深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)開發(fā)

羅嵐， 周崇堯， 胡瓊， 楊杰， 鄒科， 屈衍,

(1.南方科技大學 海洋科學與工程系，廣東 深圳 518055； 2.華南理工大學 海洋科學與工程學院，廣東 廣州 518110； 3.中南大學 機電學院，湖南 長沙 410083)

數(shù)字孿生(digital twin)的概念由Grieves[1]于2003年產(chǎn)品全生命周期管理課程中提出，稱之為“鏡像空間模型”，2011年正式確定“數(shù)字孿生”概念[2]。數(shù)字孿生利用信息處理層將物理空間與數(shù)字空間連接[2-3]，集模擬、監(jiān)控、計算、預測、調(diào)控于一體，具有安全、高效、精準的特點。目前關(guān)于數(shù)字孿生廣泛接受的定義是：數(shù)字孿生是一個集多物理場、多尺度、多概率的仿真模型，能夠利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映該模型對應實體的功能、實時狀態(tài)及演變趨勢[4]。

動態(tài)數(shù)字孿生集成物理實體，高精度、多尺度數(shù)字模型，以及物理空間與數(shù)字空間狀態(tài)信息，對物理實體的動態(tài)行為進行全方位、多尺度精準映射，實現(xiàn)對物理實體的狀態(tài)信息采集與處理、動態(tài)行為實時映射、運行操作模擬規(guī)劃、設(shè)備健康監(jiān)測與管理，被認為是促進生產(chǎn)方式與管理模式變革的重要舉措。該技術(shù)還可以融合大數(shù)據(jù)、人工智能算法等技術(shù)，實現(xiàn)物理空間狀態(tài)預測，設(shè)備預防性維護，為建立服務于產(chǎn)品全生命周期的運行管理平臺提供解決方案。

近年來，動態(tài)數(shù)字孿生在海洋工程領(lǐng)域逐漸得到研究與應用。挪威Oseberg-H海上無人井口平臺利用動態(tài)數(shù)字孿生，實現(xiàn)平臺無人化生產(chǎn)運行，使其開發(fā)與運營成本比原計劃降低約20%[5]。Shim等[6]提出使用動態(tài)數(shù)字孿生，對混凝土橋梁進行建模、分析、設(shè)計、監(jiān)控以及預防性維護等，提高橋梁安全性。Sivalingam等[7]利用動態(tài)數(shù)字孿生，評估海上風力渦輪機的剩余使用壽命，對其進行故障診斷以及預防性維護。Renzi等[8]利用動態(tài)數(shù)字孿生，對海上浮式生產(chǎn)系統(tǒng)進行資產(chǎn)管理與分析，提高管理效率，降低人員管理成本。Coraddu等[9]利用動態(tài)數(shù)字孿生，評估環(huán)境污染對行船速度的影響，提升船舶的行駛效率。

近年來，深海采礦行業(yè)得到越來越多的重視。深海采礦系統(tǒng)通常為超深水作業(yè)，水深范圍達到4～6 km，作業(yè)環(huán)境苛刻，系統(tǒng)集成協(xié)調(diào)配合要求高，需要對系統(tǒng)進行全方位、多尺度監(jiān)測與管理。動態(tài)數(shù)字孿生技術(shù)的完善和提出，為深海采礦過程狀態(tài)監(jiān)測與系統(tǒng)控制提供了理想的解決方案。將動態(tài)數(shù)字孿生技術(shù)應用于深海采礦作業(yè)全生命周期[10]，實現(xiàn)采礦過程數(shù)字化、可視化、智能化，是保障深海采礦系統(tǒng)安全、高效作業(yè)的有效手段。本文針對常見深海采礦系統(tǒng)特點，探討了深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及構(gòu)建方法。

1 深海采礦系統(tǒng)簡介

典型深海采礦系統(tǒng)由集礦機系統(tǒng)、礦物輸送系統(tǒng)、立管系統(tǒng)、水面母船系統(tǒng)等4部分組成，如圖1所示。深海采礦系統(tǒng)作業(yè)流程如下：

圖1 深海采礦系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the deep-sea mining system

1)水面母船將采礦設(shè)備運送到工作海域，完成集礦機系統(tǒng)、礦物輸送系統(tǒng)、立管系統(tǒng)布放與調(diào)試；

2)集礦機行駛至作業(yè)區(qū)域后，開始進行集礦作業(yè)；

3)集礦機通過礦物輸送系統(tǒng)，將采集的礦物輸送至中繼器；

4)通過立管系統(tǒng)中的揚礦泵將中繼器中的礦物提升至水面母船；

5)采礦作業(yè)結(jié)束后，各子系統(tǒng)依次回收至水面母船。

深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)應用框架由物理空間、數(shù)字空間、信息處理層3部分組成，三者通過數(shù)據(jù)連接形成閉環(huán)融合。系統(tǒng)在應用過程中，數(shù)字空間可對物理空間進行全方位、多尺度動態(tài)建模、實時映射，結(jié)合物理算法對物理空間進行狀態(tài)預測，為未來運行方案制定提供參考，提高深海采礦系統(tǒng)控制水平。

通過動態(tài)數(shù)字孿生實現(xiàn)深海采礦智能化作業(yè)后，設(shè)備操作方式將轉(zhuǎn)為使用經(jīng)過動態(tài)模擬驗證后的作業(yè)方案驅(qū)動采礦設(shè)備運行，主動引導采礦系統(tǒng)狀態(tài)變化，提高作業(yè)效率與安全性。深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)應用框架如圖2所示。

圖2 深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)應用框架Fig.2 Application framework of dynamic digital twin system of deep-sea mining

動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)服務于深海采礦全生命周期，將實現(xiàn)功能如下：

1)采礦作業(yè)前：對采礦方案進行可視化模擬預演，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，對采礦方案進行優(yōu)化，同時儲存模擬數(shù)據(jù)，為今后方案制定提供參考；

2)采礦過程中：對采礦過程進行實時映射，對采礦系統(tǒng)各設(shè)備及人員進行智能管理與調(diào)度，預測危險狀況并輔助生成解決方案，操作人員下達的指令可先行在數(shù)字孿生系統(tǒng)中得到驗證，避免人為因素引起的作業(yè)事故發(fā)生；

3)采礦過程結(jié)束后：依據(jù)采礦過程中的實時數(shù)據(jù)，重新模擬、分析采礦作業(yè)過程，發(fā)現(xiàn)操作不當之處，進行采礦方案二次優(yōu)化。

2 深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)開發(fā)

深海采礦是在復雜海洋環(huán)境中作業(yè)的大型復雜海洋工程作業(yè)系統(tǒng)。建立滿足其工程作業(yè)監(jiān)控及控制的動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)也是一個復雜的系統(tǒng)工程。深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)開發(fā)流程可分為4步：數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)字化建模、功能實現(xiàn)、智能作業(yè)。具體流程如圖3所示。

圖3 深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)開發(fā)流程Fig.3 Development process of dynamic digital twin system of deep-sea mining

本文使用Unity 3D引擎開發(fā)基于狀態(tài)診斷的深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)。該引擎是一款由Unity Technologies公司開發(fā)的3D引擎。該引擎具有強大的通用性、較低的開發(fā)成本、逼真的視覺畫面、便捷的人機交互性、支持多平臺發(fā)布，且腳本語言書寫方便等特點，廣泛應用于游戲開發(fā)、建筑可視化、實時三維動畫等應用[11]。

2.1 深海采礦系統(tǒng)數(shù)字化建模

深海采礦系統(tǒng)數(shù)字化模型包含深海采礦技術(shù)裝備數(shù)字化模型與作業(yè)環(huán)境數(shù)字化模型。深海采礦技術(shù)裝備數(shù)字化模型要求可以準確反映物理實體形狀尺寸、物理屬性與機械性能等信息；作業(yè)環(huán)境數(shù)字化模型要求準確反映采礦作業(yè)環(huán)境風浪、海底地形等信息。當接收到物理空間實時數(shù)據(jù)后，可將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫的同時，在數(shù)字孿生系統(tǒng)界面進行數(shù)據(jù)顯示，并使用數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字化模型，對物理空間進行實時映射，實現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間深度融合，監(jiān)控與管理采礦系統(tǒng)作業(yè)過程。目前國內(nèi)深海采礦仍處于海上試驗階段，本文結(jié)合海試系統(tǒng)要求，主要對作業(yè)環(huán)境，采礦裝備包括采礦船、采礦車、中繼站、立管及輸送軟管系統(tǒng)運動和位移狀態(tài)開展了動態(tài)數(shù)字孿生構(gòu)建工作，如圖4所示。

圖4 深海采礦系統(tǒng)數(shù)字模型Fig.4 Digital model of deep-sea mining system

2.1.1 數(shù)字環(huán)境搭建

作業(yè)環(huán)境數(shù)字化模型包括真實的海底地形、波高與波頻可動態(tài)調(diào)整的水面環(huán)境以及有擾動效果的水下場景。本文海底地形數(shù)字化模型構(gòu)建過程為確定作業(yè)區(qū)域后，采集該區(qū)域海底散點高程數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)密度有限，本文采用雙調(diào)和樣條插值加密生成地形模型。該插值方法的原理是使用已知的局部數(shù)據(jù)點反演未知數(shù)據(jù)點信息，用局部解代替全局解，解決了大量數(shù)據(jù)集插值計算效率低的問題[12]。原理如下：

離散數(shù)據(jù)擬合可表示為：

Z(x)=φ(x1,x2,…,xn)

(1)

簡寫為：

Zj=φ(xj)，j=1,2,…,n

(2)

式中:x1,x2,…,xn為采樣點x的n維坐標數(shù);Z(x)為采用點x的數(shù)值；φ為映射關(guān)系。

對式(1)兩邊建立雙調(diào)和方程，可表示為：

(3)

式中：▽4為雙調(diào)和操作符；Wj為加權(quán)數(shù)；δ為采樣函數(shù)。

方程(3)通解為：

(4)

式中Gm為m維雙調(diào)和格林函數(shù)。

將式(2)代入式(4)，得到

(5)

因此，可根據(jù)式(5)任意輸入坐標點xi計算出該點插值結(jié)果。通過插值計算得到海底地形三維模型如圖5所示。

圖5 海底地形三維模型Fig.5 3D digital model of seabed terrain

2.1.2 深海采礦裝備建模

深海采礦裝備數(shù)字化建模包括對水面母船、中繼器、集礦機、揚礦泵、立管、輸送軟管以及浮力材料等技術(shù)裝備進行數(shù)字空間映像。數(shù)字化模型要求可準確反映各類裝備幾何尺寸、表面材質(zhì)、物理屬性、機械性能等多個尺度的屬性。系統(tǒng)先進行初步計算得到初始狀態(tài)。當動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)接收到物理空間實時數(shù)據(jù)，可在用戶界面顯示數(shù)據(jù)的同時，驅(qū)動數(shù)字化模型運動，對數(shù)字化模型不斷更新，實現(xiàn)采礦作業(yè)過程實時映射。深海采礦技術(shù)裝備數(shù)字化模型如圖6所示。

圖6 深海采礦裝備系統(tǒng)動態(tài)數(shù)字孿生模型Fig.6 Dynamic digital twin system for deep-sea mining system

2.2 動態(tài)數(shù)字孿生模型參數(shù)預設(shè)

數(shù)字孿生模型的參數(shù)預設(shè)是對裝備模型及系統(tǒng)運動狀態(tài)的參數(shù)化設(shè)置，通過使用物理模型信息數(shù)據(jù)的采集和對數(shù)字模型參數(shù)的同步更新，可以實現(xiàn)對數(shù)字化空間動態(tài)映射。是動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵步驟。本文深海采礦數(shù)字孿生系統(tǒng)主要采用如下參數(shù)進行定義。

2.2.1 主要設(shè)備運功功能預設(shè)

水面母船A型架對集礦機進行起吊，轉(zhuǎn)動過程通過油缸活塞伸縮驅(qū)動實現(xiàn)。首先對油缸添加關(guān)節(jié)約束，給定油缸活塞伸長量，驅(qū)動A型架轉(zhuǎn)動。通過輸入活塞伸長量控制A型架運動邏輯判斷如圖7所示。

表1 深海采礦數(shù)字孿生系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Deepsea mining digital twin system parameters

圖7 A型架運動邏輯判斷Fig.7 Logic judgment diagram of A-frame movement

集礦機運動通過履帶轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，因此在給定集礦機運動速度時，履帶要根據(jù)運動速度進行轉(zhuǎn)動，并在海底地形數(shù)字化模型上留下履帶駛過痕跡。

對履帶轉(zhuǎn)動過程預制動畫，當給定集礦機運動速度后，根據(jù)運動速度以及運動方向調(diào)整動畫播放速度以及播放順序，模擬集礦機運動過程中履帶轉(zhuǎn)動效果。集礦機運動效果如圖8所示。

圖8 集礦機運動效果Fig.8 Movement effect diagram of mining collector

2.2.2 輸送軟管線型模擬

集礦機采集到的礦物通過輸送軟管輸送至中繼器，因此輸送軟管狀態(tài)對采礦過程安全性至關(guān)重要。由于技術(shù)及成本原因，采礦系統(tǒng)只能布置兩個信標點對軟管狀態(tài)進行監(jiān)測，需要結(jié)合數(shù)值分析方法求解懸鏈線方程確定軟管整體線型及位置狀態(tài)。

本文采礦軟管懸鏈線方程推導過程如下：設(shè)輸送軟管質(zhì)量均勻，單位長度質(zhì)量為ω0，且處于平衡狀態(tài)。取輸送軟管上任意一點A(x,y(x))以及附近一點B(x+Δx,y(x+Δx))，其中Δx→0，A點所受張力為T(x)，B點所受張力為T(Δx)，設(shè)AB段長度為dl，則：

d2l=d2x+d2y

(6)

輸送軟管處于平衡狀態(tài)，故合外力為0，則B點垂直張力為：

Ty(x+Δx)=Ty(x)+ω0dl

(7)

其中Ty(x)為A點所有垂直張力。A點與B點水平張力滿足：

Tx(x)=Tx(x+Δx)=k

(8)

將式(15)代入式(16)，得：

(9)

則：

(10)

即：

(11)

由于AB段長度趨于0，力的方向與AB段線形方向相同，故:

(12)

將式(11)代入式(12)，得：

(13)

兩邊積分同時對x，得：

(14)

2.3 物理空間實時數(shù)據(jù)采集與處理

物理空間實時數(shù)據(jù)采集內(nèi)容主要包括深海采礦系統(tǒng)各子系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，如集礦機及水面母船行駛速度、母船A型架油缸伸長量、輸送軟管信標點位置坐標、中繼器位置坐標、各類報警器狀態(tài)等。通過實時數(shù)據(jù)對數(shù)字化模型進行驅(qū)動控制，實現(xiàn)在數(shù)字空間對物理空間進行實時映射。

深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)使用OPC UA (OPC unified architecture)統(tǒng)一架構(gòu)接口協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。傳感器采集的設(shè)備運行數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳輸至服務器，當動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)作為客戶端，與服務器建立連接，接收數(shù)據(jù)并進行解析，解析的數(shù)據(jù)發(fā)送至內(nèi)存緩沖區(qū)的同時數(shù)據(jù)庫中進行存儲。系統(tǒng)在緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，驅(qū)動相應的數(shù)字模型，實現(xiàn)實時映射的效果。

OPC UA接口協(xié)議通用性好、集成性高、通訊性能優(yōu)越，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c安全性。因此，極大提升了數(shù)字孿生系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與準確性。

3 深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)運行

深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)是一個以數(shù)據(jù)為紐帶，連接各子系統(tǒng)，使其緊密配合聯(lián)動的系統(tǒng)。所有數(shù)據(jù)各子系統(tǒng)共享，形成一個完整的信息閉環(huán)，實現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)實時高效流通，避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)孤島。系統(tǒng)運行流程如圖9所示。

圖9 深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)運行流程Fig.9 Operation process of dynamic digital twin system of deep-sea mining

1)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，得到深海采礦系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可為2類，即離線數(shù)據(jù)與在線數(shù)據(jù)。離線數(shù)據(jù)即采礦設(shè)備物理屬性與幾何尺寸，是構(gòu)建數(shù)字空間的基礎(chǔ)；在線數(shù)據(jù)即設(shè)備運行數(shù)據(jù)與環(huán)境信息，記錄物理空間在時間尺度上的狀態(tài)信息。

2)將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)庫中，作為數(shù)字化建模、實時映射、采礦方案制訂以及采礦過程重演的重要依據(jù)。將離線數(shù)據(jù)傳遞至模型創(chuàng)建系統(tǒng)，用于生成與物理空間完全一致的數(shù)字空間；將在線數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行處理分析，去除雜項數(shù)據(jù)與異常數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)采集準確性。

3)數(shù)字化模型與處理完畢的實時數(shù)據(jù)在仿真系統(tǒng)中進行深度融合，實現(xiàn)數(shù)字空間對物理空間的實時映射、狀態(tài)預測及對采礦設(shè)備交互控制，實現(xiàn)深海采礦系統(tǒng)數(shù)字化、可視化、智能化運行。

由于深海采礦尚未開展實際生產(chǎn)作業(yè)，本文開發(fā)的深海采礦動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)在實驗中進行了測試與應用。現(xiàn)場實驗中動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)控制與顯示臺如圖10所示。

圖10 動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)實際操作與顯示工作臺Fig.10 Control console of dynamic digital twin system of deep-sea mining

動態(tài)數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)了對深海采礦全系統(tǒng)近200余項數(shù)據(jù)的實時采集與處理，并對數(shù)據(jù)進行同步顯示，對異常狀態(tài)進行報警提示。同時，驅(qū)動水下作業(yè)車、支持船、中繼器、輸送軟管等數(shù)字化模型運動，實時更新數(shù)字孿生模型狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)作業(yè)過程三維動態(tài)顯示，為設(shè)備操作提供了直觀、準確的視覺參考。系統(tǒng)數(shù)據(jù)每0.02 s新一次，保證了狀態(tài)監(jiān)控的實時性，提高了系統(tǒng)的安全性與作業(yè)效率。

4 結(jié)論

1)深海采礦數(shù)字孿生系統(tǒng)開發(fā)過程包括數(shù)字化建模、數(shù)字模型運動功能實現(xiàn)、用戶界面開發(fā)、數(shù)據(jù)采集與處理以及系統(tǒng)實驗應用。

2)動態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)可以結(jié)合機器學習、強化學習、神經(jīng)網(wǎng)絡等技術(shù)，對設(shè)備運行狀態(tài)進行仿真與預測，實現(xiàn)系統(tǒng)整體狀態(tài)智能監(jiān)控、風險預警、數(shù)字化運維，將在未來的深海采礦工程及相關(guān)的海洋工程作業(yè)中發(fā)揮重要作用。