基于OPC UA的數(shù)字孿生礦井提升系統(tǒng)信息模型研究

徐善永，白善文，黃友銳，2，韓 濤

(1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.皖西學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

隨著“中國(guó)制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”的不斷深入，煤礦逐步向數(shù)字化、智能化方向飛速發(fā)展。數(shù)字孿生作為一門綜合多學(xué)科、多尺度、多概率的復(fù)雜系統(tǒng)仿真技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)物理模型和孿生模型的完整映射，為實(shí)現(xiàn)物理世界和信息世界的融合以及指導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)、裝配等過(guò)程提供了有效的解決方案[2]。礦井提升機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其系統(tǒng)中各類子系統(tǒng)種類多、設(shè)備型號(hào)繁雜[3]，作為一個(gè)長(zhǎng)期周期性運(yùn)行的系統(tǒng)，設(shè)備能耗大、可靠性要求高，其提升機(jī)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)[4]，導(dǎo)致部分設(shè)備損耗快需要經(jīng)常更換，新老設(shè)備間信息數(shù)據(jù)完備性低、信息交互滯后，會(huì)形成信息孤島現(xiàn)象。因此需要解決礦井提升機(jī)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)難以互聯(lián)互通的問(wèn)題。

數(shù)字孿生的核心是建模和數(shù)據(jù)交互[5]，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)多源異構(gòu)信息收集、輕量化以及數(shù)字孿生模型構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了研究工作，聶志等[6]為攻克離散的車間生產(chǎn)流程中對(duì)零部件的實(shí)時(shí)位置追蹤、生產(chǎn)流程信息跟蹤的難題，采用超高頻射頻、二維碼和物聯(lián)方式的信息收集和處理解決方案；丁凱等[7]從多維多尺度智能制造空間角度，根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)施設(shè)計(jì)邏輯，深入研究了智能制造空間的虛實(shí)映射建模方式、復(fù)雜性多維時(shí)間域下的智能制造過(guò)程及數(shù)據(jù)分析模型方法；Greyce[8]則對(duì)于實(shí)現(xiàn)建模和通信的通用性，給出了基于AutomationML的數(shù)學(xué)模型建模方法和通用數(shù)據(jù)信息交互技術(shù)。

信息集成與互聯(lián)互通是消除信息孤島的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9]。OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OLE for Process Control Unified Architecture，OPC UA)作為一套安全、可靠用于工業(yè)通信的數(shù)據(jù)交互規(guī)范的平臺(tái)[10]，能夠建立語(yǔ)義一致的信息模型實(shí)現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)之間的信息集成和互聯(lián)互通。通過(guò)OPC UA技術(shù)配合現(xiàn)有的生產(chǎn)管控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)物理世界中“人-機(jī)-物-環(huán)境”的互聯(lián)共融，為推動(dòng)數(shù)字孿生運(yùn)轉(zhuǎn)提供一種解決辦法。

因此，本文基于OPC UA對(duì)數(shù)字孿生礦井提升系統(tǒng)信息模型進(jìn)行研究。依據(jù)人、機(jī)、物、環(huán)境四類多源、多維度異構(gòu)數(shù)據(jù)構(gòu)建提升機(jī)系統(tǒng)OPC UA信息交互網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析滿足礦井提升機(jī)要求的功能模型和信息流，提出適用于礦井提升機(jī)系統(tǒng)的信息建模方法。通過(guò)搭建的數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái)驗(yàn)證礦井提升系統(tǒng)信息模型的可行性。

1 基于OPC UA的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)集成框架

1.1 OPC UA架構(gòu)

經(jīng)典OPC以COM/DCOM為基礎(chǔ)提供用于工業(yè)自動(dòng)化的數(shù)據(jù)交換的規(guī)范，其中OPC數(shù)據(jù)存取(DA)、OPC報(bào)警和事件(A&E)以及OPC歷史數(shù)據(jù)存取(HDA)已被以工業(yè)自動(dòng)化為目標(biāo)的系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)。為了從落后的COM/DCOM技術(shù)向面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)的技術(shù)遷移，OPC基金會(huì)發(fā)布了OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)作為最新一代OPC規(guī)范。OPC UA規(guī)范不再是基于COM/DCOM技術(shù)，因此OPC UA可以在Windows、Linux、PLC、ARM等其他的嵌入式平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)。

OPC UA的基礎(chǔ)組件是傳輸機(jī)制和信息建模[11-12]。OPC UA在傳輸中可通過(guò)XML格式或者二進(jìn)制格式來(lái)傳輸，并且可選擇并兼容更多通用的IT通信協(xié)議，比如HTTPS。OPC UA建模是節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)之間的引用。其中節(jié)點(diǎn)分為變量、對(duì)象、方法等8個(gè)節(jié)點(diǎn)類型，屬性被用來(lái)描述節(jié)點(diǎn)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有不同的屬性集，如圖1所示。引用作為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接，只能間接地通過(guò)瀏覽節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)。

圖1 節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的引用

1.2 提升系統(tǒng)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)集成體系架構(gòu)

物理世界是數(shù)字孿生的重要組成，包括了人員、設(shè)備、環(huán)境等客觀實(shí)體以及在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)。采用OPC UA技術(shù)對(duì)礦井提升系統(tǒng)所有生產(chǎn)要素進(jìn)行統(tǒng)一建模和數(shù)據(jù)傳輸，從而增強(qiáng)礦井提升系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行中實(shí)時(shí)感知信息的能力，推動(dòng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。依據(jù)系統(tǒng)功能的應(yīng)用需求，礦井提升系統(tǒng)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)集成體系可以劃分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層三個(gè)層次，如圖2所示。

圖2 提升系統(tǒng)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)集成體系架構(gòu)

感知層利用PLC設(shè)備、電壓傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等各類傳感器實(shí)時(shí)自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，以及對(duì)提升機(jī)、液壓站、各類電機(jī)等礦井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的物理設(shè)備生產(chǎn)要素實(shí)時(shí)采集，獲取人、機(jī)、物、環(huán)境等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。由于提升系統(tǒng)各機(jī)電設(shè)備有著相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)口、串口以及廠商自定義的數(shù)據(jù)獲取方式，如串行通信技術(shù)有RS232、RS485等；現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)有AN、LonWorks、ProfiBus等。物理接口、通信協(xié)議等語(yǔ)義的異構(gòu)性，使設(shè)備與設(shè)備之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間有著信息壁壘，所以采用OPC UA通信協(xié)議來(lái)解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

傳輸層采用OPC UA通信協(xié)議對(duì)感知層中不同物理設(shè)備所產(chǎn)生的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)建立標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型，解決信息數(shù)據(jù)完備性低以及信息交互滯后等形成的信息孤島問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)系統(tǒng)在語(yǔ)義上的互聯(lián)互通。傳輸層主要通過(guò)對(duì)礦井提升機(jī)系統(tǒng)的整體信息模型進(jìn)行構(gòu)建，對(duì)各物理設(shè)備的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型。根據(jù)OPC UA建模和傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，將標(biāo)準(zhǔn)化信息模型結(jié)合地址空間模塊與采集的規(guī)范化數(shù)據(jù)構(gòu)建出OPC UA服務(wù)器的地址空間，并對(duì)信息模型進(jìn)行實(shí)例化，而后通過(guò)OPC UA服務(wù)器完成物理模型與孿生模型地址空間數(shù)據(jù)映射，將OPC UA客戶端直接集成于數(shù)字孿生服務(wù)平臺(tái)，為數(shù)字孿生的服務(wù)與數(shù)據(jù)采集提供統(tǒng)一的通訊架構(gòu)。

應(yīng)用層通過(guò)OPC UA客戶端與OPC UA服務(wù)器連接實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井提升機(jī)物理設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)和過(guò)程數(shù)據(jù)的統(tǒng)一訪問(wèn)。利用Unity3D構(gòu)建礦井提升機(jī)孿生模型，并基于傳輸層的數(shù)據(jù)支持，保持與物理信息融合結(jié)果的一致性。通過(guò)OPC UA客戶端獲得具有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)源和統(tǒng)一的語(yǔ)義信息，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，使得數(shù)字孿生服務(wù)平臺(tái)為實(shí)現(xiàn)故障診斷、剩余壽命預(yù)測(cè)、智能管控等功能提供支撐。

2 面向數(shù)字孿生提升系統(tǒng)的OPC UA建模

2.1 礦井提升機(jī)系統(tǒng)信息模型建模要求

礦井提升機(jī)系統(tǒng)包括主軸裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。由于礦井提升機(jī)系統(tǒng)規(guī)模大、設(shè)備多、控制復(fù)雜，因此對(duì)其進(jìn)行信息建模時(shí)應(yīng)遵循完整性、一致性、可擴(kuò)展性要求[3]。在完整性上，礦井提升機(jī)系統(tǒng)信息模型應(yīng)包含設(shè)備基本信息、工作狀態(tài)、參數(shù)等多方面信息；在一致性上，礦井提升機(jī)系統(tǒng)信息模型應(yīng)與實(shí)際設(shè)備屬性信息保持一致，保證參數(shù)、狀態(tài)的一一對(duì)應(yīng)；在可擴(kuò)展性上，礦井提升機(jī)系統(tǒng)信息模型應(yīng)是開(kāi)放的、可修改升級(jí)的，保證信息模型的靈活性、動(dòng)態(tài)性。

根據(jù)礦井提升機(jī)系統(tǒng)基本信息和OPC UA信息模型建模規(guī)則，將實(shí)體設(shè)備與信息模型建立對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。其中實(shí)體設(shè)備由基本屬性、物理操作、若干系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)又包括設(shè)備和基本屬性與之匹配。信息模型是實(shí)體設(shè)備的抽象描述，定義屬性集、方法集、組件、引用等信息模型元素，實(shí)現(xiàn)映射礦井提升系統(tǒng)的所有信息并建立實(shí)際設(shè)備與信息模型的映射關(guān)系。

圖3 物理模型與信息模型的映射關(guān)系

2.2 礦井提升機(jī)系統(tǒng)信息模型整體架構(gòu)

根據(jù)礦井提升機(jī)系統(tǒng)的物理設(shè)備、功能模塊以及信息流要求，提出礦井提升機(jī)系統(tǒng)信息模型整體架構(gòu)如圖4所示。將礦井提升機(jī)系統(tǒng)劃分為主軸裝置信息模型、傳動(dòng)系統(tǒng)信息模型、制動(dòng)系統(tǒng)信息模型、控制系統(tǒng)信息模型四個(gè)主要子系統(tǒng)模型，各子模型包括屬性集、方法集，其中屬性集分為靜態(tài)屬性集和過(guò)程屬性集。靜態(tài)屬性集是礦井提升系統(tǒng)中不變或變化周期很長(zhǎng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)，如編號(hào)、名稱等信息，是系統(tǒng)中的固有信息。過(guò)程屬性集是礦井提升系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生時(shí)刻變化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如罐籠的位置、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、閘瓦間隙等信息。各子系統(tǒng)通過(guò)靜態(tài)屬性集和過(guò)程屬性集進(jìn)行抽象描述，且屬性集與組件可相互嵌套。

圖4 礦井提升機(jī)系統(tǒng)信息模型整體架構(gòu)示意

以制動(dòng)系統(tǒng)信息模型為例，其由靜態(tài)屬性集、過(guò)程屬性集和方法集組成，主要描述礦井提升機(jī)在制動(dòng)時(shí)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化。靜態(tài)屬性包含系統(tǒng)編號(hào)、運(yùn)行狀態(tài)、制動(dòng)器名稱、閘瓦名稱等靜態(tài)信息；過(guò)程屬性包含制動(dòng)油壓大小、液壓油溫高低、閘盤(pán)溫度高低、左右閘盤(pán)偏擺大小、閘瓦間隙大小等動(dòng)態(tài)信息；方法集包含工作制動(dòng)、安全制動(dòng)、恒減速、安全控制等操作信息。

2.3 基于OPC UA的礦井提升機(jī)系統(tǒng)信息建模

2.3.1 需求獲取

首先需要搜集煤礦行業(yè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，整理總結(jié)相關(guān)資料，了解建?；A(chǔ)，獲取建模需求。其次根據(jù)具體需求抽象出系統(tǒng)建模需要的設(shè)備類型模型。在此基礎(chǔ)上定義信息模型所需的其它節(jié)點(diǎn)，包括對(duì)象、方法、數(shù)據(jù)變量、特性節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)是對(duì)元模型的擴(kuò)展，是設(shè)備類型屬性在信息模型中的映射。最后根據(jù)建模規(guī)則和引用類型對(duì)設(shè)備類型模型實(shí)例化。我們需要獲取礦井提升機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不同設(shè)備的狀態(tài)、屬性集和方法集。

2.3.2 創(chuàng)建類型模型

根據(jù)需求獲得礦井提升機(jī)系統(tǒng)的對(duì)象類型、屬性、方法以及設(shè)備之間的關(guān)系，創(chuàng)建相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)類型。礦井提升機(jī)設(shè)備繁雜，不僅擁有大量感知類設(shè)備來(lái)獲得數(shù)據(jù)如壓力傳感器、溫度傳感器等，還擁有大量控制類設(shè)備來(lái)滿足生產(chǎn)要求和生產(chǎn)安全。先將礦井提升機(jī)設(shè)備類型抽象化創(chuàng)建其對(duì)象類型，見(jiàn)表1；再對(duì)不同對(duì)象類型的不同屬性、方法、描述做進(jìn)一步定義。

表1 礦井提升機(jī)設(shè)備對(duì)象類型

1)主軸裝置。主軸裝置是礦井提升機(jī)的工作和承載部件，其承擔(dān)了礦井提升機(jī)運(yùn)行中的絕大部分載荷[13]，關(guān)系到礦井生產(chǎn)和人員生命安全，如罐籠不僅可以提升煤炭，也可以運(yùn)送人員、材料以及設(shè)備等；鋼絲繩作為連接提升機(jī)和提升容器的重要部件也承載著工作效率和安全生產(chǎn)的作用。其基本信息包括設(shè)備編號(hào)、名稱等信息；固件信息包括罐籠、鋼絲繩、提升容器等設(shè)備信息；參數(shù)信息包括提升容量、罐籠位置、鋼絲繩張力等實(shí)時(shí)信息。

2)傳動(dòng)系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)是礦井提升機(jī)運(yùn)行中傳遞動(dòng)力和減速的重要部件，減速器作為傳動(dòng)系統(tǒng)的核心設(shè)備，不僅將電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為所需的工作轉(zhuǎn)速，并將電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為所需的工作轉(zhuǎn)矩[14]。其基本信息包括設(shè)備編號(hào)、名稱等信息；固件信息包括減速器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備信息；參數(shù)信息包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、液位高度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等實(shí)時(shí)信息；操作信息包括啟動(dòng)、停止兩種方法。

3)制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性直接影響到礦井提升機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，也影響著工作人員的生命安全，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行和人員安全有著重大意義[15]。制動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓站和盤(pán)型制動(dòng)器組成，其中液壓站主要包括電機(jī)、蓄能器、散熱器等設(shè)備。在制動(dòng)時(shí)盤(pán)式制動(dòng)有工作制動(dòng)和安全制動(dòng)兩種工作方式，液壓站分為工作、恒減速、安全控制三種制動(dòng)方式。正常工作啟動(dòng)時(shí)，在提升機(jī)負(fù)載或減速能達(dá)到預(yù)定的運(yùn)行狀態(tài)，能夠控制提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，即盤(pán)式制動(dòng)的工作制動(dòng)，同時(shí)液壓站電機(jī)帶動(dòng)液壓泵，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出油壓的壓力值控制盤(pán)型制動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的安全運(yùn)行為液壓站的工作狀態(tài)。在發(fā)生突發(fā)情況或安全事故時(shí)，要求在安全范圍內(nèi)緊急制動(dòng)提升機(jī)，即安全制動(dòng)，同時(shí)液壓站及時(shí)將提升機(jī)鎖定在全制動(dòng)狀態(tài)為液壓站的安全控制。其基本信息包括設(shè)備編號(hào)、名稱等信息；固件信息包括制動(dòng)器、蓄能器、散熱器等設(shè)備信息；參數(shù)信息包括制動(dòng)油壓、液壓油溫、閘瓦偏擺等實(shí)時(shí)信息；操作信息包括工作制動(dòng)、安全制動(dòng)、恒減速等方法。由此建立制動(dòng)系統(tǒng)到OPC UA對(duì)象節(jié)點(diǎn)類型的映射，見(jiàn)表2。

表2 制動(dòng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)類型描述

4)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)作為礦井提升機(jī)設(shè)備的“大腦”調(diào)度著各設(shè)備和系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、高效的運(yùn)行[16]。其主要由主回路、PLC控制等構(gòu)成，通過(guò)計(jì)算機(jī)參與控制設(shè)備系統(tǒng)使得速度更快、精度更高。工作人員通過(guò)操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)設(shè)備之間的控制傳遞，對(duì)相應(yīng)系統(tǒng)發(fā)出指令改變電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)使得提升機(jī)按照既定的工作方式安全運(yùn)行。其基本信息包括設(shè)備編號(hào)、名稱等信息；固件信息包括PLC、深度指示器等設(shè)備信息；參數(shù)信息包括運(yùn)行速度、運(yùn)行電壓、運(yùn)行電流等實(shí)時(shí)信息；操作信息包括啟動(dòng)、爬行、等速運(yùn)行、減速、停車等方法。

2.3.3信息模型的實(shí)例化

礦井提升機(jī)系統(tǒng)信息模型抽象框架建立之后，需要結(jié)合實(shí)際設(shè)備情況，將抽象設(shè)備的信息模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際設(shè)備的數(shù)據(jù)對(duì)象，按照抽象模型中的信息與實(shí)際設(shè)備信息一一對(duì)應(yīng)，形成具有實(shí)體意義的信息模型，這個(gè)過(guò)程即是信息模型的實(shí)例化。以制動(dòng)系統(tǒng)的部分變量實(shí)例化模型為例，制動(dòng)系統(tǒng)主要包含液壓站、提升機(jī)等設(shè)備，其中液壓站可給碟形剎車系統(tǒng)供給不同液壓值的高氣壓油，而液壓的改變由電液比例溢流器來(lái)調(diào)控，利用改變比例溢流器的比例調(diào)節(jié)電流的大小，可達(dá)到剎車系統(tǒng)液壓的可調(diào)性。且液壓站有一主一備兩個(gè)電機(jī)以及濾油器、壓力表等設(shè)備，其主要包括靜態(tài)屬性集、過(guò)程屬性集、方法。提升機(jī)部分擁有8對(duì)16個(gè)制動(dòng)閘瓦，通過(guò)液壓站提供油壓使得閘瓦將制動(dòng)器緊閘實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，其中閘瓦間隙不得超過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)。制動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)變量值通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源不斷變化更新，與實(shí)際設(shè)備數(shù)據(jù)同步交互的過(guò)程即是完成信息模型實(shí)例化，如圖5所示。

圖5 制動(dòng)系統(tǒng)信息模型實(shí)例化

基于XML描述文件的統(tǒng)一規(guī)范性、可擴(kuò)展性和跨平臺(tái)跨系統(tǒng)的特性，OPC UA信息模型一般通過(guò)XML描述文件進(jìn)行加載。但XML描述文件需要通過(guò)純代碼進(jìn)行編寫(xiě)，工作量較大，所以通過(guò)建模工具UaModeler對(duì)信息模型進(jìn)行建模，用戶可以通過(guò)UaModeler內(nèi)置的OPC UA所有標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)快速創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)信息，并在之后的設(shè)備更換升級(jí)中更迭節(jié)點(diǎn)信息，建模完成后UaModeler能夠自動(dòng)生成相應(yīng)的XML文件進(jìn)行引用。

3 測(cè)試與應(yīng)用

3.1 OPCUA服務(wù)器測(cè)試

為了檢驗(yàn)采用OPC UA的礦井提升機(jī)系統(tǒng)信息模型的可行性，通過(guò)使用OPC UA客戶端工具UaExpert接入OPC UA服務(wù)器，對(duì)信息建模在OPC UA地址空間映射的準(zhǔn)確性進(jìn)行了測(cè)試。在利用建模工具UaModeler對(duì)獲取的信息進(jìn)行建模并生成所需要的XML文件之后，通過(guò)Open62541SDK和Python工具將UaModeler中建立完成的信息模型轉(zhuǎn)化的XML描述文件解析出來(lái)向OPC UA服務(wù)器地址空間映射，通過(guò)客戶端工具UaExpert讀取服務(wù)器地址空間，顯示信息模型內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)信息模型的加載與瀏覽，信息建模方案如圖6所示。

圖6 礦井提升機(jī)系統(tǒng)OPC UA信息建模方案

節(jié)點(diǎn)地址空間中Root節(jié)點(diǎn)是地址空間的入口；Objects對(duì)象節(jié)點(diǎn)是地址空間的主體部分，其下定義了實(shí)際設(shè)備信息在地址空間的映射，礦井提升機(jī)系統(tǒng)信息模型內(nèi)容也定義于此，如制動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)屬性集、過(guò)程屬性集等信息，在生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)變化所形成的有關(guān)信息，會(huì)定期更新在OPC UA服務(wù)器的地址空間中。

3.2 數(shù)字孿生平臺(tái)

3.2.1 虛擬模型搭建

根據(jù)本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，利用3dMax、Unity3D來(lái)完成建模工作，建模過(guò)程如圖7所示。

圖7 虛擬建模流程

在建模過(guò)程中，根據(jù)設(shè)備說(shuō)明書(shū)中設(shè)備的模型結(jié)構(gòu)與尺寸在3dMax中對(duì)實(shí)際設(shè)備進(jìn)行等比例建模，并根據(jù)模型實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)調(diào)整。將制作好的模型生成.FBX文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察作業(yè)環(huán)境以及對(duì)真實(shí)設(shè)備進(jìn)行圖片采集，在Unity中對(duì)虛擬模型添加紋理圖片和貼圖形式增加模型相應(yīng)材質(zhì)，進(jìn)而提高還原度和仿真效果，實(shí)際設(shè)備與虛擬模型對(duì)比效果如圖8所示。

圖8 實(shí)際設(shè)備與數(shù)字孿生設(shè)備對(duì)比

3.2.2 數(shù)字孿生平臺(tái)應(yīng)用

通過(guò)搭建OPC UA客戶端采集礦井提升系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)并存入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，利用Unity3D的C#腳本，構(gòu)建礦井提升系統(tǒng)孿生模型內(nèi)外通訊結(jié)構(gòu)，完成OPC UA信息模型對(duì)孿生模型和物理模型數(shù)據(jù)的虛實(shí)映射，為數(shù)字孿生礦井提升系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)交互服務(wù)，實(shí)現(xiàn)礦井提升系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控，故障預(yù)警等功能。

1)狀態(tài)監(jiān)控。通過(guò)點(diǎn)擊UI按鍵可跳轉(zhuǎn)至“主界面”、“張力界面”和“實(shí)時(shí)故障”場(chǎng)景。其中主界面和張力界面中借助Unity平臺(tái)Xcharts插件繪制可視化圖表，分別使用了以時(shí)間為橫坐標(biāo)，提升機(jī)運(yùn)行速度為縱坐標(biāo)和以時(shí)間為橫坐標(biāo)，罐籠載重為縱坐標(biāo)的折線圖，根據(jù)OPC UA采集傳輸可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和罐籠載重?cái)?shù)據(jù)。并將采集到的提升機(jī)數(shù)據(jù)如各類電壓電流、閘瓦間隙、大小罐張力差等以數(shù)字或柱狀形式具象化顯示，實(shí)時(shí)顯示在數(shù)字孿生平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)孿生平臺(tái)的狀態(tài)監(jiān)控。

2)故障預(yù)警。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出各類動(dòng)作信號(hào)以及各類故障信號(hào)時(shí)，通過(guò)OPC UA采集信息事件存入數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)故障界面會(huì)通過(guò)Unity平臺(tái)Simple tableUI插件建立的可視化表格，將事件分類名稱、事件類型、事件時(shí)間和事件描述四類信息顯示與表格之中。并通過(guò)警告圖標(biāo)以及提示故障事件序號(hào)反饋給物理空間，實(shí)現(xiàn)孿生平臺(tái)的故障預(yù)警，提高實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)與數(shù)字孿生平臺(tái)的交互性，便于現(xiàn)場(chǎng)分析故障原因，有利于現(xiàn)場(chǎng)工作效率的提高。

3)其他應(yīng)用。在OPC UA采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以對(duì)礦井提升系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。首先構(gòu)建場(chǎng)景感知模塊，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景感知數(shù)據(jù)的獲取和存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理、特征的提取、特征的選擇和特征的融合算法等。而后分別搭建歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和特征數(shù)據(jù)庫(kù)，為孿生模型的更新、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法的訓(xùn)練和預(yù)測(cè)、以及融合型預(yù)測(cè)性維護(hù)算法的使用提供有效數(shù)據(jù)。最后構(gòu)建故障診斷和故障預(yù)測(cè)模型，如CNN模型和隨機(jī)森林模型等，利用場(chǎng)景感知的特征進(jìn)行模型的訓(xùn)練和驗(yàn)證。針對(duì)場(chǎng)景的不同，利用遷移學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)等實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型仿真和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法的有效融合，從而提高預(yù)測(cè)性維護(hù)的可行性。

根據(jù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)效果，孿生平臺(tái)顯示的數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)一致，且數(shù)據(jù)來(lái)自地址空間信息模型，從而驗(yàn)證了通過(guò)OPC UA協(xié)議與信息模型互聯(lián)互通的可行性。

4 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字孿生作為煤礦智能化戰(zhàn)略發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，是連接煤礦物理世界和數(shù)字虛擬世界的最佳紐帶。本研究基于礦井提升機(jī)的數(shù)字孿生模型，結(jié)合OPC UA構(gòu)建了礦井提升系統(tǒng)信息模型架構(gòu)并進(jìn)行應(yīng)用。信息模型搭建有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備、系統(tǒng)、生產(chǎn)等異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的互聯(lián)互通，通過(guò)建模工具UaModeler對(duì)礦井提升機(jī)系統(tǒng)主軸裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)信息模型，根據(jù)實(shí)體設(shè)備的靜態(tài)屬性集、過(guò)程屬性集、方法集進(jìn)行了分析，對(duì)信息模型進(jìn)行實(shí)例化后利用OPC UA服務(wù)器驗(yàn)證了信息模型的可行性，并與數(shù)字孿生平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膶?shí)時(shí)映射。本研究對(duì)礦井提升機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)警等方面提供更有力的通信支持，從而有效提高礦井生產(chǎn)安全可靠性和智能運(yùn)維水平，對(duì)解決礦井提升機(jī)各設(shè)備之間信息無(wú)法直接共享和對(duì)推進(jìn)智能礦山的發(fā)展提供了一定的技術(shù)支持和方法借鑒。