一种智慧仓配数字孪生动态建模方法

本发明涉及计算机辅助建模与物理系统仿真，尤其涉及一种智慧仓配数字孪生动态建模方法。

背景技术：

1、随着计算机模拟技术在仓储设备运行分析中的应用，可以根据仓储结构实体、承载实体及作业设备实体的几何参数、空间坐标、运动约束参数和接口状态建立计算机仿真模型，并按照预设的设备运行逻辑模拟输送设备、堆垛设备、搬运设备及承载实体在仓储物理场景中的状态变化。相较于主要依赖预设参数执行的离线仿真，数字孪生技术还可以接收智慧仓配物理场景中的状态采样数据，将物理实体的运行状态映射至对应的模型对象，并持续更新数字孪生仿真模型。

2、例如，公开号为cn115659693a的中国专利申请公开了一种三维仓库数字孪生系统和方法，所述系统通过数据获取模块获取仓库相关数据，由系统仿真模块根据仓库物理参数、设备运行逻辑及相关数据执行三维仿真，并结合可视化模块呈现仓库设备和承载实体的运行状态，以支持仓库运行过程的仿真、监控及回溯。

3、在智慧仓配物理场景中，作业设备实体通常处于连续运动状态，承载实体还会在相互接驳的作业设备实体之间发生载荷转移。由于不同状态采集接口的数据采样周期、传输时延和数据到达顺序可能不同，数字孪生仿真模型接收的状态采样数据可能与对应物理状态的实际变化顺序不一致。当状态采样数据写入已经演化至后续状态的模型对象时，模型对象的预测状态与对应状态采样数据之间可能产生模型残差，并进一步导致模型事件之间的执行顺序与物理运行过程不一致。

4、现有数字孪生仿真方式在检测到模型状态偏差后，通常通过调整相关模型参数、恢复历史模型状态或者重新执行一段仿真过程进行校正。然而，智慧仓配物理场景中的仓储结构实体、承载实体及作业设备实体之间同时存在接口接触、空间占用、运动约束和载荷转移等耦合关系，一个模型对象的状态变化可能传播至多个关联模型对象。若仅对产生模型残差的模型对象进行修正，可能使相邻模型对象之间的边界状态或空间占用状态不一致；若对整个数字孪生仿真模型进行状态恢复和重新仿真，则会使未受模型偏差影响的模型对象重复参与状态恢复、模型事件排序和仿真计算。

5、此外，在承载实体由一个模型对象转移至另一模型对象的过程中，载荷退出状态与载荷进入状态之间具有对应关系。当模型事件的执行顺序发生变化或者载荷转移状态未被完整记录时，数字孪生仿真模型中可能出现退出模型事件与进入模型事件不配对、同一载荷同时对应多个占用状态等情况。若仅以减小模型残差为依据调整模型参数，而未同时校验模型事件时序、空间占用关系和载荷转移关系，则校正后的模型状态仍可能与智慧仓配物理场景中的实际运行状态不一致。

6、因此，现有技术需要解决的主要技术问题是：在智慧仓配物理场景的状态采样数据与数字孪生仿真状态发生偏差或载荷转移状态发生冲突时，如何确定受所述偏差或冲突影响的关联模型范围，并在恢复和校验模型事件时序、空间占用关系及载荷转移关系一致性的条件下，对数字孪生仿真模型进行局部动态校正。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种智慧仓配数字孪生动态建模方法，以解决智慧仓配物理场景中的状态采样数据与数字孪生仿真状态发生偏差或者载荷转移状态发生冲突时，数字孪生仿真模型校正范围难以确定、模型事件执行顺序不一致以及局部校正结果可能不符合物理约束的问题。

2、为实现前述目的，本发明提供一种智慧仓配数字孪生动态建模方法，包括：

3、获取智慧仓配物理场景中仓储结构实体、承载实体及作业设备实体的实体标识、几何参数、空间坐标、运动约束参数、接口状态和状态采样数据，分别构建几何模型、运动约束模型和事件交互模型，并根据实体标识关联生成数字孪生仿真模型，将各实体对应的模型实例确定为模型对象。

4、将状态采样数据转换为作用于对应模型对象的模型事件，根据模型对象的状态转移关系以及模型对象之间的接口接触关系、空间占用关系和载荷转移关系构建有向事件依赖图；按照有向事件依赖图的拓扑顺序执行模型事件，在执行模型事件前记录状态快照，并确定预测状态与状态采样数据之间的模型残差。

5、根据连续产生模型残差的模型事件确定事件回放区间，将模型残差对应的模型对象确定为起始模型对象，沿有向事件依赖图选取与起始模型对象关联的模型对象，形成初始局部耦合域。

6、从初始局部耦合域内模型对象的几何参数、运动约束参数和事件交互参数中确定候选模型参数，形成基准仿真分支和校正仿真分支；在基准仿真分支和校正仿真分支中回放事件回放区间内的模型事件，并执行几何边界校验、运动连续性校验、空间占用互斥校验和载荷转移守恒校验。

7、比较基准仿真分支与校正仿真分支中边界模型对象的边界状态序列，在边界状态序列不一致时扩展初始局部耦合域，直至边界状态序列一致，形成局部耦合域和仿真边界条件。

8、将同一载荷的退出模型事件和进入模型事件组合为载荷转移事件。在退出模型事件与进入模型事件不配对或者同一载荷对应多个占用状态时，确定事件冲突区间，将局部耦合域内的模型对象恢复至事件冲突区间之前的状态快照，重新排序并回放事件冲突区间内的模型事件。

9、选择通过几何边界校验、运动连续性校验、空间占用互斥校验和载荷转移守恒校验，且模型残差小于基准仿真分支的校正仿真分支；根据校正仿真分支形成局部仿真状态补丁，并根据父模型版本和局部仿真状态补丁生成模型版本。在不存在满足选择条件的校正仿真分支时，保留当前模型版本。

10、采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

11、1.本发明通过将智慧仓配物理场景中的仓储结构实体、承载实体及作业设备实体分别构建为几何模型、运动约束模型和事件交互模型，并按照实体标识关联形成数字孪生仿真模型，使模型对象能够同时表征实体的空间位置、运动约束、接口状态、空间占用状态及载荷转移状态，为智慧仓配物理系统的计算机模拟、状态演化和动态校正提供统一的模型基础。

12、2.本发明通过根据状态转移关系、接口接触关系、空间占用关系和载荷转移关系构建有向事件依赖图，并根据模型残差对应的起始模型对象沿有向事件依赖图确定局部耦合域，使模型校正范围能够限定于受模型状态偏差影响的关联模型对象，避免对未受影响的模型对象进行重复状态恢复和模型事件回放，从而减少数字孪生仿真模型动态校正过程中的计算量和模型事件处理量。

13、3.本发明通过比较基准仿真分支与校正仿真分支中边界模型对象的边界状态序列，并在边界状态序列不一致时扩展当前耦合域，在边界状态序列一致时形成冻结边界模型对象和仿真边界条件，使局部模型校正结果能够在局部耦合域边界处与局部耦合域外的模型状态保持衔接，降低局部参数调整向无关模型对象继续传播并引起新的仿真状态偏差的可能性。

14、4.本发明通过载荷转移令牌关联同一载荷的退出模型事件和进入模型事件，并在检测到退出模型事件与进入模型事件不配对、同一载荷对应多个占用状态或载荷转移令牌未完成消费时，确定事件冲突区间，对局部模型对象执行状态回滚、模型事件重新排序和回放，使数字孪生仿真模型中的载荷转移过程符合事件时序、空间占用及载荷唯一占用要求，减少异步状态采样数据引起的重复占用和载荷状态不连续。

15、5.本发明通过形成基准仿真分支、第一扰动仿真分支、第二扰动仿真分支及待选校正仿真分支，并结合模型残差比较以及几何边界校验、运动连续性校验、空间占用互斥校验和载荷转移守恒校验，选择满足物理约束且模型残差降低的校正仿真分支写入数字孪生仿真模型，使模型参数校正不仅能够减小预测状态与状态采样数据之间的偏差，还能够保持模型事件执行过程与智慧仓配物理场景的几何条件、运动条件和载荷转移条件相一致，提高数字孪生仿真模型动态建模结果的可靠性。