數(shù)字孿生在工業(yè)安全生產(chǎn)中的應(yīng)用分析

摘要：數(shù)字孿生為物理對(duì)象的數(shù)字化建模和交互控制形成了有效的管理模式和技術(shù)框架，從數(shù)字孿生動(dòng)畫、工藝流程圖、駕駛艙三個(gè)維度對(duì)傳動(dòng)設(shè)備多個(gè)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示?；皵?shù)”為“物”，將原本分布在幾十個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)全部整合融入。數(shù)字孿生正在席卷資產(chǎn)密集型行業(yè)，以顛覆性的方式改變運(yùn)營模式，這就需要從物理和數(shù)字的角度全面掌控資產(chǎn)、設(shè)備、設(shè)施和過程。在安全生產(chǎn)方面的應(yīng)用是這一變革的重要部分。以礦業(yè)為實(shí)際案例，從保養(yǎng)管理、維修管理、信息管理及點(diǎn)巡檢管理出發(fā)，闡述數(shù)字孿生融入礦業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營，持續(xù)創(chuàng)新賦能礦山，在工業(yè)安全生產(chǎn)中創(chuàng)造出可觀的應(yīng)用價(jià)值，有效避免重大安全事故的發(fā)生，助力提升設(shè)備智能運(yùn)維和生產(chǎn)安全。通過數(shù)字孿生設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)工頻故障、電氣故障、機(jī)械部件損傷等類型故障的監(jiān)測(cè)，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;安全生產(chǎn);煤炭傳送設(shè)備

中圖分類號(hào)：U461 收稿日期：2022-07-05

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.09.005

1 概念介紹

數(shù)字孿生（DT）是一個(gè)物理資產(chǎn)的虛擬代表，它與物理對(duì)應(yīng)物幾乎沒有區(qū)別。它包括設(shè)計(jì)和工程細(xì)節(jié)，描述資產(chǎn)的幾何形狀、材料、組件和行為或性能。換句話說，它是一個(gè)物理實(shí)體的數(shù)字對(duì)應(yīng)物。DT是一個(gè)模型，顯示了一個(gè)系統(tǒng)的虛擬和物理空間。該系統(tǒng)使用傳感器、執(zhí)行器、控制器和交互模型，將物理和虛擬空間整合為一個(gè)單一的系統(tǒng)。該模型的過程連接了物理和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息流。DT使用概念化、比較和協(xié)作工具來解決問題和進(jìn)行創(chuàng)新。它可以模擬和優(yōu)化制造系統(tǒng)的三個(gè)領(lǐng)域：生產(chǎn)計(jì)劃控制、維護(hù)和布局規(guī)劃[1]。

數(shù)字孿生是一個(gè)虛擬模型，用于準(zhǔn)確地反映物理對(duì)象。所研究的對(duì)象（例如風(fēng)力渦輪）會(huì)配備各種與重要功能領(lǐng)域相關(guān)的傳感器。這些傳感器產(chǎn)生與物理對(duì)象相關(guān)的數(shù)據(jù)，如能量輸出、溫度、天氣條件等。然后，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到處理系統(tǒng)并應(yīng)用于數(shù)字副本。

數(shù)字孿生在改進(jìn)研發(fā)工作、提高效率及產(chǎn)品管理生命周期方面的優(yōu)勢(shì)及益處明顯。首先，改進(jìn)研發(fā)工作方面，通過使用數(shù)字孿生，結(jié)合大量可能的性能結(jié)果數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)更有效的產(chǎn)品研究和設(shè)計(jì)。這些信息可以產(chǎn)生見解，幫助公司在開始生產(chǎn)前做出必要的產(chǎn)品優(yōu)化。其次，在提高效率方面，即使新產(chǎn)品已經(jīng)開始生產(chǎn)，數(shù)字孿生也可以鏡像和監(jiān)控生產(chǎn)系統(tǒng)，關(guān)注整個(gè)制造過程中達(dá)到和保持峰值效率的情況。最后，在產(chǎn)品生命周期管理方面，數(shù)字孿生甚至可以幫助制造商決定如何處理生命周期已經(jīng)結(jié)束并需要進(jìn)行最終處理的產(chǎn)品，例如回收或采取其他措施。通過使用數(shù)字孿生，可以確定可以回收哪些產(chǎn)品材料。

獲得這類數(shù)據(jù)后，虛擬模型就可以開始運(yùn)行模擬，研究性能問題和生成可能的改進(jìn)，最終目的是產(chǎn)生有價(jià)值的見解，而見解又可以反過來應(yīng)用于原始物理對(duì)象。

2 使用領(lǐng)域

數(shù)字孿生已廣泛用于以下領(lǐng)域：發(fā)電設(shè)備、大型引擎，包括噴射發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電渦輪機(jī)。這些領(lǐng)域極大地受益于數(shù)字孿生，尤其是幫助確立定期維護(hù)時(shí)間表。a.在結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)方面，特別是大型物理結(jié)構(gòu)，例如大型建筑物或海上鉆井平臺(tái)，通過數(shù)字孿生得到改進(jìn)，尤其是在設(shè)計(jì)階段。對(duì)于設(shè)計(jì)這些結(jié)構(gòu)內(nèi)運(yùn)行的系統(tǒng)也很有用。b.在制造作業(yè)方面，由于數(shù)字孿生是為了鏡像一個(gè)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，因此它自然廣泛應(yīng)用于所有制造階段，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)到最終成品的所有環(huán)節(jié)提供指導(dǎo)。c.在醫(yī)療保健服務(wù)方面，正如產(chǎn)品可以通過使用數(shù)字孿生來描述一樣，接受醫(yī)療保健服務(wù)的患者同樣如此。傳感器生成數(shù)據(jù)的同一類型系統(tǒng)可用于跟蹤各種健康指標(biāo)和生成關(guān)鍵見解。d.在汽車行業(yè)方面，汽車代表許多類型的復(fù)雜和協(xié)同運(yùn)作的系統(tǒng)。數(shù)字孿生廣泛運(yùn)用于汽車設(shè)計(jì)，既能提升車輛性能，又能提高汽車的生產(chǎn)效率。e.在城市規(guī)劃方面，土木工程師和其他參與城市規(guī)劃活動(dòng)的人員受到數(shù)字孿生的極大幫助，它可以實(shí)時(shí)顯示3D和4D空間數(shù)據(jù)，還能增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)融入構(gòu)建好的環(huán)境。

通過采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度可以實(shí)時(shí)數(shù)字顯示，管理者能更好地掌控生產(chǎn)情況，同時(shí)產(chǎn)品的生產(chǎn)信息得以記錄保存，便于后續(xù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量追溯。通過對(duì)設(shè)備參數(shù)、工藝數(shù)據(jù)、運(yùn)行環(huán)境等各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，可實(shí)現(xiàn)在線預(yù)測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量趨勢(shì)，也可調(diào)取歷史存檔數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析，幫助企業(yè)找到問題優(yōu)化管理。

對(duì)于設(shè)備的監(jiān)控與運(yùn)維，通過對(duì)設(shè)備的采集實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，并可根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)間向設(shè)備維保人員提示維修和保養(yǎng)任務(wù)，如圖1所示。

提前預(yù)測(cè)設(shè)備故障，通過大數(shù)據(jù)建模、計(jì)算和分析，預(yù)測(cè)設(shè)備可能的故障，并給出相應(yīng)的預(yù)防措施和解決方案，直接將對(duì)故障的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)化成預(yù)防的計(jì)劃安排，降低故障發(fā)生的概率。數(shù)字孿生也可用于：設(shè)備故障分析及預(yù)測(cè)，優(yōu)化設(shè)備維修計(jì)劃;設(shè)備劣化傾向分析，提出預(yù)測(cè)性維修建議;設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)分析，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)維計(jì)劃;零部件出入庫分析及預(yù)測(cè)，優(yōu)化備件購置計(jì)劃。

數(shù)字孿生可降低設(shè)備因故停機(jī)時(shí)間。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況制定全面的點(diǎn)檢和保養(yǎng)計(jì)劃，通過對(duì)計(jì)劃的執(zhí)行使設(shè)備時(shí)刻處于健康狀態(tài)，最大程度上減小設(shè)備發(fā)生故障的幾率，從而減少設(shè)備因故而被迫停機(jī)的時(shí)間。數(shù)字孿生還可自動(dòng)生成保養(yǎng)計(jì)劃，定期設(shè)備點(diǎn)檢，計(jì)劃工單下發(fā)，設(shè)備故障預(yù)測(cè)分析。

3 實(shí)際案例

從產(chǎn)品角度思考，通過三維建模還原實(shí)體工廠和生產(chǎn)線場景，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)和工廠狀態(tài)同步呈現(xiàn)，讓用戶對(duì)生產(chǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)有更直觀的感受，可以更便捷地進(jìn)行管理，增強(qiáng)用戶的數(shù)據(jù)感知能力，為運(yùn)營提供強(qiáng)有力的支持。當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)異常時(shí)，能夠方便管理者更快速地定位異常點(diǎn)，遠(yuǎn)程指導(dǎo)故障處理，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)的有效維護(hù)管理，大幅降低維護(hù)成本。下面以皮帶傳動(dòng)設(shè)備為例進(jìn)行分析。

皮帶傳動(dòng)設(shè)備是生產(chǎn)系統(tǒng)的命脈，又時(shí)刻關(guān)系著工作人員的生命安全，是安全生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。在傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)部的各種化學(xué)反應(yīng)、物理變化和重要參數(shù)等都從外部無法看出，只有通過大數(shù)據(jù)、全連接、全協(xié)同打通數(shù)據(jù)孤島，才能加快整個(gè)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐。作為一家立足于數(shù)字孿生行業(yè)的科技公司，所有員工都在思考怎么提高皮帶傳動(dòng)的安全，數(shù)字孿生在擅長的專業(yè)領(lǐng)域貢獻(xiàn)一份力量。圍繞企業(yè)管理模式變革的需求，借力能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的契機(jī)，以信息技術(shù)廣泛應(yīng)用為主導(dǎo)，大力推進(jìn)“智能制造”，將IoT、可視化、數(shù)據(jù)分析相關(guān)技術(shù)引入各個(gè)行業(yè)。打造基于數(shù)字孿生云平臺(tái)的智慧傳動(dòng)設(shè)備運(yùn)維平臺(tái)，以智能管控賦能企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，抓好數(shù)字化轉(zhuǎn)型新機(jī)遇，推動(dòng)行業(yè)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。

為了保證采煤設(shè)備的安全、穩(wěn)定及長周期運(yùn)行，更加科學(xué)地進(jìn)行設(shè)備檢修及維護(hù)，通過數(shù)字孿生對(duì)煤礦關(guān)鍵設(shè)備加裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的24 h不間斷采集，通過系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)分析及遠(yuǎn)程診斷專家輔助數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)，通過完善的智能報(bào)警策略，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，可以更從容地準(zhǔn)備備件，安排檢修計(jì)劃等，減少關(guān)鍵設(shè)備的非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，避免安全事故發(fā)生。同時(shí)通過加裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所有的數(shù)據(jù)分析和診斷工作，交由專業(yè)系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程診斷專家承擔(dān)，確保報(bào)告的準(zhǔn)確性和有效性。

煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源和原材料，在國民經(jīng)濟(jì)中具有重要的戰(zhàn)略地位。在中國的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭將成為中國長期的主要能源。改革開放以來，煤炭工業(yè)取得長足發(fā)展，煤炭產(chǎn)量持續(xù)增長，生產(chǎn)技術(shù)水平逐步提高，煤礦安全生產(chǎn)條件有所改善，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用。但是，煤炭工業(yè)的發(fā)展還存在結(jié)構(gòu)不合理、增長方式草率、科技水平低、安全事故多、資源浪費(fèi)嚴(yán)重、環(huán)境管理滯后、歷史問題較多等突出問題。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭需求總量不斷增加，資源、環(huán)境和安全壓力進(jìn)一步加大。因此，煤炭企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展問題日益突出，在研究煤炭企業(yè)可持續(xù)發(fā)展水平評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建煤礦安全評(píng)價(jià)模型非常有必要[2]。

以煤矸石為例，它是一種多用途的資源，并且已經(jīng)受到足夠的重視，特別是對(duì)于我們國家煤炭資源日益緊縮、環(huán)境問題嚴(yán)重的現(xiàn)狀有改善作用。對(duì)于煤矸石的綜合利用，在企業(yè)中仍存在技術(shù)落后、安全隱患和污染環(huán)境等問題。改良工藝流程和設(shè)備，提高煤矸石的利用效率，引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)備或技術(shù)，并加大對(duì)煤矸石性質(zhì)的研究和設(shè)備、技術(shù)的研發(fā)力度，在不斷的創(chuàng)新中尋求更為合理的利用方式[3]。

數(shù)字孿生對(duì)于設(shè)備設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)采用成熟的振動(dòng)、溫度、光纖測(cè)溫、電流等相結(jié)合的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，減少關(guān)鍵設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，有效避免重大安全事故的發(fā)生，助力提升設(shè)備智能運(yùn)維和生產(chǎn)安全，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

盡管數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)為物理對(duì)象的數(shù)字化建模和交互控制形成了有效的管理模式和技術(shù)框架，但其應(yīng)用范圍大多局限于獨(dú)立的對(duì)象，面向全生命周期的大型動(dòng)態(tài)演化系統(tǒng)的整體關(guān)聯(lián)孿生和協(xié)同決策的研究還很少。因此，如何將數(shù)字孿生模型擴(kuò)展到智能制造項(xiàng)目動(dòng)態(tài)演化的全生命周期系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多相關(guān)因素的評(píng)估，是亟待解決的問題。以智能制造全生命周期下的動(dòng)態(tài)演化為導(dǎo)向，在經(jīng)典數(shù)字孿生圖譜系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展評(píng)估信息架構(gòu)[4]。

數(shù)字孿生從數(shù)字孿生動(dòng)畫、工藝流程圖、駕駛艙三個(gè)維度對(duì)傳動(dòng)設(shè)備多個(gè)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。化“數(shù)”為“物”，將原本分布在幾十個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)全部整合融入。每傳送一塊煤炭，它的傳送物流和信息流都會(huì)實(shí)時(shí)匹配，工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)也會(huì)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 數(shù)字孿生對(duì)安全生產(chǎn)的作用

安全是生產(chǎn)的底線，通過數(shù)字孿生設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)工頻故障、電氣故障、機(jī)械部件損傷等類型故障的監(jiān)測(cè)，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

a.發(fā)現(xiàn)故障的早期征兆，以便企業(yè)采取有效的維護(hù)措施，避免重大安全事故的發(fā)生。

b.分析故障原因，確定故障根源并預(yù)測(cè)損傷部件使用壽命，協(xié)助制定檢維修計(jì)劃。

c.通過長期有效的監(jiān)測(cè)，優(yōu)化設(shè)備檢測(cè)維修工作計(jì)劃，統(tǒng)籌安排人力以及備件的準(zhǔn)備，降低管理成本，實(shí)現(xiàn)備品備件采購計(jì)劃的合理安排。

d.通過在線監(jiān)測(cè)的預(yù)知維修實(shí)現(xiàn)前瞻性維護(hù)，避免非計(jì)劃停機(jī)，提高設(shè)備的可利用率，避免造成的生產(chǎn)損失和維修成本。

e.幫助企業(yè)積累設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立失效模式，改善后續(xù)設(shè)計(jì)。

機(jī)械設(shè)備，尤其是帶動(dòng)力或旋轉(zhuǎn)設(shè)備，對(duì)于組件共振、不平衡、不對(duì)中、潤滑油污染、齒輪嚙合故障、電機(jī)葉片故障、定子故障、轉(zhuǎn)子故障、軸承故障等都伴隨著振動(dòng)信息的變化，設(shè)備故障的發(fā)生發(fā)展過程有其客觀的規(guī)律，一般來說，設(shè)備在使用過程中，其性能或狀態(tài)隨著使用時(shí)間的推移而逐步下降。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)逐步向智能化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，縱觀世界范圍內(nèi)的工業(yè)變革，智能制造、智能數(shù)據(jù)、智能產(chǎn)品、智能服務(wù)等新的生產(chǎn)形態(tài)已對(duì)工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)管理、服務(wù)模式提出了新的要求和挑戰(zhàn)。隨著以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)加速應(yīng)用，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，自動(dòng)化、智能化的產(chǎn)品和生產(chǎn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通已成為智能制造建設(shè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。數(shù)字孿生將人工智能、3D可視化、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)融入礦業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營，持續(xù)創(chuàng)新賦能礦山，創(chuàng)造出可觀的實(shí)際價(jià)值。數(shù)字孿生打造的工業(yè)數(shù)字孿生平臺(tái)，是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)彈性伸縮、設(shè)備接入、設(shè)備運(yùn)維、數(shù)字工廠的一體化平臺(tái)，為企業(yè)客戶構(gòu)建智能化生產(chǎn)運(yùn)營的物聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化、可視化、智能化的管理運(yùn)營，設(shè)備數(shù)據(jù)貫穿產(chǎn)品創(chuàng)新、生產(chǎn)運(yùn)營、資產(chǎn)維護(hù)等全業(yè)務(wù)鏈條，全面推動(dòng)工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展。

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作者簡介：

谷豐，男，1985年生，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉雌?、?shù)字孿生。

羅嘯，男，1986年生，助教，研究方向?yàn)榻逃芾怼?/p>