厲琦

摘要：本文對(duì)數(shù)字孿生概念設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并在孿生技術(shù)支持下進(jìn)行采煤機(jī)智能工作面孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)平臺(tái)開發(fā)等方面。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果可知，該系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備空間姿態(tài)、開采環(huán)境、實(shí)時(shí)工況等進(jìn)行全面數(shù)據(jù)化展示，使采煤場(chǎng)智能化工作面的監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)煤炭智能、綠色、高效的開采和利用成為主流趨勢(shì)。近年來，數(shù)字孿生技術(shù)成為智能制造的研究熱點(diǎn)，為煤炭行業(yè)智能化建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，促進(jìn)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(jì)特點(diǎn)

數(shù)字孿生屬于虛擬世界中對(duì)現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)品全要素的模擬，體現(xiàn)在產(chǎn)品的各個(gè)生命階段，為設(shè)計(jì)者提供一種新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。在傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)中，主要以模塊化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)進(jìn)行方案決策，再借助大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)孿生和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)，打破時(shí)空限制，用戶參與時(shí)間延長(zhǎng)，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(jì)特點(diǎn)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(jì)者產(chǎn)品等級(jí)確定、思維轉(zhuǎn)變提供依據(jù);

模塊化設(shè)計(jì)支持概念設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方案的決策包括三項(xiàng)內(nèi)容，一是以性能為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)，二是以制造為導(dǎo)向設(shè)計(jì)，三是以服務(wù)為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)。對(duì)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(jì)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(jì)系統(tǒng)中制造出成本更低的服務(wù)，使市場(chǎng)的個(gè)性化需求得到充分滿足[1];

大數(shù)據(jù)支持平臺(tái)。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(jìn)需求分析質(zhì)量提升，使分析結(jié)果更加客觀可靠。同時(shí)，數(shù)字孿生產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析還有助于設(shè)計(jì)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(jī)智能工作面孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以采煤機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合該設(shè)備工作面的監(jiān)控特點(diǎn)，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(jì)出一套具有三維展示、運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)管、異常操作報(bào)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(jì)

在孿生監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)滲透到各個(gè)階段，整體架構(gòu)分為四個(gè)層次，即現(xiàn)場(chǎng)層、邊緣層、平臺(tái)層與實(shí)踐層，分別具備數(shù)據(jù)采集、傳輸、設(shè)計(jì)和交互功能。在現(xiàn)場(chǎng)層中，包括采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、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(chǎng)總線連接;在平臺(tái)層中，具有異常診斷、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信;在實(shí)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(tái)層進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。

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(cè)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不但是孿生體映射物理實(shí)體、監(jiān)控對(duì)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(cè)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為緩解系統(tǒng)傳輸壓力，促進(jìn)硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)化，使系統(tǒng)更加靈活。在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和整合時(shí)，還應(yīng)對(duì)其過濾處理，篩選出有價(jià)值的信息傳遞給上層平臺(tái)。邊緣節(jié)點(diǎn)重點(diǎn)還可憑借工業(yè)以太網(wǎng)、傳感器、控制器等進(jìn)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(chǔ)備用[2]。

2.3監(jiān)測(cè)平臺(tái)開發(fā)

該平臺(tái)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(tái)開發(fā)包括以下內(nèi)容。

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

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(shí)、傳感器狀態(tài)異常等情況。對(duì)此，應(yīng)采用驅(qū)動(dòng)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)設(shè)備間的約束關(guān)系進(jìn)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(jìn)行修復(fù);

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)。結(jié)合工作面智能化開采需求，利用孿生技術(shù)對(duì)系統(tǒng)人機(jī)交互界面進(jìn)行UI設(shè)計(jì)。對(duì)采煤機(jī)記憶截割、液壓支架、采煤機(jī)滾筒等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(chǎng)景進(jìn)行詳細(xì)展示，如旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、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(shí)踐

以某地區(qū)煤炭開采工作面為研究對(duì)象，引入智能工作面孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)型號(hào)為MG900/2550-GWD采煤機(jī)、型號(hào)為ZY15000液壓支架進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以智能化集控中心為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)的應(yīng)用可對(duì)設(shè)備空間姿態(tài)、開采環(huán)境、實(shí)時(shí)工況等進(jìn)行全面數(shù)據(jù)化展示，并與視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步開展，使該采煤場(chǎng)的智能化工作面監(jiān)測(cè)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(cè)、生產(chǎn)監(jiān)控提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。在實(shí)際應(yīng)用中，通過孿生技術(shù)仿真分析，可對(duì)設(shè)備異常物理狀態(tài)進(jìn)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(cè)需求，在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下達(dá)到降低調(diào)試成本，促進(jìn)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(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用[J].工業(yè)計(jì)量，2021，31（6）：5.

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