董 青,胡雙賢 ,徐格寧 ,南方磊 ,戚其松

(太原科技大學(xué) 機械工程學(xué)院,山西 太原 030024)

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快,起重機械作為工業(yè)生產(chǎn)、物流運輸和建筑施工等領(lǐng)域的重要設(shè)備,其安全服役至關(guān)重要。然而,長期使用過程中受到內(nèi)外因素的影響,起重機械不可避免地出現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載能力退化的現(xiàn)象,導(dǎo)致其服役壽命縮短且安全事故頻發(fā)。因此,如何從承載能力的角度出發(fā),準(zhǔn)確評估起重機服役過程中的安全性,使得操作人員及維護管理人員能實時了解和掌握起重機狀態(tài)的變化情況,能夠?qū)赡艹霈F(xiàn)的失效進(jìn)行及時、有效的判斷和報警,從而可將失效后的“被動維修”變?yōu)槭暗摹爸鲃泳S護”,對于提高起重機本質(zhì)安全性、降低維保維修成本具有重要意義。

隨著起重機監(jiān)管的加強、相關(guān)法律法規(guī)的頒布及標(biāo)準(zhǔn)的更新升級,促使相關(guān)學(xué)者在起重機械本質(zhì)安全領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究,取得了豐碩的成果,主要集中在運行狀態(tài)監(jiān)控、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等方面。

在運行狀態(tài)監(jiān)控方面,周化龍等[1]開發(fā)了基于LabVIEW和TBox的起重機工作參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),結(jié)合實例驗證了系統(tǒng)實際運行過程中的可行性。張偉等[2]提出一套基于物聯(lián)網(wǎng)的塔式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng),利用物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理功能,可實時監(jiān)控塔式起重機的作業(yè)狀態(tài)。PRICE等[3]從負(fù)載跟蹤、障礙物檢測、人工檢驗、碰撞警告和三維可視化模塊入手,提出了多傳感器驅(qū)動的起重機實時監(jiān)測系統(tǒng),為起重機監(jiān)測系統(tǒng)落地應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。AWAD等[4]提出了未來智能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建議和實踐,利用物聯(lián)網(wǎng)-可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)控制系統(tǒng),從云端來監(jiān)測和控制港口移動式起重機。上述研究主要集中在物聯(lián)網(wǎng)和傳感器相結(jié)合,從不同角度給出了起重機運行狀態(tài)監(jiān)測的成功案例,直觀地反映了起重機的當(dāng)前狀態(tài),但長期的性能狀態(tài)未有體現(xiàn)。

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面,張充等[5]從描述起重機運動特征的結(jié)構(gòu)狀態(tài)出發(fā),考慮靜動力學(xué)平衡方程中的關(guān)鍵參量,提出結(jié)構(gòu)能力靜動態(tài)監(jiān)測參數(shù)選取及測點布置原則,為塔式起重機使用過程中結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測提供理論依據(jù)。劉關(guān)四等[6]以門式起重機試驗裝置為對象,提出一種基于和聲遺傳搜索算法的振動傳感器布置方法,為起重機械振動監(jiān)測傳感器安裝提供了一種新手段。LAI等[7]以臂架起重機為例,提出了基于多模型和動態(tài)數(shù)據(jù)的形狀-能力集成數(shù)字孿生設(shè)計方法即形性集成數(shù)字孿生(Shape-Performance Integrated Digital Twin,SPI-DT),從整機結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的角度驗證了SPI-DT方法的有效性,解決了重大裝備可靠性評估、預(yù)測性維護和設(shè)計優(yōu)化過程中承載能力分析效率低、實時性差的問題。總體來看,在結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)方面的采集技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,但在結(jié)構(gòu)能力評估的全面性、數(shù)據(jù)有效利用、數(shù)字化程度方面還有待深入研究。

數(shù)字孿生技術(shù)是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型,借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為,通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段,為物理實體增加或擴展新的能力,其本質(zhì)不是讓虛擬模型做物理實體已經(jīng)做到的事情,而是通過虛擬模型發(fā)現(xiàn)物理實體的潛在問題、激發(fā)創(chuàng)新思維、不斷追求優(yōu)化進(jìn)步[8-9]。其中,LIU等[10]提出了基于數(shù)字孿生加工系統(tǒng)的增強現(xiàn)實加工過程的監(jiān)測技術(shù),構(gòu)建了增強現(xiàn)實動態(tài)多視圖,實現(xiàn)加工復(fù)雜過程的實時監(jiān)測。王剛峰等[11]提出基于數(shù)字孿生的工程機械臂裝配過程建模與仿真技術(shù),闡明了基于數(shù)字孿生的實時監(jiān)測裝配過程并對其配置進(jìn)行優(yōu)化,以此提高裝配效率并實現(xiàn)有效的閉環(huán)反饋機制。劉明浩等[12]提出了基于數(shù)字孿生的銑刀狀態(tài)實時監(jiān)控方法,構(gòu)建了物理空間和虛擬空間共生互控的數(shù)字孿生體,結(jié)合實例驗證了該監(jiān)控方法的可行性與有效性。CHEN等[13]針對在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全態(tài)勢分析過程中受感知模型影響導(dǎo)致安全評估結(jié)果平均近似誤差較大的問題,提出了基于數(shù)字孿生的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全評估技術(shù),有效地提高了評估精度。熊明蘭等[14]提出了基于數(shù)字孿生的民機運行安全系統(tǒng)框架,闡明了系統(tǒng)實現(xiàn)安全評估及數(shù)據(jù)模型融合的可行性,重點給出了數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在航空發(fā)動機中的實現(xiàn)過程。

上述研究給出了數(shù)字孿生技術(shù)運用在機械裝備、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的成功范例,實現(xiàn)了不同領(lǐng)域的監(jiān)控可視化及能力評估等功能。因此,將數(shù)字孿生技術(shù)[15]移植到移動式起重機上,從服役場景出發(fā),提出面向起重機結(jié)構(gòu)承載能力評估的數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建方法,搭建數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺,解決移動式起重機本質(zhì)安全時,監(jiān)測力度差、能力指標(biāo)單一、數(shù)據(jù)利用率不高導(dǎo)致承載能力評估效率低、評估結(jié)果不夠全面的問題。

1 起重機結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng)框架

(1)服役場景

為配合現(xiàn)代物流運輸網(wǎng)絡(luò),提高物流配送效率。某物流公司根據(jù)省級地貌特征,將該省某一中轉(zhuǎn)站的物流配送網(wǎng)絡(luò)層次劃分為區(qū)域配送(東北、東南、西北和西南等多個片區(qū))和地市配送兩級,該中轉(zhuǎn)站負(fù)責(zé)該省域內(nèi)地市間的集散、分揀與轉(zhuǎn)運等工作。如圖1所示為起重機的實際應(yīng)用場景,中轉(zhuǎn)站的集散倉庫將轉(zhuǎn)運過來的貨物按大件、小件、易碎、耐摔和生鮮等物品進(jìn)行集散、分揀到倉庫的集中點,通過移動式起重機將集中點的物品搬運、堆碼至對應(yīng)片區(qū)下對應(yīng)地市集的倉儲點。

圖1 移動式起重機服役場景及搬運路線

根據(jù)實際場景抽象出實驗場景及模型,工作廠區(qū)為橢圓形,區(qū)內(nèi)布置有取貨區(qū)Q1～Qk(即集中點)、i個堆碼區(qū)Di1～Dij(即倉儲點)和障礙物區(qū)(如V形障礙物W1～W4和圓柱形障礙物Z1和Z2),其中k=1,2,3,…,m,i=1,2,3,…,n,j=1,2,3,…,s,m為貨物的種類數(shù),n為區(qū)域數(shù)量,s為省內(nèi)地市的數(shù)量。起重機搬運工作由操作員根據(jù)倉儲要求,前往取貨區(qū)降下吊具抓取貨物,提升到達(dá)一定高度后按照一定的路徑將物品搬運至堆碼區(qū)卸載。整個流程,操作人員要接收不同的搬運任務(wù)指令,判斷取物地點,根據(jù)情況選擇可執(zhí)行的指令,完成整個搬運過程。具體的搬運路徑如圖1所示,移動式起重機起始位置為O點,貨物搬運路線為黑色實線箭頭,按照既定的搬運路線繞過障礙物搬運到指定位置上。按照物品“對應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)地市”的原則進(jìn)行堆碼作業(yè),即從取貨區(qū)的起始點O1抓取貨物Qj,按照搬運路線穿過V形障礙物(W1～W4)和圓柱形障礙物Z1和Z2,將貨物運輸?shù)絠號堆碼區(qū)的指定Dij位置處。例如,從起始點O1處開始按O1-a-b的路徑將大件物品Q1搬運至東北片區(qū)A市的D11處,其余搬運情況與此類似,僅需確保有足夠倉儲空間即可。

(2)結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生框架

為準(zhǔn)確預(yù)警并防止起重機結(jié)構(gòu)斷裂、變形失穩(wěn)等問題,從起重機服役場景出發(fā),結(jié)合整機特點和數(shù)字孿生技術(shù),提出移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力的數(shù)字孿生系統(tǒng)框架(如圖2),該框架總體包括,物理空間、虛擬空間、孿生數(shù)據(jù)、承載能力動態(tài)綜合評估服務(wù)和連接5部分。

圖2 移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng)框架

1)物理空間。以實際場景為基礎(chǔ),搭建移動式起重機物理實體,利用感知系統(tǒng)(如超聲波傳感器、電位器、編碼器和拉力傳感器等),對實體運行過程中產(chǎn)生的服役數(shù)據(jù)(起升高度、吊具旋轉(zhuǎn)量、吊具開合量、整車移動量和起重量等數(shù)據(jù))進(jìn)行采集,獲取起重機運行過程中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù),用于更新虛擬模型和承載能力指標(biāo)代理預(yù)測。

2)虛擬空間。在虛擬空間中創(chuàng)建由5種模型組成的聯(lián)合仿真模型,即移動式起重機運行仿真模型,模擬物理實體的運行過程;剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真模型,分析運行過程中的沖擊載荷動力效應(yīng),獲取對應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù);載荷組合模型,給出運行過程中的載荷組合情況;靜力學(xué)仿真模型,獲取運行過程中設(shè)備結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖和位移云圖信息;代理模型,形成從工作循環(huán)信息到結(jié)構(gòu)云圖信息的快速預(yù)測,解決反復(fù)調(diào)用靜動力學(xué)仿真模型時,耗時較長、效率低且難以廣泛應(yīng)用的問題。

3)孿生數(shù)據(jù)。融合了物理空間、虛擬空間以及結(jié)構(gòu)承載能力應(yīng)用服務(wù)所產(chǎn)生及衍生的數(shù)據(jù),主要包括物理實體數(shù)據(jù)(設(shè)備固有信息和運行數(shù)據(jù))、虛擬實體數(shù)據(jù)(工作循環(huán)信息、沖擊載荷響應(yīng)數(shù)據(jù)、載荷組合情況、承載能力指標(biāo)數(shù)據(jù))、承載能力衍生信息數(shù)據(jù)(評估結(jié)果、安全等級和結(jié)果置信度)等。

4)承載能力評估服務(wù)。以服役場景下物理實體的實時運行數(shù)據(jù)為驅(qū)動,在對虛擬空間內(nèi)建立的各類模型、算法等進(jìn)行服務(wù)化封裝的基礎(chǔ)上,利用孿生數(shù)據(jù)對起重機結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行動態(tài)綜合評估,并對評估結(jié)果進(jìn)行可視化推送。

5)連接。物理空間內(nèi)各類傳感器通過對應(yīng)協(xié)議及總線將物理實體服役數(shù)據(jù)傳輸至虛擬空間和孿生數(shù)據(jù)中,前者用于更新起重機虛擬實體模型并實現(xiàn)“以實控虛”,后者用于數(shù)據(jù)管理,通過數(shù)據(jù)庫接口供各部分調(diào)用;虛擬空間從孿生數(shù)據(jù)中獲取歷史的物理實體數(shù)據(jù),用于各類模型的仿真及代理訓(xùn)練,在物理實體的運行數(shù)據(jù)驅(qū)動下分析計算承載能力指標(biāo)數(shù)據(jù),結(jié)果返回至孿生數(shù)據(jù),同時傳遞到承載能力評估服務(wù)中完成結(jié)構(gòu)承載能力動態(tài)綜合評估;服務(wù)通過交互界面請求虛擬空間中的仿真分析和承載能力評估,將結(jié)果存儲至孿生數(shù)據(jù)庫的同時推送到界面上供操作人員控制及維護管理人員維修,進(jìn)而實現(xiàn)“以虛調(diào)實”。

2 結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建方法

移動式起重機服役環(huán)境復(fù)雜多變、運行周期長、工作繁重程度不確定且長期承受動載荷和交變載荷的作用,導(dǎo)致各零部件及結(jié)構(gòu)件不可避免地發(fā)生能力退化及破壞。利用數(shù)字孿生五維模型,搭建移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng),以設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)為驅(qū)動,動態(tài)綜合評估結(jié)構(gòu)的承載能力,判斷服役過程中設(shè)備的安全性,可將“被動維修”變?yōu)椤爸鲃泳S護”,亦可為操作人員提供指導(dǎo),進(jìn)而最大限度地減小事故的發(fā)生幾率。

2.1 虛實映射

(1)物理空間

物理空間由服役場景和物理實體構(gòu)成,物理實體由移動式起重機及感知系統(tǒng)組成,按層級結(jié)構(gòu)可劃分為機械、電控、傳感和通信等系統(tǒng),系統(tǒng)功能各異但共同支持物理實體的正常運行,具體的層級結(jié)構(gòu)及功能關(guān)系如圖3所示。

圖3 物理實體層級結(jié)構(gòu)及功能關(guān)系

如圖3所示,移動式起重機物理實體搭建過程采用分層、分級的裝配方法,包括復(fù)雜系統(tǒng)級、系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級、單元1級和單元2級。復(fù)雜系統(tǒng)級是指處于服役場景中的設(shè)備;系統(tǒng)級是指物理實體的4個系統(tǒng),即機械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。機械系統(tǒng)是由起升機構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)、運行機構(gòu)及吊具等各子系統(tǒng)根據(jù)功能需要(起升、運行、機械爪的開合及旋轉(zhuǎn)等)和結(jié)構(gòu)形式(“矩形”底盤和“倒U形”起升支撐架等)組成的有機整體;電控系統(tǒng)由單元級的驅(qū)動電源、電機驅(qū)動芯片、Arduino開發(fā)板等組成,用于完成步進(jìn)電機的獨立驅(qū)動,依托麥克納姆輪和電動推桿實現(xiàn)設(shè)備前后左右平移和吊具升降;傳感系統(tǒng)由單元級的超聲波測距傳感器、電位器、拉力傳感器和編碼器等組成,分別用于采集起升高度、整車位移、起重量、吊具旋轉(zhuǎn)和開閉角度等數(shù)據(jù);通信系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、信號接收器和控制操作手柄。

(2)虛擬空間

虛擬空間既是起重機物理空間的三維鏡像化,又是物理實體運行過程、行為動作控制和結(jié)構(gòu)承載能力的數(shù)字化分析,主要從可視化場景和虛擬實體搭建、仿真模型構(gòu)建(包括運行仿真模型、剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真模型、載荷組合模型、靜力學(xué)仿真模型)和代理模型建立等方面進(jìn)行描述。

在可視化場景和虛擬實體搭建方面,根據(jù)移動式起重機服役場景及起重機物理實體的幾何尺寸、位置、形狀等信息,確定三維整體建模方案,利用SolidWorks軟件繪制出1∶1的三維場景及實體模型,以.STL格式導(dǎo)出文件并將其導(dǎo)入3Ds Max軟件。對導(dǎo)入后的模型進(jìn)行輕量化處理,解決因?qū)?Ds Max的模型以三角面片形式存在時對硬件要求較高而影響后續(xù)工作的問題,在確保三維模型與實體模型高度一致性的同時,提高運算能力。對處理好的場景及模型進(jìn)行顏色、貼圖渲染,以.FBX文件格式導(dǎo)入至Unity 3D中,結(jié)合坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成場景和實體的搭建。在仿真模型及代理模型構(gòu)建方面,具體的構(gòu)建方法及過程見第3章結(jié)構(gòu)承載能力動態(tài)綜合評估方法。

(3)虛實映射

以感知系統(tǒng)為基礎(chǔ),結(jié)合Unity 3D中的畫布組件,實現(xiàn)虛擬實體和物理實體的同步映射。一方面,利用感知系統(tǒng)將物理空間的信息傳遞給虛擬空間,實現(xiàn)“以實控虛”;另一方面,在畫布組件中設(shè)置控制滑動條和按鈕,滑動條分別用于控制“機械爪旋轉(zhuǎn)、機械爪開閉、起升機構(gòu)移動、小車前后移動、小車左右移動和小車轉(zhuǎn)向”;按鈕分別用于實現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)“模式切換、車身重置、舵機掉電、應(yīng)力/位移云圖映射、場景漫游和系統(tǒng)退出”。在此基礎(chǔ)上,通過C#行為邏輯控制腳本,建立虛實模型的行為動作邏輯控制方式,以便將仿真后的數(shù)據(jù)反饋到物理空間內(nèi),實現(xiàn)“以虛調(diào)實”。

對于應(yīng)力/位移云圖映射模式的構(gòu)建,在利用Workbench獲取節(jié)點應(yīng)力/位移樣本數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上,通過Python編寫KNN算法,對鄰近樣本節(jié)點的應(yīng)力/位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,采用RBF代理模型進(jìn)行訓(xùn)練、結(jié)合Socket通信,利用Unity 3D完成虛擬實體上應(yīng)力云圖、位移云圖的三維可視化呈現(xiàn),具體映射流程如圖4所示,詳細(xì)過程如下:

圖4 應(yīng)力/位移云圖映射流程

1)工況確定。依據(jù)移動式起重機服役場景,結(jié)合物理實體的歷史運行數(shù)據(jù),確定各工作循環(huán)下的搬運路徑、載荷大小、沖擊載荷響應(yīng)及載荷組合情況,在歷史載荷區(qū)間內(nèi),利用拉丁超立方抽樣(Latin Hypercube Sampling,LHS)獲取100組不同載荷工況,將模型導(dǎo)入Workbench中制作項目原理圖,并對模型添加第101種工況。

2)細(xì)粗網(wǎng)格劃分。在完成工況及材料屬性設(shè)置、約束條件添加的基礎(chǔ)上,對前100組工況進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格劃分,第101組工況僅進(jìn)行粗網(wǎng)格劃分,前者用于加載不同工況下的結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力和總位移的求解,以此獲取細(xì)網(wǎng)格的應(yīng)力信息、位移信息及節(jié)點位置信息;后者用于網(wǎng)格降維處理,并導(dǎo)出以三角面片形式存在的.STL文本。

3)網(wǎng)格數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用Python腳本對粗網(wǎng)格中導(dǎo)出的.STL文本里的位置節(jié)點信息進(jìn)行去重操作,生成無重復(fù)節(jié)點文件并對位置節(jié)點信息進(jìn)行索引排序。

4)K最鄰近分類算法(K-Nearest Neighbor,KNN)和徑向基函數(shù)代理模型(Radial Basis Function,RBF)構(gòu)建。先利用KNN算法[16]對網(wǎng)格鄰近節(jié)點應(yīng)力和位移進(jìn)行分類,后構(gòu)建網(wǎng)格節(jié)點的RBF代理模型[17],前期在離線階段對模型進(jìn)行仿真與試驗,后期在在線階段直接使用該代理模型進(jìn)行快速預(yù)測,實現(xiàn)在不降低仿真精度的前提條件下提升計算效率,通過代理模型訓(xùn)練并生成可直接在主程序中加載的.PKL文本。

5)加載.PKL文本和運行主程序。將.PKL文本加載到移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng)中,結(jié)合從細(xì)網(wǎng)格中生成的節(jié)點位置信息和節(jié)點應(yīng)力信息/位移信息,利用KNN算法分類鄰近樣本節(jié)點的信息數(shù)據(jù),通過RBF代理模型訓(xùn)練預(yù)測得到節(jié)點應(yīng)力和位移的擴展數(shù)據(jù)。

6)應(yīng)力/位移云圖可視化呈現(xiàn)。通過Python主程序結(jié)合Socket通信,利用Unity 3D中C#應(yīng)力腳本和Python主程序通信,結(jié)合Unity 3D完成整機結(jié)構(gòu)應(yīng)力/位移云圖實時響應(yīng)及可視化呈現(xiàn)。

2.2 數(shù)據(jù)交互

孿生數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)交互的核心,與物理空間、虛擬空間和承載能力評估服務(wù)進(jìn)行對接,本質(zhì)在于以物理實體和虛擬實體為基礎(chǔ),對結(jié)構(gòu)承載能力評估過程全要素、全流程和全服務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)(如物理實體數(shù)據(jù)、虛擬實體數(shù)據(jù)和承載能力衍生數(shù)據(jù)等)進(jìn)行交互融合。

物理實體數(shù)據(jù)包括設(shè)備固有信息和設(shè)備運行數(shù)據(jù)。其中,固有信息包括系統(tǒng)級下各硬件(如圖3b)的名稱、性能、參數(shù)、數(shù)量、功能、材料、尺寸結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系等,即移動式起重機各組成部分的最終設(shè)計結(jié)果;運行數(shù)據(jù)包括起升高度、整車位移(X軸、Y軸)、起重量、吊具旋轉(zhuǎn)角度和爪子開閉角度,即由傳感系統(tǒng)采集后通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)[18]得到的有效數(shù)據(jù)。

虛擬實體數(shù)據(jù)包括工作循環(huán)信息、沖擊載荷響應(yīng)數(shù)據(jù)和承載能力指標(biāo)計算數(shù)據(jù)。其中,起重機的一個工作循環(huán)是指從地面起吊一個物品時起,到開始起吊下一個物品時止,包括起升、運行及正常停歇在內(nèi)的一個完整過程。工作循環(huán)信息是將采集到的運行數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)的搬運路線匹配、連接、轉(zhuǎn)換得到。沖擊載荷響應(yīng)數(shù)據(jù)是指工作循環(huán)過程中,各動作引起設(shè)備或貨物本身的動載荷效應(yīng),用動力載荷效應(yīng)系數(shù)來表征后,經(jīng)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型分析得到的相應(yīng)系數(shù)。承載能力指標(biāo)計算數(shù)據(jù)包括由靜力學(xué)仿真模型結(jié)合“GB/T 30024—2020起重機金屬結(jié)構(gòu)能力驗證”標(biāo)準(zhǔn)[19]分析得到各指標(biāo)計算值,亦包括經(jīng)代理模型預(yù)測得到各指標(biāo)的預(yù)測值。

承載能力衍生數(shù)據(jù)是指移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力動態(tài)綜合評估過程中的中間數(shù)據(jù)(如主觀權(quán)重、客觀權(quán)重等)及能力評價結(jié)果、結(jié)果置信度及安全等級。

在數(shù)據(jù)交互方面,如圖5所示,感知系統(tǒng)(傳感器、編碼器、電位器和拉力傳感器)以串口通信的方式經(jīng)服務(wù)端,通過基于TCP/IP協(xié)議的Socket通信將物理空間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)實時傳入數(shù)據(jù)庫,存儲變成歷史數(shù)據(jù),驅(qū)動虛擬空間進(jìn)行模擬仿真及預(yù)測,同時以可視化的方式將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在評估系統(tǒng)的可視化界面上;虛擬空間通過Socket通信經(jīng)服務(wù)端,再經(jīng)Socket通信將模擬仿真及預(yù)測結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫,經(jīng)調(diào)用反饋到物理空間并呈現(xiàn)在評估系統(tǒng)可視化界面上;評估系統(tǒng)通過服務(wù)端將承載能力衍生數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫,經(jīng)調(diào)用反饋到物理空間。

圖5 數(shù)據(jù)交互方式

在孿生數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建方面。為達(dá)到快捷、便利以及快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和查詢的效果,選擇MySQL數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲工具,新建連接后依次輸入主機名、端口號、用戶名和密碼建立與MySQL數(shù)據(jù)庫的本地連接。連接成功后根據(jù)孿生數(shù)據(jù)的分類方案建立物理實體數(shù)據(jù)庫(ped)、虛擬實體數(shù)據(jù)庫(ved)和承載能力衍生數(shù)據(jù)庫(hpdd),在此基礎(chǔ)上利用樹狀圖,即以父子層次結(jié)構(gòu)建立數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)表?！皃ed”內(nèi)設(shè)置設(shè)備固有信息表和設(shè)備運行數(shù)據(jù)表;“ved”內(nèi)設(shè)置工作循環(huán)信息表、沖擊載荷響應(yīng)數(shù)據(jù)表、載荷組合數(shù)據(jù)表、承載能力指標(biāo)表;“hpdd”內(nèi)設(shè)置承載能力評估結(jié)果表、結(jié)果置信度表、安全等級表。

2.3 服務(wù)交互

服務(wù)交互是指通過搭建移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng),以聯(lián)合仿真的方式,通過相應(yīng)的通信方式(見圖5),來實現(xiàn)虛實映射中所產(chǎn)生的各類模型、算法、數(shù)據(jù)和仿真的驅(qū)動及結(jié)果的可視化展示,包括功能性服務(wù)和業(yè)務(wù)性服務(wù)兩類,功能性服務(wù)是業(yè)務(wù)性服務(wù)實現(xiàn)和運行的基礎(chǔ)支撐。功能性服務(wù)包含:①將相關(guān)仿真、預(yù)測及評估結(jié)果反饋給操作人員/維護管理人員,為其控制/維護維修提供參考及指導(dǎo);②虛擬實體提供的模型管理過程,如三維建模、渲染、虛擬場景搭建、仿真結(jié)果映射等;③孿生數(shù)據(jù)提供的數(shù)據(jù)管理與處理過程。業(yè)務(wù)性服務(wù)包含:①面向操作人員的場景監(jiān)控服務(wù),如場景漫游、跟隨視角等不同觀察視角切換服務(wù);②面向維護管理人員的結(jié)果可視化呈現(xiàn),如運行數(shù)據(jù)、仿真應(yīng)力云圖、位移云圖及承載能力評估結(jié)果等信息數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)。

3 結(jié)構(gòu)承載能力動態(tài)綜合評估方法

根據(jù)GB/T 30024—2020標(biāo)準(zhǔn)中移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力驗證的一般原則和要求,以極限狀態(tài)設(shè)計理論為基礎(chǔ),依據(jù)歷史工作循環(huán)信息,通過Python-Admas-Workbench聯(lián)合仿真,以離線狀態(tài)的方式完成起重機結(jié)構(gòu)的應(yīng)力/位移云圖的分析,形成后續(xù)代理預(yù)測的樣本集。同時,為克服分析過程中仿真模型反復(fù)調(diào)用,導(dǎo)致計算耗時較長,效率偏低的問題,構(gòu)建代理模型實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)驅(qū)動下起重機結(jié)構(gòu)應(yīng)力/位移云圖的動態(tài)預(yù)測。在此基礎(chǔ)上,利用主客觀綜合賦權(quán)法和未確知測度理論得到結(jié)構(gòu)承載能力動態(tài)綜合評估結(jié)果,具體的動態(tài)評估流程如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)承載能力動態(tài)綜合評估流程

(1)應(yīng)力/位移云圖樣本集獲取

如圖6所示,以極限狀態(tài)設(shè)計理論為基礎(chǔ),根據(jù)歷史工作循環(huán)信息,利用Adams軟件建立起重機剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型,設(shè)置功能參量的驅(qū)動函數(shù),分析提取工作循環(huán)過程中的沖擊載荷響應(yīng)系數(shù)φi(i=1～5),聯(lián)合對應(yīng)的載荷及分項安全系數(shù)γi(如表1)[20],依據(jù)“GB/T 22437.1—2018起重機載荷與載荷組合的設(shè)計原則第1部分:總則”[21]中的載荷組合表建立不同路徑下的載荷組合模型,得到組合后的載荷Fi,利用Workbench軟件建立起重機金屬結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)仿真模型,完成動載作用下結(jié)構(gòu)有限元仿真分析,得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及位移云圖,形成后續(xù)代理預(yù)測的樣本集。

(2)代理模型構(gòu)建

在此基礎(chǔ)上,為了確保計算精度不損失的前提條件下提升仿真模型的計算效率,利用KNN算法和RBF模型構(gòu)建仿真模型的代理模型;從移動式起重機服役場景出發(fā),將物理空間內(nèi)各傳感器采集到的運行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工作循環(huán)信息,結(jié)合代理模型形成運行信息與應(yīng)力云圖及位移云圖的映射關(guān)系(實現(xiàn)過程見第2.1節(jié)(3)虛實映射),從中提取各工作循環(huán)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力及位移值,結(jié)合GB/T 30024—2020標(biāo)準(zhǔn)制定承載能力驗證指標(biāo),給出各指標(biāo)(靜強度、疲勞強度、靜剛度、動剛度、穩(wěn)定性)的計算值,結(jié)合對應(yīng)的極限值,構(gòu)建結(jié)構(gòu)承載能力裕度指標(biāo)評價體系(如表2)。

表2 結(jié)構(gòu)承載能力評估準(zhǔn)則

注：ΔσC為特征疲勞強度,m為logσ/logN曲線的斜率常數(shù),γmf為疲勞強度具體抗力系數(shù),sm為應(yīng)力歷程參數(shù),f0為載荷對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的基本撓度,N為結(jié)構(gòu)受到的軸向力,NE為歐拉名義臨界載荷,S為移動式起重機上橫梁長度。

(3)結(jié)構(gòu)承載能力綜合評估

以構(gòu)建好的結(jié)構(gòu)承載能力裕度指標(biāo)評價體系為基礎(chǔ),采用層次分析法和熵值法[22]確定評價指標(biāo)的主、客觀權(quán)重,利用主客觀綜合賦權(quán)法得到綜合權(quán)重,結(jié)合未確知測度理論[23]計算多指標(biāo)綜合測度向量,利用置信度準(zhǔn)則和等級判別準(zhǔn)則,從結(jié)構(gòu)承載能力的角度確定設(shè)備的安全等級。具體過程如下:

(1)

式中pij為各指標(biāo)處于不同狀態(tài)的概率。

(2)

4)安全等級及置信度。綜合可變模糊集理論中的等級識別方法和置信度準(zhǔn)則,利用式(3)確定起重機結(jié)構(gòu)承載能力的安全等級及置信度。

(3)

式中:當(dāng)1≤K(μ)≤1.5,屬于1級;1.5≤K(μ)≤2.5,屬于2級;2.5≤K(μ)≤3.5,屬于3級;3.5≤K(μ)≤4,屬于4級。k為評估結(jié)果的級別數(shù)。λ為置信度,λ取值不同會對評價結(jié)果有一定影響,λ取值越大,評價結(jié)果越偏保守。

4 結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺開發(fā)

4.1 功能模塊

在功能模塊設(shè)計方面,移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺主要由服役過程監(jiān)控模塊、監(jiān)測量可視化模塊、承載能力評估模塊及數(shù)據(jù)管理模塊組成。

(1)服役過程監(jiān)控模塊 該模塊將以虛實同步的方式實時展示移動式起重機物理實體及虛擬實體的運行情況,且在監(jiān)控過程中,通過鼠標(biāo)按鈕實現(xiàn)場景視角縮放、旋轉(zhuǎn)及平移,其充分利用Unity 3D的一大特性,即場景漫游,讓用戶有身臨其境的感覺,不受視角和距離的約束,對整個場景進(jìn)行全方位、無死角的觀察,且始終保持了畫面高質(zhì)量,不會造成模糊失真。

(2)監(jiān)測量可視化模塊 為了達(dá)到實時監(jiān)測移動式起重機服役過程中設(shè)備運行狀態(tài),及時評估起重機結(jié)構(gòu)的承載能力,準(zhǔn)確預(yù)警并防止起重機安全失效等問題。將移動式起重機上的監(jiān)測量分為顯性與隱性兩大類。顯性監(jiān)測量包括整機運行參數(shù),包括起升高度、運行位置坐標(biāo)、起升速度、運行速度及旋轉(zhuǎn)角度等,可達(dá)到實時的效果;隱性監(jiān)測量包括結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖信息和位移云圖信息、承載能力各指標(biāo)及其裕度的計算值、設(shè)備安全等級,其中,隱性監(jiān)測量需在顯性監(jiān)測量的基礎(chǔ)上,通過相關(guān)計算、仿真、代理預(yù)測和評估來完成。

(3)承載能力評估模塊 充分利用孿生數(shù)據(jù)庫中的物理實體數(shù)據(jù)和虛擬實體數(shù)據(jù),結(jié)合結(jié)構(gòu)承載能力動態(tài)綜合評估方法,從結(jié)構(gòu)承載能力的角度獲取設(shè)備的安全等級及結(jié)果置信度,并將結(jié)果推送到可視化界面。

(4)數(shù)據(jù)管理模塊 ①對傳感器采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理,將處理后的數(shù)據(jù)反饋到邏輯腳本并響應(yīng)邏輯腳本的請求,同時將該部分?jǐn)?shù)據(jù)存入孿生數(shù)據(jù)庫中;②包含物理實體數(shù)據(jù),虛擬實體數(shù)據(jù)和承載能力衍生數(shù)據(jù)的分類與管理;③支持對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、添加、修改及刪除。

4.2 開發(fā)流程

在系統(tǒng)開發(fā)流程方面,移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng)需集成虛擬實體數(shù)據(jù)處理、應(yīng)力位移信息獲取、結(jié)構(gòu)承載能力評估等多項內(nèi)容,涉及到多種軟件聯(lián)合開發(fā),具體開發(fā)流程如圖7所示。

圖7 移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng)開發(fā)流程

通過SolidWorks和3Ds Max共同構(gòu)建三維幾何模型,結(jié)合Unity 3D搭建移動式起重機虛擬孿生體;通過C#腳本編寫孿生體的運動關(guān)系,聯(lián)合Python編寫通信協(xié)議,在Unity 3D中實現(xiàn)虛實聯(lián)動等操作;利用Adams-Workbench聯(lián)合仿真獲取應(yīng)力位移數(shù)據(jù)樣本數(shù)據(jù)集,通過Python編寫KNN算法及RBF代理模型完成應(yīng)力信息擴展預(yù)測,編寫結(jié)構(gòu)承載能力動態(tài)評估方法,完成設(shè)備安全等級的動態(tài)判斷;結(jié)合Socket通信,利用Unity 3D和UI界面實現(xiàn)信息可視化交互。

4.3 系統(tǒng)平臺

以移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng)框架為基礎(chǔ),以結(jié)構(gòu)承載能力動態(tài)綜合評估方法為支撐,在物理空間、虛擬空間,孿生數(shù)據(jù)及評估服務(wù)間,利用虛實映射、數(shù)據(jù)交互及服務(wù)交互等方式,結(jié)合功能模塊設(shè)計、系統(tǒng)開發(fā)流程和移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺,給出用于宏觀展示的系統(tǒng)界面,如圖8所示。

圖8 移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng)界面

如圖8所示,移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng)從四大模塊入手,具體聯(lián)動過程為:①通過Python的可視化圖形界面Qt-designer建立系統(tǒng)主界面,可分為功能按鈕區(qū)和可視化圖表區(qū),前者包括虛實交互啟動、傳輸通信啟動、運行信息觀測、仿真映射啟動、承載能力評估、信息數(shù)據(jù)管理和評估系統(tǒng)退出等7個功能按鈕;后者包括起重量、應(yīng)力、應(yīng)力幅、位移、軸向力和動剛度等6種監(jiān)測量數(shù)據(jù)圖表。 ②按先后順序開啟“虛實交互啟動—傳輸通信啟動—信息數(shù)據(jù)管理—運行信息觀測”按鈕,進(jìn)入服役過程監(jiān)控模塊和信息數(shù)據(jù)管理模塊,在物理世界窗口和虛擬世界窗口實現(xiàn)虛實同步呈現(xiàn),其中,基于Unity 3D建立的虛擬世界窗口包括功能按鈕區(qū)和虛擬實體工作區(qū),前者包括滑動條(如機械爪旋轉(zhuǎn)R1與開閉R2、起升機構(gòu)移動R3以及小車前后R4、左右R5、轉(zhuǎn)向R6)和按鈕(模式切換、車身重置、舵機掉電(用于安全預(yù)警中的急停操作)、云圖映射、場景漫游以及退出系統(tǒng));③按先后順序開啟“仿真映射啟動—承載能力評估”按鈕,進(jìn)入承載能力評估模塊,實現(xiàn)整機結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移信息映射,給出工作循環(huán)過程中結(jié)構(gòu)承載能力指標(biāo)及其裕度計算結(jié)果,并輸出設(shè)備安全等級的相關(guān)結(jié)果。

5 實驗案例

以YDC20/30輕小型移動式起重機為實驗對象,服役場景中取貨區(qū)為Q1～Q3,3個堆碼區(qū)D11～D33,物理實體主要硬件配置及能力參數(shù)如表3和表4所示。利用移動式起重機結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng),完成服役過程監(jiān)控、監(jiān)測量可視化呈現(xiàn)、結(jié)構(gòu)承載能力評估等,實現(xiàn)孿生系統(tǒng)搭建方法適用性和可行性及系統(tǒng)平臺有效性的驗證。

表4 移動式起重機整機能力參數(shù)

(1)服役過程監(jiān)控及監(jiān)測量可視化

移動式起重機進(jìn)入服役過程監(jiān)控模塊后:①對設(shè)備進(jìn)行預(yù)處理,該過程為實驗前的預(yù)操作,包括場景布置(障礙物、貨物);檢查物理實體的機械、傳感、電控和通信系統(tǒng)是否完好無損;確保Unity 3D中虛擬系統(tǒng)和移動式起重機承載能力數(shù)字孿生系統(tǒng)能正常運行;②服役過程虛實互控,設(shè)備預(yù)處理后,切換當(dāng)前模式為監(jiān)測模式(實控虛),驅(qū)動物理實體運動;再次切換當(dāng)前模式為控制模式(虛控實),即使用Unity 3D畫布中的滑動條驅(qū)動虛擬實體運動,且虛實聯(lián)動中的搬運路線完全一致。圖9給出了一次搬運過程(即一次工作循環(huán)過程)中的搬運路線,即貨物在取貨區(qū)3號位置的起始點O3處,開始搬運Q3位置上的貨物(重量10.7kg),搬運路線穿梭于V形障礙物W1和圓柱形障礙物Z1,將貨物運輸?shù)?號堆碼區(qū)的D33位置處,搬運路徑設(shè)為O3-A-B,搬運過程中監(jiān)測量的變化情況如圖10所示。

圖9 數(shù)字孿生下移動式起重機搬運路線

圖10 一個工作循環(huán)下的監(jiān)測結(jié)果及瞬時監(jiān)測量

如圖10所示,搬運過程中,①設(shè)備初始狀態(tài),爪子旋轉(zhuǎn)90°處于張開55°狀態(tài),起升機構(gòu)上升至最高行程25 cm,起重量為0,設(shè)備位于Y軸、X軸的0點坐標(biāo)位置處;②待抓取貨物階段,起升機構(gòu)下降至到最低行程0 cm,爪子狀態(tài)保持不變,設(shè)備位置不變;③貨物抓取階段,爪子待夾取貨物,并進(jìn)行閉合至0°狀態(tài);④帶載上升階段,起升機構(gòu)帶載上升至最高行程25 cm,爪子夾取10.7 kg貨物;⑤帶載運行階段,設(shè)備帶載荷沿Y軸移動105 cm,X軸方向保持不變;⑥轉(zhuǎn)向階段,設(shè)備逆時針旋轉(zhuǎn)90°;⑦帶載運行階段,設(shè)備帶載荷沿X軸移動97 cm,Y軸方向保持不變;⑧待卸載階段,移動式起重機起升機構(gòu)下降至最底行程0 cm并處于待堆碼狀態(tài);⑨卸載后設(shè)備復(fù)位至初始狀態(tài)。

在對物理實體和虛擬模型搬運過程實時監(jiān)控、監(jiān)測的基礎(chǔ)上,利用系統(tǒng)平臺實現(xiàn)工作循環(huán)過程中整機結(jié)構(gòu)應(yīng)力信息、位移信息實時映射。圖11給出了與圖10運行監(jiān)測量相對應(yīng)的映射結(jié)果,且該工作循環(huán)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為46.838 MPa及位移為0.4894 mm,映射時長分別為16 s和17 s左右。

圖11 移動式起重機結(jié)構(gòu)云圖信息映射結(jié)果

(2)承載能力動態(tài)綜合評估

以歷史及當(dāng)前工作循環(huán)下應(yīng)力信息、位移信息為基礎(chǔ),依據(jù)GB/T30024—2020標(biāo)準(zhǔn)制定的起重機結(jié)構(gòu)承載能力驗證指標(biāo),結(jié)合GB50426—2007“鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范”[25-26],利用系統(tǒng)平臺給出100組工作循環(huán)下結(jié)構(gòu)的靜強度、疲勞強度、靜剛度、動剛度、穩(wěn)定性的計算值,結(jié)合對應(yīng)指標(biāo)的極限值給出了相應(yīng)裕度的指標(biāo)值,結(jié)果如圖12a所示,在此基礎(chǔ)上,以10個工作循環(huán)為周期,根據(jù)式(1)～式(3),通過系統(tǒng)平臺,得到結(jié)構(gòu)承載能力動態(tài)綜合評估結(jié)果如圖12b所示。

圖12 承載能力動態(tài)綜合評估相關(guān)結(jié)果

由圖12a當(dāng)前工作循環(huán)下,起重量為重量10.7 kg時,結(jié)構(gòu)承載能力驗證指標(biāo)中靜強度σSd=46.84 MPaYHRd=2 Hz,軸向力NSd=3490.18 N

6 結(jié)束語

本文從數(shù)字孿生技術(shù)在起重機械本質(zhì)安全領(lǐng)域的落地應(yīng)用入手,提出了面向起重機結(jié)構(gòu)承載能力評估的數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建方法,設(shè)計了結(jié)構(gòu)承載能力數(shù)字孿生框架;闡述了結(jié)構(gòu)承載能力動態(tài)綜合評估方法。通過虛實映射直觀呈現(xiàn)了起重機運行狀態(tài),結(jié)合虛擬空間內(nèi)所建立的聯(lián)合仿真模型,從應(yīng)力/位移云圖的角度直觀反映了結(jié)構(gòu)承載能力狀態(tài),從顯性-隱性監(jiān)測量的角度解決了監(jiān)測力度差的問題;通過數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)了孿生數(shù)據(jù)與物理空間、虛擬空間和承載能力評估服務(wù)的有效對接,解決了結(jié)構(gòu)承載能力評估過程全要素、全流程和全服務(wù)下相關(guān)數(shù)據(jù)的高效融合與利用問題;通過服務(wù)交互實現(xiàn)虛實映射中所產(chǎn)生的各類模型、算法、數(shù)據(jù)和仿真的驅(qū)動,進(jìn)而實現(xiàn)承載能力動態(tài)綜合評估及其結(jié)果的可視化呈現(xiàn),解決了結(jié)構(gòu)能力評估不夠全面、效率偏低的問題。再者,通過系統(tǒng)平臺搭建和實驗案例驗證了所提方法的有效性,為數(shù)字孿生技術(shù)在起重機安全能力評估領(lǐng)域的嫁接移植提供了一定的參考。

本文所提方法不但對移動式起重機結(jié)構(gòu)能力評估有效,而且對其他起重機械產(chǎn)品也具有普適性。目前,數(shù)字孿生技術(shù)在起重機械本質(zhì)安全領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初級階段,從機-電-液-傳-控強耦合的角度,將多源服役信息與設(shè)備整體能力退化數(shù)據(jù)相融合進(jìn)行輔助安全評估,是下一步的研究重點。