徐善永，白善文，黃友銳，2，韓 濤

(1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.皖西學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

隨著“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”的不斷深入，煤礦逐步向數(shù)字化、智能化方向飛速發(fā)展。數(shù)字孿生作為一門綜合多學(xué)科、多尺度、多概率的復(fù)雜系統(tǒng)仿真技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)物理模型和孿生模型的完整映射，為實現(xiàn)物理世界和信息世界的融合以及指導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)、裝配等過程提供了有效的解決方案[2]。礦井提升機作為煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其系統(tǒng)中各類子系統(tǒng)種類多、設(shè)備型號繁雜[3]，作為一個長期周期性運行的系統(tǒng)，設(shè)備能耗大、可靠性要求高，其提升機頻繁啟動、制動[4]，導(dǎo)致部分設(shè)備損耗快需要經(jīng)常更換，新老設(shè)備間信息數(shù)據(jù)完備性低、信息交互滯后，會形成信息孤島現(xiàn)象。因此需要解決礦井提升機系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)難以互聯(lián)互通的問題。

數(shù)字孿生的核心是建模和數(shù)據(jù)交互[5]，國內(nèi)外許多學(xué)者對多源異構(gòu)信息收集、輕量化以及數(shù)字孿生模型構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)開展了研究工作，聶志等[6]為攻克離散的車間生產(chǎn)流程中對零部件的實時位置追蹤、生產(chǎn)流程信息跟蹤的難題，采用超高頻射頻、二維碼和物聯(lián)方式的信息收集和處理解決方案；丁凱等[7]從多維多尺度智能制造空間角度，根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)的實施設(shè)計邏輯，深入研究了智能制造空間的虛實映射建模方式、復(fù)雜性多維時間域下的智能制造過程及數(shù)據(jù)分析模型方法；Greyce[8]則對于實現(xiàn)建模和通信的通用性，給出了基于AutomationML的數(shù)學(xué)模型建模方法和通用數(shù)據(jù)信息交互技術(shù)。

信息集成與互聯(lián)互通是消除信息孤島的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9]。OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OLE for Process Control Unified Architecture，OPC UA)作為一套安全、可靠用于工業(yè)通信的數(shù)據(jù)交互規(guī)范的平臺[10]，能夠建立語義一致的信息模型實現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)之間的信息集成和互聯(lián)互通。通過OPC UA技術(shù)配合現(xiàn)有的生產(chǎn)管控系統(tǒng)來實現(xiàn)物理世界中“人-機-物-環(huán)境”的互聯(lián)共融，為推動數(shù)字孿生運轉(zhuǎn)提供一種解決辦法。

因此，本文基于OPC UA對數(shù)字孿生礦井提升系統(tǒng)信息模型進行研究。依據(jù)人、機、物、環(huán)境四類多源、多維度異構(gòu)數(shù)據(jù)構(gòu)建提升機系統(tǒng)OPC UA信息交互網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析滿足礦井提升機要求的功能模型和信息流，提出適用于礦井提升機系統(tǒng)的信息建模方法。通過搭建的數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺驗證礦井提升系統(tǒng)信息模型的可行性。

1 基于OPC UA的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)集成框架

1.1 OPC UA架構(gòu)

經(jīng)典OPC以COM/DCOM為基礎(chǔ)提供用于工業(yè)自動化的數(shù)據(jù)交換的規(guī)范，其中OPC數(shù)據(jù)存取(DA)、OPC報警和事件(A&E)以及OPC歷史數(shù)據(jù)存取(HDA)已被以工業(yè)自動化為目標(biāo)的系統(tǒng)所實現(xiàn)。為了從落后的COM/DCOM技術(shù)向面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)的技術(shù)遷移，OPC基金會發(fā)布了OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)作為最新一代OPC規(guī)范。OPC UA規(guī)范不再是基于COM/DCOM技術(shù)，因此OPC UA可以在Windows、Linux、PLC、ARM等其他的嵌入式平臺中實現(xiàn)。

OPC UA的基礎(chǔ)組件是傳輸機制和信息建模[11-12]。OPC UA在傳輸中可通過XML格式或者二進制格式來傳輸，并且可選擇并兼容更多通用的IT通信協(xié)議，比如HTTPS。OPC UA建模是節(jié)點以及節(jié)點之間的引用。其中節(jié)點分為變量、對象、方法等8個節(jié)點類型，屬性被用來描述節(jié)點，一個節(jié)點可以有不同的屬性集，如圖1所示。引用作為兩個節(jié)點之間的連接，只能間接地通過瀏覽節(jié)點訪問。

圖1 節(jié)點和節(jié)點之間的引用

1.2 提升系統(tǒng)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)集成體系架構(gòu)

物理世界是數(shù)字孿生的重要組成，包括了人員、設(shè)備、環(huán)境等客觀實體以及在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)。采用OPC UA技術(shù)對礦井提升系統(tǒng)所有生產(chǎn)要素進行統(tǒng)一建模和數(shù)據(jù)傳輸，從而增強礦井提升系統(tǒng)生產(chǎn)運行中實時感知信息的能力，推動數(shù)字孿生系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)。依據(jù)系統(tǒng)功能的應(yīng)用需求，礦井提升系統(tǒng)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)集成體系可以劃分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層三個層次，如圖2所示。

圖2 提升系統(tǒng)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)集成體系架構(gòu)

感知層利用PLC設(shè)備、電壓傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等各類傳感器實時自動采集現(xiàn)場設(shè)備運行參數(shù)，以及對提升機、液壓站、各類電機等礦井生產(chǎn)現(xiàn)場中的物理設(shè)備生產(chǎn)要素實時采集，獲取人、機、物、環(huán)境等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。由于提升系統(tǒng)各機電設(shè)備有著相對獨立的網(wǎng)口、串口以及廠商自定義的數(shù)據(jù)獲取方式，如串行通信技術(shù)有RS232、RS485等；現(xiàn)場總線通信技術(shù)有AN、LonWorks、ProfiBus等。物理接口、通信協(xié)議等語義的異構(gòu)性，使設(shè)備與設(shè)備之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間有著信息壁壘，所以采用OPC UA通信協(xié)議來解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的問題。

傳輸層采用OPC UA通信協(xié)議對感知層中不同物理設(shè)備所產(chǎn)生的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)建立標(biāo)準化的信息模型，解決信息數(shù)據(jù)完備性低以及信息交互滯后等形成的信息孤島問題，實現(xiàn)礦井提升機系統(tǒng)在語義上的互聯(lián)互通。傳輸層主要通過對礦井提升機系統(tǒng)的整體信息模型進行構(gòu)建，對各物理設(shè)備的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一化、標(biāo)準化的信息模型。根據(jù)OPC UA建模和傳輸?shù)奶攸c，將標(biāo)準化信息模型結(jié)合地址空間模塊與采集的規(guī)范化數(shù)據(jù)構(gòu)建出OPC UA服務(wù)器的地址空間，并對信息模型進行實例化，而后通過OPC UA服務(wù)器完成物理模型與孿生模型地址空間數(shù)據(jù)映射，將OPC UA客戶端直接集成于數(shù)字孿生服務(wù)平臺，為數(shù)字孿生的服務(wù)與數(shù)據(jù)采集提供統(tǒng)一的通訊架構(gòu)。

應(yīng)用層通過OPC UA客戶端與OPC UA服務(wù)器連接實現(xiàn)對礦井提升機物理設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)的統(tǒng)一訪問。利用Unity3D構(gòu)建礦井提升機孿生模型，并基于傳輸層的數(shù)據(jù)支持，保持與物理信息融合結(jié)果的一致性。通過OPC UA客戶端獲得具有標(biāo)準的數(shù)據(jù)源和統(tǒng)一的語義信息，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，使得數(shù)字孿生服務(wù)平臺為實現(xiàn)故障診斷、剩余壽命預(yù)測、智能管控等功能提供支撐。

2 面向數(shù)字孿生提升系統(tǒng)的OPC UA建模

2.1 礦井提升機系統(tǒng)信息模型建模要求

礦井提升機系統(tǒng)包括主軸裝置、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。由于礦井提升機系統(tǒng)規(guī)模大、設(shè)備多、控制復(fù)雜，因此對其進行信息建模時應(yīng)遵循完整性、一致性、可擴展性要求[3]。在完整性上，礦井提升機系統(tǒng)信息模型應(yīng)包含設(shè)備基本信息、工作狀態(tài)、參數(shù)等多方面信息；在一致性上，礦井提升機系統(tǒng)信息模型應(yīng)與實際設(shè)備屬性信息保持一致，保證參數(shù)、狀態(tài)的一一對應(yīng)；在可擴展性上，礦井提升機系統(tǒng)信息模型應(yīng)是開放的、可修改升級的，保證信息模型的靈活性、動態(tài)性。

根據(jù)礦井提升機系統(tǒng)基本信息和OPC UA信息模型建模規(guī)則，將實體設(shè)備與信息模型建立對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。其中實體設(shè)備由基本屬性、物理操作、若干系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)又包括設(shè)備和基本屬性與之匹配。信息模型是實體設(shè)備的抽象描述，定義屬性集、方法集、組件、引用等信息模型元素，實現(xiàn)映射礦井提升系統(tǒng)的所有信息并建立實際設(shè)備與信息模型的映射關(guān)系。

圖3 物理模型與信息模型的映射關(guān)系

2.2 礦井提升機系統(tǒng)信息模型整體架構(gòu)

根據(jù)礦井提升機系統(tǒng)的物理設(shè)備、功能模塊以及信息流要求，提出礦井提升機系統(tǒng)信息模型整體架構(gòu)如圖4所示。將礦井提升機系統(tǒng)劃分為主軸裝置信息模型、傳動系統(tǒng)信息模型、制動系統(tǒng)信息模型、控制系統(tǒng)信息模型四個主要子系統(tǒng)模型，各子模型包括屬性集、方法集，其中屬性集分為靜態(tài)屬性集和過程屬性集。靜態(tài)屬性集是礦井提升系統(tǒng)中不變或變化周期很長的靜態(tài)數(shù)據(jù)，如編號、名稱等信息，是系統(tǒng)中的固有信息。過程屬性集是礦井提升系統(tǒng)中設(shè)備運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生時刻變化的動態(tài)數(shù)據(jù)，如罐籠的位置、電機的轉(zhuǎn)速、閘瓦間隙等信息。各子系統(tǒng)通過靜態(tài)屬性集和過程屬性集進行抽象描述，且屬性集與組件可相互嵌套。

圖4 礦井提升機系統(tǒng)信息模型整體架構(gòu)示意

以制動系統(tǒng)信息模型為例，其由靜態(tài)屬性集、過程屬性集和方法集組成，主要描述礦井提升機在制動時的設(shè)備運行狀態(tài)的變化。靜態(tài)屬性包含系統(tǒng)編號、運行狀態(tài)、制動器名稱、閘瓦名稱等靜態(tài)信息；過程屬性包含制動油壓大小、液壓油溫高低、閘盤溫度高低、左右閘盤偏擺大小、閘瓦間隙大小等動態(tài)信息；方法集包含工作制動、安全制動、恒減速、安全控制等操作信息。

2.3 基于OPC UA的礦井提升機系統(tǒng)信息建模

2.3.1 需求獲取

首先需要搜集煤礦行業(yè)相關(guān)的標(biāo)準和規(guī)范，整理總結(jié)相關(guān)資料，了解建?；A(chǔ)，獲取建模需求。其次根據(jù)具體需求抽象出系統(tǒng)建模需要的設(shè)備類型模型。在此基礎(chǔ)上定義信息模型所需的其它節(jié)點，包括對象、方法、數(shù)據(jù)變量、特性節(jié)點。這些節(jié)點是對元模型的擴展，是設(shè)備類型屬性在信息模型中的映射。最后根據(jù)建模規(guī)則和引用類型對設(shè)備類型模型實例化。我們需要獲取礦井提升機系統(tǒng)運行過程中不同設(shè)備的狀態(tài)、屬性集和方法集。

2.3.2 創(chuàng)建類型模型

根據(jù)需求獲得礦井提升機系統(tǒng)的對象類型、屬性、方法以及設(shè)備之間的關(guān)系，創(chuàng)建相應(yīng)的節(jié)點類型。礦井提升機設(shè)備繁雜，不僅擁有大量感知類設(shè)備來獲得數(shù)據(jù)如壓力傳感器、溫度傳感器等，還擁有大量控制類設(shè)備來滿足生產(chǎn)要求和生產(chǎn)安全。先將礦井提升機設(shè)備類型抽象化創(chuàng)建其對象類型，見表1；再對不同對象類型的不同屬性、方法、描述做進一步定義。

表1 礦井提升機設(shè)備對象類型

1)主軸裝置。主軸裝置是礦井提升機的工作和承載部件，其承擔(dān)了礦井提升機運行中的絕大部分載荷[13]，關(guān)系到礦井生產(chǎn)和人員生命安全，如罐籠不僅可以提升煤炭，也可以運送人員、材料以及設(shè)備等；鋼絲繩作為連接提升機和提升容器的重要部件也承載著工作效率和安全生產(chǎn)的作用。其基本信息包括設(shè)備編號、名稱等信息；固件信息包括罐籠、鋼絲繩、提升容器等設(shè)備信息；參數(shù)信息包括提升容量、罐籠位置、鋼絲繩張力等實時信息。

2)傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)是礦井提升機運行中傳遞動力和減速的重要部件，減速器作為傳動系統(tǒng)的核心設(shè)備，不僅將電動機的輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為所需的工作轉(zhuǎn)速，并將電動機輸出的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為所需的工作轉(zhuǎn)矩[14]。其基本信息包括設(shè)備編號、名稱等信息；固件信息包括減速器、電動機等設(shè)備信息；參數(shù)信息包括電機轉(zhuǎn)速、液位高度、電機轉(zhuǎn)矩等實時信息；操作信息包括啟動、停止兩種方法。

3)制動系統(tǒng)。制動系統(tǒng)的可靠性直接影響到礦井提升機設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)，也影響著工作人員的生命安全，對生產(chǎn)運行和人員安全有著重大意義[15]。制動系統(tǒng)主要由液壓站和盤型制動器組成，其中液壓站主要包括電機、蓄能器、散熱器等設(shè)備。在制動時盤式制動有工作制動和安全制動兩種工作方式，液壓站分為工作、恒減速、安全控制三種制動方式。正常工作啟動時，在提升機負載或減速能達到預(yù)定的運行狀態(tài)，能夠控制提升機運轉(zhuǎn)速度，即盤式制動的工作制動，同時液壓站電機帶動液壓泵，通過調(diào)節(jié)輸出油壓的壓力值控制盤型制動器來實現(xiàn)提升機的安全運行為液壓站的工作狀態(tài)。在發(fā)生突發(fā)情況或安全事故時，要求在安全范圍內(nèi)緊急制動提升機，即安全制動，同時液壓站及時將提升機鎖定在全制動狀態(tài)為液壓站的安全控制。其基本信息包括設(shè)備編號、名稱等信息；固件信息包括制動器、蓄能器、散熱器等設(shè)備信息；參數(shù)信息包括制動油壓、液壓油溫、閘瓦偏擺等實時信息；操作信息包括工作制動、安全制動、恒減速等方法。由此建立制動系統(tǒng)到OPC UA對象節(jié)點類型的映射，見表2。

表2 制動系統(tǒng)節(jié)點類型描述

4)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)作為礦井提升機設(shè)備的“大腦”調(diào)度著各設(shè)備和系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、高效的運行[16]。其主要由主回路、PLC控制等構(gòu)成，通過計算機參與控制設(shè)備系統(tǒng)使得速度更快、精度更高。工作人員通過操作臺實現(xiàn)提升機設(shè)備之間的控制傳遞，對相應(yīng)系統(tǒng)發(fā)出指令改變電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)使得提升機按照既定的工作方式安全運行。其基本信息包括設(shè)備編號、名稱等信息；固件信息包括PLC、深度指示器等設(shè)備信息；參數(shù)信息包括運行速度、運行電壓、運行電流等實時信息；操作信息包括啟動、爬行、等速運行、減速、停車等方法。

2.3.3信息模型的實例化

礦井提升機系統(tǒng)信息模型抽象框架建立之后，需要結(jié)合實際設(shè)備情況，將抽象設(shè)備的信息模型轉(zhuǎn)化為實際設(shè)備的數(shù)據(jù)對象，按照抽象模型中的信息與實際設(shè)備信息一一對應(yīng)，形成具有實體意義的信息模型，這個過程即是信息模型的實例化。以制動系統(tǒng)的部分變量實例化模型為例，制動系統(tǒng)主要包含液壓站、提升機等設(shè)備，其中液壓站可給碟形剎車系統(tǒng)供給不同液壓值的高氣壓油，而液壓的改變由電液比例溢流器來調(diào)控，利用改變比例溢流器的比例調(diào)節(jié)電流的大小，可達到剎車系統(tǒng)液壓的可調(diào)性。且液壓站有一主一備兩個電機以及濾油器、壓力表等設(shè)備，其主要包括靜態(tài)屬性集、過程屬性集、方法。提升機部分擁有8對16個制動閘瓦，通過液壓站提供油壓使得閘瓦將制動器緊閘實現(xiàn)制動，其中閘瓦間隙不得超過2 mm標(biāo)準。制動系統(tǒng)的狀態(tài)變量值通過實時數(shù)據(jù)源不斷變化更新，與實際設(shè)備數(shù)據(jù)同步交互的過程即是完成信息模型實例化，如圖5所示。

圖5 制動系統(tǒng)信息模型實例化

基于XML描述文件的統(tǒng)一規(guī)范性、可擴展性和跨平臺跨系統(tǒng)的特性，OPC UA信息模型一般通過XML描述文件進行加載。但XML描述文件需要通過純代碼進行編寫，工作量較大，所以通過建模工具UaModeler對信息模型進行建模，用戶可以通過UaModeler內(nèi)置的OPC UA所有標(biāo)準節(jié)點快速創(chuàng)建節(jié)點信息，并在之后的設(shè)備更換升級中更迭節(jié)點信息，建模完成后UaModeler能夠自動生成相應(yīng)的XML文件進行引用。

3 測試與應(yīng)用

3.1 OPCUA服務(wù)器測試

為了檢驗采用OPC UA的礦井提升機系統(tǒng)信息模型的可行性，通過使用OPC UA客戶端工具UaExpert接入OPC UA服務(wù)器，對信息建模在OPC UA地址空間映射的準確性進行了測試。在利用建模工具UaModeler對獲取的信息進行建模并生成所需要的XML文件之后，通過Open62541SDK和Python工具將UaModeler中建立完成的信息模型轉(zhuǎn)化的XML描述文件解析出來向OPC UA服務(wù)器地址空間映射，通過客戶端工具UaExpert讀取服務(wù)器地址空間，顯示信息模型內(nèi)容，實現(xiàn)信息模型的加載與瀏覽，信息建模方案如圖6所示。

圖6 礦井提升機系統(tǒng)OPC UA信息建模方案

節(jié)點地址空間中Root節(jié)點是地址空間的入口；Objects對象節(jié)點是地址空間的主體部分，其下定義了實際設(shè)備信息在地址空間的映射，礦井提升機系統(tǒng)信息模型內(nèi)容也定義于此，如制動系統(tǒng)的靜態(tài)屬性集、過程屬性集等信息，在生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)變化所形成的有關(guān)信息，會定期更新在OPC UA服務(wù)器的地址空間中。

3.2 數(shù)字孿生平臺

3.2.1 虛擬模型搭建

根據(jù)本文系統(tǒng)設(shè)計需求，利用3dMax、Unity3D來完成建模工作，建模過程如圖7所示。

圖7 虛擬建模流程

在建模過程中，根據(jù)設(shè)備說明書中設(shè)備的模型結(jié)構(gòu)與尺寸在3dMax中對實際設(shè)備進行等比例建模，并根據(jù)模型實際情況對模型進行優(yōu)化參數(shù)調(diào)整。將制作好的模型生成.FBX文件導(dǎo)入Unity3D中，通過現(xiàn)場觀察作業(yè)環(huán)境以及對真實設(shè)備進行圖片采集，在Unity中對虛擬模型添加紋理圖片和貼圖形式增加模型相應(yīng)材質(zhì)，進而提高還原度和仿真效果，實際設(shè)備與虛擬模型對比效果如圖8所示。

圖8 實際設(shè)備與數(shù)字孿生設(shè)備對比

3.2.2 數(shù)字孿生平臺應(yīng)用

通過搭建OPC UA客戶端采集礦井提升系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)并存入MySQL數(shù)據(jù)庫，利用Unity3D的C#腳本，構(gòu)建礦井提升系統(tǒng)孿生模型內(nèi)外通訊結(jié)構(gòu)，完成OPC UA信息模型對孿生模型和物理模型數(shù)據(jù)的虛實映射，為數(shù)字孿生礦井提升系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)交互服務(wù)，實現(xiàn)礦井提升系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控，故障預(yù)警等功能。

1)狀態(tài)監(jiān)控。通過點擊UI按鍵可跳轉(zhuǎn)至“主界面”、“張力界面”和“實時故障”場景。其中主界面和張力界面中借助Unity平臺Xcharts插件繪制可視化圖表，分別使用了以時間為橫坐標(biāo)，提升機運行速度為縱坐標(biāo)和以時間為橫坐標(biāo)，罐籠載重為縱坐標(biāo)的折線圖，根據(jù)OPC UA采集傳輸可以動態(tài)監(jiān)測提升機運行狀態(tài)和罐籠載重數(shù)據(jù)。并將采集到的提升機數(shù)據(jù)如各類電壓電流、閘瓦間隙、大小罐張力差等以數(shù)字或柱狀形式具象化顯示，實時顯示在數(shù)字孿生平臺上，實現(xiàn)孿生平臺的狀態(tài)監(jiān)控。

2)故障預(yù)警。當(dāng)現(xiàn)場發(fā)出各類動作信號以及各類故障信號時，通過OPC UA采集信息事件存入數(shù)據(jù)庫，實時故障界面會通過Unity平臺Simple tableUI插件建立的可視化表格，將事件分類名稱、事件類型、事件時間和事件描述四類信息顯示與表格之中。并通過警告圖標(biāo)以及提示故障事件序號反饋給物理空間，實現(xiàn)孿生平臺的故障預(yù)警，提高實際現(xiàn)場與數(shù)字孿生平臺的交互性，便于現(xiàn)場分析故障原因，有利于現(xiàn)場工作效率的提高。

3)其他應(yīng)用。在OPC UA采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以對礦井提升系統(tǒng)進行預(yù)測性維護。首先構(gòu)建場景感知模塊，實現(xiàn)場景感知數(shù)據(jù)的獲取和存儲，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理、特征的提取、特征的選擇和特征的融合算法等。而后分別搭建歷史數(shù)據(jù)庫和特征數(shù)據(jù)庫，為孿生模型的更新、數(shù)據(jù)驅(qū)動算法的訓(xùn)練和預(yù)測、以及融合型預(yù)測性維護算法的使用提供有效數(shù)據(jù)。最后構(gòu)建故障診斷和故障預(yù)測模型，如CNN模型和隨機森林模型等，利用場景感知的特征進行模型的訓(xùn)練和驗證。針對場景的不同，利用遷移學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)等實現(xiàn)數(shù)字孿生模型仿真和數(shù)據(jù)驅(qū)動算法的有效融合，從而提高預(yù)測性維護的可行性。

根據(jù)應(yīng)用實驗效果，孿生平臺顯示的數(shù)據(jù)與實際運行數(shù)據(jù)一致，且數(shù)據(jù)來自地址空間信息模型，從而驗證了通過OPC UA協(xié)議與信息模型互聯(lián)互通的可行性。

4 結(jié) 語

數(shù)字孿生作為煤礦智能化戰(zhàn)略發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，是連接煤礦物理世界和數(shù)字虛擬世界的最佳紐帶。本研究基于礦井提升機的數(shù)字孿生模型，結(jié)合OPC UA構(gòu)建了礦井提升系統(tǒng)信息模型架構(gòu)并進行應(yīng)用。信息模型搭建有利于實現(xiàn)設(shè)備、系統(tǒng)、生產(chǎn)等異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的互聯(lián)互通，通過建模工具UaModeler對礦井提升機系統(tǒng)主軸裝置、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四個子系統(tǒng)進行構(gòu)建標(biāo)準信息模型，根據(jù)實體設(shè)備的靜態(tài)屬性集、過程屬性集、方法集進行了分析，對信息模型進行實例化后利用OPC UA服務(wù)器驗證了信息模型的可行性，并與數(shù)字孿生平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膶崟r映射。本研究對礦井提升機的狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)警等方面提供更有力的通信支持，從而有效提高礦井生產(chǎn)安全可靠性和智能運維水平，對解決礦井提升機各設(shè)備之間信息無法直接共享和對推進智能礦山的發(fā)展提供了一定的技術(shù)支持和方法借鑒。