东南大学刘晓军教授：面向数字孪生的虚拟传感器模型构建方法
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论文题目面向数字孪生的虚拟传感器模型构建方法
引用信息王崇鑫，刘晓军，孙洋，冯锋意，朱长彪，李超.面向数字孪生的虚拟传感器模型构建方法.计算机集成制造系统，2025，31(7):2365-2377.DOI:10.13196/j.cims.2024.0590
论文作者王崇鑫1，刘晓军1（通讯作者），
孙洋1，冯锋意1，朱长彪1,2，
李超3
作者单位1.东南大学机械工程学院
2.安徽电缆股份有限公司
3.南京玻璃纤维研究设计院
基金资助南京市重大科技专项资助项目（202309008）
论 文 简 介1研究背景随着数字孪生技术的不断发展，制造业对数据采集与反馈的精度和实时性的需求日益增强。数字孪生系统的核心之一就是连接模型的构建，它要求各个组成部分高度精确地互联，确保系统的实时数据更新与反馈。然而，在复杂生产环境中，如何有效采集大量且多样化的数据，尤其是一些难以直接测量的虚拟空间数据，仍然是一个巨大的技术挑战。传统传感器在物理空间中的感知能力虽然较强，但面对行为信息、规则信息以及虚拟空间中的动态变化时，往往存在局限。虚拟传感器作为一种新兴的技术，提供了超越传统物理传感器的解决方案，尤其是在数据采集范围方面，弥补了物理传感器的不足。虚拟传感器最初通过数学模型或算法来估计和预测那些难以直接测量的物理量或过程参数。随着计算能力的提升，虚拟传感器的研究逐渐涉及到多种模型和方法，包括基于物理模型、统计模型和机器学习模型的虚拟传感器。然而，它们的应用仍然面临着信息采集范围有限、建模复杂等挑战。因此，如何构建一个适应复杂生产环境并能够高效采集多维信息的虚拟传感器，实现虚实信息采集，支撑数字孪生连接模型的构建，成为目前亟需解决的关键问题。2研究工作本文提出了一种面向数字孪生技术的虚拟传感器构建方法，旨在通过构建的虚拟传感器，帮助实现数字孪生连接模型的构建。该方法通过本体论法构建了虚拟传感器的统一结构，定义了虚拟传感器的本体特征、转化模块和关联特性等核心组成部分，为数字孪生系统中各组件的连接和数据交互提供了标准化框架。基于这些构建框架，本文提出了“三化三可”六大构建准则，即精准化、标准化、简易化、可交互、可融合和可合并，这些准则确保虚拟传感器能够高效、灵活地应用于各种实际场景中，并能够通过模块化设计支持数字孪生连接模型的构建。虚拟传感器通过六大构建准则，提升了数据采集的准确性、效率和系统协同能力，有力支撑了复杂数字孪生连接模型的构建。在此基础上，本文总结出3种不同的信息采集方式，能够根据不同的应用需求快速构建多种类型的虚拟传感器模型。最后，在虚拟传感器应用与验证方面，本文将虚拟传感器应用于电缆生产线的温度监控，并验证了其在实际生产环境中的有效性和可靠性。3主要创新点本文的主要创新点体现在以下几个方面：1.统一的虚拟传感器模型：基于本体论法构建了虚拟传感器的统一模型，涵盖了本体特征、转化模块和关联特性，为虚拟传感器的快速构建提供了基础框架。2.虚拟传感器的“三化三可”构建准则：提出了精准化、标准化、简易化、可交互、可融合和可合并的六大构建准则，为虚拟传感器的设计与应用提供了理论支撑，确保了其在复杂连接模型中的高效性和灵活性。3.多样化的构建方法：根据不同的信息采集需求，提出了基于物理方程、基于语义化描述和基于神经网络训练的3种虚拟传感器构建方法，能够适应不同类型的数据采集需求。4.虚拟传感器在实际生产中的应用验证：通过对电缆生产线的实际应用案例进行验证，证明了所提出方法在提高生产效率和产品质量方面的有效性。4研究结论本文研究提出了一种面向数字孪生的虚拟传感器构建方法，成功解决了传统传感器在多维数据采集中的局限性，尤其是在虚拟空间和行为规则感知方面的挑战。通过设计统一的虚拟传感器结构和构建准则，本文不仅提升了虚拟传感器的适用性和灵活性，还为数字孪生连接模型的构建提供了重要支撑。具体结论如下：1.构建准则与方法的有效性：所提出的“三化三可”构建准则为虚拟传感器的设计提供了系统的框架，确保了其精确性、标准化和高效性，进而为数字孪生连接模型提供了可操作的基元。2.多源数据的采集能力：通过结合虚拟传感器的3种构建方法，本文成功实现了对多种类型数据的采集，包括几何信息、物理信息和行为规则信息，拓宽了数据采集的范围，为数字孪生连接模型中的多维数据融合提供了支持。3.应用案例验证：以电缆生产线为例，应用虚拟传感器技术成功提升了生产过程的实时监控和质量控制，显著提高了生产线的管理效率和产品合格率，验证了虚拟传感器在实际数字孪生连接模型中的应用价值。该方法不仅能够在实际生产环境中有效应用，还为数字孪生系统的精确建模和实时监控提供了强有力的支持。虚拟传感器的高度模块化、可拓展的特性为复杂数字孪生连接模型的构建提供了灵活的支撑，未来的工作可以继续探索如何进一步提高虚拟传感器的精确度和计算效率，推动其在更多复杂场景中的应用。https://mp.toutiao.com/mp/agw/article_material/open_image/get?code=NDM3Y2QxZWEwYzAwYmI3ZWEwYjNhOThhOTI5ODYyMWUsMTc2NjMyMzMzMzQzMA==
方法总体框架
主创团队简介https://mp.toutiao.com/mp/agw/article_material/open_image/get?code=N2YxMDkxMmM4YmY4ZTBiMjgxYzkyMjAyZjMyMGM0M2EsMTc2NjMyMzMzMzQzMA==
刘 晓 军东南大学机械工程学院副院长教授博士生导师教育部新型光源技术与设备工程研究中心主任，江苏省高档数控机床及成套装备制造业创新中心副主任，中国图学学会数字孪生专业委员会副主任委员，数字孪生国际期刊Digital Engineering编委，Digital Twin 国际咨询委员。长期从事数字孪生和高性能装配方向的研究工作，获国家科技进步二等奖1项、江苏省行业领域优秀科技进展1项、江苏省科学技术二等奖2项、中国机械工程学会二等奖1项，主持了国家重点研发计划、领域重点基金、装发共性技术、国家自然科学基金联合项目、南京市重大科技专项等20余项。近五年在J. Manuf. Syst.、Adv. Eng. Inform.、Int. J. Prod. Res.等期刊发表论文10余篇，获2024年江苏省自然科学百篇优秀学术成果1篇，授权发明专利20余项（转让或独占许可3项），制订数字孪生相关团体标准3项。编写《基于MBD的三维装配工艺设计技术》、《数字孪生驱动的高精度装配》等课程教材。E-mail:liuxiaojun@seu.edu.cn
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