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    基于數(shù)字孿生的掘錨一體機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)映射

    2022-04-08 13:29:04胡偉飛方健豪劉飛香陳煒鎰劉振宇廖金軍譚建榮
    關(guān)鍵詞:數(shù)字孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

    胡偉飛 方健豪 劉飛香 陳煒鎰 劉振宇 廖金軍 譚建榮

    摘要:數(shù)字孿生是一種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裝備在物理世界與信息世界互聯(lián)融合的新興技術(shù),在復(fù)雜裝備模擬仿真、監(jiān)控分析、診斷預(yù)測(cè)、優(yōu)化控制等方面有著廣闊的應(yīng)用前景.本文以掘錨一體機(jī)為對(duì)象,對(duì)復(fù)雜裝備數(shù)字孿生運(yùn)動(dòng)與建模分析、數(shù)據(jù)傳遞及雙向映射開展了研究.在數(shù)字孿生行為一致性方面,基于歷史物理仿真數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了掘錨一體機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)快速仿真分析.同時(shí),提出了掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生幾何模型庫(kù)構(gòu)建技術(shù),通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)、快速布爾運(yùn)算等方法實(shí)現(xiàn)了掘錨一體機(jī)狀態(tài)鏡像映射,以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中服役環(huán)境實(shí)時(shí)仿真.此外,在實(shí)時(shí)狀態(tài)映射方面,提出了掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生虛實(shí)映射技術(shù),通過(guò)在線采集與傳遞孿生數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了基于異步傳輸?shù)男畔?shí)時(shí)傳遞.對(duì)于掘錨一體機(jī)整機(jī)抬升、進(jìn)給、挖掘、煤渣攏料等運(yùn)動(dòng)過(guò)程,數(shù)據(jù)處理平均延遲時(shí)間小于10-2ms,運(yùn)動(dòng)學(xué)插值處理數(shù)據(jù)誤差小于3%,開發(fā)的掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生仿真幀率達(dá)到74.3幀/s,實(shí)現(xiàn)了融合服役環(huán)境的掘錨一體機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)映射與作業(yè)流程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè).

    關(guān)鍵詞:數(shù)字孿生;實(shí)時(shí)狀態(tài)映射;掘錨一體機(jī);數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

    中圖分類號(hào):TP277;TH186

    文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

    收稿日期:2021-07-05

    基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019YFB1705200),National KeyR&D Program of China(2019YFB1705200);浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(SKLoFP_ZZ_2102),StateKeyLaboratoryofFluidPowerandMechatronicSystems(SKLoFP_ZZ_2102)

    作者簡(jiǎn)介:胡偉飛(1985—),男,浙江桐廬人,浙江大學(xué)“百人計(jì)劃”研究員,博士

    通信聯(lián)系人,E-mail:liuzy@zju.edu.cn

    掘錨一體機(jī)是一種運(yùn)用于煤礦巷道快速掘進(jìn)的掘、錨一體設(shè)備.相對(duì)于傳統(tǒng)的煤礦挖掘裝備,掘錨一體機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在同一臺(tái)設(shè)備上同時(shí)進(jìn)行掘進(jìn)和錨護(hù).近年來(lái),隨著巷道掘進(jìn)設(shè)備要求提高,對(duì)于掘錨一體機(jī)的研發(fā)[1-2]與應(yīng)用[3]逐漸深入.然而,目前對(duì)于掘錨一體機(jī)的研發(fā)主要集中于裝備設(shè)計(jì)制造優(yōu)化與工藝流程優(yōu)化方面,對(duì)于裝備運(yùn)維階段施工作業(yè)狀態(tài)與地質(zhì)環(huán)境的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)以及實(shí)時(shí)維護(hù)等問題尚無(wú)法得到有效解決.其主要問題在于:1)生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中移動(dòng)單元的信息難以實(shí)時(shí)采集;2)對(duì)于采集到的大量數(shù)據(jù)難以快速分析,造成數(shù)據(jù)浪費(fèi);3)設(shè)備與人之間未形成有效的信息溝通.這些問題已經(jīng)成為攻克掘錨一體機(jī)服役過(guò)程中卡機(jī)、損壞等技術(shù)難題的關(guān)鍵制約因素.

    數(shù)字孿生是一種虛實(shí)融合的動(dòng)態(tài)模型,它與現(xiàn)實(shí)世界中對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體完全一致,可以準(zhǔn)確及時(shí)地反映物理實(shí)體的特性、行為、性能等[4],對(duì)于工程裝備的協(xié)作智能化、信息自動(dòng)化起到重要促進(jìn)作用.近年來(lái),數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械領(lǐng)域得到了初步的研究與應(yīng)用[5],通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為,從而面向產(chǎn)品全生命周期搭建連接物理世界與虛擬世界的橋梁.

    在數(shù)字孿生的基礎(chǔ)理論研究方面,目前在產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸、實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)和故障定位方面已經(jīng)開展了一系列的研究.Mori等[6]提出了一種利用XML格式文件及逆行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與診斷機(jī)床方式,為機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)提供了遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)系統(tǒng).在高保真映射與遠(yuǎn)程仿真方面,Nee等[7]引入了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)與虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)在設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用,包括AR協(xié)同設(shè)計(jì)、工廠布局、路徑規(guī)劃等.Bi等[8]提出了基于視覺制造的方法,根據(jù)紅外采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)集生成物理對(duì)象的虛擬表示,解決了數(shù)據(jù)采集與處理中的各種問題.在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方面,陳勇[9]等人提出了使用以太網(wǎng)構(gòu)建機(jī)器人的監(jiān)測(cè)方法,采用信息融合進(jìn)行了多傳感信息整合,構(gòu)建了多機(jī)器人生產(chǎn)線.張愛民[10]等人提出了運(yùn)用Socket協(xié)議的組件發(fā)展多線程連接技術(shù),在工業(yè)機(jī)器人上采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程客戶端監(jiān)控,能夠?qū)崟r(shí)查看機(jī)器人的位置、狀態(tài)以及對(duì)應(yīng)的控制.數(shù)字孿生相關(guān)理論還處于起步階段,為促進(jìn)數(shù)字孿生的落地應(yīng)用,在數(shù)字孿生建模、信息物理融合、交換與協(xié)同等方面有待系統(tǒng)深入地研究.

    在工業(yè)實(shí)踐方面,數(shù)字孿生仍處于初步實(shí)踐與探索階段.美國(guó)PTC公司致力于在虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界間建立一個(gè)實(shí)時(shí)的連接,基于數(shù)字孿生為客戶提供高效的產(chǎn)品售后服務(wù)與支持[11],同時(shí)增強(qiáng)虛擬產(chǎn)品和物理部分的連接.相對(duì)而言,法國(guó)Dassault Systèmes公司側(cè)重于產(chǎn)品性能[12].

    在產(chǎn)品服務(wù)方面,數(shù)字孿生在結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)方面取得一定進(jìn)展.西門子公司提出“數(shù)字化雙胞胎”的概念,致力于幫助制造企業(yè)在信息空間構(gòu)建整合制造流程的生產(chǎn)系統(tǒng)[13],實(shí)現(xiàn)物理空間從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造到執(zhí)行的全過(guò)程數(shù)字化.特斯拉(TESLA)的目標(biāo)是為每一輛已建成的汽車開發(fā)一個(gè)數(shù)字孿生體,從而實(shí)現(xiàn)汽車和工廠之間的同步數(shù)據(jù)傳輸,而其他公司則越來(lái)越多地使用復(fù)雜的產(chǎn)品模型來(lái)提高虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的沉浸感[14].

    近些年來(lái),數(shù)字孿生的理念及關(guān)鍵技術(shù)被應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)等生命周期,但在地下工程裝備中尚未得到有效應(yīng)用.因此本文從地下工程裝備實(shí)際工作流程出發(fā),以某型掘錨一體機(jī)為研究對(duì)象,建立了掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生模型;提出了掘錨一體機(jī)模型庫(kù)構(gòu)建技術(shù),基于歷史物理仿真數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)與快速布爾運(yùn)算等方法,實(shí)現(xiàn)了掘錨一體機(jī)及服役環(huán)境快速仿真分析;提出了掘錨一體機(jī)虛實(shí)映射技術(shù),通過(guò)在線采集傳遞數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了基于異步傳輸?shù)男畔?shí)時(shí)傳遞;最終實(shí)現(xiàn)了掘錨一體機(jī)融合服役環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)映射與作業(yè)流程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè).

    1掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生建模

    某型號(hào)掘錨一體機(jī)主要由截割系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)、物料運(yùn)輸系統(tǒng)、支撐與行走系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)組成.在掘錨一體機(jī)現(xiàn)場(chǎng)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)采集,虛擬實(shí)體基于C/S架構(gòu)內(nèi)建立在公網(wǎng)內(nèi).兩者基于公網(wǎng)的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與共享.

    1.1掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生框架

    基于數(shù)字孿生五維模型的概念,結(jié)合掘錨一體機(jī)實(shí)際信息采集功能,本文建立掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生體模型[15],如式(1)所示:

    MDT=(PE,DD,VE,Ss,CN)

    式中,PE代表物理實(shí)體,DD代表孿生數(shù)據(jù),VE代表虛擬實(shí)體,Ss代表數(shù)字孿生服務(wù),CN代表虛實(shí)映射過(guò)程.在數(shù)字孿生五維模型[15]的基礎(chǔ)上,結(jié)合掘錨一體機(jī)作業(yè)流程與地下實(shí)際情況,提出基于數(shù)字孿生的掘錨一體機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)映射框架,如圖1所示.

    該五維模型一共包括五個(gè)部分:1物理實(shí)體;2虛擬實(shí)體;3孿生數(shù)據(jù);4虛實(shí)映射過(guò)程;5孿生服務(wù)

    1.物理實(shí)體與2虛擬實(shí)體.該數(shù)字孿生的物理與虛擬實(shí)體為實(shí)際掘錨一體機(jī)的單元級(jí)別數(shù)字孿生模型,在物理空間與虛擬空間互相對(duì)應(yīng).為了完整地向虛擬空間中映射掘錨一體機(jī),物理模型需包含實(shí)際掘錨一體機(jī)的外形參數(shù)、裝配關(guān)系以及表面運(yùn)動(dòng)顏色、約束等特征信息.對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)體中也應(yīng)包含對(duì)應(yīng)信息,因此,該掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生物理實(shí)體與虛擬實(shí)體可以分別被定義為

    式中,Gvr與Gvv分別為物理實(shí)體與虛擬實(shí)體中的幾何尺寸,包括掘錨一體機(jī)幾何以及外形尺寸;Avr與Avv分別為物理實(shí)體與虛擬實(shí)體中掘錨一體機(jī)的裝配以及約束關(guān)系;Svr與Svv分別為物理實(shí)體與虛擬實(shí)體掘錨一體機(jī)的外形特征參數(shù),包括顏色、貼圖、材質(zhì)等主要用于表面特征的渲染.以上3個(gè)參數(shù)在物理實(shí)體與虛擬實(shí)體中相互對(duì)應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)幾何一致性.

    3孿生數(shù)據(jù).該掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)將從物理實(shí)體中,采用傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等進(jìn)行采集獲得.通過(guò)上傳存儲(chǔ)于企業(yè)網(wǎng)服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)服務(wù)驅(qū)動(dòng)掘錨一體機(jī)虛擬實(shí)體,最終實(shí)現(xiàn)由實(shí)到虛的狀態(tài)映射.該孿生數(shù)據(jù)可以被定義為

    式中,Dp為掘錨一體機(jī)機(jī)身位姿數(shù)據(jù),包括整機(jī)位置、轉(zhuǎn)角、傾角等位姿信息,用于幾何模型的位姿驅(qū)動(dòng);Df為掘錨一體機(jī)油缸流量數(shù)據(jù),包括機(jī)身各個(gè)部位的驅(qū)動(dòng)油缸流量,如舉升油缸、掏槽油缸等,用于物理模型的驅(qū)動(dòng);Dc為掘錨一體機(jī)電流數(shù)據(jù),包括油泵電機(jī)、減速電機(jī)等,主要用于幾何模型的驅(qū)動(dòng)及故障監(jiān)測(cè)等功能;Dp為電機(jī)功率數(shù)據(jù),包括油泵電機(jī)、刮板電機(jī)等關(guān)鍵部件,主要用于后期健康監(jiān)測(cè).

    4虛實(shí)映射過(guò)程.該掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生以虛實(shí)映射過(guò)程作為媒介,實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬實(shí)體的溝通.包括文件數(shù)據(jù)的推送與上傳,以及廣播發(fā)送至各個(gè)客戶端中.連接可被定義為

    式中,CNu為物理實(shí)體與服務(wù)器的連接,通過(guò)采集物理實(shí)體數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器服務(wù);CNd為服務(wù)器與虛擬實(shí)體的連接,服務(wù)器根據(jù)此連接將數(shù)據(jù)分發(fā)至虛擬實(shí)體服務(wù).

    5孿生服務(wù).孿生服務(wù)主要是基于連接后傳遞的孿生數(shù)據(jù),通過(guò)其中儲(chǔ)存的模型,包括幾何模型、物理模型、行為模型以及規(guī)則模型進(jìn)行虛擬實(shí)體的驅(qū)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)高可信度的虛擬實(shí)體.孿生服務(wù)可被定義為

    式中:Mg為虛擬實(shí)體的幾何模型,通過(guò)三維建模軟件進(jìn)行掘錨一體機(jī)的幾何外形與物理屬性構(gòu)建,在渲染軟件中進(jìn)行掘錨一體機(jī)表面渲染;Mp為虛擬實(shí)體的物理模型,根據(jù)建立完成的歷史數(shù)據(jù),進(jìn)行掘錨一體機(jī)快速精確仿真;Mb為虛擬實(shí)體的行為模型,基于掘錨一體機(jī)行為策略進(jìn)行動(dòng)作規(guī)劃,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生行為一致性;Mr為虛擬實(shí)體的規(guī)則模型,為掘錨一體機(jī)服役環(huán)境動(dòng)態(tài)變化實(shí)時(shí)呈現(xiàn)模型.在接收孿生連接CN傳遞的孿生數(shù)據(jù)DD后,孿生服務(wù)Ss基于行為模型Mb確定掘錨一體機(jī)孿生體的運(yùn)動(dòng)模式,結(jié)合物理模型Mb實(shí)時(shí)更新掘錨一體機(jī)各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù).結(jié)合截割大臂的運(yùn)動(dòng)軌跡造成煤巖脫落參數(shù)由規(guī)則模型Mr反映.最后基于以上孿生服務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)時(shí)反映到幾何模型Mg中,實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體驅(qū)動(dòng)的過(guò)程.

    如圖1所示,孿生服務(wù)Ss基于CN通過(guò)各種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等進(jìn)行物理實(shí)體PE孿生數(shù)據(jù)DD的實(shí)時(shí)采集,基于服務(wù)器傳送至虛擬實(shí)體VE,用于更新與調(diào)用虛擬實(shí)體中各類孿生服務(wù)數(shù)字模型,從而實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體VE的驅(qū)動(dòng).此外,虛擬實(shí)體VE也可以通過(guò)孿生服務(wù)Ss將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至DD,另一方面,孿生服務(wù)Ss可以基于存儲(chǔ)的孿生數(shù)據(jù)DD對(duì)歷史數(shù)據(jù)、規(guī)則數(shù)據(jù)等進(jìn)行優(yōu)化,基于CN將更新后的情景實(shí)時(shí)反饋至操作人員或物理實(shí)體PE,形成孿生閉環(huán).

    此外,對(duì)于掘錨一體機(jī)工作過(guò)程的環(huán)境參數(shù),如溫度、濕度、氣壓、電流、功率等性能參數(shù),通過(guò)傳感器傳輸后,在相應(yīng)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)應(yīng)展示.通過(guò)人機(jī)交互過(guò)程,結(jié)合虛擬模型中獲得的參數(shù)進(jìn)行物理干預(yù),實(shí)現(xiàn)由虛到實(shí)的狀態(tài)映射.結(jié)合以上4種模型,共同實(shí)現(xiàn)掘錨一體機(jī)狀態(tài)映射的幾何、行為的一致性.

    1.2歷史物理仿真數(shù)據(jù)庫(kù)傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算往往需要獲取所有部件移動(dòng)

    位置與四元數(shù),同時(shí)進(jìn)行速度與位置求解,實(shí)現(xiàn)模型位置調(diào)整與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng).當(dāng)其參數(shù)改變時(shí),需要進(jìn)行所有參數(shù)的調(diào)整,整體過(guò)程較為復(fù)雜,本文提出一種快速驅(qū)動(dòng)模型,建立運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件離線歷史數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合與聯(lián)合驅(qū)動(dòng).

    該模型引入局部坐標(biāo)系概念,即以坐標(biāo)系作為物理中心作為坐標(biāo)原點(diǎn),基于局部坐標(biāo)系進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)操作.實(shí)際運(yùn)動(dòng)在局部坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)可以轉(zhuǎn)化為

    式中,Dp,local為局部坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng),其由孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換獲得,用于實(shí)現(xiàn)在定義的局部坐標(biāo)系中進(jìn)行坐標(biāo)變換,M4×4為坐標(biāo)變換矩陣,相當(dāng)于幾何中的仿射變換,該矩陣由平移與旋轉(zhuǎn)組合而成,可以表示為

    其中,αlocal、βlocal、γlocal分別為局部坐標(biāo)系中繞三局部坐標(biāo)軸x、y、z旋轉(zhuǎn)角度,xlocal、ylocal、zlocal為局部坐標(biāo)系中的平移距離.此外,引入父子關(guān)系,使該掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生體下一關(guān)節(jié)位姿坐標(biāo)與上一關(guān)節(jié)直接相關(guān),該軟件僅需在每關(guān)節(jié)上建立坐標(biāo)系.整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征可以由局部坐標(biāo)系與父子關(guān)系決定

    式中:Quaternion是一個(gè)四元數(shù),為父物體旋轉(zhuǎn)角度,Axis是子物體旋轉(zhuǎn)軸,為3維向量,求得結(jié)果LocalEulerAngles為3維向量,為子物體旋轉(zhuǎn)軸,將其變更為該關(guān)節(jié)的歐拉角轉(zhuǎn)動(dòng).

    針對(duì)掘錨一體機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)單獨(dú)分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,根據(jù)實(shí)際工作狀況,在運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件(如Adams)中對(duì)機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動(dòng)副與驅(qū)動(dòng),通過(guò)后處理獲取機(jī)構(gòu)各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的變化量與主驅(qū)動(dòng)的變化量,將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至歷史數(shù)據(jù)庫(kù),結(jié)合實(shí)際傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)行.

    在獲取運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)后,根據(jù)實(shí)際測(cè)得的主動(dòng)件或運(yùn)動(dòng)副上的傳感器數(shù)據(jù),查找歷史數(shù)據(jù)庫(kù),快速獲得其余主動(dòng)件或運(yùn)動(dòng)副所對(duì)應(yīng)的變化量.由于歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)以離散化形式存儲(chǔ),需要結(jié)合線性插值方法獲取主動(dòng)件或運(yùn)動(dòng)副所對(duì)應(yīng)的變化量.

    該公式為采用的線性插值公式,輸入實(shí)際傳感數(shù)據(jù)后,訪問存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),計(jì)算相應(yīng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移/轉(zhuǎn)角.通過(guò)父子物體關(guān)系與局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)主動(dòng)件與從動(dòng)件關(guān)系的設(shè)定,僅需驅(qū)動(dòng)父物體運(yùn)動(dòng),子物體將會(huì)跟隨運(yùn)動(dòng).這樣使得計(jì)算更加簡(jiǎn)化,不僅能減少參數(shù)的輸入,有效地減少函數(shù)的重新載入與IF語(yǔ)句的使用,減少計(jì)算量,使得數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算速度提高.此外,實(shí)際的驅(qū)動(dòng)代碼可以存儲(chǔ)在其他腳本中,該腳本將被用作“狀態(tài)管理器”.在實(shí)現(xiàn)正數(shù)據(jù)調(diào)用時(shí),只需調(diào)用服務(wù)器,其子物體將會(huì)跟隨父物體進(jìn)行共同運(yùn)動(dòng).

    1.3基于有限狀態(tài)機(jī)的掘錨一體機(jī)動(dòng)態(tài)反饋流程

    由于實(shí)際生產(chǎn)情況較為復(fù)雜,復(fù)雜裝備的反饋控制若簡(jiǎn)單使用if/else加標(biāo)志位控制并不能有效地解決狀態(tài)變換的問題,往往會(huì)出現(xiàn)很多不可預(yù)知情況,導(dǎo)致掘錨一體機(jī)的運(yùn)行出現(xiàn)問題,于是本研究運(yùn)用狀態(tài)模式以及有限狀態(tài)機(jī)(Finite-State Machine,F(xiàn)SM)來(lái)快速、高效地解決該問題.

    狀態(tài)機(jī)是表示有限狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型.本文主要使用有限狀態(tài)機(jī)對(duì)掘錨一體機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模與編程,約束條件如下:

    1)整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程中有且僅有一組狀態(tài),并且可以在這組狀態(tài)之間進(jìn)行切換.

    2)狀態(tài)機(jī)同一時(shí)刻只能在一個(gè)狀態(tài).事實(shí)也是這樣,同一臺(tái)掘錨一體機(jī)在一個(gè)時(shí)間內(nèi)只會(huì)進(jìn)行一項(xiàng)工作.

    3)一連串的輸入或事件被發(fā)送給機(jī)器.本文的研究對(duì)象的自變量是時(shí)間,這是一個(gè)連續(xù)的函數(shù).

    4)每個(gè)狀態(tài)都有一系列的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換與輸入和另一狀態(tài)相關(guān).得到輸入后,如果它與當(dāng)前狀態(tài)的某個(gè)轉(zhuǎn)換匹配,機(jī)器轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)換所指的狀態(tài).

    對(duì)于掘錨一體機(jī)工作全流程,以掏槽大臂為例,幾個(gè)狀態(tài)如圖2所示.

    掘錨一體機(jī)在同一時(shí)間內(nèi)僅有一個(gè)狀態(tài),所以FSM的每一個(gè)狀態(tài)可以用一次枚舉來(lái)表示,定義掘錨一體機(jī)5種狀態(tài)舉升油缸舉升、開始進(jìn)行煤層截割、進(jìn)行剖面切割、收集煤渣、恢復(fù)正常狀態(tài).其算法如表1所示.

    對(duì)于掘錨一體機(jī)而言,護(hù)盾、幫錨桿機(jī)、頂錨桿機(jī)等構(gòu)件都存在類似的動(dòng)作與功能觸發(fā)條件.整個(gè)作業(yè)狀態(tài)可以用有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行調(diào)整,掘錨一體機(jī)可以進(jìn)行快速、高效地反饋,結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng),保證其運(yùn)動(dòng)的一致性.

    1.4地下服役環(huán)境動(dòng)態(tài)變化模擬對(duì)于盾構(gòu)機(jī)數(shù)字孿生而言,其服役環(huán)境動(dòng)態(tài)變

    化最重要的過(guò)程為實(shí)時(shí)的截面切割,其本質(zhì)為土塊掉落.現(xiàn)有的計(jì)算方式大多為網(wǎng)格交叉處理,其運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng),計(jì)算效率低.因此,本研究基于現(xiàn)有方法[17],以一種快速布爾運(yùn)算方法將其替代.

    對(duì)于在虛擬空間內(nèi)進(jìn)行的布爾運(yùn)算,一般需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)組,其渲染過(guò)程一般為尋找被裁剪的實(shí)體,通過(guò)消除原色后進(jìn)行重新渲染.一般而言,渲染過(guò)程基本為在表面緩沖區(qū)消色后在另一面著色.在生成緩沖區(qū)過(guò)程之前,僅提取作為布爾運(yùn)算目標(biāo)作為運(yùn)算目標(biāo)的對(duì)象,單獨(dú)創(chuàng)建一個(gè)繪制這些對(duì)象深度的緩沖區(qū),然后將其寫入深度緩沖區(qū),在其余的緩存處進(jìn)行.因此,在生成對(duì)于一個(gè)布爾渲染運(yùn)算,需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)組,一個(gè)為要被挖掘的實(shí)體(被裁剪體)和一個(gè)用于裁剪的實(shí)體(裁剪體).對(duì)于掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生映射而言,截割滾筒為裁剪體,巖層為被裁剪體.

    為了方便表示算法,如圖3,定義透明體為裁剪體,不透明體為被裁剪體.

    為了清楚起見,該屏幕空間布爾渲染算法如圖3所示,該算法的本質(zhì)為在空間中添加深度緩存區(qū)的深度信息:

    1)首先,獲取被裁剪體的表層位置與顏色信息;

    2)創(chuàng)建一個(gè)裁剪體,通過(guò)包圍盒算法,獲得交叉的部分,以及被裁剪體進(jìn)行布爾運(yùn)算待去除的區(qū)域,保存該區(qū)域的表面渲染形狀、位置以及顏色;

    3)將2)中保存的交叉部分形狀以及位置去除,使其與裁剪體形狀相反;

    4)進(jìn)行去除部分的上色,將2)中保存的顏色信息賦予交叉面;

    5)刪除用于裁剪的采集體.

    在完成上述五步進(jìn)行渲染后,渲染層將被寫入被裁剪體的顏色緩沖區(qū)中,同時(shí)接觸被裁剪體與裁剪體之間的關(guān)系.因此在該過(guò)程中,將被裁剪體設(shè)為服役環(huán)境,即可以快速實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)挖掘過(guò)程中服役環(huán)境隨截割大臂動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生服役環(huán)境的幾何一致性.

    2掘錨一體機(jī)虛實(shí)狀態(tài)實(shí)時(shí)映射技術(shù)

    數(shù)字孿生虛實(shí)狀態(tài)技術(shù)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ),進(jìn)行實(shí)體模型參數(shù)信息等傳遞,從而為數(shù)字孿生服務(wù)模型驅(qū)動(dòng)提供參數(shù)與數(shù)據(jù)的支持.

    2.1掘錨一體機(jī)通信服務(wù)框架

    該掘錨一體機(jī)虛實(shí)狀態(tài)的數(shù)據(jù)獲取主要基于C/S(客戶端/服務(wù)器)模式,將遠(yuǎn)程掘錨一體機(jī)物理實(shí)體作為客戶端,連接與數(shù)據(jù)庫(kù)作為通信客戶端,虛擬實(shí)體及服務(wù)作為交互客戶端,通信服務(wù)框架如圖4所示.

    配置完成,打開網(wǎng)絡(luò)通信端口以后,遠(yuǎn)端設(shè)置控制器為服務(wù)端,偵聽客戶端的連接.連接過(guò)程中使程序阻塞不循環(huán),當(dāng)檢測(cè)到客戶端連接完成后,程序繼續(xù)執(zhí)行.此時(shí)將創(chuàng)建兩條同步任務(wù),遠(yuǎn)端機(jī)器人繼續(xù)執(zhí)行任務(wù),將孿生數(shù)據(jù)完整傳送到本機(jī),在本機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)映射.同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性判斷,在完整性實(shí)現(xiàn)以后進(jìn)行下一波數(shù)據(jù)流傳輸.

    當(dāng)客戶端過(guò)大時(shí),考慮進(jìn)行分布式的網(wǎng)絡(luò)配置,形成服務(wù)器集群.由于孿生數(shù)據(jù)傳輸需要完整且連續(xù),因此選擇面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的TCP(Transmission Control Protocol)協(xié)議作為傳輸協(xié)議控制整個(gè)傳輸流程.

    2.2基于異步Socket通信的掘錨一體機(jī)實(shí)時(shí)虛實(shí)映射過(guò)程

    地下工程裝備數(shù)據(jù)模塊主要使用Socket通信程序組成,在Socket通信程序中需要設(shè)置Socket通信的IP地址與端口號(hào),構(gòu)建與在以上不同路由器與軟件平臺(tái)中的Socket通信,將數(shù)據(jù)二進(jìn)制化后進(jìn)行

    發(fā)送S.ocket本身并不是協(xié)議,是一個(gè)應(yīng)用程序接口.可以將其形象的理解為應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的接口.套接字在TCP/IP協(xié)議中位于傳輸層之上.通過(guò)Socket,我們可以方便的調(diào)用TCP/IP協(xié)議.Socket一般采用的是C/S模式,即本文所運(yùn)用的客戶端/服務(wù)器模式,服務(wù)端與客戶端之間的通信如圖5所示.

    使用Socket同步傳輸有可能由網(wǎng)絡(luò)卡頓造成等待,同時(shí)服務(wù)端一次僅能處理一條數(shù)據(jù),對(duì)于多個(gè)客戶端同時(shí)連接相同服務(wù)器的情況,有可能會(huì)使服務(wù)端持續(xù)等待,對(duì)于數(shù)字孿生的時(shí)效性與精確性造成一定影響.因此本文均運(yùn)用基于異步傳輸?shù)腟ocket通信,其實(shí)現(xiàn)方式如圖6所示.

    完成地下工程裝備數(shù)據(jù)的接受,如圖6,采用三次握手與四次揮手進(jìn)行數(shù)據(jù)通信:設(shè)置定時(shí)器,每隔固定時(shí)間(50ms)執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù),每次需要接收時(shí)存入異步緩存區(qū),等待接受,當(dāng)上一條信息接收完成時(shí),發(fā)送下一條信息.此時(shí)將會(huì)進(jìn)入異步函數(shù),當(dāng)發(fā)送失敗時(shí),會(huì)發(fā)送警告信息.

    對(duì)于服務(wù)端而言,客戶端數(shù)目多,添加與管理問題需要被考慮.同時(shí),掘錨一體機(jī)開始運(yùn)動(dòng)后,對(duì)于多個(gè)客戶端而言,需要進(jìn)行管理.因此,本研究使用字典類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)客戶端進(jìn)行管理.

    此外,為實(shí)現(xiàn)孿生數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸,本研究制定了特定通訊協(xié)議

    其中,description表示該變量名稱,隨后的備注為變量標(biāo)識(shí)單位;paraName為變量簡(jiǎn)寫標(biāo)識(shí)符,該變量被表示為a1,unitCap為單位,這里并沒有單位.通過(guò)讀取當(dāng)前備注,客戶端可讀取所需變量,采用JsonNet包進(jìn)行數(shù)據(jù)的拆分與讀取.掘錨一體機(jī)部件根據(jù)實(shí)際狀態(tài)選擇驅(qū)動(dòng)或者不驅(qū)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)基于采集數(shù)據(jù)的位置、行為的實(shí)時(shí)更新與狀態(tài)映射.

    3應(yīng)用案例

    為實(shí)現(xiàn)前述功能,本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況下掘錨一體機(jī),建立掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生體,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)下掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生.本文的開發(fā)環(huán)境為i7-10700與GTX2060的臺(tái)式機(jī).在虛擬實(shí)體搭建過(guò)程中,以VisualStudio2020為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái),以Unity3D展示平臺(tái)搭建狀態(tài)實(shí)時(shí)映射系統(tǒng).輸入為經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)采集的掘錨一體機(jī)機(jī)身位姿、油缸流量、電流數(shù)據(jù)、電機(jī)功率等數(shù)據(jù),輸出為實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的掘錨一體機(jī)虛擬實(shí)體.

    3.1掘錨一體機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)映射的實(shí)現(xiàn)3.1.1幾何模型與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

    在開始實(shí)際映射前,需要構(gòu)建掘錨一體機(jī)虛擬實(shí)體,作為實(shí)時(shí)狀態(tài)映射的模型載體,本研究將在模型渲染軟件3dsMax中進(jìn)行模型重構(gòu)以及渲染.

    如圖7所示,為獲得帶有幾何尺寸與渲染關(guān)系的掘錨一體機(jī)虛擬實(shí)體,需要進(jìn)行以下操作:

    1)首先,在三維建模軟件中進(jìn)行掘錨一體機(jī)幾何模型,包括幾何尺寸、參數(shù)關(guān)系;

    2)導(dǎo)入3dsMax,進(jìn)行裝配關(guān)系重定義.如圖7(a),重構(gòu)模型樹,建立對(duì)應(yīng)裝配關(guān)系;

    3)進(jìn)行網(wǎng)格添加、刪除、調(diào)整.如圖7(b),將多余網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新劃分,減少模型重量;

    4)進(jìn)行多余部件刪除.如圖7(c),將多余部件進(jìn)行網(wǎng)格塌陷或刪除,減少模型中不需要的零件或特征.

    5)進(jìn)行表面材質(zhì)、貼圖、紋理等制作.如圖7(d),根據(jù)實(shí)際紋理孿生數(shù)據(jù),進(jìn)行表面材質(zhì)貼圖紋理等特征制作.

    綜合以上五個(gè)步驟,獲得數(shù)字孿生虛擬實(shí)體,即可利用孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)孿生服務(wù).對(duì)于動(dòng)力學(xué)而言,需要在動(dòng)力學(xué)仿真軟件中建立相應(yīng)掘錨一體機(jī)動(dòng)力學(xué)模型.

    如圖8,為運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件中Adams中構(gòu)建的動(dòng)力學(xué)仿真模型.其中,(a)為Adams中加約束條件的三維模型,(b)為具體的約束細(xì)節(jié).構(gòu)建完成物理約束模型后,即可調(diào)用Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)內(nèi)核進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系計(jì)算,計(jì)算結(jié)果存入運(yùn)動(dòng)仿真歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中.

    3.1.2實(shí)時(shí)狀態(tài)映射

    由于掘錨一體機(jī)在研發(fā)過(guò)程中不斷迭代更新,對(duì)于數(shù)字孿生實(shí)時(shí)狀態(tài)映射,需要根據(jù)掘錨一體機(jī)虛擬實(shí)體的變化進(jìn)行快速修改.本文通過(guò)導(dǎo)入不同掘錨一體機(jī)模型以及更換歷史數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù),實(shí)現(xiàn)在同一系列掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生快速構(gòu)建,體現(xiàn)系統(tǒng)的泛化性.

    對(duì)于虛擬空間中實(shí)時(shí)部件顯示及傳感器綁定過(guò)程,需要在虛擬空間內(nèi)獲取模型的裝配關(guān)系.據(jù)此本文提出了裝配體模型樹讀取算法.該算法的核心是讀取環(huán)境內(nèi)裝配體的模型樹,通過(guò)遞歸遍歷裝配體內(nèi)所有子樹,同時(shí)在函數(shù)中實(shí)時(shí)調(diào)整與導(dǎo)出裝備名稱與對(duì)應(yīng)裝配關(guān)系,達(dá)到顯示裝配體整體的功能.

    該算法的核心流程圖如圖9所示,當(dāng)導(dǎo)入模型時(shí),程序自動(dòng)調(diào)用該導(dǎo)入算法.通過(guò)選擇對(duì)應(yīng)類,決定改算法搜尋的核心根節(jié)點(diǎn).調(diào)用尋找子節(jié)點(diǎn)算法判斷該節(jié)點(diǎn)鏈表是否存在子節(jié)點(diǎn).當(dāng)子節(jié)點(diǎn)存在時(shí),通過(guò)調(diào)用遞歸函數(shù),將該子節(jié)點(diǎn)設(shè)為父節(jié)點(diǎn),據(jù)此進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的搜尋和遍歷.遍歷完成后,將該子節(jié)點(diǎn)的信息以及其父節(jié)點(diǎn)的信息存入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程.

    讀取完模型樹名稱后,需要進(jìn)行模型的導(dǎo)入,從而實(shí)現(xiàn)模型預(yù)裝配,該部分功能通過(guò)使用開源插件進(jìn)行調(diào)用.在使用插件時(shí),使用方法與前文類似,都為進(jìn)行模型的遞歸,在成功導(dǎo)入模型后,模型的幾何位置關(guān)系都將進(jìn)行導(dǎo)入,此后進(jìn)行裝配關(guān)系導(dǎo)入的說(shuō)明.

    實(shí)現(xiàn)模型預(yù)裝配后,如圖10所示,在模型內(nèi)部保存和展示實(shí)際模型樹與開發(fā)軟件Unity3D中完全相同,就此可以進(jìn)行模型樹的存儲(chǔ)與發(fā)送.將傳感器屬性存儲(chǔ)入裝配樹中,即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存與驅(qū)動(dòng).

    掘錨一體機(jī)幾何模型導(dǎo)入后,需要添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系,從而減小模型在運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)時(shí)計(jì)算損耗.該部分需要結(jié)合對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系進(jìn)行研究.對(duì)于歷史數(shù)據(jù)庫(kù),根據(jù)不同的掘錨一體機(jī)幾何模型,建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)更新,從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入模型后模型庫(kù)更新.

    在運(yùn)行時(shí),通過(guò)指針遍歷尋找事先規(guī)定好的裝備位置與相對(duì)關(guān)系,進(jìn)行指針綁定到特定的裝備部件從而實(shí)現(xiàn)特定部件的位置關(guān)系.導(dǎo)入驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)后,對(duì)應(yīng)運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)映射,映射效果如圖11所示.

    3.1.3服役環(huán)境動(dòng)態(tài)變化

    將該掘錨一體機(jī)幾何模型融入服役環(huán)境,即可在服役環(huán)境中基于實(shí)時(shí)傳遞的孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行服役環(huán)境的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真.通過(guò)孿生服務(wù)調(diào)用接收到的孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng),根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型調(diào)用結(jié)果,結(jié)合快速布爾運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)融合服役環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化.

    圖12為掘錨一體機(jī)切割煤巖過(guò)程,服役環(huán)境巖層被實(shí)時(shí)切割,切割面積與位置響應(yīng)與對(duì)應(yīng)截割滾筒運(yùn)動(dòng)軌跡相同,實(shí)現(xiàn)掘錨一體機(jī)服役環(huán)境變化一致性.

    3.2模型測(cè)試結(jié)果

    將地下工程裝備導(dǎo)入U(xiǎn)nity環(huán)境中運(yùn)行,進(jìn)行系統(tǒng)可行性測(cè)試,通過(guò)測(cè)試運(yùn)行誤差、運(yùn)算精度、軟件運(yùn)行幀率判斷該成果是否符合指標(biāo)性能要求.本節(jié)中選取了掘錨一體機(jī)中截割大臂、護(hù)盾以及煤渣裝載機(jī)3個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行算法性能測(cè)試.基于本文編寫的軟件系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如下.

    圖13為每步仿真步長(zhǎng)時(shí)間,由圖可知,對(duì)于掘錨一體機(jī)截割大臂、護(hù)盾以及煤渣裝載機(jī)三個(gè)裝配部件而言,其數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算時(shí)間均小于0.1ms,能較好地保證掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生運(yùn)行過(guò)程中物理實(shí)體的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞.

    表2為仿真過(guò)程中的平均仿真時(shí)間,對(duì)于掘錨一體機(jī)整體運(yùn)動(dòng)過(guò)程,本文提出的運(yùn)動(dòng)學(xué)處理延遲小于10-2ms.相對(duì)于對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件仿真結(jié)果,有較大提升.其中,煤渣裝載機(jī)的仿真時(shí)間4.89×10-3ms,相對(duì)于其余兩種機(jī)構(gòu)處理時(shí)間延遲高,原因?yàn)闄C(jī)構(gòu)本身較為復(fù)雜,導(dǎo)致最終處理時(shí)間較長(zhǎng).

    此外,將本運(yùn)動(dòng)學(xué)快速仿真模型與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件獲得的相對(duì)誤差進(jìn)行對(duì)比.相對(duì)誤差由以下公式表示

    式中,ere為物理實(shí)體與虛擬實(shí)體相應(yīng)關(guān)鍵部件的相對(duì)誤差,φs為運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真后測(cè)得的物理實(shí)體關(guān)鍵部件角度,φa為采用本文所提方法在數(shù)字孿生軟件中進(jìn)行采樣獲得的虛擬實(shí)體相對(duì)部件角度.

    圖14為煤渣轉(zhuǎn)載機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角-相對(duì)誤差圖,對(duì)于截割大臂,基于本文編寫的軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在0.5%~2.5%左右,遠(yuǎn)小于5%,可以被認(rèn)為基本滿足數(shù)字孿生行為一致性要求.其中,在主動(dòng)件-20°~-5°油缸轉(zhuǎn)角誤差較大的可能原因?yàn)樵摱沃鲃?dòng)件對(duì)于從動(dòng)件造成了較大的角度變化,最終導(dǎo)致誤差相對(duì)較大.

    圖15為掘錨一體機(jī)護(hù)盾驅(qū)動(dòng)-相對(duì)誤差圖,對(duì)于掘錨一體機(jī)護(hù)盾,平均誤差在1%~3%之間浮動(dòng),遠(yuǎn)小于5%,可以被認(rèn)為基本滿足數(shù)字孿生行為一致性要求.其浮動(dòng)原因應(yīng)為該類機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中具有一定的周期性.

    圖16為煤渣裝載機(jī)的驅(qū)動(dòng)-誤差圖,對(duì)于掘錨一體機(jī)裝載機(jī),平均誤差在1%~2.5%左右,小于指標(biāo)規(guī)定的5%,基本滿足要求.其中,油缸轉(zhuǎn)角誤差較大的可能原因與截割大臂相同,為從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)位移較大.

    較快的運(yùn)動(dòng)學(xué)處理時(shí)間保證了基于文中方法構(gòu)建的數(shù)字孿生實(shí)時(shí)映射具有較高的仿真效率.圖17為項(xiàng)目的運(yùn)行幀率圖,對(duì)于掘錨一體機(jī)在unity軟件中,其運(yùn)行的平均速度在74.3幀/s(Frames Per Sec?ond,F(xiàn)PS)左右.基本實(shí)現(xiàn)掘錨一體機(jī)融合服役環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)映射,作業(yè)流程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),保證數(shù)字孿生實(shí)時(shí)狀態(tài)映射中幾何、行為的實(shí)時(shí)性與一致性.

    4結(jié)論

    本研究從地下工程裝備生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程出發(fā),以掘錨一體機(jī)為研究對(duì)象,進(jìn)行掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生實(shí)時(shí)狀態(tài)映射的研究,結(jié)論概要如下:

    1)開發(fā)了歷史物理仿真數(shù)據(jù)庫(kù),基于歷史物理仿真數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了掘錨一體機(jī)及服役環(huán)境快速仿真分析;

    2)提出了地下工程裝備幾何模型庫(kù)構(gòu)建技術(shù),通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)、快速布爾運(yùn)算等實(shí)現(xiàn)了地下工程裝備全生命周期狀態(tài)鏡像映射,運(yùn)動(dòng)過(guò)程中服役環(huán)境實(shí)時(shí)仿真,對(duì)于掘錨一體機(jī)整機(jī)抬升、進(jìn)給、挖掘、回收煤渣等運(yùn)動(dòng)過(guò)程,運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)處理延遲達(dá)到10-2ms,插值數(shù)據(jù)誤差小于3%;

    3)提出了掘錨一體機(jī)虛實(shí)映射技術(shù),在線采集傳遞孿生數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了基于異步傳輸?shù)男畔⒂蓪?shí)到虛傳遞,開發(fā)的掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生仿真幀率達(dá)到74.3幀/s.

    本文提出基于數(shù)字孿生的掘錨一體機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)映射與作業(yè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),有利于指導(dǎo)復(fù)雜裝備施工過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、在線監(jiān)控.目前本研究?jī)H從數(shù)字孿生幾何一致性與行為一致性構(gòu)建掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生狀態(tài)映射.未來(lái)將從裝備性能實(shí)時(shí)響應(yīng)、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)優(yōu)化方面對(duì)掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生進(jìn)行優(yōu)化與完善.

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