船舶工业数字孪生体平台化构建方法及系统与流程

1.本发明涉及智能船舶工程技术领域，特别涉及一种船舶工业数字孪生体平台化构建方法及系统。


背景技术：

2.数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多学科属性的技术，具有虚实融合、实时交互连接、迭代优化以及全流程数据驱动等特点，可以对物理实体提供数据分析、状态预测等功能，辅助物理设备进行行为优化和决策。其中数字孪生体是数据空间对物理空间的物理实体进行的映射，具备对物理实体进行时域上的回溯、趋势上的预测、信息的融合等功能。船舶工业数字孪生体是智能船舶、智能航运系统落地实施的关键步骤。但船舶工业具有劳动密集、技术密集、资金密集特点，集机械制造、电力电子、工业控制、通讯、轻工等行业和领域于一体的传统基础产业，以产品繁多、流程复杂、业务多样化等典型特征。在进行船舶工业数字孪生体构建过程中，存在技术离散、重复研发、缺乏体系等问题，使得数字孪生技术在船舶工业的应用多局限于设备某一单元，缺乏统筹管理也无法实现复用。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种船舶工业数字孪生体平台化构建方法及系统。
4.一种船舶工业数字孪生体平台化构建方法，包括如下步骤：
5.s1、构建数字孪生体服务平台，实现对船舶工业的数字孪生体构建所需的硬件、软件支撑技术进行虚拟化、服务化封装处理；
6.s2、在数字孪生体服务平台发布符合船舶工业实际工程应用的要求的数字孪生体；
7.s3、对数字孪生体服务平台上发布的数字孪生体进行服务功能登记；
8.s4、获取物理实体对数字孪生体需求描述，所述需求描述为用户根据物理实体所处工作环境，需要数字孪生体提供的功能，包括状态监测、寿命预测、信息融合功能需求；
9.s5、对数字孪生体需求描述与登记的数字孪生体服务功能进行相似度匹配，在匹配时跳转到步骤s6；
10.s6、对于用户选择匹配的数字孪生体进行针对物理实体实际工作环境下的适应性修正，并跳转到步骤s7；
11.s7、对确定的数字孪生体进行功能验证，判断是否满足实际工程应用需求，在符合需求时跳转到步骤s8；
12.s8、将符合实际工程需求的数字孪生体进行工程应用，为物理实体提供时域上的回溯、趋势上的预测、信息的融合功能服务。
13.在本发明所述的船舶工业数字孪生体平台化构建方法中，
14.所述步骤s5还包括，在不匹配时跳转到步骤s9，所述步骤s9包括：通过基于数字孪生体服务平台进行数字孪生体定制化开发，采用数字孪生体服务平台所封装的共性技术，
实现数字孪生体的构建，并跳转到步骤s7。
15.在本发明所述的船舶工业数字孪生体平台化构建方法中，
16.所述数字孪生体服务平台，包括边缘层、数据层、模型层、数字孪生层和应用层；
17.其中边缘层提供面向边缘数据采集端的开放性标准接口设计和接入标准规范，基于配置化方式实现两种及两种以上设备互通互联、数据采集，并支持数据设备控制与管理工作；
18.数据层采用统一数据管理，实现多源异构数据集成、存储工作，支持实时计算、动态优化；
19.模型层提供统一开发模式和运行环境支持，以插件的方式支持机理模型、数学模型的混合工作，通过对数据的计算分析，获取生产过程和设备运行的洞察并提供决策支持；
20.数字孪生层通过数字孪生体框架，提供统一的数字孪生体定义和配置体系，包括数字孪生体内部数据结构、孪生体之间的层级关系，实现数字孪生体的一次建模多处复用；
21.应用层提供统一开发、运维环境支持，根据计算所得的洞察与决策，将业务逻辑转换为可执行行动功能。
22.在本发明所述的船舶工业数字孪生体平台化构建方法中，
23.用于登记数字孪生体的描述信息如下；
24.公式一为：
25.dtsr＝[dtc,dts,in,out,qs]
[0026]
其中dtc为数字孪生体服务公共属性，dts为数字孪生体服务专有属性，in为数字孪生体服务输入接口，out为数字孪生体服务输出接口，qs为数字孪生体服务质量；
[0027]
所述数字孪生体服务公共属性，即所有数字孪生体都包含的属性描述，包括服务id、服务提供者id、服务名称、服务提供者名称、服务分类、服务提供者分类、联系方式及版本内容；
[0028]
所述数字孪生体服务专有属性，指数字孪生体服务所特有属性，包括提供船舶轴系轴承振动状态监测数字孪生体；
[0029]
所述数字孪生体服务输入接口，包括数据输入接口、物理接口，提供输入接口定义描述；
[0030]
所述数字孪生体服务输出接口，包括数据输出接口、物理接口等，提供输出接口定义描述；
[0031]
所述数字孪生体服务质量，包括可用性、可访问性、完整性、性能、可靠性和安全性评价。
[0032]
在本发明所述的船舶工业数字孪生体平台化构建方法中
[0033]
所述s5中对数字孪生体需求描述与登记的数字孪生体服务功能进行相似度匹配，包括两项条件，条件一为数字孪生体满足物理实体工作环境需求，条件二为需求与功能相似度满足用户需求；
[0034]
其中条件一为基础条件，条件二为附加条件且条件二的判定取决于用户期望值；
[0035]
所述条件一，数字孪生体满足物理实体工作环境需求，即数字孪生体服务公共属性、数字孪生体服务输入接口、数字孪生体服务输出接口、数字孪生体服务质量满足物理实体实际工作场景；
[0036]
所述条件二，通过对比物理实体对数字孪生体需求描述字符串及数字孪生体服务平台上所登记的数字孪生体服务功能字符串，确定数字孪生体服务平台上可以支撑用户需求的数字孪生体；需求与功能相似度匹配通过计算二者描述文本的相似度来计算，算法如公式二定义；
[0037]
所述公式二为：
[0038][0039]
式中，n为物理实体对数字孪生体需求描述字符串、数字孪生体服务平台上所登记的数字孪生体服务功能字符串中所有分词的个数，ni为物理实体对数字孪生体需求描述字符串中第i个分词的词频，si为数字孪生体服务平台上所登记的数字孪生体服务功能字符串中第i个分词的词频；
[0040]
所述公式二通过余弦相似度计算需求与功能相似度匹配条件二的相似度simnands，用户基于相似度值判断是否符合物理实体实际工程需求。
[0041]
在本发明所述的船舶工业数字孪生体平台化构建方法中，
[0042]
将符合实际工程需求的数字孪生体进行工程应用包括两个维度：时间维度和空间维度；
[0043]
其中时间维度由研发设计、生产制造、运维服务及经营管理构成；空间维度由产品、车间、企业及产业构成。
[0044]
一种船舶工业数字孪生体平台化构建系统，其通过上述任一项所述的船舶工业数字孪生体平台化构建方法实现。
[0045]
有益技术效果：本发明的船舶工业数字孪生体平台化构建方法及系统相对于现有技术，能够实现：通过平台化构建方法，一方面实现对孪生体的管理与服务提供，另一方面由船舶工业数字孪生体平台提供船舶工业数字孪生体构建的共性支撑，降低数字孪生体开发的难度。
附图说明
[0046]
图1是本发明第一实施例提供的船舶工业数字孪生体平台化构建方法流程图。
[0047]
图2是本发明第二实施例提供的船舶工业数字孪生体平台化构建方法流程图。
[0048]
图3是本发明实施提供的船舶工业数字孪生体平台原理及数字孪生体应用场景示意图。
具体实施方式
[0049]
如图1、图3所示，在本发明实施例中，一种船舶工业数字孪生体平台化构建方法，包括如下步骤：
[0050]
s1、构建数字孪生体服务平台201，实现对船舶工业的数字孪生体构建所需的硬件、软件支撑技术进行虚拟化、服务化封装处理。
[0051]
s2、在数字孪生体服务平台201发布符合船舶工业实际工程应用的要求的数字孪
生体。
[0052]
s3、对数字孪生体服务平台201上发布的数字孪生体进行服务功能登记。
[0053]
s4、获取物理实体对数字孪生体需求描述，所述需求描述为用户根据物理实体所处工作环境，需要数字孪生体提供的功能，包括状态监测、寿命预测、信息融合功能需求。
[0054]
s5、对数字孪生体需求描述与登记的数字孪生体服务功能进行相似度匹配，在匹配时跳转到步骤s6；
[0055]
s6、对于用户选择匹配的数字孪生体进行针对物理实体实际工作环境下的适应性修正，并跳转到步骤s7。
[0056]
s7、对确定的数字孪生体进行功能验证，判断是否满足实际工程应用需求，在符合需求时跳转到步骤s8。这里的需求与步骤s2中的要求不同，这里的需求更为具体。
[0057]
s8、将符合实际工程需求的数字孪生体进行工程应用，为物理实体提供时域上的回溯、趋势上的预测、信息的融合功能服务。此处的工程应用指船舶工业实际工程应用。
[0058]
优选地，
[0059]
所述步骤s5还包括，在不匹配时跳转到步骤s9，所述步骤s9包括：通过基于数字孪生体服务平台201进行数字孪生体定制化开发，采用数字孪生体服务平台201所封装的共性技术，实现数字孪生体的构建，并跳转到步骤s7。
[0060]
优选地，
[0061]
所述数字孪生体服务平台201，包括边缘层206、数据层205、模型层204、数字孪生层203和应用层202；
[0062]
其中边缘层206提供面向边缘数据采集端的开放性标准接口设计和接入标准规范，基于配置化方式实现两种及两种以上设备互通互联、数据采集，并支持数据设备控制与管理工作；
[0063]
数据层205采用统一数据管理，实现多源异构数据集成、存储工作，支持实时计算、动态优化；
[0064]
模型层204提供统一开发模式和运行环境支持，以插件的方式支持机理模型、数学模型的混合工作，通过对数据的计算分析，获取生产过程和设备运行的洞察并提供决策支持；
[0065]
数字孪生层203通过数字孪生体框架，提供统一的数字孪生体定义和配置体系，包括数字孪生体内部数据结构、孪生体之间的层级关系，实现数字孪生体的一次建模多处复用；
[0066]
应用层202提供统一开发、运维环境支持，根据计算所得的洞察与决策，将业务逻辑转换为可执行行动功能。
[0067]
优选地，
[0068]
用于登记数字孪生体的描述信息如下；
[0069]
公式一为：
[0070]
dtsr＝[dtc,dts,in,out,qs]
[0071]
其中dtc为数字孪生体服务公共属性，dts为数字孪生体服务专有属性，in为数字孪生体服务输入接口，out为数字孪生体服务输出接口，qs为数字孪生体服务质量；
[0072]
所述数字孪生体服务公共属性，即所有数字孪生体都包含的属性描述，包括服务
id、服务提供者id、服务名称、服务提供者名称、服务分类、服务提供者分类、联系方式及版本内容；
[0073]
所述数字孪生体服务专有属性，指数字孪生体服务所特有属性，包括提供船舶轴系轴承振动状态监测数字孪生体；
[0074]
所述数字孪生体服务输入接口，包括数据输入接口、物理接口，提供输入接口定义描述；
[0075]
所述数字孪生体服务输出接口，包括数据输出接口、物理接口等，提供输出接口定义描述；
[0076]
所述数字孪生体服务质量，包括可用性、可访问性、完整性、性能、可靠性和安全性评价。
[0077]
优选地，所述s5中对数字孪生体需求描述与登记的数字孪生体服务功能进行相似度匹配，包括两项条件，条件一为数字孪生体满足物理实体工作环境需求，条件二为需求与功能相似度满足用户需求；
[0078]
其中条件一为基础条件，条件二为附加条件且条件二的判定取决于用户期望值；
[0079]
所述条件一，数字孪生体满足物理实体工作环境需求，即数字孪生体服务公共属性、数字孪生体服务输入接口、数字孪生体服务输出接口、数字孪生体服务质量满足物理实体实际工作场景；
[0080]
所述条件二，通过对比物理实体对数字孪生体需求描述字符串及数字孪生体服务平台201上所登记的数字孪生体服务功能字符串，确定数字孪生体服务平台201上可以支撑用户需求的数字孪生体；需求与功能相似度匹配通过计算二者描述文本的相似度来计算，算法如公式二定义；
[0081]
所述公式二为：
[0082][0083]
式中，n为物理实体对数字孪生体需求描述字符串、数字孪生体服务平台201上所登记的数字孪生体服务功能字符串中所有分词的个数，ni为物理实体对数字孪生体需求描述字符串中第i个分词的词频，si为数字孪生体服务平台201上所登记的数字孪生体服务功能字符串中第i个分词的词频；
[0084]
所述公式二通过余弦相似度计算需求与功能相似度匹配条件二的相似度simnands，用户基于相似度值判断是否符合物理实体实际工程需求。
[0085]
优选地，
[0086]
将符合实际工程需求的数字孪生体进行工程应用包括两个维度：时间维度和空间维度；
[0087]
其中时间维度由研发设计、生产制造、运维服务及经营管理构成；空间维度由产品、车间、企业及产业构成。
[0088]
本发明实施例还提供一种船舶工业数字孪生体平台化构建系统，其通过上述任一项所述的船舶工业数字孪生体平台化构建方法实现。
[0089]
有益技术效果：本发明的船舶工业数字孪生体平台化构建方法及系统相对于现有技术，能够实现：通过平台化构建方法，一方面实现对孪生体的管理与服务提供，另一方面由船舶工业数字孪生体平台提供船舶工业数字孪生体构建的共性支撑，降低数字孪生体开发的难度。
[0090]
以下通过一个更为具体的实施例来对本发明的原理进行解释，如图2、图3所示，本发明提供船舶工业数字孪生体平台化，通过平台化构建方法，一方面实现对孪生体的管理与服务提供，另一方面由船舶工业数字孪生体平台提供船舶工业数字孪生体构建的共性支撑，降低数字孪生体开发的难度。
[0091]
船舶工业数字孪生体平台化构建方法流程如下：
[0092]
步骤101，数字孪生体服务平台201构建，通过构建数字孪生体服务平台201，实现对船舶工业数字孪生体构建所需的硬件、软件支撑技术的虚拟化、服务化封装处理，为船舶工业数字孪生体平台化构建方法奠定基础。
[0093]
步骤102，数字孪生体发布于服务平台，对于符合船舶工业实际工程应用的要求的数字孪生体，在数字孪生体服务平台201上进行发布，以提供孪生体服务。
[0094]
步骤103，数字孪生体服务功能登记，对于数字孪生体服务平台201上发布的数字孪生体进行功能登记，根据平台对数字孪生体的功能登记信息，实现数字孪生体的检索，供平台用户根据数字孪生体功能判断是否选用该数字孪生体完成物理实体的技术支持。
[0095]
步骤104，物理实体对数字孪生体需求描述，用户根据物理实体所处工作环境，描述用户所需要数字孪生体提供的功能，如状态监测、寿命预测、信息融合等功能需求。
[0096]
步骤105，需求与功能相似度匹配，通过对比物理实体对数字孪生体需求描述及该平台上所登记的数字孪生体服务功能，确定平台上可以支撑用户需求的数字孪生体。
[0097]
步骤106，数字孪生体适应性修正，对于用户选择的数字孪生体进行针对物理实体实际工作环境下的适应性修正，以提高数字孪生体的匹配性与精度。在本步骤中，适应性修正是指，用户选择数字孪生体之后，需要用户根据其目标使用场景进行调整，调整的方式为：用户可以通过设置边界调节、具体参数等实现。
[0098]
步骤107，基于数字孪生体服务平台201进行数字孪生体定制化开发，如果数字孪生体服务平台201上所发布的数字孪生体不满足用户现有需求，可以通过基于数字孪生体服务平台201进行数字孪生体定制化开发，采用数字孪生体服务平台201所封装的共性技术，可以实现数字孪生体的快速构建。
[0099]
步骤108，数字孪生体功能验证，对于用户确定的数字孪生体进行功能验证，判断是否满足需求。
[0100]
步骤109，符合需求的数字孪生体，获得符合实际工程应用需求的数字孪生体。
[0101]
步骤110，数字孪生体应用208，将符合实际工程需求的数字孪生体进行工程应用，为物理实体提供时域上的回溯、趋势上的预测、信息的融合等功能服务。
[0102]
如图3所示，所述数字孪生体服务平台201，包括边缘层206、数据层205、模型层204、数字孪生层203和应用层202。其中边缘层206提供面向边缘数据采集端的开放性标准接口设计和接入标准规范，基于配置化方式实现多种设备互通互联、数据采集，并支持数据设备控制与管理等工作。数据层205采用统一数据管理，实现多源异构数据集成、存储工作，支持实时计算、动态优化。模型层204提供统一开发模式和运行环境支持，以插件的方式支
持机理模型、数学模型的混合工作，通过对数据的计算分析，获取生产过程和设备运行的洞察并提供决策支持。数字孪生层203通过数字孪生体框架，提供统一的数字孪生体定义和配置体系，包括数字孪生体内部数据结构、孪生体之间的层级关系，实现孪生体的一次建模多处复用。应用层202提供统一开发、运维环境支持，根据计算所得的洞察与决策，将业务逻辑转换为可执行行动等功能。
[0103]
所述数字孪生体服务功能登记，用以登记数字孪生体的描述信息，其内容如公式一定义。
[0104]
所述公式一为：
[0105]
dtsr＝[dtc,dts,in,out,qs]
[0106]
其中，dtc为数字孪生体服务公共属性；dts为数字孪生体服务专有属性；in为数字孪生体服务输入接口；out为数字孪生体服务输出接口；qs为数字孪生体服务质量。
[0107]
所述数字孪生体服务公共属性，即所有数字孪生体都包含的属性描述。如服务id、服务提供者id、服务名称、服务提供者名称、服务分类、服务提供者分类、联系方式及版本等内容。
[0108]
所述数字孪生体服务专有属性，指数字孪生体服务所特有属性，如提供船舶轴系轴承振动状态监测数字孪生体。
[0109]
所述数字孪生体服务输入接口，包括数据输入接口、物理接口等，提供详细的输入接口定义描述。其中数据类型大多采用常见数据类型，如整数型、字符串类型和日期型等。
[0110]
所述数字孪生体服务输出接口，包括数据输出接口、物理接口等，提供详细的输出接口定义描述。其中数据类型大多采用常见数据类型，如整数型、字符串类型和日期型等。
[0111]
所述数字孪生体服务质量，包括可用性、可访问性、完整性、性能、可靠性和安全性等重要评价。
[0112]
所述需求与功能相似度匹配，包括两项条件，条件一为数字孪生体满足物理实体工作环境需求，条件二为需求与功能相似度满足用户需求。其中条件一为基础条件，条件二为附加条件且条件二的判定取决于用户期望值。
[0113]
所述条件一，数字孪生体满足物理实体工作环境需求，即数字孪生体服务公共属性、数字孪生体服务输入接口、数字孪生体服务输出接口、数字孪生体服务质量满足物理实体实际工作场景，由相关参数判定。
[0114]
所述条件二，通过对比物理实体对数字孪生体需求描述字符串及该平台上所登记的数字孪生体服务功能字符串，确定平台上可以支撑用户需求的数字孪生体。需求与功能相似度匹配通过计算二者描述文本的相似度来计算，算法如公式二定义。
[0115]
所述公式二为：
[0116][0117]
式中，n为物理实体对数字孪生体需求描述字符串、平台上所登记的数字孪生体服务功能字符串中所有分词的个数，ni为物理实体对数字孪生体需求描述字符串中第i个分词的词频，si为平台上所登记的数字孪生体服务功能字符串中第i个分词的词频。
[0118]
所述公式二通过余弦相似度计算需求与功能相似度匹配条件二的相似度simnands，用户基于相似度值判断是否符合物理实体实际工程需求。相似度越高，说明该数字孪生体越有可能符合物理实体工作需求。用户根据个人期望值判断当前相似度是否满足要求。
[0119]
所述数字孪生体应用208，其在船舶工业应用场景支持包括：时间维度和空间维度。其中时间维度由研发设计213、生产制造214、运维服务215及经营管理216构成；空间维度由产品212、车间211、企业210及产业209构成。
[0120]
基于本发明船舶工业数字孪生体平台化构建方法，设计并开发相应的平台系统即可实现船舶工业数字孪生体平台化构建方法。
[0121]
以上，包括本发明船舶工业数字孪生体平台化构建方法但不局限于具体实现实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。