孫 濤

中煤電氣有限公司 北京 101300

0 引言

數(shù)字孿生技術(shù)目前在智能制造領(lǐng)域被廣泛的提及和關(guān)注,國(guó)際上著名工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)如GE、西門(mén)子正進(jìn)行研究和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在工程建設(shè)行業(yè),在煤礦數(shù)字化、智能化礦山、三維礦山領(lǐng)域也有了初步的嘗試但并未廣泛深入推進(jìn)。本文根據(jù)三維智能化礦山系統(tǒng)特性,以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ),系統(tǒng)性的進(jìn)行了模型設(shè)計(jì)、設(shè)備監(jiān)控、性能優(yōu)化等方面的研究,相關(guān)研究成果在實(shí)踐中取得了良好的使用效果,為進(jìn)一步的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 數(shù)字孿生概念

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù),集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。

對(duì)比傳統(tǒng)的數(shù)字仿真（Simulation）,數(shù)字孿生技術(shù)體系對(duì)物理設(shè)備數(shù)據(jù)采集過(guò)程的反饋準(zhǔn)確性、及時(shí)性和交互性提出更高的要求,導(dǎo)致數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展受限,進(jìn)入21世紀(jì),隨著信息技術(shù)的大力發(fā)展,數(shù)字孿生技術(shù)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦三維智能監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

我國(guó)煤礦綜合自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)由早期的自動(dòng)化綜合自動(dòng)化發(fā)展為數(shù)字化、智能化綜合自動(dòng)化平臺(tái),系統(tǒng)也由早期的二維綜合自動(dòng)化平臺(tái)到三維綜合自動(dòng)化平臺(tái)發(fā)展,而隨著三維綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在煤礦中的使用,數(shù)字孿生技術(shù)也開(kāi)始從簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備簡(jiǎn)單同步到目前的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與虛擬設(shè)備的精確交互,三維仿真技術(shù)的大力發(fā)展使得煤礦生產(chǎn)、掘金cad圖紙通過(guò)系統(tǒng)坐標(biāo)與三維仿真虛擬系統(tǒng)之間建立起了數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),從而使數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)綜合自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集鏈路實(shí)現(xiàn)煤礦三維綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)交互,進(jìn)而發(fā)展從具有三維可視化、數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦智能監(jiān)控平臺(tái)。

2.1 三維智能監(jiān)控平臺(tái)整體方案 三維智能監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)依然是基于煤礦綜合自動(dòng)化平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)分為三層（應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、設(shè)備層）組成,在應(yīng)用層使用三維可視化軟件通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù),以及生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)綜合構(gòu)成三維智能監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)用層。系統(tǒng)架構(gòu)如下:

2.2 三維組態(tài)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì) 采用組態(tài)化的三維智能監(jiān)控平臺(tái)軟件進(jìn)行煤礦三維自動(dòng)化設(shè)計(jì),通過(guò)建立三維模型、關(guān)聯(lián)采集數(shù)據(jù)、配置事件動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)三維可視化監(jiān)控、工藝流程可視化、設(shè)備三維可視化。

（1）三維可視化監(jiān)控。針對(duì)地面設(shè)施、地下巷道、房屋建筑、設(shè)備進(jìn)行建模。

進(jìn)行建筑建模:通過(guò)1:1比例精準(zhǔn)建模,準(zhǔn)確表示風(fēng)機(jī)房、變電所、洗選廠、主井、副井等廠房建筑;

進(jìn)行設(shè)備建模:準(zhǔn)確表示破碎機(jī)、皮帶、煤倉(cāng)、空壓機(jī)、通風(fēng)機(jī)等設(shè)備的工作狀態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù);

地形勘探建模:準(zhǔn)確展示三維巷道圖、皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)圖、礦井總貌圖。

（2）工藝流程可視化。設(shè)計(jì)具有矢量化360度,可隨意縮放,隨意旋轉(zhuǎn)的三維實(shí)時(shí)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控,場(chǎng)景漫游,故障定位,設(shè)備巡檢等功能。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維動(dòng)態(tài)效果,實(shí)現(xiàn)所見(jiàn)即所得的可視化效果,更加直觀形象的反映煤礦子系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)狀態(tài)以及運(yùn)行情況。

（3）設(shè)備三維可視化?？衫脴?biāo)準(zhǔn)的OPC服務(wù)器進(jìn)行模型與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交互,配置三維對(duì)象的大小變化,位置移動(dòng),旋轉(zhuǎn),隱藏/顯示等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿真動(dòng)畫(huà)或多種動(dòng)畫(huà)組合的方式,實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)再現(xiàn)。OPC UA高速數(shù)據(jù)采集可以保證系統(tǒng)仿真與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的同步性和動(dòng)作一致性,實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)完全一致的監(jiān)控效果。

2.3 數(shù)字孿生交互設(shè)計(jì) 由于三維智能監(jiān)控平臺(tái)的建立,使得數(shù)字孿生技術(shù)可以在煤礦智能監(jiān)控平臺(tái)中真正發(fā)揮重要作用,通過(guò)建立三維坐標(biāo)體系,將系統(tǒng)三維模型坐標(biāo)與真實(shí)設(shè)備建立虛擬標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)體系,通過(guò)對(duì)模型對(duì)象的渲染,配色、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)按真實(shí)設(shè)備進(jìn)行仿真,關(guān)聯(lián)動(dòng)作和事件,通過(guò)動(dòng)態(tài)展現(xiàn)體現(xiàn)真實(shí)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

（1）建立時(shí)空坐標(biāo)體系,將虛擬設(shè)備與現(xiàn)實(shí)設(shè)備1:1建模。設(shè)計(jì)時(shí)空坐標(biāo)體系,每個(gè)對(duì)象由點(diǎn)、線、面組成,形成以對(duì)象（Objs）,頂點(diǎn)（Verts）,UVs（貼圖）,Tris（三角面）,Center坐標(biāo)軸（x,y,z）組成的全方位坐標(biāo)體系,通過(guò)與真實(shí)設(shè)備的空間坐標(biāo)（x,y,z）與設(shè)備大小（width,length）進(jìn)行1:1關(guān)聯(lián)建模,實(shí)現(xiàn)完全的虛擬與現(xiàn)實(shí)設(shè)備對(duì)應(yīng)。

設(shè)計(jì)基本模型庫(kù),具備矩形、原型、平面、多邊形、管道等基本形狀組成各個(gè)原型的基本模型,通過(guò)不同模型組合、組態(tài)形成三維仿真模型設(shè)計(jì)。

（2）建立動(dòng)態(tài)采集鏈路,將虛擬設(shè)備與現(xiàn)實(shí)設(shè)備數(shù)據(jù)同步展示。三維智能監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)協(xié)議,如Modbus、OPC、Logic Ethernet等,通過(guò)簡(jiǎn)易配置即可從現(xiàn)場(chǎng)控制器中獲取破碎機(jī)、皮帶、煤倉(cāng)、空壓機(jī)、通風(fēng)機(jī)等各種設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài),同時(shí)還提供與設(shè)備通訊的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、鏈路的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè),包括鏈接超時(shí)、讀寫(xiě)反饋、發(fā)包次數(shù)等。

在三維智能監(jiān)控平臺(tái)軟件中通過(guò)三維對(duì)象連接采集數(shù)據(jù),將采集數(shù)據(jù)通過(guò)動(dòng)態(tài)連接方式以大?。╯ize）、位置（location）、旋轉(zhuǎn)（rotation）、隱藏（hide）、可用性（disable）、顏色（color）等動(dòng)態(tài)事件使采集數(shù)據(jù)源以數(shù)字孿生方式關(guān)聯(lián)到現(xiàn)實(shí)設(shè)備實(shí)際數(shù)據(jù)。

通過(guò)連接實(shí)際數(shù)據(jù)仿真風(fēng)扇頁(yè)面旋轉(zhuǎn)動(dòng)作,當(dāng)監(jiān)測(cè)到風(fēng)扇實(shí)際運(yùn)行時(shí),通過(guò)動(dòng)態(tài)事件連接,通過(guò)三維仿真將采集信號(hào)同步到三維智能監(jiān)控平臺(tái)中,觸發(fā)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)效果:

圖1 三維智能監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

（3）建立數(shù)據(jù)庫(kù)后臺(tái),實(shí)現(xiàn)多維度數(shù)據(jù)分析。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集,不光用于前臺(tái)三維展示界面,還用于后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、分析、處理,三維智能監(jiān)控平臺(tái)配備的工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)以及集成的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù),將工業(yè)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)與關(guān)系分析結(jié)合起來(lái),形成獨(dú)特的數(shù)字孿生后臺(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)。

三維智能監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)將除了對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄,還具備數(shù)據(jù)管理和歸檔技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)故障情況下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā),保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全;采用旋轉(zhuǎn)門(mén)壓縮技術(shù)的高性能的磁盤(pán)存儲(chǔ)和內(nèi)存存儲(chǔ)方式保證了數(shù)據(jù)查詢的便捷和效率,相對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)可以節(jié)省90%的磁盤(pán)空間?？梢詫⒉杉l(fā)送的數(shù)據(jù)一方面在實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)以供歷史趨勢(shì)分析,另一方面它可以完成對(duì)煤礦綜合自動(dòng)化應(yīng)用服務(wù)器中設(shè)置的生產(chǎn)事件模型進(jìn)行觸發(fā)。

在數(shù)字孿生技術(shù)方面,三維智能監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)具有復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析功能,能執(zhí)行高級(jí)分析算法,具備追溯SPC（統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制）/SQC（統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制）信息,可追溯到上一次維護(hù)后的計(jì)數(shù)信息,具備動(dòng)態(tài)/加權(quán)平均方式,可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的KPI計(jì)算。

通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算公式和分析算法,將煤礦子系統(tǒng)虛擬設(shè)備與真實(shí)設(shè)備之間建立關(guān)聯(lián),用分析算法預(yù)測(cè)設(shè)備壽命、設(shè)備維護(hù)情況、設(shè)備運(yùn)行分析等方式監(jiān)控設(shè)備生命周期。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在煤礦三維智能監(jiān)控平臺(tái)中的使用意義和效果

采用數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦三維智能監(jiān)控平臺(tái)將虛擬設(shè)備與現(xiàn)實(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了三維仿真交互,通過(guò)形象化的立體展示將虛擬設(shè)備以組態(tài)化的方式實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)仿真,利用數(shù)據(jù)庫(kù)全面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、維護(hù),與傳統(tǒng)的煤礦綜合自動(dòng)化相比,基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦三維智能監(jiān)控平臺(tái)具有更前言的技術(shù),利用前沿技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速穩(wěn)定采集、虛擬設(shè)備更形象化仿真現(xiàn)實(shí)設(shè)備、利用數(shù)據(jù)孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備生命周期監(jiān)測(cè)、分析、預(yù)測(cè)。

圖2 設(shè)備運(yùn)行生命周期分析設(shè)計(jì)

通過(guò)本文的論述和系統(tǒng)設(shè)計(jì),基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦三維智能監(jiān)控平臺(tái)是近年煤礦自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)中不可或缺的一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用,對(duì)于煤礦智能化礦山建設(shè)有建設(shè)指導(dǎo)意義。