基于多模态感知与数字孪生的工业设备闭环管控系统的制作方法

本发明涉及工业设备自动化管控，具体为基于多模态感知与数字孪生的工业设备闭环管控系统。

背景技术：

1、现代智能制造场景下，工业设备长期连续作业，设备故障、运行偏移会直接造成生产停机、工件报废，行业普遍依靠单一传感方式开展设备状态监测。当前车间多采用振动传感器或电流采集装置单独采集运行数据，少数产线搭配工业相机完成外观检测，各类传感设备独立部署、数据采集时钟互不统一，视觉、振动、电流三类数据无法同步匹配。数字孪生技术逐步应用于工业管控，但现有孪生系统仅能单向读取设备数据完成虚拟模型映射，缺少虚实数据双向交互通道，无法依据虚拟仿真结果反向调整实体设备运行参数。多类型感知数据存在量纲、采样周期差异，难以融合形成统一状态判断依据，设备管控只能做到事后故障报警，难以实现全流程闭环调控。

2、现有工业数字孪生监测方案存在许多不足：多源传感数据未做时域对齐与分类型降噪处理，图像粉尘噪点、振动工频干扰、电流瞬时毛刺会大幅降低数据可靠性，不同量纲数据未标准化，无法直接融合计算。各传感通道采用固定融合权重，无法根据虚实仿真偏差动态调整各模态数据占比，偏差识别精度持续偏低。孪生模型仅完成状态可视化，缺少多体动力学机电耦合仿真运算，无法输出精准理论运行参数，虚实偏差仅能粗略估算。同时系统无闭环执行链路，仿真优化参数不能自动下发设备，历史运行数据也未用于迭代优化传感权重配置，长期运行后监测适配性持续下降。

3、综上，当前工业设备监测与数字孪生体系存在数据采集不同步、多模态数据处理粗糙、权重固定、虚实单向传输、无自动闭环调控等系列问题，难以满足高精度、自适配、全周期智能管控需求。本发明通过统一时钟同步采集三类传感数据，分类型预处理统一数据标准，依托虚实偏差动态更新各通道融合权重，借助三维机电耦合孪生模型完成仿真计算，依靠闭环执行模块实现参数反向调控。整套系统形成数据采集、处理融合、孪生仿真、设备调控的完整双向链路，利用历史数据持续优化系统参数，有效提升设备状态识别精度与自主管控能力。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了弥补现有技术的不足，提供了基于多模态感知与数字孪生的工业设备闭环管控系统，它能够通过同步采集视觉、振动、电流三类数据，完成时序对齐、分类型降噪与归一化，依据孪生虚实偏差实时更新各通道融合权重，并根据设备三维模型开展机电耦合仿真，计算虚实偏差并输出优化参数，还存储历史数据迭代优化配置，最终通过转换、校验指令后下发设备，形成虚实双向完整管控链路。

2、本发明为解决上述技术问题，提供如下技术方案：基于多模态感知与数字孪生的工业设备闭环管控系统，该系统包括：

3、多源感知采集模块：部署于工业设备本体及周边工位，同步采集设备运行过程中的视觉图像、振动频谱与工况电流三类运行数据，将原始采集数据传输至数据预处理模块；

4、数据预处理模块：接收原始采集数据，完成时域对齐、降噪滤波与数值标准化处理，统一数据采样基准与数值区间，输出格式统一的时序感知数据至动态权重调节模块；

5、动态权重调节模块：接收时序感知数据，结合孪生仿真运算模块反馈的虚实偏差数据，动态调整各通道的数据融合权重，生成加权融合数据集回传至孪生仿真运算模块；

6、孪生仿真运算模块：内置工业设备三维虚拟模型，接收加权融合数据集完成虚实状态同步，开展物理仿真运算并输出虚实偏差数据与优化控制参数；

7、闭环管控执行模块：接收优化控制参数，转换为设备控制器可识别的控制指令并下发至工业设备，构成完整的虚实双向闭环管控链路。

8、进一步地，所述多源感知采集模块包含工业视觉相机、振动加速度传感器与电流互感器三类采集终端：工业视觉相机采集设备部件运行轨迹与工件表面形貌的图像数据，振动加速度传感器采集设备运行过程中产生的振动时域波形与频域特征数据，电流互感器采集设备驱动电机运行过程中的实时电流与功率变化数据；三类采集终端接入系统统一时钟源，按照相同采样基准执行同步数据采集。

9、更进一步地，所述数据预处理模块接收三类原始采集数据后，先以系统统一时钟源的时间戳为基准，对齐不同通道数据的时间节点，消除各采集终端硬件采样时延带来的时序偏差；完成时域对齐后针对不同类型数据执行适配性降噪处理：针对图像数据执行自适应滤波去除现场光线波动与粉尘带来的噪声点，同时保留部件轮廓与表面纹理的边缘特征；针对振动数据执行带通滤波处理，滤除工频干扰与高频随机噪声，保留与设备运行状态关联的有效频段数据；针对电流数据执行滑动平滑处理，去除电流瞬时波动产生的毛刺；最后对所有数据执行归一化处理，将不同量纲的数据映射至统一数值区间，输出维度一致的时序感知数据。

10、更进一步地，所述动态权重调节模块接收时序感知数据后，通过加权融合方式生成融合数据集，公式为：，其中，为t时刻的融合感知数据；、、 分别为t时刻视觉、振动、电流通道的标准化感知数据；、、 分别为t时刻视觉、振动、电流通道的实时融合权重，三类权重的和为1，权重初始值由设备当前运行工况匹配对应基准配置确定；每次通过权重迭代公式更新得到下一时刻的权重、、后，对更新后的各通道权重执行归一化处理，使更新后的视觉、振动、电流通道权重之和等于1，再将归一化完成后的权重代入加权融合公式，生成加权融合数据集。

11、更进一步地，所述动态权重调节模块接收孪生仿真运算模块输出的虚实偏差数据后，计算各通道的偏差贡献度并执行权重迭代更新，迭代更新的公式为：，其中 ，为迭代后第i个通道的权重；为迭代前第i个通道的权重；为权重调整步长系数，一般可以取值0.01~0.2，α取值过大，权重迭代震荡，α取值过小，权重收敛速度慢，可结合设备噪声等级、仿真标定得到；为第i个通道的偏差贡献度；为第i个通道的虚实偏差值；为整体虚实偏差超出预设阈值的部分，且，为预设阈值，为系统整体的虚实偏差值。

12、更进一步地，所述孪生仿真运算模块内置的三维虚拟模型按照实体设备的实际尺寸与硬件参数构建，包含设备床身、主轴、传动机构、执行部件的几何参数、材料物理属性与运动约束关系，可复现实体设备的机械运动逻辑与物理变化规律；接收加权融合数据集后，按照固定的采样周期提取数据中的状态参数，逐一更新三维虚拟模型中对应部件的运行数值，使三维虚拟模型与实体设备保持状态同步，同步完成后基于三维虚拟模型开展物理仿真运算，得到当前工况下的理论运行参数；所述物理仿真运算的公式为：，其中，、、分别为t时刻虚拟模型输出的视觉特征、振动响应与驱动电流的理论仿真值，即三个通道对应的理论运行参数；为t时刻从加权融合数据中提取的设备状态参数向量，包含主轴转速、进给速度、切削负载与温度场分布；为虚拟模型内部预设的物理参数集合，包含部件质量、刚度系数、阻尼比与摩擦因数；为状态参数向量的一阶变化率，用于表征设备运行趋势对理论输出的动态影响；f为基于多体动力学与机电耦合方程构建的虚拟模型仿真函数，内部联立拉格朗日多体动力学方程与永磁同步电机电磁转矩耦合方程组，核心耦合计算公式为：，其中，为设备运动广义坐标向量；为广义坐标向量的一阶导数；为拉格朗日量对部件运行速度的偏微分；为动量项对时间的全微分；拉格朗日量对部件位置的偏微分；、分别为整机阻尼、刚度矩阵；为电机电磁输出转矩；为电机磁极对数；为永磁体励磁磁链；、为电机轴定子电流；、为轴等效电感；仿真逻辑为：先通过机械求解单元代入上式第一行方程，求解设备运动部件的位移轨迹与振动响应；再经机电耦合接口将机械负载约束代入第二行电磁转矩方程，反向求解驱动电机实时电流；最终整合机械、电气两类输出，映射生成视觉、振动、电流三类通道对应的理论仿真结果，用于将当前状态参数映射为各通道的理论输出值。

13、更进一步地，所述孪生仿真运算模块基于加权融合数据中的状态特征与三维虚拟模型的仿真运算结果，匹配预设的工况特征库，识别设备当前所处的运行工况类型；同时将仿真得到的各通道理论运行参数，与加权融合数据中对应的实际运行参数逐一进行差值比对，计算得到系统整体的虚实偏差值与单个通道的虚实偏差值；最终将识别得到的工况类型与计算得到的全部偏差数据，同步反馈至动态权重调节模块，作为权重调整的依据；

14、所述单个通道的虚实偏差值计算公式为：，其中≠0；所述系统整体的虚实偏差值计算公式为：；其中，为第i个通道的虚实偏差值；为第i个通道的实际感知数据；为第i个通道的仿真理论运行参数；为系统整体的虚实偏差值。

15、更进一步地，所述孪生仿真运算模块内置历史数据存储与分析单元，用于按照时间顺序持续记录设备全运行周期内的工况标签、虚实偏差数据、对应权重配置参数与下发的控制指令数据，并基于所存储的历史数据对所述动态权重调节模块的配置参数进行迭代优化，以适配设备长期运行产生的性能变化。

16、更进一步地，所述闭环管控执行模块接收孪生仿真运算模块输出的优化控制参数后，先调用设备控制器的指令格式库，将通用型仿真控制参数转换为设备控制器可直接识别与执行的指令格式；随后对转换后的指令参数进行安全校验，比对指令数值与设备额定运行参数区间，确认指令不会超出设备硬件的承载范围；校验通过后通过工业总线通信接口与实体设备的控制器建立连接，将控制指令实时下发至设备端，驱动设备调整对应部件的运行状态。

17、与现有技术相比，该基于多模态感知与数字孪生的工业设备闭环管控系统具备如下有益效果：

18、一、本发明通过搭建统一时钟同步的多源感知采集架构，同步获取视觉、振动、电流三类设备运行信息，搭配分类型适配预处理流程完成时序校准、针对性降噪与数值标准化，消除不同采集终端硬件差异、现场环境干扰以及数据量纲不统一带来的信息失真问题；依托虚实偏差驱动的动态权重调节机制，自主调整各模态数据在融合计算中的占比，让数据融合结果贴合设备实时运行工况，不再依靠固定权重完成状态判断；同时内置完整三维实体孪生模型，结合机电耦合仿真运算输出设备理论运行状态，精准区分单通道传感偏差与整体设备运行偏差，大幅提升设备运行状态识别的准确度，能够提前捕捉设备运行偏移信号，减少故障漏判、误判情况。

19、二、本发明通过构建虚实双向传输的完整管控链路，将孪生仿真生成的优化控制参数转化为设备控制器可识别的执行指令，经过安全校验后直接下发至实体设备完成运行状态调整，实现从数据采集、仿真分析到设备自主调控的一体化运行模式；系统持续存储全周期工况、偏差、权重与控制指令相关历史数据，依托长期积累的运行记录持续优化数据融合配置，适配设备长期使用产生的性能衰减变化；整套体系摆脱传统监测方案单向数据读取的局限，无需人工介入完成参数修正与设备调试，降低车间运维人力投入，稳定生产加工流程，持续保障工业设备长期平稳、规范运行。

20、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。