CN113009885A - 一种数控系统安全状态数字化映射系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数控系统安全状态数字化映射技术领域，特别涉及一种数控系统安全状态数字化映射系统及方法；本发明包括：无线数据传输装置，与数控系统安全状态数字化映射装置通过无线或有线方式通信，通过传感器获取物理实体设备的安全状态数据并向数控系统安全状态数字化映射装置发送；数控系统安全状态数字化映射装置，接收无线数据传输装置发送的安全状态数据，进行对安全状态数据的储存、采集、建模、数据处理及安全状态的诊断及预测；信息显示装置，与数控系统安全状态数字化映射装置相连接，显示安全状态的诊断及预测结果，并通过最终虚拟映射模型的仿真运行过程以三维表现形式进行可视化显示。本发明具有实用性高，真实性高及良好的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及数控系统安全状态数字化映射技术领域，特别涉及一种数控系统安全状态数字化映射系统及方法。
背景技术
高档数控系统已成为新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本装备。功能安全涉及到安全相关的机电控制系统、安全相关技术和其它风险降低策略,其目的是保证安全功能的正确执行。
随着数控系统及数控机床对系统安全性能需求的不断提高,要求数控系统及相关设备具有安全功能,实现对人员、设备及环境的保护,减少安全事故的发生。数控系统及数控机床安全已成为国内外数控厂商关注的焦点,并成为下一代数控系统的重要功能。传统数控系统在运行过程中存在设备安全状态无法主动预测、网络通信传输状态不稳定、不便于日常维护等问题。数字化映射技术可以有效解决上述问题，能够有效促进多源异构数据融合，从而推动数控系统安全状态的数字化建设，实现数控系统物理实体与信息世界的交互融合。
发明内容
针对传统数控系统在运行过程中存在设备安全状态无法主动预测、网络通信传输状态不稳定、不便于日常维护等问题，本发明要解决的问题是将数字化映射与传统数控系统相结合，设计一种数控系统安全状态数字化映射装置及系统，通过分析系统当前数据与历史数据来有效分析、监控、预测数控系统在运行过程中可能发生的风险，动态判断数控系统的安全状态，提高系统的运维效率。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是提供了一种数控系统安全状态数字化映射系统，包括，无线数据传输装置、数控系统安全状态数字化映射装置和信息显示装置；
所述无线数据传输装置，与数控系统安全状态数字化映射装置通过无线或有线方式通信，用于通过传感器获取物理实体设备的安全状态数据并向数控系统安全状态数字化映射装置发送；
所述数控系统安全状态数字化映射装置，用于接收无线数据传输装置发送的安全状态数据，进行对安全状态数据的储存、采集、建模、数据处理及安全状态的诊断及预测；
所述信息显示装置，与数控系统安全状态数字化映射装置相连接，用于显示安全状态的诊断及预测结果，并通过数字化映射虚拟综合模型的仿真运行过程以三维表现形式进行可视化显示。
所述数控系统安全状态数字化映射装置包括，数控系统物理实体子单元、数控系统数字化模型子单元、数控系统安全状态数据子单元、数控系统安全状态服务子单元；
所述数控系统物理实体子单元，用于管理其所连接的物理实体设备，以及物理实体设备工作状态的集合；采集无线传输设备发送的安全状态数据；根据数控系统安全状态服务子单元的对比结果，采取相应安全措施，使得系统整体运行效率得到优化。
所述数控系统数字化模型子单元，用于建立数控系统虚拟模型以及其对应所承担的虚拟活动，利用数控系统物理实体子单元实时传输来的安全状态数据对物理实体设备进行映射，得到虚拟映射数据；根据虚拟映射数据建立虚拟映射模型；
所述数控系统安全状态服务子单元，用于将接收的数控系统物理实体子单元的安全状态数据、数控系统数字化模型子单元的安全状态预测结果进行比对分析得到对比结果；当对比结果达到预设值时，将最终虚拟映射模型的数控系统安全状态预测结果发送至数控系统物理实体子单元；
所述数控系统安全状态数据子单元，用于存储对数控系统物理实体子单元的安全状态数据、数控系统数字化模型子单元的安全状态预测结果、数控系统安全状态服务子单元的比对结果。
所述物理实体包括数控系统、伺服驱动、现场总线和PLC。
所述建模包括以下步骤：
虚拟映射数据作为虚拟映射模型输入，数控系统安全状态预测结果作为模型输出，通过神经网络、马尔科夫链、有限状态机方法中的一种建立虚拟模型。
所述一种数控系统安全状态数字化映射的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)无线数据传输装置发送物理实体设备安全状态数据至数控系统安全状态数字化映射装置；
步骤2)数控系统物理实体子单元将物理实体设备安全状态数据发送给数控系统数字化模型子单元和数控系统安全状态数据子单元；
步骤3)根据安全状态数据进行虚拟映射模型的建立；
步骤4)所述数控系统数字化模型子单元将虚拟映射模型的安全状态预测结果发送至数控系统安全状态数据子单元；
步骤5)数控系统安全状态数据子单元将接收到的数控系统物理实体子单元的安全状态数据、数控系统数字化模型子单元的安全状态预测结果发送至数控系统安全状态服务子单元进行分析比对；
步骤6)所述数控系统安全状态服务子单元进行分析比对的结果分别反馈给数控系统物理实体子单元和数控系统安全状态数据子单元；
步骤7)返回步骤2)直到分析比对结果到达预设值为止，得到最接近物理实体设备真实状态的最终虚拟映射模型，使数控系统数字化模型子单元真实反映出数控系统及连接的物理设备实体在工作过程中的安全运行状态；
步骤8)所述数控系统物理实体子单元接收最终虚拟映射模型的安全状态预测结果，用于采取相应措施；
步骤9)将最终虚拟映射模型的仿真运行过程以三维表现形式在信息显示装置中进行可视化呈现。
所述步骤6)中的分析比对：使用数控系统数字化模型子单元所建立的虚拟映射模型输出的预测结果与数控系统物理实体子单元提供的安全状态数据进行比较，得到二者差值，判断该差值是否达到预设值；如果达到预设值，则表示完成最终虚拟映射模型的建立；如果未达到预设值，则表示继续迭代优化虚拟映射模型。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.实用性强。本发明是以实际应用为前提，针对传统数控系统在运行过程中存在设备安全状态无法主动预测、网络通信传输状态不稳定、不便于日常维护等问题，将数字化映射与传统数控系统相结合，设计一种数控系统安全状态数字化映射装置及系统，通过分析系统当前数据与历史数据来有效分析、监控、预测数控系统在运行过程中可能发生的风险，动态判断数控系统的安全状态，提高系统的运维效率。
2.真实度高。通过数控系统物理实体子单元与数控系统数字化模型子单元建立的连接实现了实时交互，最终建立与数控系统物理实体完全对应的数字化映射模型，实现了数控系统物理实体子单元、数控系统数字化模型子单元、数控系统安全状态服务子单元之间数据的集成与融合。
3.具有良好的适应性。对于不同的数控系统物理实体安全状态数据，只需要动态调整数控系统数字化模型子单元建立的虚拟模型便能取得较好的数字化映射效果，具有良好的适应性。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明数控系统安全状态数字化映射装置结构示意图；
图3为数控系统安全状态数字化映射装置工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明实例中数控系统安全状态数字化映射系统结构图，主要由无线数据传输装置、数控系统安全状态数字化映射装置、信息显示装置组成。
其中无线数据传输装置主要通过传感器获取目标数控系统物理设备的安全状态信息，与数控系统安全状态数字化映射装置通过无线或者有线的方式进行通讯连接，本实施例中采用无线连接方式，数控系统数字化映射装置中的数控系统安全状态数据子单元可以对状态数据进行存储。
本实施例中将无线数据传输装置放置在数控系统所连接物理设备的核心位置处，通过设定的采集与传输频率持续地设备安全状态数据进行采集。然后将采集到的安全状态数据通过无线通讯的方式发送到数控系统安全状态数字化映射装置中。
如图2所示，数控系统安全状态数字化映射装置主要包括数控系统物理实体子单元、数控系统数字化模型子单元、数控系统安全状态数据子单元、数控系统安全状态服务子单元。
其中，数控系统物理实体子单元，用于管理数控系统及其所连接的物理设备包括数控系统、伺服驱动、现场总线、PLC等物理实体，以及数控系统对应的活动的集合。主要负责数控系统运行的物理空间实现，同时对无线数据传输装置发送的数据进行采集。
数控系统数字化模型子单元，用于建立数控系统虚拟模型以及其对应所承担的虚拟活动，利用数控系统物理实体子单元实时传输来的安全状态数据对物理实体设备进行映射，得到虚拟映射数据；根据虚拟映射数据建立虚拟映射模型。
建模包括以下步骤：虚拟映射数据作为虚拟映射模型输入，数控系统安全状态预测结果作为模型输出，通过神经网络、马尔科夫链、有限状态机方法中的一种建立虚拟模型。
数控系统安全状态数据子单元，用于存储对数控系统物理实体子单元的安全状态数据、数控系统数字化模型子单元的安全状态预测结果、数控系统安全状态服务子单元的比对结果。
数控系统安全状态服务子单元，用于将接收的数控系统物理实体子单元的安全状态数据、数控系统数字化模型子单元的安全状态预测结果进行比对分析得到对比结果；当对比结果达到预设值时，将最终虚拟映射模型的数控系统安全状态预测结果发送至数控系统物理实体子单元。
数控系统安全状态数字化映射装置工作机制是数控系统物理实体子单元、数控系统数字化模型子单元、数控系统安全状态数据子单元、数控系统安全状态服务子单元四个主体之间通过数据纽带相互连接实现了各部分之间的互联互通。
数控系统物理实体子单元主要包括数控系统、伺服驱动、现场总线、PLC等数控系统及其所连接的物理设备实体，以及数控系统对应的活动的集合，同时接收来自数控系统数字化模型子单元和数控系统安全状态数据子单元的反馈信息。数控系统物理实体子单元主要功能包括(1)保证数控系统及其所连接的物理设备实体完成相应工作任务；(2)通过对多源异构安全状态数据的接入和融合实现数据的共享与继承。
数控系统数字化模型子单元首先从几何、物理、行为、规则等多个维度对数控系统物理设备进行全方位的数字化建模，从结构和功能两方面对模型进行集成与融合。其次使用物理设备安全状态数据对数控系统数字化模型子单元所建立的模型进行评估和验证，形成数控系统数字化模型子单的虚拟映射综合模型。
数控系统数字化模型子单元通过模拟数控系统物理实体子单元的运行，对数控系统安全状态进行故障诊断与预测，可以有效预测数控系统运行故障从而完成对数控系统及连接的物理设备运行状态的监控。
数控系统安全状态诊断是将安全状态数据根据类别进行划分，分别与各类安全状态数据设定的阈值进行对比，当实际安全状态数据超过设定阈值时，装置反馈故障信息。
数控系统安全状态预测采用长短期记忆网络LSTM对安全状态数据进行建模。将采集的安全状态数据分为训练样本与测试样本两类，对所得样本数据进行数据预处理，包括特征提取、归一化以及均值与方差的计算，得到测试数据集；对训练样本预处理得到训练数据集，对所得的数据集进行LSTM训练，得到训练结果；将测试数据集与训练结果通过计算均方误差对原模型进行矫正，首先需要计算均方误差值，比较均方误差是否超过阈值，如果均方误差超过所设定的阈值，则需要对模型进行进一步的优化调参，如果均方误差并未超过阈值，则输出结果。
数控系统安全状态数据子单元负责为数控系统物理实体子单元、数控系统数字化模型子单元及数控系统安全状态服务子单元的运行提供数据支撑。数控系统安全状态数据子单元所包含的数据主要有数控系统物理实体子单元的安全状态数据、数控系统数字化模型子单元的安全状态预测结果、数控系统安全状态服务子单元的比对结果。
数控系统安全状态服务子单元主要功能是对数控系统安全状态数据和虚拟映射数据进行分析处理。数控系统物理实体子单元不断将安全状态数据通过数控系统安全状态数据子单元发送至数控系统安全状态服务子单元，该子单元同样不断接收数控系统数字化模型子单元产生的预测分析结果。数控系统安全状态服务子单元将预测分析结果与数控系统物理实体子单元的安全状态数据进行分析比对，再将分析结果传输给数控系统数字化模型子单元，数控系统数字化模型子单元根据结果进一步优化模型，反复迭代直至模型最优。数控系统安全状态服务子单元将最优模型的预测分析结果发送至数控系统物理实体子单元，数控系统物理实体子单元则根据预测结果采取相应措施，使得系统整体运行效率得到优化。
如图3所示，数控系统安全状态数字化映射装置工作流程主要包括以下步骤：
数控系统安全状态数据采集。无线数据传输装置发送物理实体设备安全状态数据至数控系统安全状态数字化映射装置，对无线数据传输装置发送的多类型、多尺度、多粒度的数控系统及连接的物理设备安全状态数据进行规划、清洗以及封装，实现数据的统一规范处理。
安全状态数据虚拟映射模型建立与融合。数控系统物理实体子单元将物理实体设备安全状态数据发送给数控系统数字化模型子单元和数控系统安全状态数据子单元。根据安全状态数据进行虚拟映射模型的建立，通过建立各层模型间的联系，从结构和功能两方面对模型进行集成与融合。使用数控系统物理实体子单元的真实数据对数控系统数字化模型子单元所建立的模型进行评估和验证，形成数控系统数字化映射虚拟综合模型。
虚拟映射数据迭代优化。数控系统数字化模型子单元将虚拟映射模型的安全状态预测结果发送至数控系统安全状态数据子单元，数控系统安全状态数据子单元将接收到的数控系统物理实体子单元的安全状态数据、数控系统数字化模型子单元的安全状态预测结果发送至数控系统安全状态服务子单元进行分析比对。数控系统安全状态服务子单元进行分析比对的结果分别反馈给数控系统物理实体子单元和数控系统安全状态数据子单元。
分析比对的具体步骤是：使用数控系统数字化模型子单元所建立的虚拟映射模型输出的预测结果与数控系统物理实体子单元提供的安全状态数据进行比较，得到二者差值，判断该差值是否达到预设值；如果达到预设值，则表示完成最终虚拟映射模型的建立；如果未达到预设值，则表示继续迭代优化虚拟映射模型。
同时将数控系统物理实体子单元安全状态数据、数控系统数字化模型子单元模型预测数据以及数控系统安全状态服务子单元数据进行迭代、优化与融合，不断完善安全状态数据虚拟映射模型，使数控系统数字化模型子单元能够真实反映出数控系统及连接的物理设备实体在工作过程中的安全运行状态。
返回安全状态数据虚拟映射模型建立与融合直到分析比对结果到达预设值为止，得到最接近物理实体设备真实状态的最终虚拟映射模型，使数控系统数字化模型子单元真实反映出数控系统及连接的物理设备实体在工作过程中的安全运行状态。
数控系统物理实体子单元接收最终虚拟映射模型的安全状态预测结果，用于采取相应措施，使得系统整体运行效率得到优化。
数控系统安全状态可视化显示。将最终虚拟映射模型的仿真运行过程以三维表现形式在信息显示装置中进行可视化呈现。
Claims (6)
1.一种数控系统安全状态数字化映射系统，其特征在于，包括，无线数据传输装置、数控系统安全状态数字化映射装置和信息显示装置；
所述无线数据传输装置，与数控系统安全状态数字化映射装置通过无线或有线方式通信，用于通过传感器获取物理实体设备的安全状态数据并向数控系统安全状态数字化映射装置发送；
所述数控系统安全状态数字化映射装置，用于接收无线数据传输装置发送的安全状态数据，进行对安全状态数据的储存、采集、建模、数据处理及安全状态的诊断及预测；
所述信息显示装置，与数控系统安全状态数字化映射装置相连接，用于显示安全状态的诊断及预测结果，并通过最终虚拟映射模型的仿真运行过程以三维表现形式进行可视化显示。
2.根据权利要求1所述的一种数控系统安全状态数字化映射系统，其特征在于，所述数控系统安全状态数字化映射装置包括，数控系统物理实体子单元、数控系统数字化模型子单元、数控系统安全状态数据子单元、数控系统安全状态服务子单元；
所述数控系统物理实体子单元，用于管理其所连接的物理实体设备，以及物理实体设备工作状态的集合；采集无线传输设备发送的安全状态数据；根据数控系统安全状态服务子单元的对比结果，采取相应安全措施。
所述数控系统数字化模型子单元，用于建立数控系统虚拟模型以及其对应所承担的虚拟活动，利用数控系统物理实体子单元实时传输来的安全状态数据对物理实体设备进行映射，得到虚拟映射数据；根据虚拟映射数据建立虚拟映射模型；
所述数控系统安全状态服务子单元，用于将接收的数控系统物理实体子单元的安全状态数据、数控系统数字化模型子单元的安全状态预测结果进行比对分析得到对比结果；当对比结果达到预设值时，将虚拟映射模型的数控系统安全状态预测结果发送至数控系统物理实体子单元；
所述数控系统安全状态数据子单元，用于存储对数控系统物理实体子单元的安全状态数据、数控系统数字化模型子单元的安全状态预测结果、数控系统安全状态服务子单元的比对结果。
3.根据权利要求2所述的一种数控系统安全状态数字化映射装置，其特征在于，所述物理实体包括数控系统、伺服驱动、现场总线和PLC。
4.根据权利要求2所述的一种数控系统安全状态数字化映射装置，其特征在于，所述建模包括以下步骤：
虚拟映射数据作为虚拟映射模型输入，数控系统安全状态预测结果作为模型输出，通过神经网络、马尔科夫链、有限状态机方法中的一种建立虚拟模型。
5.一种数控系统安全状态数字化映射的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)无线数据传输装置发送物理实体设备安全状态数据至数控系统安全状态数字化映射装置；
步骤2)数控系统物理实体子单元将物理实体设备安全状态数据发送给数控系统数字化模型子单元和数控系统安全状态数据子单元；
步骤3)根据安全状态数据进行虚拟映射模型的建立；
步骤4)所述数控系统数字化模型子单元将虚拟映射模型的安全状态预测结果发送至数控系统安全状态数据子单元；
步骤5)数控系统安全状态数据子单元将接收到的数控系统物理实体子单元的安全状态数据、数控系统数字化模型子单元的安全状态预测结果发送至数控系统安全状态服务子单元进行分析比对；
步骤6)所述数控系统安全状态服务子单元进行分析比对的结果分别反馈给数控系统物理实体子单元和数控系统安全状态数据子单元；
步骤7)返回步骤2)直到分析比对结果到达预设值为止，得到最接近物理实体设备真实状态的最终虚拟映射模型，使数控系统数字化模型子单元真实反映出数控系统及连接的物理设备实体在工作过程中的安全运行状态；
步骤8)所述数控系统物理实体子单元接收最终虚拟映射模型的安全状态预测结果，用于采取相应措施；
步骤9)将最终虚拟映射模型的仿真运行过程以三维表现形式在信息显示装置中进行可视化呈现。
6.根据权利要求5所述的一种数控系统安全状态数字化映射的方法，其特征在于，所述步骤6)中的分析比对：使用数控系统数字化模型子单元所建立的虚拟映射模型输出的预测结果与数控系统物理实体子单元提供的安全状态数据进行比较，得到二者差值，判断该差值是否达到预设值；如果达到预设值，则表示完成最终虚拟映射模型的建立；如果未达到预设值，则表示继续迭代优化虚拟映射模型。
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