括5g网络或光纤网络。
[0036]
优选地，用于数字孪生的数据获取系统还包括数字孪生管理模块；数据传输模块还用于将状态数据和压缩后的环境数据发送至数字孪生管理模块；数字孪生管理模块用于基于数据传输模块发送过来的状态数据和压缩后的环境数据，使用数字孪生技术对生产车间进行运营管理。
[0037]
通过采用数字孪生技术来对生产过程中获得的状态数据和环境数据进行展示，使得管理人员能够直观地了解各种机械的实时状态以及环境的实时状态，有利于提高管理人员做出的生产指挥的命令的准确度。
[0038]
优选地，所述数字孪生管理模块包括场景还原单元、数据管理单元和三维展示单元；场景还原单元用于对生产机械和生产车间进行建模，获得生产车间中的生产机械的三维模型以及生产车间的三维模型；数据管理单元用于对状态数据和环境数据进行数据处理，获取处理后的数据；三维展示单元用于根据处理后的数据对生产机械的三维模型进行控制，改变三维
模型的状态。
[0039]
数字化真实还原现场过程/环境，包括对车间、产线、主要设备，在制产品进行建模。实时渲染引擎集成、在3d场景中实时 获知车间生产运营状态。对各类报警信息迅速定位到3d场景，及时获知运行风险。 3d+数字互动式呈现，能够实现形象认知和数据精准定位，加速管理者思维转变，为后续功能扩充奠定基础。
[0040]
流程化建模和精细化建模两种方式结合，3d还原工厂各车间生产线/设备，完整呈现各车间的生产过程。流程化建模：根据生产工艺流程对各个车间生产线进行还原，虚拟世界完整再现工厂各车间生产过程； 精细化建模：各车间的重点工段/工位，精细还原机器人动作过程，实现不同产品焊接、不同颜色喷涂、不同零件装配的真实还原。
[0041]
数据处理包括误差修复、错误数据的剔除等。还可以对获取的数据进行整合、清洗、加工和储存，为数据的数字孪生展示提供基础。
[0042]
作为优选，三维展示单元还用于将生产车间的环境数据显示在生产车间的三维模型中。
[0043]
另外，三维展示单元还可以在模型中展示监控图、趋势图等。
[0044]
作为优选，所述根据处理后的数据对生产机械的三维模型进行控制，改变三维模型的状态，包括：对于生产机械的状态数据，通过获取的坐标来判断生产车间中的生产机械的状态是否发生变化，若是，则将该变化在对应的三维模型中进行呈现。
[0045]
在生产三维模型时，可以为生产机械的不同状态生成不同的模型，当状态发生改变时，只需要更换相应的模型即可。
[0046]
优选地，所述生产机械的状态数据包括坐标、转速、转向角度、电压、电流中的一种或多种。
[0047]
不同的生产机械锁对应的状态数据不相同，例如，对于机械臂，相应的状态数据便有机械臂的各个组件的坐标、电机的转速、电压、电流等。
[0048]
优选地，所述生产车间的环境数据包括温度、湿度和悬浮物浓度。
[0049]
作为优选，生产车间的环境数据还可以包括各种危险气体的浓度，例如氢气、一氧化碳等。
[0050]
优选地，用于数字孪生的数据获取系统还包括预警模块；预警模块包括预警单元和终端单元；预警单元用于根据处理后的数据判断是否存在报警事件，若是，则将报警事件发送至终端单元；终端单元用于接收并显示预警单元发送过来的报警事件。
[0051]
例如，当处理后的数据为生产车间的环境数据时，可以通过判断环境数据是否超出设定 数值范围而判断是否存在报警事件。报警事件包括事件发生地点、时间、事件类型等。
[0052]
在检测到报警事件后，可以对三维模型中相应的位置进行变化来提示发生报警事件。例如，通过改变生产机械的颜色来进行提示。
[0053]
本发明在获取用于对生产车间进行数字孪生的数据的过程中，通过设置不同的单元来分别获取状态数据和环境数据，
在获取环境数据的过程中，采用的是先获取子区域，然后获取子区域中的环境数据，接着基于子区域的划分结果对环境数据进行了有效的压缩处理，最后再传输给数据传输模块。从而有效地提高了数据的传输效率。
[0054]
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。