本發(fā)明屬于復(fù)雜裝備數(shù)字孿生構(gòu)建領(lǐng)域，尤其涉及一種面向復(fù)雜裝備故障診斷的數(shù)字三胞胎系統(tǒng)構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、信息化與工業(yè)化的不斷深度融合促進(jìn)了智能制造的發(fā)展，推動(dòng)了數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)可以有效參與到生產(chǎn)過(guò)程全階段，提高了生產(chǎn)過(guò)程的安全性。運(yùn)維階段作為工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程中重要的一環(huán)，依賴傳感器進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控。數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的故障診斷可以將事后維護(hù)轉(zhuǎn)換為預(yù)測(cè)性維護(hù)從而提高運(yùn)維過(guò)程的效率與安全性。但由于復(fù)雜裝備零件之間存在復(fù)雜耦合且物理傳感器無(wú)法靈活部署，這導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集困難且難以針對(duì)故障進(jìn)行分析，因此在數(shù)字孿生中無(wú)法形成故障特征的有效關(guān)聯(lián)，而僅從復(fù)雜裝備物理空間進(jìn)行故障機(jī)理研究是耗時(shí)耗力且高成本的。復(fù)雜裝備一旦發(fā)生故障則會(huì)給公共安全帶來(lái)極大危害。因此基于目前數(shù)字孿生在故障診斷中存在的問(wèn)題，面向復(fù)雜裝備構(gòu)建了一種用于復(fù)雜裝備故障診斷的數(shù)字三胞胎系統(tǒng)構(gòu)建方法，可以有效解決當(dāng)前故障診斷無(wú)法進(jìn)行模擬雙向驗(yàn)證的問(wèn)題，并可以靈活布置傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，提高了故障診斷的效率，促進(jìn)了數(shù)字孿生與故障診斷技術(shù)的結(jié)合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決背景技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種面向復(fù)雜裝備故障診斷的數(shù)字三胞胎系統(tǒng)構(gòu)建方法，其在數(shù)字孿生基礎(chǔ)架構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化得到了數(shù)字三胞胎，構(gòu)建的復(fù)雜裝備實(shí)體使得數(shù)字三胞胎系統(tǒng)更加適用于復(fù)雜裝備故障診斷。

2、本發(fā)明能夠有效解決數(shù)字孿生架構(gòu)下無(wú)法對(duì)故障進(jìn)行模擬與驗(yàn)證的問(wèn)題，通過(guò)構(gòu)建實(shí)體端，虛擬實(shí)體端與半物理實(shí)體端完成數(shù)字三胞胎的系統(tǒng)搭建，基于數(shù)字三胞胎系統(tǒng)進(jìn)行故障模擬與驗(yàn)證，提高了復(fù)雜裝備故障診斷的效率，創(chuàng)新性高，大大促進(jìn)了數(shù)字孿生技術(shù)與故障診斷技術(shù)的結(jié)合。

3、本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

4、s1：針對(duì)復(fù)雜裝備物理實(shí)體進(jìn)行六步簡(jiǎn)化完成復(fù)雜裝備半物理實(shí)體的構(gòu)建；六步簡(jiǎn)化包括功能劃分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，相似收縮，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)定義與系統(tǒng)整合；

5、所述復(fù)雜裝備包括高速電梯，扶梯，海上風(fēng)機(jī)，船舶，高速列車；

6、s2：構(gòu)建復(fù)雜裝備數(shù)字三胞胎系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裝備物理實(shí)體、復(fù)雜裝備半物理實(shí)體、復(fù)雜裝備虛擬實(shí)體之間的聯(lián)系；

7、s3：基于復(fù)雜裝備半物理實(shí)體進(jìn)行故障模擬，并采集故障數(shù)據(jù)；

8、s4：從復(fù)雜裝備半物理實(shí)體端映射到復(fù)雜裝備物理實(shí)體端，從而對(duì)復(fù)雜裝備物理實(shí)體進(jìn)行故障診斷，并在復(fù)雜裝備虛擬端中進(jìn)行可視化。

9、所述步驟s1具體為：

10、從復(fù)雜裝備物理實(shí)體到復(fù)雜裝備半物理實(shí)體的構(gòu)建主要包括功能劃分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，相似收縮，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)定義與系統(tǒng)整合的六步簡(jiǎn)化過(guò)程；

11、步驟1.1)功能劃分：按照復(fù)雜裝備的結(jié)構(gòu)功能將復(fù)雜裝備劃分為多個(gè)系統(tǒng)，即多個(gè)功能模塊；

12、步驟1.2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化：確認(rèn)影響復(fù)雜裝備故障發(fā)生的相關(guān)系統(tǒng)，并將其作為主要功能系統(tǒng)，刪除除主要功能系統(tǒng)外的其他系統(tǒng)；

13、步驟1.3)相似收縮：

14、確定物理實(shí)體和半物理實(shí)體的比例，以相似性原理為基礎(chǔ)，對(duì)復(fù)雜裝備物理實(shí)體進(jìn)行相似收縮，其中相似性包括幾何、運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)相似；

15、根據(jù)設(shè)定比例確定主要功能系統(tǒng)中部件的尺寸，創(chuàng)建相應(yīng)的cad模型，并得到模型的零件庫(kù)用以對(duì)復(fù)雜裝備零件進(jìn)行統(tǒng)一管理；

16、步驟1.4)結(jié)構(gòu)優(yōu)化：刪除主要功能系統(tǒng)中與故障發(fā)生不相關(guān)的部件；

17、步驟1.5)結(jié)構(gòu)定義：將cad模型中對(duì)應(yīng)的部件與物理實(shí)體功能模塊對(duì)應(yīng)的部件相匹配；

18、步驟1.6)系統(tǒng)整合：根據(jù)cad模型加工通過(guò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、相似收縮與結(jié)構(gòu)優(yōu)化形成的非標(biāo)件，并購(gòu)置零件庫(kù)中cad模型所需的標(biāo)準(zhǔn)件，將非標(biāo)件與標(biāo)準(zhǔn)件重新裝配，整合形成復(fù)雜裝備半物理實(shí)體。

19、對(duì)步驟1.6)中整合形成的復(fù)雜裝備半物理實(shí)體進(jìn)行相似性驗(yàn)證，具體為：

20、基于buckingπ定理得到半物理實(shí)體與物理實(shí)體的無(wú)量綱表示，根據(jù)物理實(shí)體的真實(shí)尺寸和半物理實(shí)體自定義尺寸，分別計(jì)算物理實(shí)體的無(wú)量綱比值與半物理實(shí)體的無(wú)量綱比值，比較兩者的無(wú)量綱比值：

21、設(shè)置閾值大小，將物理實(shí)體與半物理實(shí)體的具體尺寸大小值代入無(wú)量綱中計(jì)算無(wú)量綱值；當(dāng)兩者的無(wú)量綱比值之間的差值未超過(guò)閾值，以步驟1.6)形成的半物理實(shí)體作為最終的復(fù)雜裝備半物理實(shí)體；當(dāng)兩者的無(wú)量綱比值之間的差值超過(guò)閾值，返回步驟1.4)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)零件庫(kù)中相關(guān)的零件進(jìn)行尺寸修改，直至兩者的無(wú)量綱比值之間的差值符合閾值要求。

22、所述步驟s2中的數(shù)字三胞胎系統(tǒng)構(gòu)建具體為：

23、通過(guò)可視化軟件創(chuàng)建與半物理實(shí)體尺寸相同的虛擬實(shí)體；本申請(qǐng)采用unity軟件

24、在物理實(shí)體和半物理實(shí)體上均布置加速度傳感器，通過(guò)傳感器將物理實(shí)體和半物理實(shí)體采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至虛擬實(shí)體，虛擬實(shí)體對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)；

25、在物理實(shí)體和半物理實(shí)體上均安裝可編程邏輯控制器，虛擬實(shí)體傳輸命令至物理實(shí)體或半物理實(shí)體的控制器上，并通過(guò)控制器調(diào)整物理實(shí)體或半物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)。

26、所述步驟s3具體為：

27、對(duì)于復(fù)雜裝備運(yùn)行過(guò)程中所需探究的部件或常出現(xiàn)異常的部件，根據(jù)步驟s1的結(jié)構(gòu)定義在復(fù)雜裝備半物理實(shí)體中尋找相匹配的部件，對(duì)匹配的部件進(jìn)行損傷模擬，例如機(jī)械損傷中的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、物理變形，并對(duì)不同的損傷類型賦予不同的標(biāo)簽；

28、通過(guò)傳感器對(duì)損傷模擬后的半物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并形成復(fù)雜裝備故障數(shù)據(jù)集。

29、所述步驟s4具體為：

30、利用步驟s3得到的半物理實(shí)體的故障數(shù)據(jù)集訓(xùn)練診斷模型，將訓(xùn)練好的診斷模型在復(fù)雜裝備物理實(shí)體中進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，通過(guò)復(fù)雜裝備虛擬實(shí)體中對(duì)訓(xùn)練過(guò)程、診斷結(jié)果進(jìn)行可視化。

31、所述診斷模型包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

32、由于半物理實(shí)體與物理實(shí)體具有相似性，則在半物理實(shí)體上可實(shí)現(xiàn)的診斷方法同樣適用于物理實(shí)體。

33、本發(fā)明的有益效果：

34、本發(fā)明通過(guò)對(duì)復(fù)雜裝備物理實(shí)體進(jìn)行簡(jiǎn)化形成復(fù)雜裝備半物理實(shí)體，基于復(fù)雜裝備半物理實(shí)體可以靈活布置傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與故障模擬與驗(yàn)證，并完成與復(fù)雜裝備實(shí)體間的映射，復(fù)雜裝備虛擬端可視化展示復(fù)雜裝備的運(yùn)行狀況實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裝備的監(jiān)測(cè)。

35、本發(fā)明相比現(xiàn)有的技術(shù)，能夠有效解決當(dāng)前數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的故障診斷無(wú)法實(shí)現(xiàn)模擬驗(yàn)證雙向閉環(huán)的問(wèn)題，促進(jìn)了數(shù)字孿生技術(shù)與故障診斷技術(shù)的結(jié)合。

技術(shù)特征：

1.一種面向復(fù)雜裝備故障診斷的數(shù)字三胞胎系統(tǒng)構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向復(fù)雜裝備故障診斷的數(shù)字三胞胎系統(tǒng)構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s1具體為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種面向復(fù)雜裝備故障診斷的數(shù)字三胞胎系統(tǒng)構(gòu)建方法，其特征在于，對(duì)所述步驟1.6)中整合形成的復(fù)雜裝備半物理實(shí)體進(jìn)行相似性驗(yàn)證，具體為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向復(fù)雜裝備故障診斷的數(shù)字三胞胎系統(tǒng)構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s2中的數(shù)字三胞胎系統(tǒng)構(gòu)建具體為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向復(fù)雜裝備故障診斷的數(shù)字三胞胎系統(tǒng)構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s3具體為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向復(fù)雜裝備故障診斷的數(shù)字三胞胎系統(tǒng)構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s4具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種面向復(fù)雜裝備故障診斷的數(shù)字三胞胎系統(tǒng)構(gòu)建方法。包含以下步驟：S1六步簡(jiǎn)化：針對(duì)復(fù)雜裝備實(shí)體六步簡(jiǎn)化完成復(fù)雜裝備半物理實(shí)體構(gòu)建；S2架構(gòu)搭建：創(chuàng)建實(shí)體，半物理實(shí)體與虛擬實(shí)體間的連接關(guān)系，完成數(shù)字三胞胎的結(jié)構(gòu)與整體連接；S3故障模擬：在數(shù)字三胞胎系統(tǒng)架構(gòu)上的半物理實(shí)體端進(jìn)行故障模擬并創(chuàng)建故障類型，構(gòu)建復(fù)雜裝備故障數(shù)據(jù)集；S4實(shí)際運(yùn)用：從半物理實(shí)體端映射到物理實(shí)體端，從而在物理實(shí)體端進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。本發(fā)明能夠有效解決數(shù)字孿生架構(gòu)下無(wú)法對(duì)故障進(jìn)行模擬與驗(yàn)證的問(wèn)題，基于數(shù)字三胞胎系統(tǒng)進(jìn)行故障模擬與驗(yàn)證，提高了復(fù)雜裝備故障診斷的效率，大大促進(jìn)了數(shù)字孿生技術(shù)與故障診斷技術(shù)的結(jié)合。

技術(shù)研發(fā)人員：王自立,張煌,張樹(shù)有,裘樂(lè)淼,譚建榮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9