基于數字孿生的航空虛實聯合平臺構建系統、方法及平臺與流程

本發明涉及航空虛實聯合平臺構建領域，具體涉及一種基于數字孿生的航空虛實聯合平臺構建系統、方法及平臺。

背景技術：

1、數字孿生技術是一種通過虛擬模型和物理世界之間的實時數據連接來模擬、預測和優化現實世界系統的方法。它利用物聯網、大數據、人工智能等技術，將現實世界的物體、系統或過程映射到虛擬空間，實現實體與虛擬體之間的信息交流與協同。

2、在航空領域，數字孿生技術的應用可以顯著提升航空飛機的性能和可靠性。由于航空飛機運行環境多變，其性能與設計、制造等過程緊密相關，隨著控制系統和傳感器技術的發展，監測數據量急劇增長，數據呈現出高速、多源、異構等典型特征，當前的技術難以滿足航空飛機在動態多變環境下的狀態實時評估、預測的高精度需求。數字孿生技術憑借其多尺度、高保真的模型和全生命周期的數據管理能力，在虛擬空間內同步反映飛機的狀態。通過三維模型等可視化技術，數字孿生能夠直觀、形象地展示飛機的運行狀況。

技術實現思路

1、為解決上述現有技術的不足，本發明提出一種基于數字孿生的航空虛實聯合平臺構建系統、方法及該平臺，以期通過虛實結合的方式，進一步提高航空器的性能和可靠性，降低維護成本，并延長使用壽命。

2、具體地，一方面，本發明提供一種基于數字孿生的航空虛實聯合平臺構建系統，其包括虛擬模型構建模塊、物理屬性模擬和規則設置模塊、平臺可視化模塊、虛擬映射模塊、運行狀態監測模型構建模塊、性能評價模塊、狀態預測模塊以及檢修報告生成模塊；

3、所述虛擬模型構建模塊用于在3ds?max中建立航空飛機的虛擬模型并輸入至unity3d，所述虛擬模型構建模塊包括數據收集單元、模型形狀構造單元、初始飛機模型結構構建單元、飛機材質選擇單元、模型輸入單元以及航空環境模擬單元，所述數據收集單元用于收集航空飛機圖紙和參數數據；所述模型形狀構造單元用于在3ds?max中，使用基本幾何體工具創建模型的基本形狀，按照飛機圖紙中的參數數據調整基本幾何體的大小；所述初始飛機模型結構構建單元用于在基本幾何體的基礎上，使用3ds?max中的編輯工具，基于飛機圖紙對模型進行調整，構建初始飛機模型結構；所述飛機材質選擇單元用于在3ds?max中使用材質編輯器創建飛機各組件對應的材質并應用；所述模型輸入單元用于將3ds?max中創建的初始飛機模型結構導出為fbx格式并導入至unity3d中；航空環境模擬單元用于在unity3d中設置場景對真實航空環境進行模擬，場景包括天空盒、地面、背景和環境元素，使用unity的skybox材質模擬天空背景；在hierarchy面板中選擇3d?object下的terrain組件創建地形對象，生成默認地形模型，并通過terrain組件根據需求進行編輯；創建方向光模擬太陽光照，并調整方向光位置以模擬不同的時間光照效果；

4、所述物理屬性模擬和規則設置模塊用于對航空飛機本身具有的物理屬性和規律利用unity3d進行物理屬性模擬和規則設置，實現物理實體在虛擬環境中的體現；具體包括重力設置、物理材質設置以及攝像機系統設置，重力設置具體為在unity編輯器中，修改項目的物理設置調整全局重力；物理材質設置具體為通過physics?material定義物理材質，物理材質包括動態摩擦力、靜態摩擦力和彈力屬性；動態摩擦力的參數范圍設置為0到1之間，靜態摩擦力的參數范圍設置為0到1之間，彈力屬性的參數范圍設置為0.1到0.2之間；攝像機系統包括控制前進方向的擬人預制體和主攝像頭；

5、所述平臺可視化模塊用于搭建孿生平臺的可視化頁面；

6、所述虛擬映射模塊用于對各個航空飛機組件的交互和映射關系進行綁定和調試，設計交互功能并實現虛擬映射；

7、所述運行狀態監測模型構建模塊用于采集待預測部件的多源數據，依托informer模型，對模型進行訓練，實現對該部件運行狀態的預測；

8、所述性能評價模塊用于對預測模型的訓練結果進行性能評價；

9、所述狀態預測模塊用于保存預測模型后編寫動態鏈接庫并在平臺故障預測時調用所述動態鏈接庫實現航空飛機的狀態預測；

10、所述檢修報告生成模塊用于在完成狀態預測后，自動生成一份指導性檢修報告，所述指導性檢修報告能夠通過結合航空飛機3d組件，清晰標注出故障發生的具體區域。

11、優選地，所述平臺可視化模塊在unity3d中創建ui組件，用于展示數據和實現用戶交互，ui組件為text或button，通過調整ui元素的位置、大小和樣式得到預設可視化界面。

12、優選地，所述虛擬映射模塊在unity3d中通過c#腳本控制ui組件的行為和交互邏輯，首先，在unity編輯器中創建并配置ui組件，接著，創建一個c#腳本文件，并在其中定義公共方法來更新ui組件的內容，然后，將腳本附加到包含ui組件的航空組件對象上，并在inspector面板中設置腳本的公共字段，確保腳本能夠正確引用ui組件，最后，通過運行和測試來驗證腳本的功能，確保ui組件能夠按照預期響應交互。

13、優選地，所述運行狀態監測模型構建模塊采用informer模型對待預測部件信號進行預測，對預測結果進行診斷，informer模型包括編碼器和解碼器，所述編碼器用于從輸入的歷史時間序列數據中提取特征，所述解碼器用于將編碼器產生的高維特征映射為目標時間序列生成未來的時間序列預測。

14、優選地，所述性能評價模塊通過預測評價指標能夠評估預測結果的精度，所述性能評價模塊采用平均絕對誤差mae、均方根誤差rmse和決定系數r2評定預測結果的準確性；

15、平均絕對誤差mae通過計算預測值與實際觀測值之間差異的絕對值的平均值衡量誤差的大小，mae的計算公式如下：

16、

17、其中，yi為第i個觀測值，為所有觀測值的平均值，f(xi)為第i個觀測值的模型預測值，m為時間序列長；

18、均方根誤差rmse為觀測值與模型預測值之間差異的標準差，rmse的計算公式如下：

19、

20、r2為模型能夠解釋的實際觀測值與總觀測值之間的比例，r2的值由ssr、sst和sse三個參數決定，ssr為預測數據與真實數據均值之差的平方和，sst為真實數據和其均值之差的平方和，sse為真實數據和預測數據之差的平方和，sst＝ssr+sse；ssr、sst和sse三個參數的計算公式如下：

21、

22、決定系數r2的計算公式如下：

23、

24、r2的值越接近1，表示模型對數據的擬合越好。

25、優選地，生成檢修報告的具體步驟為：

26、創建故障標注，在故障位置添加一個紅色框或箭頭，當某組件被預測出故障時，標注開始閃爍；

27、定義一個檢修報告的模板，模板包含故障描述、檢修步驟和注意事項；

28、使用unity的screencapture.capturescreenshot方法截圖3d模型的故障標注視圖；

29、將從狀態監測系統獲取的運行狀態監測結果、預測結果以及3d模型的故障標注視圖填充到檢修報告模板；

30、利用itextsharp將填充好的檢修報告內容和截圖整合生成pdf格式的檢修報告。

31、優選地，另一方面，本發明提供一種基于數字孿生的航空虛實聯合平臺構建方法，其包括以下步驟：

32、s1、在3ds?max中建立航空飛機的虛擬模型并輸入至unity3d；

33、s2、對航空飛機本身具有的物理屬性和規律利用unity3d進行物理屬性模擬和規則設置，實現物理實體在虛擬環境中的體現；

34、s3、搭建孿生平臺的可視化頁面；

35、s4、對各個航空飛機組件的交互和映射關系進行綁定和調試，設計交互功能并實現虛擬映射；

36、s5、采集待預測部件的多源數據，依托informer模型，對模型進行訓練，實現對該部件運行狀態的預測；

37、s6、對預測模型的訓練結果進行性能評價；

38、s7、保存預測模型后編寫動態鏈接庫并在平臺故障預測時調用所述動態鏈接庫實現航空飛機的狀態預測；

39、s8、在完成狀態預測后，自動生成一份指導性檢修報告，所述指導性檢修報告能夠通過結合航空飛機3d組件，清晰標注出故障發生的具體區域。

40、優選地，步驟s1具體包括以下子步驟：

41、s11、收集航空飛機相關圖紙和數據；

42、s12、在3ds?max中，使用基本幾何體工具創建模型的基本形狀并進行調整，模型的基本形狀包括立方體、球體或圓柱體；

43、s13、在基本幾何體的基礎上，使用3ds?max中的編輯工具，對模型進行修改和調整，構建模型結構，修改和調整包括拉伸、旋轉及倒角；

44、s14、在3ds?max中使用材質編輯器創建各種不同材質，并通過貼圖和紋理增加模型細節；

45、s15、將3ds?max中創建的模型導出為fbx格式，并導入到unity3d中；

46、s16、在unity3d中設置場景，模擬真實航空環境，場景包括地面、背景和環境元素。

47、優選地，步驟s2具體包括以下子步驟：

48、s21、重力設置：在unity編輯器中，通過修改項目的物理設置調整全局重力，通過以下路徑訪問：edit→project?settings→physics找到gravity設置，修改其數值以調整全局重力效果，重力的初始值為-9.81；

49、s22、物理材質設置：通過physics?material定義物理材質，物理材質包括動態摩擦力、靜態摩擦力和彈力屬性；

50、s23、攝像機系統：攝像機系統包括控制前進方向的擬人預制體和主攝像頭，通過在預制體上端放置主攝像頭并相應調整角度模仿人眼視角。

51、第三方面，本發明提供一種基于數字孿生的航空虛實聯合平臺，航空虛實聯合平臺包括感知傳輸層、數據層、服務層和應用層，所述感知傳輸層通過各種傳感器收集數據并通過大數據、物聯網和云服務向數據層傳輸數據；所述數據層包括靜態數據庫、動態數據庫和知識文檔，靜態數據庫包括配置信息、歷史數據、業務數據以及專家經驗；動態數據庫包括機載監測數據、機載運維數據、集成數據和應急數據；知識文檔包括故障辭典、產品技術說明、診斷方法、指南、案例，維修手冊、章程以及案例；服務層包括數據存儲單元、讀取單元、可視化單元、文件下載單元、診斷單元、預測單元、報告生成單元、數據查詢單元、信息發布單元、更新同步單元以及信息瀏覽單元，應用層的可視化管理分為pc端顯示、移動端顯示和大屏顯示。

52、與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

53、(1)本發明搭建的航空虛實聯合平臺通過實時監控和預測分析，能夠提前發現潛在的故障和性能下降，從而采取預防措施，提高航空器的性能和可靠性。

54、(2)本發明搭建的航空虛實聯合平臺利用數字孿生技術使得維護工作更加精準，減少了不必要的檢查和維修，從而降低了維護成本和運營開支。

55、(3)本發明搭建的航空虛實聯合平臺提供的數據和分析結果能夠幫助決策者做出更加科學和精確的決策，提高運營效率。

56、(4)本發明搭建的航空虛實聯合平臺能夠模擬不同的環境條件，幫助航空器更好地適應多變的運行環境。

57、(5)本發明的搭建方法通過集成傳感器技術、大數據分析和人工智能算法，實現了對航空器性能的實時監控和預測性維護，從而顯著提升了航空器的運營效率和安全性。同時，平臺在完成狀態預測后，能夠自動生成一份指導性檢修報告，該報告能夠通過結合航空飛機3d組件，清晰圖像標注出故障發生的具體區域，以便維修人員直觀理解故障位置，為特定故障情況提供詳盡的注意事項和檢修步驟指導。