一种数字孪生模型一致性保持系统及方法

1.本发明属于电子工程和计算机科学领域，具体涉及一种数字孪生模型一致性保持系统及方法。


背景技术：

2.基于实时数据驱动的数字孪生模型能够描述物理实体的状态和特征。而数字孪生模型描述的特征与物理实体的特征在模型动态运行过程中保持一致是性是数字孪生模型实施的核心关键。目前对于数字孪生模型一致性问题的探讨主要围绕数字孪生模型一致性的判定方法(专利申请号201910920573.9)和机电物理模型的一致性保持方法(专利申请号201910099067.8)，但是这些方法存在明显不足，未能考虑物理实体的结构变化和参数变化两方面情况。为此，本发明公开了一种数字孪生模型一致性保持系统及方法，通过对数字孪生模型的一致性检验、动态演化和一致性验证，在一定程度上实现保持数字孪生模型动态运行过程中的一致性。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种数字孪生模型一致性保持系统及方法，适用于具有多维度特征的数字孪生模型，特别是复杂装备的数字孪生模型，使得当物理实体实际工作时可以通过数字孪生一致性保持方法实现模型高精度运行，以用于后续对物理实体的控制、预测、优化。
4.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
5.本发明的一种数字孪生模型一致性保持系统，包括：一致性判定模块、演化模块、一致性验证模块；
6.一致性判定模块，针对某一物理实体，确定该物理实体的数字孪生模型的一致性阈值，所述一致性阈值保证数字孪生模型的仿真满足基本要求；将物理实体的数据和数字孪生模型仿真结果的差值作为数字孪生模型偏差值，将所述数字孪生模型偏差值与数字孪生模型的一致性阈值进行对比，如果所述数字孪生模型偏差值低于所述数字孪生模型的一致性阈值，则数字孪生模型符合数字孪生模型的一致性要求，得到数字孪生模型一致性判定结果；否则不符合数字孪生模型的一致性要求，则需要送至演化模块，进行数字孪生模型演化；
7.演化模块，根据所述物理实体的数字孪生模型的结构，将数字孪生模型偏差划分为结构偏差和参数偏差两种类型；根据一致性判定模块中的数字孪生模型一致性判定结果及数字孪生模型结构，确定数字孪生模型的偏差类型；如果数字孪生模型的偏差类型为结构偏差，则采取结构演化方法，得到结构演化后的数字孪生模型；如果数字孪生模型的偏差类型为参数偏差，则采取参数演化方法，得到参数演化后的数字孪生模型；
8.一致性验证模块，判断演化后的数字孪生模型的参数是否符合数字孪生模型的结构要求，如果不符合要求，则重新进行数字孪生模型演化，即重复演化模块；读取演化后的
数字孪生模型仿真结果与物理实体的数据，将两者差值作为数字孪生模型的准确度；将数字孪生模型的准确度与所述一致性阈值进行对比，如果数字孪生模型的准确度低于所述一致性阈值，则演化后的数字孪生模型符合一致性要求，如果数字孪生模型的准确度高于所述的一致性阈值，则不符合一致性要求，需要重新演化，即重复演化模块的内容，最终得到数字孪生模型一致性验证结果。
9.所述演化模块中，结构演化方法实现包括如下步骤：
10.①
针对某一物理实体，该物理实体由不同的组件组成，该物理实体的数字孪生模型由组件模型构成，组件模型描述物理实体的组件；物理实体的组件由功能模块组成，组件模型由功能模块模型组成，功能模块模型描述物理实体的组件的功能；数字孪生模型、组件模型及功能模块模型均存储于数字孪生模型库中；
11.②
确定物理实体的结构变化情况，结构变化分为外部结构变化和内部结构变化两种类型；外部结构变化包括组件的增添和删减，内部结构变化包括功能模块的增添和删减；
12.③
获取物理实体的数据，判断从物理实体获取的数据所属的组件是否发生变化，如果发生变化，则属于外部结构变化，进行步骤
④
的演化方法，如果从物理实体获取的数据所属的组件未发生变化，而数据所属的功能模块发生变化，则属于内部结构变化，进行步骤
⑤
的演化方法；
13.④
针对从物理实体获取的数据所属的组件增加情况，需在数字孪生模型库中匹配新增的组件模型，并增加组件模型的i/o接口，得到结构演化后的数字孪生模型；针对从物理实体获取的数据所属的组件删减情况，需删减相应数字孪生模型及i/o接口，得到结构演化后的数字孪生模型；物理实体的组件由功能模块组成，组件变化会导致功能模块变化，因此，数字孪生模型在外部结构演化后，需进行内部结构演化，即执行步骤
⑤
；
14.⑤
针对从物理实体获取的数据所属的功能模块增加情况，增添组件模型及功能模块模型间的关联关系，得到参数演化后的数字孪生模型；针对从物理实体获取的数据所属的功能模块删减情况，需删减组件模型及功能模块模型间的关联关系，得到参数演化后的数字孪生模型。
15.所述演化模块中，参数演化方法包括如下步骤：
16.①
根据数字孪生模型的参数敏感性确定数字孪生模型特征参数，将构建数字孪生模型所需数据的存储到数字孪生模型构建数据集中，通过确定物理实体的数据特征与数据集特征的相似度，判断演化策略，判断方法为：如果相似度高，则表示当前物理实体未产生新的状态，进行步骤
②
的演化方法；反之，如果相似度低，则表示当前物理实体产生新的状态，进行步骤
③
的演化方法；
17.②
获取物理实体的数据，选择样本数据并进行数据预处理，用以去除错误/冗余数据，随后将处理后的数据补充到数据集中，根据更新后的数据集更新数字孪生模型参数，得到参数演化后的数字孪生模型；
18.③
获取物理实体的数据，选择样本数据并进行数据预处理，将样本数据与数据集的数据进行相似度判定，选择并去除数据集中相似度最低的数据，最后将样本数据补充到数据集中，根据更新后的数据集更新数字孪生模型参数，得到参数演化后的数字孪生模型；
19.本发明的一种数字孪生模型一致性保持方法，包括如下步骤：
20.步骤1、进行一致性判定，具体实现如下：
21.①
针对某一物理实体，确定数字孪生模型的一致性阈值，所述一致性阈值需能保证数字孪生模型的仿真满足基本要求，该一致性阈值需根据仿真需求确定；
22.②
读取物理实体的数据和数字孪生模型仿真结果，将两者差值作为数字孪生模型偏差值；
23.③
将数字孪生模型偏差值与数字孪生模型的一致性阈值进行对比，如果数字孪生模型偏差值低于数字孪生模型的一致性阈值，则数字孪生模型符合数字孪生模型的一致性要求，否则不符合数字孪生模型的一致性要求，需要进一步演化，从而得到数字孪生模型一致性判定结果；
24.步骤2、进行演化，具体实现如下：
25.①
根据数字孪生模型的结构，将模型偏差划分为模型结构偏差和模型参数偏差两种类型；
26.②
根据步骤1中的数字孪生模型一致性判定结果及数字孪生模型结构，确定数字孪生模型的偏差类型；
27.③
如果偏差类型为模型结构偏差，则采取模型结构演化方法；如果偏差类型为模型参数偏差，则采取模型参数演化方法，从而得到模型演化后的数字孪生模型；
28.步骤3、进行一致性验证，具体实现如下：
29.①
基于步骤2得到的模型演化后的数字孪生模型，判断其参数是否符合数字孪生模型的结构要求，如果不符合结构要求，则需重新进行数字孪生模型演化，即重复步骤2；
30.②
读取模型演化后的数字孪生模型仿真结果与物理实体数据，将两者差值作为数字孪生模型准确度；
31.③
将数字孪生模型准确度与步骤1中的数字孪生模型的一致性阈值进行对比，如果数字孪生模型准确度低于数字孪生模型的一致性阈值，则模型演化后的数字孪生模型符合数字孪生模型的一致性要求，如果数字孪生模型准确度高于数字孪生模型的一致性阈值，则不符合数字孪生模型的一致性要求，需要重新演化，即重复步骤2，从而得到数字孪生模型一致性验证结果。
32.所述步骤2中，模型结构偏差采用模型结构演化方法实现，具体的演化方法包括如下步骤：
33.①
针对某一物理实体，该物理实体由不同的组件组成，该物理实体的数字孪生模型由组件模型构成，组件模型需描述物理实体的组件；物理实体的组件由功能模块组成，组件模型由功能模块模型组成，功能模块模型需描述物理实体的组件的功能；数字孪生模型、组件模型及功能模块模型均需存储于数字孪生模型库中；
34.②
确定物理实体的结构变化情况，结构变化分为外部结构变化和内部结构变化两种类型；外部结构变化包括组件的增添和删减，内部结构变化包括功能模块的增添和删减；
35.③
获取物理实体的数据，判断数据所属的组件是否发生变化，如发生变化，则属于外部结构变化，演化方法为步骤
④
，如数据所属的组件未发生变化，而数据所属的功能模块发生变化，则属于内部结构变化，演化方法为步骤
⑤
；
36.④
针对数据所属的组件增加情况，需在数字孪生模型库中匹配新增的组件模型，并增加组件模型的i/o接口；针对数据所属的组件删减情况，需删减相应数字孪生模型及i/o接口；物理实体的组件由功能模块组成，组件变化会导致功能模块变化，因此，数字孪生模
型在外部结构演化后，需进行内部结构演化，即执行步骤
⑤
；
37.⑤
针对数据所属的功能模块增加情况，需增添组件模型及功能模块模型间的关联关系；针对数据所属的功能模块删减情况，需删减组件模型及功能模块模型间的关联关系；
38.所述步骤2中，模型参数偏差采用模型参数演化方法，模型参数演化方法包括如下步骤：
39.根据数字孪生模型的参数敏感性确定模型特征参数，通过确定物理实体的数据特征与模型数据集中数据特征的相似度，判断模型演化策略，判断方法为：如果相似度高，则表示当前物理实体未产生新的状态，此时采用样本替换策略；反之，如果相似度低，则表示当前物理实体产生新的状态，此时采用样本追加策略；根据获取的物理实体的数据更新模型数据集，从而更新数字孪生模型参数，得到更新的数字孪生模型；
40.所述模型数据集为构建数字孪生模型所需数据的集合；
41.所述样本追加策略：获取物理实体的数据，选择样本数据并进行数据预处理，用以去除错误/冗余数据，随后将处理后的数据补充到模型数据集中；
42.所述样本替换策略：获取物理实体的数据，选择样本数据并进行数据预处理，将样本数据与模型数据集的数据进行相似度判定，选择并去除模型数据集中相似度最低的数据，最后将样本数据补充到模型数据集中。
43.本发明适用于不同维度数字孪生模型，包括物理模型、行为模型和规则模型。
44.本发明与现有技术相比的优点在于：通过将数字孪生模型偏差原因划分为模型结构和模型参数，选择相应的模型演化方法实现数字孪生模型的更新。通过数字孪生模型的一致性判定、动态演化、一致性验证等步骤的多次迭代，保持数字孪生模型运行过程中与物理实体特征的一致性，使得当物理实体实际工作时可以通过数字孪生一致性保持方法实现模型高精度运行，以用于后续对物理实体的控制、预测、优化。
45.本发明包含动态数据驱动的数字孪生模型一致性判定，实现数字孪生模型动态运行过程中模型一致性的评估；分析模型偏差原因，选取演化方法对模型参数和模型结构进行动态演化，实现数字孪生模型的动态更新；对比模型演化后的数字孪生模型仿真结果与物理实体的数据，实现模型一致性验证。基于一致性判定、模型演化和一致性验证的迭代循环，最终实现数字孪生模型动态运行过程中的一致性，为数字孪生模型的应用提供技术支撑。本发明能够在一定程度上解决数字孪生模型因物理实体结构或参数变化导致动态运行不精准的问题，使得当物理实体实际工作时数字孪生模型具备一致性保持的能力，以用于后续对物理实体的控制、预测、优化。
附图说明
46.图1为本发明的一种数字孪生模型一致性保持系统结构框图；
47.图2为本发明的数字孪生模型结构演化方法流程框图；
48.图3为本发明的数字孪生模型参数演化方法流程框图。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于
本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
50.数据驱动的数字孪生模型动态运行是数字孪生的关键特性，因此保持数字孪生模型在运行过程中与物理实体的特征一致是数字孪生落地应用的核心关键。本发明的实施例中，数字孪生模型具备物理、行为、规则多维度特征，数字孪生模型的一致性需涵盖模型各维度特征。为此，根据本发明的实施例，提出一种数字孪生模型一致性保持方法，该方法适用于具有多维度特征的数字孪生模型。包含动态数据驱动的数字孪生模型一致性判定，实现数字孪生模型动态运行过程中模型准确性的评估；分析模型偏差原因，选取演化方法对模型参数和模型结构进行动态演化，实现模型参数的动态更新；对比模型演化后的数字孪生模型仿真结果与物理实体的数据，实现模型一致性验证。基于一致性判定、模型演化、一致性验证的迭代循环过程，最终实现数字孪生模型动态运行过程中的一致性，解决数字孪生模型因物理实体结构或参数变化导致动态运行不精准的问题，使得当物理实体实际工作时数字孪生模型具备一致性保持的能力，以用于后续对物理实体的控制、预测、优化。
51.本发明的总体框图如图1所示，本发明的一种数字孪生模型一致性保持系统，包括：一致性判定模块1、演化模块2、一致性验证模块3；
52.模型结构演化方法的流程框图如图2所示，模型参数演化方法的流程框图如图3所示，具体实施方式如下：
53.(1)针对某一物理实体，读取物理实体的数据和数字孪生模型仿真结果，将两者差值作为模型偏差值，与数字孪生模型的一致性阈值进行对比，实现数字孪生模型一致性的判定。具体实施流程如下：
54.①
针对某一物理实体，确定数字孪生模型的一致性阈值，所述一致性阈值需能保证数字孪生模型的仿真满足基本要求，该一致性阈值需根据仿真需求确定；
55.②
读取物理实体的数据和数字孪生模型仿真结果，将两者差值作为数字孪生模型偏差值；
56.③
将数字孪生模型偏差值与数字孪生模型的一致性阈值进行对比，如果数字孪生模型偏差值低于数字孪生模型的一致性阈值，则数字孪生模型符合数字孪生模型的一致性要求，否则不符合数字孪生模型的一致性要求，需要进一步演化，所述演化方法见步骤(2)，从而得到数字孪生模型一致性判定结果；
57.(2)根据数字孪生模型的结构，将模型偏差划分为模型结构偏差和模型参数偏差两种类型，根据步骤(1)中的数字孪生模型一致性判定结果及数字孪生模型结构，确定数字孪生模型的偏差类型，如果偏差类型为模型结构偏差，则采取模型结构演化方法；如果偏差类型为模型参数偏差，则采取模型参数演化方法，从而得到模型演化后的数字孪生模型。
58.如图2所示，模型结构演化方法的具体实施流程如下：
59.①
针对某一物理实体，该物理实体由不同的组件组成，因此，该物理实体的数字孪生模型由组件模型构成，组件模型需描述物理实体的组件；物理实体的组件由功能模块组成，因此，组件模型由功能模块模型组成，功能模块模型需描述物理实体的组件的功能；数字孪生模型、组件模型及功能模块模型均需存储于数字孪生模型库中；
60.②
确定物理实体的结构变化情况，结构变化分为外部结构变化和内部结构变化两种类型；外部结构变化包括组件的增添和删减，内部结构变化包括功能模块的增添和删减；
61.③
获取物理实体的数据，判断数据所属的组件是否发生变化，如发生变化，则属于外部结构变化，演化方法为步骤
④
，如数据所属的组件未发生变化，而数据所属的功能模块发生变化，则属于内部结构变化，演化方法为步骤
⑤
；
62.④
针对数据所属的组件增加情况，需在数字孪生模型库中匹配新增的组件模型，并增加组件模型的i/o接口；针对数据所属的组件删减情况，需删减相应数字孪生模型及i/o接口；物理实体的组件由功能模块组成，组件变化会导致功能模块变化，因此，数字孪生模型在外部结构演化后，需进行内部结构演化，即执行步骤
⑤
；
63.⑤
针对数据所属的功能模块增加情况，需增添组件模型及功能模块模型间的关联关系；针对数据所属的功能模块删减情况，需删减组件模型及功能模块模型间的关联关系。
64.如图3所示，模型参数演化方法的具体实施流程如下：
65.根据数字孪生模型的参数敏感性确定模型特征参数，通过确定物理实体的数据特征与模型数据集中数据特征的相似度，判断模型演化策略，判断方法为：如果相似度高，则表示当前物理实体未产生新的状态，此时采用样本替换策略；反之，如果相似度低，则表示当前物理实体产生新的状态，此时采用样本追加策略；根据获取的物理实体的数据更新模型数据集，从而更新数字孪生模型参数，得到更新的数字孪生模型；
66.所述模型数据集为构建数字孪生模型所需数据的集合；
67.所述样本追加策略：获取物理实体的数据，选择样本数据并进行数据预处理，用以去除错误/冗余数据，随后将处理后的数据补充到模型数据集中；
68.所述样本替换策略：获取物理实体的数据，选择样本数据并进行数据预处理，将样本数据与模型数据集的数据进行相似度判定，选择并去除模型数据集中相似度最低的数据，最后将样本数据补充到模型数据集中。
69.(3)模型演化后的数字孪生模型需进行一致性验证。具体实施流程如下：
70.①
基于步骤(2)得到的模型演化后的数字孪生模型，判断其参数是否符合数字孪生模型的结构要求，如果不符合结构要求，则需重新进行数字孪生模型演化，即重复步骤(2)；
71.②
读取模型演化后的数字孪生模型仿真结果与物理实体数据，将两者差值作为数字孪生模型准确度；
72.③
将数字孪生模型准确度与步骤(1)中的数字孪生模型的一致性阈值进行对比，如果数字孪生模型准确度低于数字孪生模型的一致性阈值，则模型演化后的数字孪生模型符合数字孪生模型的一致性要求，如果数字孪生模型准确度高于数字孪生模型的一致性阈值，则不符合数字孪生模型的一致性要求，需要重新演化，即重复步骤(2)，从而得到数字孪生模型一致性验证结果。
73.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
74.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。