基于领域驱动设计的可演化数字孪生体构建方法研究.pdf
《基于领域驱动设计的可演化数字孪生体构建方法研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于领域驱动设计的可演化数字孪生体构建方法研究.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、基于领域驱动设计的可演化数字孪生体构建方法研究*钟小品,吴碧峰,吴宗泽,刘里斯(深圳大学 机电与控制工程学院,广东 深圳518060)摘要:数字孪生体是实现数字孪生范式的关键所在,针对忽略系统可演化性导致的数字孪生体孤岛问题,提出了一种基于领域驱动设计的数字孪生体构建方法,用于构建具有演化性的数字孪生体。数字孪生体的领域模型由镜像、功能和关联3个子域组成。其中,镜像子域描述物理实体的静态属性,如尺寸、材质等,是通用域;功能子域描述物理实体的能力属性,如制造能力、运动能力等,是核心域;关联子域描述物理实体所处空间尺度的上下文交互关系,是支撑域。围绕所提出的领域模型,设计了数字孪生体的演化性实现机
2、制,以构建工业机器人数字孪生体为例,对所提出的数字孪生体构建方法和可演化机制进行了可行性分析。关键词:数字孪生体;领域模型;演化性;工业机器人中图分类号:TP39;TP301.6文献标识码:A文章编号:1001-2354(2023)S2-0038-07Research on the construction of evolvable digital twin based ondomain-driven designZHONG Xiaopin,WU Bifeng,WU Zongze,LIU Lisi(College of Mechatronics and Control Engineering,
3、Shenzhen University,Shenzhen 518060)Abstract:Digital twin plays a crucial role in the digital twin paradigm.Aiming at the problem of digital twin islanding causedby neglecting system evolvability,the construction of evolvable digital twin based on domain-driven design is proposed for con-structing d
4、igital twins with evolvability.The domain model of the digital twin consists of three subdomains:mirror subdomain,functional subdomain and related subdomain.Among them,the mirror subdomain,which describes the static attributes of physicalentity,such as dimension,material,etc.,is a generalized domain
5、.The function subdomain,which represents the capability attri-butes of physical entity,such as manufacturing capability,motion capability,etc.,is a core domain.The related subdomain,which characterizes the contextual interactions of the spatial scale in which the physical entity is located,is a supp
6、ort domain.Anevolutionary implementation mechanism for digital twins is designed around the proposed domain model.Finally,the feasibility ofthe proposed construction of digital twin and evolvable mechanism is analyzed by taking the construction of an industrial robot digi-tal twin as an example.Key
7、words:digital twin;domain model;evolutionary;industrial robot*收稿日期:2023-07-08;修订日期:2023-10-11基金项目:新一代人工智能重大专项(2020AAA0108304);深圳大学强基计划(00000224)数字孪生范式是基于模型的系统工程(Model-Based System Engineering,MBSE),是在云计算、网络技术、大数据、智能技术和物联网等新技术驱动下发展的必然趋势。通过数字消耗取代物质和能源消耗,快速、经济且绿色化地实现复杂系统基于数字孪生体的迭代和优化设计、制造、监管、预测性维护1及故障诊
8、断和追溯2等环节,从而推动制造企业数字化、智能化及绿色化转型。数字孪生体是物理实体在数字空间的映射,是实现数字孪生范式的关键所在,当前数字孪生范式的研究中,提出了多种数字孪生体的构建方法。Grieves3-4在2002年提出的产品生命周期管理(Product Lifecycle Management,PLM)三维概念模型被认为是数字孪生范式的起源,PLM概念模型包含由物理系统组成的真实空间、镜像模型和孪生系统组成的虚拟空间、连接真实空间和虚拟空间的双向链路。根据生命周期中物理实体是否存在将数字孪生体划分为数字孪生原型(Digital Twin Prototype,DTP)和数字孪生实例(Dig
9、ital Twin Instance,DTI)两种类第 40 卷 增刊 22023 年 12 月Vol.40S2Dec.2023机械设计JOURNAL OF MACHINE DESIGNDOI:10.13841/ki.jxsj.2023.s2.0362023年12月型,同时还提出了托管 DTP 和 DTI 的数字孪生环境(DigitalTwin Environment,DTE),提供预测和查询功能。Eramo等5则在分析产品全生命周期各个阶段特点的基础上,提出了数字孪生体描述域、预测域和规范域的构建方法。陶飞等6扩展了Grieves的PLM三维模型,提出了数字孪生范式的五维模型:物理实体、虚拟
10、实体、孪生数据、服务和连接,其中虚拟实体进一步分解为几何、物理、行为和规则4个维度。Yang等7结合制造装备物理实体的特点,采用元动作理论构建数字孪生体。Jiang等8通过深度融合几何模型、语义模型、数据模型、规则模型和过程模型,建立了与物理建筑消防系统相对应的数字孪生。Jia等9设计了数字孪生体的4C架构,自顶向下分别为组合层、上下文层、组件层和代码层,基于此实现数字孪生体多空间维度和多应用场景上的普适性。Osho等10分析了数字孪生体成熟度的发展特点,并设计了包含展示、复制、现实、关联4个发展阶段的4R框架。相比于上述通用构建方法,当前所提出的数字孪生体构建方法更多地是面向特定应用场景和业
11、务需求。例如,关于数控机床的数字孪生体,骆伟超11针对数控机床预测性维护应用场景和数控机床的机电液耦合特点,提出了基于面向对象的、增量式的、多领域统一的数字孪生体构建方法,将数控机床解耦为机械域、电气域、控制域和液压域,通过多领域建模语言的能量转换机制将不同领域集成在统一建模仿真环境中,形成数控机床的数字孪生体。Xue等12针对数控机床的故障诊断应用场景,将数控机床的数字孪生体分解为机械域、控制域和传热域。Liu等13则针对数控机床的时变误差预测和补偿应用场景所设计的数字孪生体由几何域、物理域和时变误差域组成。综上可见,数字孪生体的特定构建方法通常是面向特定功能性约束的,且很少考虑数字孪生体的
12、功能扩展性,导致了多个面向不同应用场景和业务需求的数字孪生体孤岛。数字孪生体的通用构建方法具有较高的抽象度,使其在实例化过程中需要添加相应的细节信息。而没有考虑可演化性的通用构建方法造成其多个实例化存在异质性,最终也导致了数字孪生体孤岛。因此,文中提出了一种具有演化性的数字孪生体构建方法,该方法基于领域驱动设计思想,将数字孪生体分解为镜像、功能和关联3个子域,围绕领域模型设计了数字孪生体演化性的实现机制。最后,以构建工业机器人数字孪生体为例分析了文中所提出的构建方法和实现机制的可行性。1数字孪生体的领域模型1.1领域驱动设计领域驱动设计(Domain-Driven Design,DDD)是 E
13、ric Evans提出的针对大型复杂和有演化需求系统的一种领域建模与分析方法14。领域驱动设计基于关注点分离原则,将复杂系统划分为核心域、通用域和支撑域3个子域15-16。其中,核心域是整个系统的灵魂所在,包含了系统最核心的业务逻辑和价值;通用域包含了系统中多个子系统之间共享的通用概念、模块或组件;支撑域包含了整个系统中支持核心业务和通用功能的基础设施、工具和服务。子域的划分实现了系统内部结构的模块化和清晰化,从而提升了系统的可维护性和扩展性,因此,文中采用领域驱动设计思想构建具有演化性的数字孪生体。1.2数字孪生体的领域分解数字孪生体是物理实体在数字世界中的虚拟映射,不仅包含物理实体的三维模
14、型,还包含物理实体所表现出来的功能。考虑到物理实体系统属于一类开放系统,其数字孪生体还应包含与周围环境交互的数据流。文中将数字孪生体分解为3个子域:镜像子域、功能子域和关联子域。其中,镜像子域描述物理实体的三维模型信息;功能子域描述物理实体的能力属性;关联子域描述物理实体所处空间尺度的上下文交互关系。功能子域在镜像子域的约束下,通过关联子域展现其功能性,反之,镜像子域在功能子域的作用下实现优化,如图1所示。因此,功能子域是数字孪生体的核心域,镜像子域是数字孪生体的通用域,关联子域是数字孪生体的支撑域。核心域:功能子域支撑域:关联子域通用域:镜像子域图1数字孪生体领域模型钟小品,等:基于领域驱动
15、设计的可演化数字孪生体构建方法研究-39机 械 设 计第40卷增刊21.2.1镜像子域镜像子域是数字孪生体的基础,其主要任务是构建出能完整映射物理实体的镜像模型,即将物理实体的静态属性转化为镜像模型的数据结构和参数,提供数字孪生体的基本外观和结构特征,为后续功能子域和关联子域的构建奠定了基础。镜像子域不依赖于具体的应用场景,可以被复用和共享。镜像模型包括几何关系、物理属性和约束条件3个方面。几何关系包括物理实体各部分的长宽高等尺寸信息和位姿信息;物理属性包括物理实体各部分在材质、力学和电磁学上的相关信息;约束条件包括物理实体各部分之间的角度约束、接触约束及偏移约束等约束信息和物理实体中液压系统
16、、电气系统及机械系统等系统之间的耦合关系。1.2.2功能子域功能子域是数字孪生体的核心域,其主要任务是通过镜像模型准确地模拟和预测物理实体的行为和功能。功能子域的模拟结果对数字孪生体在实际应用中的行为表现具有重要指导意义。同时,功能子域也为镜像子域和关联子域提供实体行为的有效数据支持,实现数字孪生体各个子域之间的交互和相互影响。功能子域依赖于具体的物理实体类型和应用场景,需要根据不同的需求进行设计和演化。功能子域可分为数据处理能力、自我感知能力、运动控制能力和智能学习能力4个方面。数据处理能力是指处理来自物理实体、操作人员或其他数字孪生体的数据,包括数据存储、数据分析及数据传输等;自我感知能力
17、是指借助传感器技术对物理实体的状态进行感知和分析,包括可视化监视、健康管理及故障预测等;运动控制能力是指对物理实体的运行状态模拟或操作,分为行动姿态和控制算法两方面;智能学习能力是指借助人工智能和机器学习等技术,对历史数据进行分析挖掘,使得物理实体和数字孪生体能够不断迭代优化,包括产线优化、任务决策及误差补偿等。1.2.3关联子域关联子域是数字孪生体的接口,其主要任务是负责数字孪生体与外部的交互,即实现数字孪生体与外部的数据传输和指令控制。通过关联子域的建模,数字孪生体可以在不同空间尺度上模拟物理实体的上下文交互关系,实现了数字孪生体在不同环境下的响应和行为。关联子域依赖于具体的物理实体类型和
18、应用场景,需要根据不同的层级进行构建和调整。关联子域包括与物理实体交互、与数字孪生体交互和与操作人员交互3个方面。与物理实体交互是指数字孪生体与实际物理实体之间的相互作用和信息交流。这种交互涵盖了物理实体的感知、控制和响应过程。通过数字孪生体模拟物理实体与外部世界的交互,能够了解物理实体在不同环境和条件下的行为和性能,并对物理实体的行为进行优化。根据功能和结构的不同,数字孪生体可以分为单元级数字孪生体、系统级数字孪生体和复杂系统级数字孪生体17。因此,与数字孪生体交互需要考虑交互对象可能是不同层级和不同领域的数字孪生体:与同级数字孪生体交互指的是同级数字孪生体之间的协作和数据交换。通过与同级数
19、字孪生体的交互,不同的数字孪生体可以共享信息、互相验证模拟结果,并实现更全面和一致的数字孪生体模拟。与不同级数字孪生体交互指的是不同层级的数字孪生体之间的信息传递和数据共享:通过与下级数字孪生体的交互,上级数字孪生体可以获取更详细和精确的信息,以更准确地模拟和预测物理实体的行为和性能;通过与上级数字孪生体的交互,下级数字孪生体可以获得指导和反馈,以改进模拟和优化结果。与操作人员交互指的是数字孪生体和操作人员能够通过交互界面进行信息交流和操作,人类操作人员与数字孪生体一同工作、共同决策和控制实体的行为。通过与操作人员的交互,数字孪生体可以接收来自人类的指令、反馈和评估,从而调整其模拟结果和行为表
20、现。2数字孪生体的演化性实现机制2.1数字孪生体的演化性分析基于所提出的数字孪生体构建方法,数字孪生体的演化性可以从3个维度进行描述,分别为:映射演化性、功能演化性和交互演化性,分别对应描述镜像子域、功能子域和关联子域的演化程度。映射演化性表示物理实体和镜像模型之间的静态属性映射的准确性和完整性,包括两个评价指标,即映射准确性和映射完整性;功能演化性表示物理实体和镜像模型之间的功能属性演化的灵活性和智能性,包括两个评价指标,即演化灵活性和演化智能性;交互演化性表示物理实体和镜像模型之间的动态行为交互的实时性和可靠性,包括两个评价指标,即交互实时性和交互可靠性。这3个维度共同决定了数字孪生体与物
21、理实体之间的虚实融合程度,从而影响了数字孪生体对物理实体的性能、效率和可靠性的提升效果。从这3个维度出发,根据交互方式和智能化程度的不同,以数字孪生体的演化程度和功能服务为主要划分对象,将数字孪生体划分为5个阶段,如图2所示。图2数字孪生体演化进程-402023年12月2.2建模阶段在这一阶段,数字孪生体侧重构建映射物理实体的镜像模型,处在演化进程的第1阶段。通过从几何关系、物理属性和约束条件多个维度对物理实体的静态属性进行描述和映射,镜像模型具备物理实体的静态特征和结构,为后续阶段提供基础。2.3映射阶段在这一阶段,数字孪生体具备物理实体的运动属性,能够模拟物理实体的运动和状态,处于演化进程
22、的第2阶段。在这个阶段,数字孪生体能够在一定程度上替代物理实体进行试验分析和验证,但无法通过直接的数据交换与物理实体实现实时交互,需要操作人员的介入,通过间接的虚实交互来进行控制和信息更新。2.4交互阶段在这一阶段,数字孪生体开始具备与物理实体、其他数字孪生体或人类操作人员之间的简单交互能力,处于演化进程的第3阶段。数字孪生体能够与实际物理实体之间进行数据传递、信息反馈,以及与其他数字孪生体进行数据共享和验证。在交互阶段,数字孪生体已经能够实现一定程度的虚实融合,并通过数据交互和共享实现信息更新和模拟结果的动态调整。交互阶段的数字孪生体已经可以在一定程度上模拟实际环境中的相互作用和影响。2.5
23、预测阶段在这个阶段,数字孪生体的演化模型逐渐完善,能够准确预测物理实体的行为和性能,处于演化进程的第4阶段。数字孪生体能够通过对物理实体和环境的实时监测,结合历史数据和机器学习算法,实现精准的预测和决策支持。预测阶段的数字孪生体已经具备了一定的自主性和智能化,能够为实体的优化和决策提供更有效的参考意见。预测阶段的数字孪生体还能够根据不同的输入条件和场景变化进行预测分析,为决策提供及时的预警和指导,实现对物理实体的智能化管控。2.6共生阶段在这一阶段,数字孪生体具有高度智能化和自我学习、迭代优化和自我决策等能力,能够与物理实体实现紧密的协同作业和共生演化,处于演化进程的第5阶段。数字孪生体不仅能
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 领域 驱动 设计 演化 数字 孪生 构建 方法 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。