[发明专利]一种数字孪生装备构建方法和系统

说明书

本发明公开了一种数字孪生装备构建方法和系统，该方法包括如下步骤：步骤(1)、进行装备极端工况下孪生数据非破坏性获取，完成装备极端工况下孪生数据的时空特征分析，并实现极端工况下孪生数据的生成；步骤(2)、装备数字孪生决策模型动态演化，首先构建装备的多时空尺度数字孪生决策模型，然后基于装备正常工况下实测数据和极端工况下孪生数据完成模型的迭代优化和验证；步骤(3)、进行装备软硬一体化控制。本发明能够在一定程度上在不破坏装备本身结构和性能前提下，实现装备在极端工况下数据的全面获取，并将相关算法封装成FPGA IP核，基于软硬一体化实现装备的数字孪生精准决策控制。

技术领域

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装备构建方法和系统。

背景技术

高档数控机床、互联网卫星、深空/深海探测器等装备在很多时候工作在极端工况下，如高速、高精、深海、深空等环境，以高档数控机床为例，其在进行高精度高速加工时，对其性能、工作状态的监控显得尤为必要，但是实现性能、工作状态监控的前提是数据的全面获取，如主轴转速、刀具三轴绝对坐标、进给速率等数据可以通过安装传感器获取；对于应力、热变形、刀具磨损等数据无法通过安装传感器获取，即便强制安装传感器，也会对机床现有结构造成破坏，影响机床高速加工性能，但是这些数据又是实现机床性能、工作状态监控所必须的，那么如何在不破坏机床现有结构的前提下，实现对极端工况下数据的获取是当前难点。为此，本发明公开了一种数字孪生装备构建方法，通过设计装备极端工况下孪生数据非破坏性获取模块、装备数字孪生决策模型动态演化模块和装备软硬一体化控制模块，能够在一定程度上实现在不破坏装备本身结构和性能前提下，实现装备在极端工况下数据的全面获取，并将相关算法封装成FPGA IP核，基于软硬一体化实现装备的数字孪生精准决策控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：提供一种数字孪生装备构建方法和系统，该方法涵盖了装备极端工况下孪生数据非破坏性获取模块、装备数字孪生决策模型动态演化模块和装备软硬一体化控制模块的设计，能够在一定程度上实现在不破坏装备本身结构和性能前提下，实现装备在极端工况下数据的全面获取，并将相关算法封装成FPGA IP核，基于软硬一体化实现装备的数字孪生精准决策控制。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种数字孪生装备构建方法，包括如下步骤：

步骤(1)、进行装备极端工况下孪生数据非破坏性获取，完成装备极端工况下孪生数据的时空特征分析，并实现极端工况下孪生数据的生成；

步骤(2)、装备数字孪生决策模型动态演化，首先构建装备的多时空尺度数字孪生决策模型，然后基于装备正常工况下实测数据和极端工况下孪生数据完成模型的迭代优化和验证；

步骤(3)、进行装备软硬一体化控制。

进一步的，所述步骤(1)、进行装备极端工况下孪生数据非破坏性获取，完成装备极端工况下孪生数据的时空特征分析，并实现极端工况下孪生数据的生成，具体实现如下：

(1.1)针对装备在正常工况与极端工况下数据监测机制存在差异、装备在极端工况下部分关键数据无法非破坏性获取的现状，基于装备在正常工况下监测到的数据，并结合装备在极端工况下的工艺及性能，利用时空特征和数理机理分析实现对装备极端工况下孪生数据的推理；

(1.2)构建装备极端工况下工艺和性能数字孪生模型，将推理生成的装备极端工况下孪生数据作为该模型的输入，并对该模型的输出做统计分析，进而剔除与装备极端工况下工艺和性能差异交大的孪生数据，并最终实现装备极端工况下孪生数据的生成。

进一步的，所述步骤(2)、装备数字孪生决策模型动态演化，首先构建装备的多时空尺度数字孪生决策模型，然后基于装备正常工况下实测数据和极端工况下孪生数据完成模型的迭代优化和验证，具体实现如下：