基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦三維智能監(jiān)控平臺的設(shè)計與研究

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,國際上著名工業(yè)自動化企業(yè)如GE、西門子正進(jìn)行研究和應(yīng)用。國內(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、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、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。

對比傳統(tǒng)的數(shù)字仿真（Simulation）,數(shù)字孿生技術(shù)體系對物理設(shè)備數(shù)據(jù)采集過程的反饋準(zhǔn)確性、及時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)控平臺設(shè)計研究

我國煤礦綜合自動化技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)由早期的自動化綜合自動化發(fā)展為數(shù)字化、智能化綜合自動化平臺,系統(tǒng)也由早期的二維綜合自動化平臺到三維綜合自動化平臺發(fā)展,而隨著三維綜合自動化系統(tǒng)在煤礦中的使用,數(shù)字孿生技術(shù)也開始從簡單的現(xiàn)場設(shè)備簡單同步到目前的現(xiàn)場設(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)通過綜合自動化數(shù)據(jù)采集鏈路實現(xiàn)煤礦三維綜合自動化系統(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。

2.1 三維智能監(jiān)控平臺整體方案 三維智能監(jiān)控平臺的設(shè)計依然是基于煤礦綜合自動化平臺的系統(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數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫,以及生產(chǎn)過程監(jiān)控的實時數(shù)據(jù)庫綜合構(gòu)成三維智能監(jiān)控平臺應(yīng)用層。系統(tǒng)架構(gòu)如下:

2.2 三維組態(tài)開發(fā)設(shè)計 采用組態(tài)化的三維智能監(jiān)控平臺軟件進(jìn)行煤礦三維自動化設(shè)計,通過建立三維模型、關(guān)聯(lián)采集數(shù)據(jù)、配置事件動作,實現(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、空壓機(jī)、通風(fēng)機(jī)等設(shè)備的工作狀態(tài)和動態(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)計具有矢量化360度,可隨意縮放,隨意旋轉(zhuǎn)的三維實時生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控,場景漫游,故障定位,設(shè)備巡檢等功能。通過實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維動態(tài)效果,實現(xiàn)所見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)行模型與實時數(shù)據(jù)的交互,配置三維對象的大小變化,位置移動,旋轉(zhuǎn),隱藏/顯示等實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真動畫或多種動畫組合的方式,實現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的實時再現(xiàn)。OPC UA高速數(shù)據(jù)采集可以保證系統(tǒng)仿真與現(xiàn)場實際運(yùn)行的同步性和動作一致性,實現(xiàn)和現(xiàn)場完全一致的監(jiān)控效果。

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

（1）建立時空坐標(biāo)體系,將虛擬設(shè)備與現(xiàn)實設(shè)備1:1建模。設(shè)計時空坐標(biāo)體系,每個對象由點(diǎn)、線、面組成,形成以對象（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,通過與真實設(shè)備的空間坐標(biāo)（x,y,z）與設(shè)備大?。╳idth,length）進(jìn)行1:1關(guān)聯(lián)建模,實現(xiàn)完全的虛擬與現(xiàn)實設(shè)備對應(yīng)。

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

（2）建立動態(tài)采集鏈路,將虛擬設(shè)備與現(xiàn)實設(shè)備數(shù)據(jù)同步展示。三維智能監(jiān)控平臺通過標(biāo)準(zhǔn)的硬件設(shè)備的驅(qū)動協(xié)議,如Modbus、OPC、Logic Ethernet等,通過簡易配置即可從現(xiàn)場控制器中獲取破碎機(jī)、皮帶、煤倉、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),同時還提供與設(shè)備通訊的狀態(tài)監(jiān)測、鏈路的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測,包括鏈接超時、讀寫反饋、發(fā)包次數(shù)等。

在三維智能監(jiān)控平臺軟件中通過三維對象連接采集數(shù)據(jù),將采集數(shù)據(jù)通過動態(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)實設(shè)備實際數(shù)據(jù)。

通過連接實際數(shù)據(jù)仿真風(fēng)扇頁面旋轉(zhuǎn)動作,當(dāng)監(jiān)測到風(fēng)扇實際運(yùn)行時,通過動態(tài)事件連接,通過三維仿真將采集信號同步到三維智能監(jiān)控平臺中,觸發(fā)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動效果:

圖1 三維智能監(jiān)控平臺系統(tǒng)架構(gòu)

（3）建立數(shù)據(jù)庫后臺,實現(xiàn)多維度數(shù)據(jù)分析。實時數(shù)據(jù)的采集,不光用于前臺三維展示界面,還用于后臺數(shù)據(jù)庫的實時采集、存儲、分析、處理,三維智能監(jiān)控平臺配備的工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫以及集成的關(guān)系數(shù)據(jù)庫,將工業(yè)實時采集數(shù)據(jù)與關(guān)系分析結(jié)合起來,形成獨(dú)特的數(shù)字孿生后臺支持?jǐn)?shù)據(jù)庫。

三維智能監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)庫將除了對生產(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),可以實現(xiàn)故障情況下的數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā),保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全;采用旋轉(zhuǎn)門壓縮技術(shù)的高性能的磁盤存儲和內(nèi)存存儲方式保證了數(shù)據(jù)查詢的便捷和效率,相對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以節(jié)省90%的磁盤空間?？梢詫⒉杉l(fā)送的數(shù)據(jù)一方面在實時歷史數(shù)據(jù)庫存儲以供歷史趨勢分析,另一方面它可以完成對煤礦綜合自動化應(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)控平臺數(shù)據(jù)庫具有復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析功能,能執(zhí)行高級分析算法,具備追溯SPC（統(tǒng)計過程控制）/SQC（統(tǒng)計質(zhì)量控制）信息,可追溯到上一次維護(hù)后的計數(shù)信息,具備動態(tài)/加權(quán)平均方式,可以實現(xiàn)復(fù)雜的KPI計算。

通過復(fù)雜的計算公式和分析算法,將煤礦子系統(tǒng)虛擬設(shè)備與真實設(shè)備之間建立關(guān)聯(lián),用分析算法預(yù)測設(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)控平臺將虛擬設(shè)備與現(xiàn)實設(shè)備實現(xiàn)了三維仿真交互,通過形象化的立體展示將虛擬設(shè)備以組態(tài)化的方式實現(xiàn)了現(xiàn)實仿真,利用數(shù)據(jù)庫全面實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、維護(hù),與傳統(tǒng)的煤礦綜合自動化相比,基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦三維智能監(jiān)控平臺具有更前言的技術(shù),利用前沿技術(shù)實現(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)實設(shè)備、利用數(shù)據(jù)孿生技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備生命周期監(jiān)測、分析、預(yù)測。

圖2 設(shè)備運(yùn)行生命周期分析設(shè)計

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