基于數(shù)字孿生模型的設(shè)備故障診斷技術(shù)

楊俊峰，王紅軍，馮昊天，宋建麗

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

大數(shù)據(jù)技術(shù)與智能制造提出后，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)手段對(duì)設(shè)備進(jìn)行科學(xué)化、信息化管理顯得尤為重要。數(shù)字孿生（Digital Twin）是指利用物理實(shí)體、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，結(jié)合多物理量、多學(xué)科、多尺度、多概率的對(duì)物理實(shí)體對(duì)象的特征、行為、形成過程和性能等進(jìn)行描述和建模（Glaessegen E 等，2012），使其反映對(duì)應(yīng)物理實(shí)體的全生命周期。數(shù)字孿生模型能很好建立虛擬仿真與物理實(shí)體的聯(lián)系。

隨著多領(lǐng)域建模、新型信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生成為復(fù)雜裝備系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。對(duì)于復(fù)雜裝備，通過模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相融合的方法，構(gòu)建設(shè)備數(shù)字孿生體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障診斷和優(yōu)化，為數(shù)字孿生技術(shù)在設(shè)備全生命周期的應(yīng)用提供實(shí)施方法。

但是，生產(chǎn)線存在多工位工藝、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、信息和突發(fā)情況復(fù)雜不確定等問題?？梢暬椒ㄓ兄诠芾碚邔?shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和工作參數(shù)，及時(shí)做出決策，極大的減少維修損失。因此，構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實(shí)時(shí)反映生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以有助于生產(chǎn)人員掌握生產(chǎn)運(yùn)行情況，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，合理分配資源，實(shí)現(xiàn)設(shè)備高效利用。

1 模型驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生體初始模型構(gòu)建

在數(shù)字空間中，依據(jù)設(shè)備的運(yùn)行原理可使用模型驅(qū)動(dòng)方法構(gòu)建同一物理實(shí)體多尺度、跨時(shí)間的初始孿生模型[2]，包括物理模型、性能模型、局部線性化模型等，三種模型是同一設(shè)備在不同時(shí)間尺度和精度上的表示，綜合反映設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)狀態(tài)和控制系統(tǒng)，不同模型在計(jì)算精度速度上的比較如圖1 所示。模型之間是遞進(jìn)關(guān)系，具體表現(xiàn)為：完成幾何建模后，利用多領(lǐng)域綜合建模技術(shù)得到描述逼真的物理模型，但逼真度的越高，伴隨的是細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)過多迭代周期過長，失去監(jiān)測(cè)和診斷的意義；基于此，對(duì)模型進(jìn)行維度縮放得到精確的部件特性，再采用部件法創(chuàng)建低維性能模型。該模型能與設(shè)備同步映射，可應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷；在此基礎(chǔ)，根據(jù)低維度性能模型的運(yùn)行狀態(tài)，在具體部位建立局部線性模型，為優(yōu)化控制提供參考。

圖1 不同模型在計(jì)算精度速度上的比較

2 模型驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)融合數(shù)字孿生模型構(gòu)建

基于初始模型，連接物理空間向數(shù)字空間傳遞的數(shù)據(jù)，搭建實(shí)時(shí)映射的運(yùn)維數(shù)字孿生模型[3]。初始模型與物理空間采集的多數(shù)據(jù)融合，使模型具備行為特征，形成設(shè)備的運(yùn)維數(shù)字孿生模型如圖2 所示。

圖2 運(yùn)維數(shù)字孿生

將設(shè)備實(shí)際采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與性能模型結(jié)合，形成一個(gè)自適應(yīng)模型，其隨運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備性能變化，達(dá)到監(jiān)測(cè)設(shè)備局部狀態(tài)和整體性能的目的；將包含歷史維修數(shù)據(jù)的故障模式引入物理模型和性能模型，構(gòu)建故障模型，用于故障診斷和維護(hù)；將歷史數(shù)據(jù)與性能模型結(jié)合，在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下建立性能預(yù)測(cè)模型，評(píng)價(jià)設(shè)備性能和壽命預(yù)測(cè)；運(yùn)行環(huán)境引入局部線性模型，形成控制優(yōu)化模型，為設(shè)備優(yōu)化提供策略。這些模型共同描述了一個(gè)包含多行為屬性的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)診斷與性能優(yōu)化。

精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)目的是解決設(shè)備退化導(dǎo)致的模型無法真實(shí)評(píng)價(jià)設(shè)備性能參數(shù)的問題。設(shè)備出廠時(shí)，依據(jù)設(shè)備性能模型建立額定性能模型，投入使用后，由于部件磨損、變形、加工誤操作等原因，設(shè)備性能退化，虛擬實(shí)體的性能輸出值偏離物理設(shè)備的傳感器測(cè)量值，設(shè)備性能參數(shù)（如變形、速度等）不能精確估計(jì)。為達(dá)到精確監(jiān)測(cè)的目的，利用傳感器偏差數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)修正基準(zhǔn)模型的性能模型，從而建立一個(gè)設(shè)備性能自適應(yīng)模型。實(shí)現(xiàn)方法為：根據(jù)傳感器測(cè)量值與虛擬性能模型輸出值之間的偏差，利用Kalman 濾波估計(jì)性能模型的變化程度，并使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在包絡(luò)范圍內(nèi)對(duì)基準(zhǔn)模型進(jìn)行補(bǔ)償修正，使虛擬實(shí)體輸出與真實(shí)設(shè)備輸出一致。

在故障診斷中，對(duì)同一批設(shè)備的故障與維護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成故障模式，并將其引入初始模型。運(yùn)行過程中，與設(shè)備采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比對(duì)，整理相似的故障模式，用以對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)。將設(shè)備性能模型與故障數(shù)據(jù)在數(shù)字空間融合，生成故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)測(cè)。設(shè)備故障有多種類型，如振動(dòng)故障、潤滑故障等，數(shù)字孿生模型可以對(duì)設(shè)備的主要工作參數(shù)如速度、振動(dòng)、溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，超出范圍進(jìn)行報(bào)警。此外，將同一批歷史設(shè)備的故障模式整合到模型中。當(dāng)實(shí)際測(cè)量參數(shù)超過設(shè)定范圍報(bào)警時(shí)，將測(cè)量數(shù)據(jù)與故障模式相匹配進(jìn)行故障診斷，如圖3 所示。

圖3 故障診斷模型

性能預(yù)測(cè)是記錄同型號(hào)設(shè)備的運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，融合基準(zhǔn)模型進(jìn)行性能預(yù)測(cè)。設(shè)備長期工作導(dǎo)致性能下降，為準(zhǔn)確估計(jì)性能下降速度，對(duì)設(shè)備進(jìn)行性能預(yù)測(cè)需結(jié)合傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)。根據(jù)物理實(shí)體設(shè)備的多種故障數(shù)據(jù)，建立預(yù)測(cè)模型。該模型的構(gòu)建包括評(píng)估參數(shù)選擇、樣本建立、指標(biāo)設(shè)定、性能預(yù)測(cè)等4 個(gè)步驟。預(yù)測(cè)模型解決了物理實(shí)體設(shè)備的性能度量和預(yù)測(cè)，同時(shí)為故障診斷維修提供手段。

模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)字驅(qū)動(dòng)[4]的融合，構(gòu)建設(shè)備故障診斷孿生模型：首先采用模型驅(qū)動(dòng)方法搭建初始模型；然后基于初始模型，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)一步構(gòu)建了具備精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、故障診斷、性能優(yōu)化等行為屬性的設(shè)備數(shù)字孿生模型。

3 數(shù)字孿生模型下的故障診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟

基于數(shù)字孿生模型的故障診斷實(shí)現(xiàn)步驟主要包括儀器設(shè)備的搭建、數(shù)據(jù)的采集與處理、模型的建立與融合、數(shù)據(jù)的融合、故障預(yù)測(cè)5 個(gè)步驟[5]，實(shí)施步驟如圖4 所示。

圖4 數(shù)字孿生模型下的故障診斷技術(shù)路線

（1）步驟一：儀器設(shè)備的建立。儀器設(shè)備是設(shè)備管理的前端，將儀器設(shè)備可視化，便于直觀看到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)程管理查看設(shè)備信息，提供故障診斷策略。

（2）步驟二：數(shù)據(jù)的采集。為了保證孿生模型能夠?qū)崟r(shí)迭代優(yōu)化，需要設(shè)定數(shù)據(jù)通信與轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)不同通信接口之間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換與封裝，從而可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范處理，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成和融合。

（3）步驟三：模型的建立與融合。建立物理設(shè)備到孿生體的真實(shí)映射[3]，分析多維度下模型間的關(guān)聯(lián)及其映射。物理設(shè)備的全方位建模遵循幾何、物理、行為、規(guī)則等多個(gè)維度，通過建立各層模型的聯(lián)系，從結(jié)構(gòu)和功能上對(duì)模型進(jìn)行融合，生成的模型及虛擬仿真以三維形式進(jìn)行可視化展示。

（4）步驟四：數(shù)據(jù)的融合。首先對(duì)物理設(shè)備實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、建模，其次對(duì)其結(jié)果進(jìn)行歸類、分析，最后將設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代、演化與融合，實(shí)現(xiàn)物理與虛擬模型的數(shù)據(jù)融合，使虛擬實(shí)體能夠真實(shí)反映出物理實(shí)體的全要素在整個(gè)工作過程的運(yùn)行狀態(tài)。

（5）步驟五：故障預(yù)測(cè)。孿生模型建成后物理實(shí)體與虛擬實(shí)體之間進(jìn)行同步映射，在孿生數(shù)據(jù)的交互下，兩者間實(shí)時(shí)交互為設(shè)備的故障預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)。

物理實(shí)體將狀態(tài)數(shù)據(jù)等孿生數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)教摂M系統(tǒng)，虛擬實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與物理實(shí)體同步，在此過程中不斷產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)，如故障預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、維修決策數(shù)據(jù)等[6]。通過物理實(shí)體設(shè)備與虛擬實(shí)體新產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將與已有孿生數(shù)據(jù)進(jìn)一步融合，服務(wù)系統(tǒng)將依據(jù)所得融合數(shù)據(jù)評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)從而快速感知到故障事件，對(duì)故障原因進(jìn)行準(zhǔn)確定位并提供合理的維修策略。

4 系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制方面借鑒了現(xiàn)有的數(shù)字孿生五維模型[6]，提出的設(shè)備故障診斷數(shù)字孿生模型主要包含物理設(shè)備、虛擬設(shè)備、設(shè)備孿生數(shù)據(jù)以及設(shè)備服務(wù)4 個(gè)運(yùn)行主體，各主體間通過數(shù)據(jù)連接，實(shí)現(xiàn)各部分間的互聯(lián)。圖5 所示為設(shè)備故障診斷的數(shù)字孿生模型運(yùn)行機(jī)制圖[7]，系統(tǒng)通過物理設(shè)備與虛擬設(shè)備建立的連接實(shí)現(xiàn)了雙向?qū)崟r(shí)交互，最終建立與物理設(shè)備完全對(duì)應(yīng)的孿生模型，實(shí)現(xiàn)了物理設(shè)備、虛擬設(shè)備、設(shè)備服務(wù)之間數(shù)據(jù)的集成與融合。

圖5 數(shù)字孿生模型運(yùn)行機(jī)制

5 實(shí)時(shí)監(jiān)控孿生模型建立的具體步驟

Unity3D 引擎可應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控孿生模型。模塊化處理，便于模型的構(gòu)建，故將模型分為建模、控制、監(jiān)控等三大主要模塊，分別對(duì)應(yīng)虛擬設(shè)備的幾何模型、行為規(guī)則及設(shè)備運(yùn)行可視化。

首先將設(shè)備實(shí)體在三維軟件等價(jià)建模，平衡渲染逼真效果和模型體積輕量化后，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 進(jìn)行場(chǎng)景搭建，依據(jù)設(shè)備運(yùn)行邏輯編寫腳本并賦予模型；建立數(shù)據(jù)與模型的通信，通過OPCUA 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫和傳感器的連接。通過孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，形成虛實(shí)映射關(guān)系，二者同步運(yùn)行；經(jīng)上述步驟，完成對(duì)孿生模型的搭建，之后可發(fā)布到電腦客戶端和移動(dòng)平臺(tái)，模型展示如圖6 所示。

圖6 設(shè)備數(shù)字孿生模型

為了提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，可通過人機(jī)交互方式，點(diǎn)擊要查看設(shè)備，控制該設(shè)備信息采集裝置就會(huì)將信息發(fā)送給Unity3D 場(chǎng)景，經(jīng)分析處理以文字和圖表形式將該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)展現(xiàn)在二維看板，從而保證專業(yè)用戶看到的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)且直觀的。

通過數(shù)字孿生模型，數(shù)字化生產(chǎn)線變得更加透明，設(shè)備狀態(tài)、利用率、工件加工狀態(tài)、消息推送和異常報(bào)警能以非常直觀的方式向管理者展示，維修人員可基于孿生體數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單故障處理，通過設(shè)備狀態(tài)信息并結(jié)合故障診斷方法[9]，及時(shí)做出決策。同時(shí)，也可采用工業(yè)VR/AR 技術(shù)，快速定位故障部位，分析故障原因。

6 結(jié)束語

進(jìn)行了數(shù)字孿生模型的建立和與故障診斷的結(jié)合，闡述了數(shù)字孿生在故障診斷領(lǐng)域的重要意義；基于數(shù)字孿生的五維模型定義，描述了設(shè)備故障診斷技術(shù)的數(shù)字孿生模型所包含要素；融合模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，在設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障診斷階段構(gòu)建了全方位反映實(shí)體運(yùn)行的設(shè)備模型，同時(shí)，依托于Unity3D引擎和OPCUA 協(xié)議，形成了設(shè)備的故障診斷數(shù)字孿生體。