一种快速构建航空装备数字孪生的系统和方法

1.本发明属于航空装备运维可视化领域，具体涉及一种快速构建航空装备数字孪生的系统和方法。


背景技术：

2.美国nasa(national aeronautics and space administration)在2010年发布的“建模、仿真、信息技术和过程”路线图中认为数字孪生是：“一个集成多物理场、多尺度的非确定性分析框架，能够联合高精度物理模型、传感器测量数据、飞行历史数据等，镜像相应孪生飞行器的生命历程”。通过数字孪生体，能够实时监测系统状态，动态更新数字模型，提升诊断、评估与预测能力；同时在线优化实际系统的操作、运行与维护，减少结构设计冗余、避免频繁的周期性检修与维护并保证系统的安全性。
3.然而，当前数字孪生体构建面对诸多问题，比如：
4.(1)数字孪生系统由专业人员构建，操作、应用、推广困难；
5.(2)数字孪生系统构建成本高；
6.(3)数字孪生系统构建速度慢；
7.(4)数字孪生系统可视化效果差；
8.(5)数字孪生系统中的数据接入控制复杂。


技术实现要素：

9.为克服传统数字孪生系统构建成本高，速度慢，可视化效果差，数据接入控制复杂，技术人员门槛高的问题，本发明提供一种快速构建航空装备数字孪生的系统和方法，其使用门槛低，复用性、拓展性强，构建孪生系统速度快，可视化效果明晰，方便控制数据接入。通过使用该系统，能够快速高效构建出航空装备数字孪生系统，为航空装备运维保驾护航。
10.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
11.一种快速构建航空装备数字孪生的方法，通过数据接入模块和可视化模块实现；所述数据接入模块用于将可视化需用数据项与外部文件数据项匹配，然后将文件数据导入到所述可视化模块中，做好数据驱动可视化的准备；所述可视化模块具有33个数字孪生基元，通过调用基元和配置数据项，完成装备数字孪生体的搭建。
12.进一步地，所述数据接入模块采用基于xml语言的航空装备数字孪生数据集成技术，对多源异构数据进行集成，以xml语言对孪生数据进行定义；通过指定数据的标签、id、名称和属性，以区分不同类型、不同来源的孪生数据，建立孪生数据和数据源数据之间的映射模型。
13.进一步地，所述的可视化模块通过数字孪生基元实现；对航空装备的物理实体的特定行为、状态进行观察和试验，解析其对应物理规律，并将其行为抽象化从而形成所述数字孪生基元；所述数字孪生基元帮助设计人员对数字孪生体的构建流程进行划分，辅助设
计人员以可视化设计的形式完成面向数据可视化的数字孪生体的构建。
14.进一步地，所述数字孪生基元包括输入、多学科综合算法实现和输出；其中，所述输入包括结构化数据和非结构化数据；所述多学科综合算法包含数学、物理学、计算机图形学，利用所述多学科综合算法对输入数据进行分析计算，得到不同的输出结果；同时支持外部程序的调用；所述输出既输出所述结构化数据和非结构化数据，又输出模型运动、视觉效果、ui界面。
15.进一步地，通过对航空装备数字孪生体功能特性的分析，所述数字孪生基元包括：网络数据基元、数学运算基元、模型运动基元、材质渲染基元、用户界面基元、视角运动基元、功能基元、基础数据基元和物理引擎基元。
16.本发明将低代码可视化设计引入数字孪生体的构建，形成面向数据可视化的数字孪生体开放式构建；将数字孪生基元作为可视化设计中的基本单元，通过对所述基本单元的编辑组合完成面向数据可视化的数字孪生体构建；接入外部数据，从而实现数字孪生体的驱动。
17.进一步地，允许通过交互手段控制数据的抽取和画面的显示；所涉及的数据可视化是指通过图形化手段将数据转换为直观的展现方式，包含静态图像和动态图像两种形式。
18.进一步地，所述数字孪生基元是对物理实体的特定行为、状态进行观察和试验，解析其对应物理规律，并将其行为抽象化定义所得的结果；对于用户来说，对所述数字孪生基元进行简单操作，并配置数据，即可构建数字孪生体。
19.进一步地，将数字孪生体的动态信息预先存放在外数据源中，实现精确地控制数字孪生体的动态变化。
20.有益效果：
21.(1)本发明引入基元的思想，无需代码，接入外部数据驱动，可以高效、低成本、低门槛地构建数字孪生体。
22.(2)本发明全面分析了数字孪生体构建过程中所涉及的物理要素，并开发出不同类型的基元，对精确地建立数字孪生体有着极大的帮助且效果多样。
23.(3)本发明能够接入多源异构的数据项。
附图说明
24.图1为本发明的航空装备数字孪生系统的快速构建方法流程图；
25.图2为xml孪生数据的基本组成示意图；
26.图3为基元工作原理示意图；
27.图4为基元调用示意图；
28.图5战斗机静态可视化模型示意图；
29.图6为部分驱动燃油系统的数据示意图；
30.图7为关联数据源与unity平台中数据项示意图；
31.图8为控制数据接入unity平台示意图；
32.图9为多源异构数据传输系统图；
33.图10为数字孪生体编辑过程示意图；
34.图11a，图11b，图11c为油箱、阀门以及燃油泵的基元配置示意图。图11a为油箱基元配置图，图11b为阀门基元配置图，图11c为燃油泵基元配置图；
35.图12为燃油系统动态可视化模型示意图。
具体实施方式
36.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
37.如图1所示，本发明提供一种快速构建航空装备数字孪生的方法，通过将低代码可视化设计的思想引入数字孪生体构建，提出一种面向数据可视化的数字孪生体开放式构建技术。本发明将数字孪生基元作为可视化设计中的基本单元，通过对基本单元的编辑组合完成面向数据可视化的数字孪生体构建。本发明通过接入外部数据，来实现数字孪生体的驱动。
38.所述的低代码思想为在构建数字孪生体的过程中不需要编辑繁琐的代码，编辑人员不需深刻掌握编程知识，极大地降低了操作人员的技术门槛，同时提高了构建数字孪生体的工作效率。
39.所述的可视化思想允许通过交互手段控制数据的抽取和画面的显示，用于清晰有效地传达与沟通信息的技术，为数据的分析和理解、概念的形成、规律的总结提供了强有力的手段。所涉及的数据可视化技术是指通过图形化手段将数据转换为更直观的展现方式，包含静态和动态图像两种形式。
40.由于基元实质上是对物理实体的特定行为、状态等进行观察和试验，解析其对应物理规律，并将其行为抽象化定义所得的结果。因此对于用户来说，所述的将数字孪生基元作为可视化设计的基础单元只需对基元进行简单的拖拽连接等操作，并配置数据，即可构建数字孪生体，具有低门槛，无代码的特点。
41.所述的接入外部数据来实现数字孪生体的驱动，可将数字孪生体的动态信息预先存放在外数据源，如excel文件中，并与本运行程序连接，实现精确地控制数字孪生体的动态变化。
42.实现本发明的快速构建航空装备数字孪生的方法的系统包括数据接入模块、可视化模块。所述数据接入模块为基于java语言开发的能够独立运行的exe程序，能够完成将可视化需用数据项与外部文件数据项匹配，然后将文件数据导入到可视化模块中，做好数据驱动可视化的准备；可视化模块总共拥有33个可视化基元，通过调用基元和配置数据项，完成装备数字孪生体低门槛、无代码的搭建。
43.数据接入模块采用了基于xml语言的航空装备数字孪生数据集成技术，应能够对历史数据、实时数据、时序数据库等多源异构数据进行集成，能够以xml语言对孪生数据进行定义。为了建立孪生数据和数据源数据之间的映射模型，需要指定数据的标签、id、名称和属性，以区分不同类型、不同来源的孪生数据。孪生数据xml文件的组成规则如下：根元素的标签为《scene》，此标签代表航空装备数字孪生数据应用场景。根元素具有四个属性《name》：名字、《filetype》：文件类型、《time》：生成时间、《version》：版本号。其中，name属性
用于区分不同的航空装备数字孪生数据应用场景，将不同场景的数字孪生数据区分，也作为孪生数据存储的名称。filetype属性用于说明该文件的类型为孪生数据xml，同映射模型xml文件做区分。time属性用于记录孪生数据的修改时间。version属性用于记录孪生数据的版本信息。根元素下有数量不等的子元素《data》，此标签代表数据，同样具有四个属性《tag》：数据标签、《id》：数据id、《defultvalue》：数据默认值、《name》：数据名字。孪生数据中包含数量不等的数据项，通过唯一的id进行数据识别，允许数据通过tag属性进行分组。name属性为数据的名称，用于区分不同数据，不同分组下的name属性可以相同。defultvalue用于数据传输未启动时作为数据初值进行初始化，避免系统运行产生错误。如图2所示，为xml孪生数据的基本组成示意图。
44.所述的可视化模块具体实现如下：
45.针对面向数据可视化的数字孪生体的构建，本发明提出数字孪生基元的概念，即对物理实体的特定行为、状态等进行观察和试验，解析其对应物理规律，并将其行为抽象化定义为数字孪生基元。数字孪生基元能够帮助设计人员对数字孪生体的构建流程进行划分，辅助设计人员以可视化设计的形式完成面向数据可视化的数字孪生体构建。如图3为基元的工作原理图。
46.所述数字孪生基元的组成包括输入、多学科综合算法实现和输出三部分。
①
输入：既包括字符串、二维向量、三维向量、浮点数、整数等结构化数据，又包括几何模型、图片、文本等非结构化数据。同时所述输入应该具有良好的拓展性，支持自定义数据类型。
②
多学科综合算法实现：数字孪生是涉及多学科的技术，所述数字孪生基元通过包含数学、物理学、计算机图形学等多学科综合算法对输入数据进行分析计算，得到不同的输出结果。同时支持外部程序的调用，降低代码编写量，有助于数字孪生技术的分工合作实现。
③
输出：既可以输出结构化数据和非结构化数据，又可以输出模型运动、视觉效果、ui界面等。
47.具体地，通过对航空装备数字孪生体功能特性的分析，本发明提供9类，共计33个数字孪生基元：
48.(1)第一类为网络数据基元。本发明根据航空装备数字孪生体运行逻辑进行基元抽象。虚拟实体、物理实体、机理模型之间三者需要进行数据交互，实现数据驱动的数字孪生体。因此将此过程抽象为通过预先指定的id获取数据源中与之对应的数据，即获取数据基元。作用是基于多源异构数据集成技术所建立的映射模型，实现根据id获取数据，输入是数据的id，输出是该数据的值。该基元可以作为其他基元的输入。
49.(2)第二类为数学运算基元。获取数据之后，需要对数据进行相应的数学计算才能获得对应的信息，因此提供数学运算基元组作为对数据的初步处理使用，该基元组包括四则运算基元、三角函数基元、逻辑运算基元等。
50.(3)第三类为模型运动基元。物理实体的运动包括平移、旋转等，虚拟实体需要实现与物理实体保持相同的动作。该基元组包括旋转、位移、闪烁、切换动画等基元。
51.(4)第四类为材质渲染基元。虚拟实体需要对物理实体的重点设备进行监控，对异常情况给予提示，显示设备内部状态。该类基元包括条带流动、改变颜色、流向指向、液面效果、子节点变色等。
52.(5)第五类为用户界面基元。虚拟实体需要展示重要的设备参数和关键的运行参数。该类基元包括告警、进度、弹窗提示、加载代理模型、展示数据、显示ip等基元。
53.(6)第六类为视角运动基元。虚拟实体的运动有时需要在不同的视角下观测，该类基元包括广义视角、第三人称相机。
54.(7)第七类为功能基元。包括加载组件、改变运动状态与轨迹线。加载组件基元的作用是为模型添加数据集或用于渲染的组件，输入是数据集和组件的完整名称，输出是自动为模型加载组件。状态切换基元的作用是切换对象执行的基元组合状态，输入是需要切换的状态的id，输出是对象执行的基元组合状态变更。
55.(8)第八类为基础数据基元。提供三维向量作为基础数据。输入是向量三维方向上的值，可以是随时间变化的数值，也可以是固定值，输出是三维向量形式的变量。该基元可以作为平移运动基元、旋转角度基元、绕轴旋转基元的输入。
56.(9)第九类为物理引擎基元，其为整个数字孪生体的开关。
57.如图4为基元以及调用基元示意图。
58.本发明以某种型号战斗机的燃油系统为例，详细介绍通过使用本发明实现数字孪生体快速构建的方法，具体包括以下步骤：
59.步骤s1：首先，如图5所示，构建数字孪生体需要得到物体实体模型与静态可视化模型。在本例中，物理实体模型为某型号战斗机的外形。为得到其燃油系统的数字孪生体，静态可视化模型包括透明的飞机机身以及内部的油箱、管路、燃油泵等。不同部件用不同颜色加以区分。如图4所示，为战斗机燃油系统静态可视化模型示意图。在后续构建数字孪生体时，需分别对每一个部件建立数字孪生基元配置，以实现不同的动态效果。后续步骤中会详细叙述。
60.步骤s2：燃油系统的油量，燃油运动形式以及飞机的重心等物理参数会随时间改变。需要将驱动数字孪生体的数据整理到外部的本地数据源，如excel文件中。参数的准确性很大程度上决定了数字孪生模型的保真性。如图6所示，为部分驱动燃油系统的物理参数。
61.步骤s3：本发明中的数字孪生体基于unity平台演示，需要将步骤s2所述的外部本地数据源与unity平台相连接，用于将外部数据源中的数据项与unity平台中数字孪生体不同部件一一匹配。当步骤s1所述的战斗机及其燃油系统的静态模型已构建完成，在构建数字孪生体之前，首先应配置数据源中的数据项与unity平台中的不同部件相匹配，保证数据源与可视化模块数据交互的准确性。如图7所示为关联数据源与unity平台中数据项示意图。其中，孪生数据项通过解析孪生数据实例xml文件，将《data》标签下的name属性以列表的形式进行可视化展示；数据源数据项为实时数据、本地数据、influxdb数据库数据经过对应的规则解析后以列表形式进行可视化展示；界面底部为数据映射模型以列表形式进行可视化展示。该界面以按钮的形式提供数据关联关系的添加、删除、保存功能。优选的，本发明利用名为unitymidconfig的程序实现匹配。
62.步骤s4：为保证数字孪生体数据交互的实时性，控制外部数据是否接入unity平台中。优选的，本发明利用名为unitycontroller的程序，用于控制外部数据是否接入unity平台中。在构建数字孪生体之前，首先应在上述程序中添加步骤s2中的所述本地数据源，并进行连接。连接成功后，启动数据输入即可使数字孪生体按照既定数据运动。如图8所示，为控制数据接入unity平台示意图。其中，连接测试用于测试客户端是否连接。选择绘图项按钮用于打开选择绘图项窗口，可以对绘图窗口数量以及每个绘图窗口所绘制的数据进行设
置。启动按钮代表数据传输开始，停止按钮代表停止数据传输。
63.上述步骤s3、s4为所述数据接入模块的配置过程。如图9所示，为多源异构数据传输系统图。所述的unitymidconfig程序对应图中的孪生数据实例解析、数据源数据解析、与数据映射模型建立过程。所述的unitycontroller程序对应图中的数据传输方式集成与数据传输模块。
64.步骤s5：本发明中的可视化模块，即数字孪生体构建模块以插件的形式安装在unity平台当中。通过调用不同数字孪生基元来表达不同的效果。图10为数字孪生体编辑过程示意图。配置数字孪生体时，需要对每一个部件进行不同的数字孪生基元调动。以战斗机为例，需要分别对油箱、燃油泵、阀门等进行数字孪生基元配置。以本机中二号油箱为例，其油箱，阀门以及燃油泵的基元配置如图11a，图11b，图11c所示。图11a为油箱基元配置图，图11b为阀门基元配置图，图11c为燃油泵基元配置图。其中，启动基元为整个基元系统的开关，是外部数据的接口。之后，获取网络数基元可以识别属于二号油箱的数据，并输出；而展示数据基元可以显示实时数据便于用户查看。相乘基元可对之前的数据进行运算处理，输出与数字孪生体大小相匹配的数据。圆形进度基元可以直观地面向用户，显示物理数据的变化进度。液面效果可以假定燃油的颜色，并对液体内部渲染出一层液体层高度，可在数字孪生体中更加直观地显示液面变化。
65.步骤s6：配置好基元后，即可实现物理实体的运动与实时的数字孪生体模型，以及重要的物理参数。优选的，可启动unity平台，可以看到物理实体的运动与实时的数字孪生体模型。
66.通过上述步骤获得该战斗机燃油系统的模型，图12所示为燃油系统动态可视化模型示意图。可以直观地看到各个油箱的燃油量、重心等物理量随时间的变化，以及各油箱中燃油的运动趋势。
67.上述步骤s5、步骤s6即为所述可视化模块实现的内容。
68.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。