厲琦

摘要：本文對數(shù)字孿生概念設(shè)計特點進行分析，并在孿生技術(shù)支持下進行采煤機智能工作面孿生三維監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測平臺開發(fā)等方面。根據(jù)實際應(yīng)用結(jié)果可知，該系統(tǒng)可對設(shè)備空間姿態(tài)、開采環(huán)境、實時工況等進行全面數(shù)據(jù)化展示，使采煤場智能化工作面的監(jiān)測效果得到極大提升。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生技術(shù);三維監(jiān)測系統(tǒng);系統(tǒng)架構(gòu)

引言：在供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革逐漸深入下，國內(nèi)煤炭工業(yè)逐漸從追求速度過渡到追求質(zhì)量。在數(shù)字化礦山基礎(chǔ)上，利用新一代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)，實現(xiàn)煤炭智能、綠色、高效的開采和利用成為主流趨勢。近年來，數(shù)字孿生技術(shù)成為智能制造的研究熱點，為煤炭行業(yè)智能化建設(shè)提供強有力的技術(shù)支持，促進工作面監(jiān)控質(zhì)量和水平的全面提升。

1數(shù)字孿生概念設(shè)計特點

數(shù)字孿生屬于虛擬世界中對現(xiàn)實世界產(chǎn)品全要素的模擬，體現(xiàn)在產(chǎn)品的各個生命階段，為設(shè)計者提供一種新的技術(shù)實現(xiàn)方式。在傳統(tǒng)概念設(shè)計中，主要以模塊化設(shè)計為基礎(chǔ)進行方案決策，再借助大數(shù)據(jù)平臺對孿生和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行管理。在數(shù)字孿生誕生后，不但可為用戶提供充分參與產(chǎn)品方案規(guī)劃的渠道，企業(yè)還可在虛擬社區(qū)內(nèi)與用戶互動，打破時空限制，用戶參與時間延長，效率也得到顯著提升。在數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用中，其概念設(shè)計特點體現(xiàn)在以下方面。

意圖概念生成。數(shù)字孿生擁有豐富的數(shù)據(jù)支持，包括用戶信息、產(chǎn)品功能參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)等等，可為設(shè)計者產(chǎn)品等級確定、思維轉(zhuǎn)變提供依據(jù);

模塊化設(shè)計支持概念設(shè)計。該設(shè)計方案的決策包括三項內(nèi)容，一是以性能為導(dǎo)向的設(shè)計，二是以制造為導(dǎo)向設(shè)計，三是以服務(wù)為導(dǎo)向的設(shè)計。對于前兩者來說，均是通過探尋服務(wù)組件、物理組件使設(shè)計目標(biāo)得到滿足，通過規(guī)劃上述需求，使用戶更加滿意，為制造商謀取更多效益;第三種是根據(jù)最佳需求方案，在設(shè)計系統(tǒng)中制造出成本更低的服務(wù)，使市場的個性化需求得到充分滿足[1];

大數(shù)據(jù)支持平臺。數(shù)字孿生擁有海量信息，包括圖紙文庫、基本數(shù)據(jù)庫、模塊庫等，可為產(chǎn)品元件構(gòu)成和相互作用提供依據(jù)，還可有效預(yù)防異常情況的產(chǎn)生，促進需求分析質(zhì)量提升，使分析結(jié)果更加客觀可靠。同時，數(shù)字孿生產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析還有助于設(shè)計者把握問題本質(zhì)，剖析問題成因，便于找尋解決途徑。

2采煤機智能工作面孿生三維監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

以采煤機為研究對象，結(jié)合該設(shè)備工作面的監(jiān)控特點，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)流程中，與三維虛擬展示技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出一套具有三維展示、運行數(shù)據(jù)監(jiān)管、異常操作報警等功能的智能監(jiān)控系統(tǒng)，為煤炭開采提供輔助作用。

2.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在孿生監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)驅(qū)動滲透到各個階段，整體架構(gòu)分為四個層次，即現(xiàn)場層、邊緣層、平臺層與實踐層，分別具備數(shù)據(jù)采集、傳輸、設(shè)計和交互功能。在現(xiàn)場層中，包括采煤機、液壓支架、刮板輸送機、智能集控系統(tǒng)等內(nèi)容;邊緣層的作用在于數(shù)據(jù)整合和過濾，依靠以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線連接;在平臺層中，具有異常診斷、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)重演、開采仿真模擬等功能，并創(chuàng)建了數(shù)據(jù)庫，可與邊緣層之間進行網(wǎng)絡(luò)通信;在實踐層中，包括三維姿態(tài)展示、數(shù)據(jù)模型融合展示、控制工藝虛擬仿真等內(nèi)容，可與平臺層進行數(shù)據(jù)驅(qū)動。

2.2數(shù)據(jù)采集

工作面和監(jiān)控系統(tǒng)的銜接由數(shù)據(jù)來完成，這也是數(shù)字孿生監(jiān)測平臺的基礎(chǔ)所在。在數(shù)據(jù)采集方面，通過設(shè)備中可靠傳感器、控制系統(tǒng)來實現(xiàn)?，F(xiàn)場設(shè)備不但是孿生體映射物理實體、監(jiān)控對象，還是本系統(tǒng)重要的信息來源。與現(xiàn)有設(shè)備相比，數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器功能更豐富，除基本功能之外，還可感應(yīng)到設(shè)備空間姿態(tài)，為模型三維定位、運動展示、姿態(tài)展示等提供數(shù)據(jù)支持。工作面設(shè)備數(shù)量較多，每個設(shè)備都配備相應(yīng)的傳感器，全部數(shù)據(jù)均支持在線實時監(jiān)測，為緩解系統(tǒng)傳輸壓力，促進硬件系統(tǒng)簡化，使系統(tǒng)更加靈活。在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和整合時，還應(yīng)對其過濾處理，篩選出有價值的信息傳遞給上層平臺。邊緣節(jié)點重點還可憑借工業(yè)以太網(wǎng)、傳感器、控制器等進行信息采集、處理，再通過網(wǎng)絡(luò)通信傳遞到孿生監(jiān)控系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲備用[2]。

2.3監(jiān)測平臺開發(fā)

該平臺通過三維模型展示、參數(shù)監(jiān)控等方式，將設(shè)備空間姿態(tài)在虛擬環(huán)境下展示出來，為生產(chǎn)者提供監(jiān)控輔助，平臺開發(fā)包括以下內(nèi)容。

煤機設(shè)備精準(zhǔn)建模。在孿生三維系統(tǒng)基礎(chǔ)上，與實際設(shè)備進行1：1制作，結(jié)合實際情況創(chuàng)建配套的工作面;三維模型根據(jù)采煤機、傳動部、液壓支架等設(shè)備，利用Autodesk軟件進行三維建模;

數(shù)據(jù)驅(qū)動算法開發(fā)。因礦井下環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備很容易受到干擾，出現(xiàn)傳輸延時、傳感器狀態(tài)異常等情況。對此，應(yīng)采用驅(qū)動算法進行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)設(shè)備間的約束關(guān)系進行工藝控制，判斷數(shù)據(jù)是否存在異常。如若偏離標(biāo)準(zhǔn)值，則說明傳感器狀態(tài)異常，應(yīng)采取有效措施進行修復(fù);

監(jiān)測系統(tǒng)界面設(shè)計。結(jié)合工作面智能化開采需求，利用孿生技術(shù)對系統(tǒng)人機交互界面進行UI設(shè)計。對采煤機記憶截割、液壓支架、采煤機滾筒等進行監(jiān)測，包括關(guān)鍵區(qū)域展示、設(shè)備展示等，并結(jié)合工作面定位情況調(diào)整跟蹤視角。在三維可視化交互應(yīng)用下，可將設(shè)備場景進行詳細(xì)展示，如旋轉(zhuǎn)、移動、縮放等，為生產(chǎn)控制人員提供方便快捷的監(jiān)控操作。

2.4應(yīng)用實踐

以某地區(qū)煤炭開采工作面為研究對象，引入智能工作面孿生三維監(jiān)測系統(tǒng)，對型號為MG900/2550-GWD采煤機、型號為ZY15000液壓支架進行監(jiān)測，以智能化集控中心為基礎(chǔ)進行數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)的應(yīng)用可對設(shè)備空間姿態(tài)、開采環(huán)境、實時工況等進行全面數(shù)據(jù)化展示，并與視頻監(jiān)測系統(tǒng)同步開展，使該采煤場的智能化工作面監(jiān)測效果得到極大提升。

結(jié)束語：綜上所述，在煤炭行業(yè)智能化工作面生產(chǎn)中，數(shù)字孿生技術(shù)的誕生為設(shè)備監(jiān)測、生產(chǎn)監(jiān)控提供了強大的技術(shù)支持。在實際應(yīng)用中，通過孿生技術(shù)仿真分析，可對設(shè)備異常物理狀態(tài)進行準(zhǔn)確診斷，將監(jiān)控信息直觀全面的展示給監(jiān)控人員，充分滿足各層次的監(jiān)測需求，在數(shù)據(jù)驅(qū)動下達(dá)到降低調(diào)試成本，促進工作效率提升的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王浩，賀倩筠，賀子洋，等.基于數(shù)字孿生技術(shù)的"四線一庫"自動運維系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用[J].工業(yè)計量，2021，31（6）：5.

[2]龔曉燕，雷可凡，吳群英，等.數(shù)字孿生驅(qū)動的掘進工作面出風(fēng)口風(fēng)流智能調(diào)控系統(tǒng)[J].煤炭學(xué)報，2021（06）：32.