一种基于多物理信号融合的闭环数字孪生仿真方法及系统与流程

本发明涉及工业数字孪生仿真控制领域，尤其涉及一种提高仿真精度与实时响应能力、优化算力利用的系统性架构方法及系统。

背景技术：

1、现有工业数字孪生系统普遍采用烟囱式分立架构，多类监测数据分散存储、独立流转，易形成数据孤岛；各功能模块串行运行，模块间交互异步延迟大，难以满足工业现场实时控制要求。同时，传统方案算力分配方式粗放，资源浪费严重，仿真、诊断、调度各模块相互割裂，协同性差；不同设备、平台之间仿真收敛规则、指令格式不统一，仿真质量参差不齐，跨平台集成难度高，诸多问题共同制约了数字孪生技术在高端工业装备中的规模化落地应用。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题

2、针对现有数字孪生系统存在数据不统一、系统延迟高、算力利用率低、模块协同性差、仿真与指令标准杂乱、设备集成困难等缺陷，为系统性解决上述问题，本发明提出一种从架构层面进行重新设计的闭环协同方案。

3、1.本发明的技术方案

4、本发明构建同源数据唯一输入、双任务统一周期并行、双任务有效后方可回传三大核心约束，将多物理场仿真、故障诊断、算力调度深度整合为逻辑不可分的闭环整体，具体方案如下：

5、1.1 方法流程

6、s1、接收工业设备的监测信号。

7、s2、根据所述监测信号更新设备数字孪生模型，进行多物理场耦合仿真并动态调整边界条件，直至仿真模型收敛，输出收敛的同源仿真数据，所述收敛的同源仿真数据为下游故障诊断任务与算力预测任务的唯一排他性输入。该多物理场耦合仿真可根据需要采用电热、声振、热流等多种耦合模态，具体关联关系参照权利要求 3 的限定。仿真以全场关键物理量的全域相对平均误差作为收敛判定依据，收敛阈值优选设置为不大于 2%，可根据不同设备的物理特性与精度需求进行调整。

8、s3、定义统一决策周期，基于所述收敛的同源仿真数据，在所述统一决策周期内并行且同步地执行以下两类任务：其一为执行设备故障诊断任务，所得诊断结果可用于进一步指导设备运行参数优化。其二为执行仿真算力预测任务。其中，故障诊断采用权利要求 6定义的两种故障分类识别机制并行进行；算力预测遵循权利要求 4 所述的模型化调度策略生成过程，优选采用权利要求 5 的神经网络模型。其具体运作时序参见附图 3。

9、s4、仅当故障诊断任务、算力预测任务均生成有效输出内容时，将两类输出整合为标准化控制指令集，并同步回传至设备端控制系统及算力调度平台。本步骤设置空值拦截逻辑：若控制指令集内字段为空或解析失败，则不执行指令集组装与下发；同时系统记录错误代码与运行日志，并触发重试逻辑、分级告警、人工介入的多级异常处理流程；所有异常信息同步留存，用于故障诊断、算力预测算法的回溯调优。标准化控制指令集采用基于 tls协议的加密通信方式传输。该指令集包含工况标签、参数指令、预调度三类采用标准化编码规则的固定字段；若加密传输链路异常、或任一字段在解析中被判定为编码错误或缺失，则整体控制指令集均被判定为无效且不下发，并由系统生成功耗安全策略切换信号，触发设备切换至低功耗或安全待机模式，直至接收到下一条有效指令。

10、1.2 系统架构

11、本发明还提供实现上述方法的闭环数字孪生仿真系统，由数据接入模块、双向耦合仿真模块、并行处理模块、同步回传模块依次级联构成。

12、数据接入模块用于接收设备监测信号；双向耦合仿真模块用于完成多物理场耦合仿真与数据收敛；并行处理模块包含故障诊断子模块与算力预测子模块，同步执行两类核心任务；同步回传模块实现指令封装、异常拦截与指令下发。各模块数据单向直连，形成端到端闭环运行架构。

13、1.3 应用约束

14、本方案特别考虑了工业功能安全需求。在需要遵循相关功能安全规范的领域（例如，应用于车载电控类设备时），其输出结果应严格限定于热管理优化、感知冗余校验等非核心安全功能，不生成如行车制动、转向等涉及人身安全的直接控制指令。

15、2. 有益效果

16、消除数据孤岛，提升仿真精度。采用同源数据作为统一输入，结合标准化仿真收敛规则，仿真全域相对平均误差控制在 2% 以内，相较于传统方案误差减少 28% 以上（（见附图5）），仿真结果稳定性与可信度大幅提高。

17、缩短响应时延，适配实时场景。统一周期并行架构摒弃串行模式，系统端到端闭环延迟由 420ms 降至 160ms（（见附图5）），实时性显著增强。

18、动态调配算力，减少资源浪费。基于任务特征与历史数据实现智能动态调度，算力平均利用率由基准 45% 提升至 75%～79%（（见附图5）），有效减少算力空转损耗。

19、统一指令标准，降低集成难度。标准化字段与加密传输规则，使跨平台集成工作量减少 80%（（见附图5）），设备规模化部署效率大幅提升。

20、完善异常机制，增强系统鲁棒性。配置空值拦截、链路异常判定、安全模式切换、日志记录、自动重试、算法回溯全链路机制，系统容错能力、运行稳定性进一步提升。

21、补充说明：经对照试验（参考对比例 1、对比例 2、对比例 3 及见附图5）可知，本发明三大核心约束环环相扣、缺一不可。任意一项约束缺失，系统综合性能都会出现明显回落，三者结合可实现单一技术手段无法达成的协同技术效果。

1.一种基于多物理信号融合的闭环数字孪生仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求 1 所述的方法，其特征在于，步骤 s2 中，多物理场耦合仿真以全场关键物理量的全域相对平均误差作为收敛判定依据，收敛阈值设置为不大于 2%。

3.根据权利要求 1 所述的方法，其特征在于，所述多物理场耦合包括电热耦合、声场- 振动场耦合、热场 - 流场中的任意一种；其中，声场 - 振动场耦合通过将声压场分布作为激励加载于振动场结构上，或将结构振动位移、加速度作为边界条件施加于声压场，实现双向数据传递与物理量联动；热场 - 流场耦合以流场仿真计算的压力、流速分布作为热传导方程的动态对流边界。

4.根据权利要求 1 所述的方法，其特征在于，所述算力预测任务包括：提取本次仿真任务属性参数、历史仿真资源占用与运行耗时数据，构建标准化多维特征向量；基于该向量，通过机器学习或统计回归模型生成包含容器化部署规格与算力预占时间窗的算力调度策略。

5.根据权利要求 4 所述的方法，其特征在于，所述机器学习模型为径向基函数神经网络模型。

6.根据权利要求 1 所述的方法，其特征在于，所述故障诊断任务包含两种故障分类识别机制：采用卷积长短时记忆网络诊断设备渐进性老化故障，采用有限元冲击响应仿真模型分析设备瞬时突发故障。

7.根据权利要求 1 所述的方法，步骤 s4 具备空值拦截逻辑：若控制指令集内字段为空或解析失败，则不执行指令集组装与下发；同时系统记录错误代码与运行日志，并触发重试逻辑、分级告警、人工介入的多级异常处理流程；所有异常信息同步留存，用于故障诊断、算力预测算法的回溯调优。

8.根据权利要求 7 所述的方法，其特征在于，所述标准化控制指令集采用基于 tls协议的加密通信方式传输。该指令集包含工况标签、参数指令、预调度三类采用标准化编码规则的固定字段；若加密传输链路异常、或任一字段在解析中被判定为编码错误或缺失，则整体控制指令集均被判定为无效且不下发，并由系统生成功耗安全策略切换信号，触发设备切换至低功耗或安全待机模式，直至接收到下一条有效指令。

9.一种基于多物理信号融合的闭环数字孪生仿真系统，其特征在于，包括：