机械自动装填系统多源异构数字孪生体集成方法.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：刘文赫(2003)，男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事多体动力学联合仿真方面的研究。-61-机械自动装填系统多源异构数字孪生体集成方法 刘文赫1 贺 琦2 高小科2 张会生1（通讯作者）1.上海交通大学教育部重点实验室，上海 200240 2.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099 摘要：摘要：为解决机械自动装填系统集成设计过程中子系统模型数字孪生体间拓扑结构复杂，数据交互缓慢，联合仿真环境不统一等问题，提出了机械自动装填系统多源异构数字孪生体集成方法，采用基于 GOPPRR(图、对象、点、属性、角色、关系)的本体建模方法，支持以 FMI(Functional Mock-up Interface)2.0 为互联标准的数字孪生体间拓扑关系的准确语义描述。在本体模型中包含执行联合仿真所需要的信息，利用本体模型建立各个子系统的仿真模型，最终建立基于联合仿真算法的统一仿真环境，实现了机械自动装填系统的联合仿真。关键词：关键词：机械自动装填系统；数字孪生；本体模型；联合仿真 中图分类号：中图分类号：TP2 0 引言 在一个复杂的工程系统中，不同的子系统之间存在多种相互作用1。机械自动装填系统作为一个复杂的工程系统，其集成设计涉及多领域、多学科和多目标。由于复杂的子部件仿真模型、多源数据和异构仿真接口，导致系统仿真模型的集成费时费力。此外，不同子系统模型建立在不同的软件上，如 Recurdyn 软件的多体动力学模型、Simulink 软件的控制模型等，需要建立不同软件工具之间的数据接口，造成设计效率低下。为了解决复杂工程系统中的集成困难和联合仿真环境不统一的问题，研究人员提出了基于物理实体的数字孪生体(Digital Twin，DT)技术2。该技术利用开源标准，采用功能模型接口(FMI)来实现系统的联合仿真。FMI 提供了一个标准化的规范，用于集成仿真模型、工具和求解器。通过将模型压缩为包含所有必需的模型方程和对象库或动态链接库的功能模型单元(FMU)，不同领域的模型可以进行耦合。多学科的模型可以在FMI标准下集成,但为了解决数字孪生体在联合仿真中的拓扑结构复杂性和结果可靠性的问题，研究人员采用语义技术来描述数字孪生体的拓扑结构，并支持联合仿真。本体是一种常用的语义技术，用于形式化表达联合仿真知识。Li 等3提出了一种采用本体来描述自动驾驶车辆环境的方法，并将其转换为在仿真环境中使用的测试用例。Wei 等4设计了一种从 web 资源中半自动构建领域专业本体的方法，通过人机交互建立数据库与本体之间的模式映射。孔令龙等5提出了一种基于语义网规则语言的机器人分类服务推理方法，利用本体技术建立智能家庭的本体模型，提高了机器人服务的智能性。叶霞等6提出了一种基于 SOA 和本体的多源异构数据集成架构，利用本体在语义描述的形式化表达方式，实现了数据的有效集成。艾科勇等7提出一种基于本体和信号分析的汽轮发电机组故障诊断方法，结果表明该方法实现了全面、准确地诊断故障。这些研究以本体为知识表达方法，通过建立词汇和关系来描述联合仿真知识。然而以往的研究表明，仍有一些问题需要解决。(1)联合仿真环境不统一。本体在系统信息管理中的有效性已经得到了研究人员的验证。然而，本体中的信息很少被用来自动执行联合仿真场景。此外，联合仿真工具的多样化也阻碍了统一仿真环境的构建。(2)本体建模方法不统一。多种本体建模方法已经用于复杂工程系统的联合仿真阶段，但本体模型缺乏规律性，难以重用。为了解决以上问题，本文以机械自动装填系统为对象，提出了结合本体和 FMI 的多领域仿真模型集成方法，利用本体语言描述机械自动装填系统子系统的属性和关系，应用 FMI 标准从不同仿真工具中导出子系统的模型文件并封装为 FMU 文件，编码生成 C 代码来支持模型的集成和仿真，最终调用 FMU 文件来整合联合仿真场景，子系统的数字孪生体在统一的联合仿真环境中运行，得到联合仿真结果。中国科技期刊数据库 工业 A 1 支持联合仿真的数字孪生体 1.1 数字孪生体的定义 数字孪生体指基于物理实体的数字化表示，它是通过整合传感器数据、模型和实时分析来实时模拟和监测实体的行为和性能的虚拟模型。数字孪生体作为构建网络物理空间(CPS)必不可少的支撑技术之一，已在航空航天8、智能制造9、物联网10等多个领域得到应用。传统的数字孪生体之间的拓扑结构复杂，本体语义技术可以帮助识别复杂工程系统中子系统的拓扑结构。结合本体的数字孪生体如图 1 所示。图 1 结合本体的数字孪生体 本体中包含了设计信息、生命信息、架构信息和参数信息，利用这四种信息形成支持联合仿真的知识，验证联合仿真结果的正确性。1.2 联合仿真的数字孪生体集成方法 图 2 数字孪生体集成方法 数字孪生体集成方法分为三个部分：统一本体建模、联合仿真和仿真结果，如图 2 所示。本体模型包含上述的设计信息、生命信息、架构信息和生命信息。由于信息的复杂性和多样性，本体按照类、对象属性和数据属性对信息进行集成。为了表示数字孪生体之间的拓扑关系，提出一种本体建模方法：GOPPRR(Graph,Object,Port,Property,Relationship,Role)来形式化联合仿真过程中的本体建模过程。然后采用GOPPRR 建模方法建立本体模型。利用本体模型形成联合仿真过程中所需的知识，以支持数字孪生体的自动集成。2 构建数字孪生体的本体设计与联合仿真 2.1 统一本体建模 多种本体建模方法已经用于构建数字孪生体，但本体模型缺乏规律性，难以重用。因此，需要提出一个正式、清晰和详细描述本体的概念。建立的本体要使得研究人员能够方便高效的识别数字孪生体的信息结构。因此，基于GOPPRR方法建立了本体模型的对象、对象属性和数据属性，复杂系统的本体建模是通过图、对象、点、属性、角色和关系这六个基本元素实现的。GOPPRR 中各个元素间的关系如图 3 所示。图 3 GOPPRR 中各个元素间的关系 图包括其他五个元素，对象 1 通过点和关系连接对象 2，来自不同点的角色连接在一起。所有的子系统都建立在图、对象、属性、点、角色、关系六个元素下，构建了一个统一的联合仿真框架。OWL 是 W3C 开发的用于本体语义描述的语言。在GOPPRR 方法的基础上，应用 OWL 设计了一个完整的本体。在本体中引入 GOPPRR 概念来描述联合仿真场景。首先，通过定义类和类属性对复杂工程系统本体进行形式化描述，GOPPRR 的概念被转换成 OWL 中的类。其次，在类之间定义属性，GOPPRR 概念之间的关系被定义为对象属性。最后，子类被分组以形成联合仿真场景。通过这种方式，GOPPRR 为数字孪生体的本体创建提供了一个标准的过程和规范，实现了数字孪生体功能的扩展。基于GOPPRR的本体表达方法支持数字孪生体版本管理中模型信息的交互和统一表达。所有的数字孪生体都通过 FMI 标准转换为 FMU。因此，支持 FMU 自动集成和执行的所需联合仿真信息都被包含在本体中。2.2 类(Class)的构建()表示本体中类的集合，表示子类的集合。下标 C1 表示类的第一级，C2 表示类的第二级。基于数字孪生数字孪生本体物理实体物理实体数字实体数字实体数据交互联合仿真联合仿真：自动集成的联合仿真模型自动集成的联合仿真模型支持生命信息架构信息参数信息设计信息 描述数字实体之间的拓扑数字实体之间的拓扑统一方法统一方法语义建模语义建模FMUFMU实现实现FMUFMUFMUFMU数据交换数据交换转化转化物理实体物理实体数字实体数字实体联合仿真算法联合仿真算法建立建立联合仿真联合仿真情景情景联合仿真知识联合仿真知识本体模型本体模型形成形成示例示例数字化数字化统一本体建模统一本体建模联合仿真联合仿真数据交换数据交换数字孪生数字孪生构成构成形成形成仿真结果仿真结果数据交换数据交换图图对象1点对象2关系点角色角色62中国科技期刊数据库 工业 A GOPPRR 的概念，GOPPRR 方法的数学表达式被定义为：OWL:Thing=Classes(GraphC1,ObjectC1,PropertyC1,PointC1,RoleC1,RelationshipC1)(1)在公式(1)中，OWL:Thing表示由 GOPPRR 方法创建的六个类的集合。类GraphC1表示联合仿真场景，包括一个名为cosimulationc2的子类。该图描述一个特定的联合仿真场景。GraphC1=cosimulationc2 (2)类ObjectC1表示机械自动装填系统的数字孪生体，包括所有子系统。因此，ObjectC1有一个子类。ObjectC1=subSystemC2 (3)其中，GraphC1、ObjectC1和它们的子类属于设计信息。类PropertyC1包括数字孪生体必要的 FMU 知识，具有两个子类。PropertyC1=proIniC2,proInsC2 (4)PropertyC1表示转换为 FMU 的数字孪生体的联合仿真特点。子系统中包含的FMI仿真属性分为两部分：初始化 FMU 和实例化 FMU。因此，proIniC2表示初始化属性，proInsC2表示实例化属性。式(5)定义了proInsC2，式(6)定义了proIniC2。proInsC2=Ins.GUIDC3,Ins.startTimeC3,Ins.stopTimeC3,Ins.stepSizeC3,Ins.generationTimeC3,Ins.fmiVersionC3,Ins.modelNameC3,Ins.generationToolC3,Ins.authorC3 (5)其中，Ins.GUIDC3表示 FMU 特定供应商的全局唯一标识符。该属性用于检查模型描述是否与 FMU 的 C 代码兼容。Ins.startTimeC3和 Ins.stopTimeC3分别表示数字孪生体的联合仿真时间，这些属性用来检查模型在给定边界下是否有效。Ins.stepSizeC3表示通信步长。每个数字孪生体的联合仿真步长必须彼此一致。由于采用 FMI 作为接口规范，因此，Ins.fmiVersionC3为“1.0”或“2.0”。Ins.modelNameC3表示数字孪生体的名称，以便用户识别子系统。Ins.generationToolC3表示数字孪生体的建模工具。Ins.generationTimeC3表示数字孪生体生成的时间。Ins.authorC3表示数字孪生体的构建者。proIniC2=Ini.startTimeC3,Ini.stopTimeC3,Ini.ModelVariablesC3 (6)其中，proIniC2表示初始化阶段所需要的仿真知识，Ini.startTimeC3和 Ini.stopTimeC3表示初始化时使用的模拟时间；Ini.ModelVariablesC3表示数字孪生体中的特定变量。每个变量都有三个属性：4、4 和4。4为物理参数名，从4中得到联合仿真算法中对应的变量，4表示变量的起始值。因此，.的描述如式(7)所示。.3=4,4,4 (7)1由三个子类组成：2、2和 2。2和 2指示每个数字孪生体的数据交互端口。当联合仿真场景结束时，l2指示联合仿真的具体时间，并用数据属性表示时间仿真结果。因此，1的描述如式(8)所示。1=2,2,2(8)2.3 联合仿真算法 联合仿真算法将来自不同工具的数字孪生体进行集成，并为异构接口之间建立通信。数字孪生体用于自动完成复杂工程系统的联合仿真。以 FMI 规范为实现标准，构建统一的联合仿真环境。针对联合仿真的过程，设计了主从式结构(Master-Slave)。子系统(从机)之间的数据交换仅由主机处理。联合仿真算法的仿真过程如图 4 所示。图 4 本体模型和联合仿真算法 详细的联合仿真过程描述如下：联合仿真算法：OWL：ThingsGraphObject Property Point Role Relationship FromToInpoint Outpoint subsystemRelat1Co-simulationProIns注册从机配置初始化从机FMU进入初始化模式步骤完成仿真结果从机之间交换数据仿真结束Relat2ProIni配置阶段初始化阶段联合仿真阶段终止阶段子类信息检索本体模型本体模型联合仿真算法联合仿真算法63中国科技期刊数据库 工业 A 从机的第个字符用表示。每个从机的通信步长是。m 代表每个从机的变量。是 FMU编辑器设置的初始值。联合仿真时间由表示。“”表示知识检索过程。“”指的是本体中的对象属性。第一阶段：配置阶段。从机利用本体中的信息实现联合仿真。（1）设置 .3；（2）配置从机编号。第二阶段：初始化阶段。利用本体中的信息初始化所有数字孪生体的联合仿真边界。（1）设置.3 .3；（2）对于每个从机，设置=.3；（3）对于每个从机，If（=1）执行以下代码；（4）对于每个从机，设置.3；（5）/(,4,4)。第三阶段：联合仿真阶段。从机共同开始联合仿真。1用作数据流方向。（1）For（m instance number of 12）Relat1TopologyRetrieve(Outpoint2From2 Rela12To2Inpoint2)For（t instance number of 22）Relat2TopologyRetrieve(Outpoint2From2 Rela12To2Inpoint2)If（instance number of 22+instance number of 2=instance number of Inpoint2），确认数据交换拓扑网络；（2）设置 .T3。While(stopTime）,关闭联合仿真；（2）检查所有输出；（3）fmiFree(,)。通过实例化上述联合仿真算法，实现数字孪生体的联合仿真。联合仿真过程不仅考虑了数字孪生体的集成，而且控制了各个从机的仿真步骤，保证了仿真结果的正确性。在主从结构中，从机的仿真时间步长由主机时间控制。在联合仿真阶段，当前步长时间()的仿真完成时，主机控制从机来仿真下一个时间步长(+步长)。通过这种方式，保证了从机之间的时间同步。另外，针对仿真不统一的问题，对各个从机的仿真步骤进行了控制，保证了仿真结果的正确性。3 机械自动装填系统多源异构数字孪生体集成 3.1 机械自动装填系统 机械自动装填系统主要由料仓、协调器、输料机、配件仓和装填控制系统等五个组件构成，系统组成框图如图 5 所示。图 5 机械自动装填系统组成框图 其中，料仓主要用于存储物料，与装填控制系统配合完成自动选料及推料动作，将物料交接到协调器上，料仓上预留补料接口；协调器主要用于将主料仓内的物料转移交接到输料机上，作为重要的辅循环执行机构，它可以携带物料等待控制指令以保证交接时机的正确；输料机主要用于将物料输送到指定位置，是装填系统最重要的主循环机构；配件仓主要用于存储配件，配件仓预留补配件接口。3.2 联合仿真结果 首先，对系统进行本体建模，结合机械自动装填系统各个系统的特性，基于 GOPPRR 方法建立了本体模型的对象、对象属性和数据属性，使用 OWL 建立了机械自动装填系统的本体模型。然后，在代码生成部分，用 Java 编写程序进行开发：使用 Apache Jena 解析 Java 中的本体框架，owl文件和数据应用程序之间形成了一个链接。然后，根据 Visual Studio 2017 中的联合仿真算法定义了用于机械自动装填系统料仓协调器输料机配件仓装填控制系统64中国科技期刊数据库 工业 A FMU 仿真的 C 代码模板文件，不同的 FMU 之间根据仿真接口进行数据交互。随着 CPP 文件的编辑，Jena 读取每个对象的数据属性以生成当前本体的联合仿真代码。然后，采用本体的对象属性和数据属性来完成联合仿真。最后，调用 FMU 来整合联合仿真场景，各个子系统的数字孪生体在统一的联合仿真环境中运行，得到联合仿真结果，完成机械自动装填系统的集成仿真。输料链距离和协调臂角度的联合仿真结果如图6所示。图 6 联合仿真结果 4 结束语 本文以机械自动装填系统为复杂工程系统对象，研究了多源异构数字孪生体集成方法，得到了联合仿真结果。主要工作如下：(1)提出了一种基于 GOPPRR(图、对象、点、属性、角色、关系)的本体建模方法，支持以 FMI 2.0 为互联标准的数字孪生体间拓扑的准确语义描述。在本体模型中包含执行联合仿真所需要的信息，形成联合仿真的知识。同时考虑了多学科系统设计的特点：设计变量耦合性强、维度高，利用本体模型建立各个子系统的仿真模型，统一的模型表达方式避免了子系统数字孪生体拓扑结构复杂的问题。(2)根据统一接口提高了每个仿真模型集成的效率。用于模型交换的 FMI 为联合仿真中的仿真工具耦合提供接口标准环境。子系统彼此独立地由他们自己的求解器求解。而子系统之间的数据交换仅限于离散的通信点，且由主算法控制子系统之间的数据交换，降低了设计迭代复杂度。该接口不依赖于目标环境，允许生成一个动态链接库，可以在同一平台上的任何环境中使用。参考文献 1Rind D.Complexity and ClimateJ.Science,American Association for the Advancement of Science,1999,284(5411):105-107.2Crawley E,Cameron B,Selva D.System Architecture:Strategy and Product Development for Complex SystemsJ.Information and Software Technology,2015(1).3Li Y,Tao J,Wotawa F.Ontology-based test generation for automated and autonomous driving functionsJ.Information and Software Technology,2020(117):106200.4Wei Y,Wang R,Hu Y.From Web Resources to Agricultural Ontology:a Method for Semi-Automatic ConstructionJ.Journal of Integrative Agriculture,2012,11(5):775-783.5 孔 令 龙,田 国 会.智 能 家 庭 中 一 种 基 于 本 体 的 机 器 人 服 务 认 知 机 制 J.山 东 大 学 学 报(工 学版),2019,49(6):45-54.6 叶 霞,刘 睿 珩,许 飞 翔,等.基 于 SOA 和 本 体 的 指 挥 信 息 系 统 数 据集 成 研 究 J.火 力 与 指 挥 控制,2022,47(3):136-143.7艾科勇,张永明,王文斌,等.基于本体和信号分析的汽轮发电机组故障诊断方法研究J.机械设计与制造工程,2021,50(11):65-70.8孟松鹤,叶雨玫,杨强,等.数字孪生及其在航空航天中的应用J.航空学报,2020,41(9):6-17.9徐朋月,刘攀,郑肖飞.数字孪生在制造业中的应用研究综述J.现代制造工程,2023(2):128-136.10赵鹏,蒲天骄,王新迎,等.面向能源互联网数字孪生的电力物联网关键技术及展望J.中国电机工程学报,2022,42(2):447-458.65