基于數(shù)字孿生技術(shù)的樁機(jī)姿態(tài)與工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

徐杰， 孫濤， 戴劍博， 秦錄芳

（1.鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇鹽城 224051； 2.徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇徐州 221018；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇徐州 221116）

0 前言

振動(dòng)打樁機(jī)作為樁工市場(chǎng)的主要工程設(shè)備， 憑借其較小的體積、 特殊的結(jié)構(gòu)、 靈活的操作方式而廣泛應(yīng)用于橋梁、 廠房、 鐵路高架橋等一些基礎(chǔ)工程中。振動(dòng)打樁機(jī)的工作原理是利用準(zhǔn)流體現(xiàn)象對(duì)預(yù)制樁進(jìn)行沉、 拔樁作業(yè)［1］。 由于在沉樁過程中會(huì)受到振動(dòng)等不可控因素的影響， 使得樁體姿態(tài)發(fā)生變化， 需實(shí)時(shí)對(duì)樁體姿態(tài)進(jìn)行矯正。 此外， 激振器作為振動(dòng)式樁機(jī)的核心部件， 它對(duì)樁機(jī)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)也起到關(guān)鍵作用， 需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀況。 因此， 對(duì)樁機(jī)工況信息與樁體姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 成為樁機(jī)工作過程中需要重點(diǎn)解決的問題。

近年來， 隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展， 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為研究的熱點(diǎn)問題。 毛清華等［2］提出以煤礦掘進(jìn)機(jī)為載體建立多傳感器信息的空間位姿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 運(yùn)用超聲、 激光、 慣導(dǎo)與地磁融合的組合慣導(dǎo)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)的空間姿態(tài)。 呂鑫等人［3］利用LabVIEW 構(gòu)建液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 運(yùn)用激光傳感器對(duì)液壓支架底板與頂板的距離及姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量， 運(yùn)用無線通信技術(shù)將測(cè)量的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)， 實(shí)時(shí)顯示液壓支架的高度與姿態(tài)變化情況。 馬旭東等［4］針對(duì)礦下綜采工作面液壓支架姿態(tài)參數(shù)采集困難的問題， 以微處理器與ADXL345為核心傾角傳感器構(gòu)建液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 采集綜采工作面液壓支架的傾角， 將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)， 并用RS485 串口通信將采集的傾角數(shù)據(jù)上傳到顯示界面，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傾角的變化。 張銳等人［5］針對(duì)傳統(tǒng)角度測(cè)量設(shè)備體積大、 精度低的問題， 利用三軸加速度傳感器與三軸磁力計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合， 建立空間三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 并通過無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)顯示。 逯全波等［6］以運(yùn)行中的軸承為監(jiān)測(cè)對(duì)象， 以STM32 為主控芯片， 利用壓電式振動(dòng)傳感器采集軸承的振動(dòng)信息， 采用無線傳輸技術(shù)將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集卡， 并運(yùn)用LabVIEW 構(gòu)建可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承的運(yùn)行狀況。

數(shù)字孿生技術(shù)的快速發(fā)展使得物理對(duì)象與虛擬模型實(shí)時(shí)連接成為現(xiàn)實(shí)［7］。 數(shù)字孿生技術(shù)在井下煤礦［8－11］、 電力設(shè)備［12－14］中都得到了廣泛運(yùn)用。 本文作者利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建樁機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 以傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)不斷更新虛擬空間中的虛擬模型， 結(jié)合所提出的樁機(jī)工況監(jiān)測(cè)模塊、 樁體位姿監(jiān)測(cè)模塊對(duì)樁機(jī)運(yùn)行工況、 樁體的位姿進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 再結(jié)合樁體位姿偏擺預(yù)警模塊對(duì)樁體的實(shí)時(shí)姿態(tài)進(jìn)行分析，從而確定樁體姿態(tài)偏擺類型并給出調(diào)整提示， 為操作人員調(diào)整樁體姿態(tài)提供模型與數(shù)據(jù)支撐。

1 基于數(shù)字孿生技術(shù)的樁機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

基于數(shù)字孿生技術(shù)的樁機(jī)姿態(tài)與工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架由物理層、 數(shù)據(jù)層、 模型層和服務(wù)層構(gòu)成［15］， 具體框架如圖1 所示。

圖1 打樁機(jī)的數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架Fig.1 Digital twin monitoring system framework for pile driver

1.1 物理層

物理層包括樁機(jī)設(shè)備與感知設(shè)備等實(shí)體設(shè)備。 利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知樁機(jī)工作的運(yùn)行參數(shù)。 通過安裝各種傳感器實(shí)時(shí)采集打樁機(jī)各部位的物理信息， 其主要參數(shù)包括樁體姿態(tài)、 液壓系統(tǒng)的油壓、 激振器頻率、 溫度以及打樁機(jī)各組機(jī)械臂液壓油缸的推進(jìn)行程。

為滿足高頻率的數(shù)據(jù)回傳， 根據(jù)上位機(jī)與傳感器之間的距離， 文中選用基于Modbus 通信協(xié)議的RS485 串口通信總線作為硬件系統(tǒng)的通信方式。 通過上位機(jī)發(fā)送給傳感器不同的指令， 從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)物理對(duì)象原始數(shù)據(jù)回傳。 服務(wù)層中3 個(gè)顯示模塊為操作人員提供樁體姿態(tài)監(jiān)測(cè)、 樁機(jī)工況監(jiān)測(cè)以及樁體姿態(tài)偏擺預(yù)警提示， 并可利用數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新虛擬模型， 為操作人員提供三維可視化監(jiān)控界面。

1.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)采集模塊、 數(shù)據(jù)處理模塊、 數(shù)據(jù)傳輸模塊與數(shù)據(jù)中心模塊四部分。 其中， 數(shù)據(jù)采集模塊是采用上述RS485 通信實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集， 例如采集物理層中的姿態(tài)、 溫度、 壓力、 振動(dòng)等信息。數(shù)據(jù)處理模塊是將采集后的原始數(shù)據(jù)通過對(duì)應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 從而顯示正確的工程量數(shù)值。 數(shù)據(jù)傳輸模塊是將數(shù)據(jù)處理模塊處理后的工程量數(shù)值利用UDP協(xié)議傳輸至數(shù)據(jù)中心。 數(shù)據(jù)中心模塊包含物理層所有物理信息， 并選用MySQL 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 數(shù)據(jù)中心模塊為服務(wù)層提供數(shù)據(jù)源， 從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在上位機(jī)界面顯示和模型驅(qū)動(dòng)， 同時(shí)操作人員可以查閱歷史數(shù)據(jù)以及分析樁機(jī)歷史工況。

1.3 模型層

模型層包含打樁機(jī)三維虛擬模型與樁體姿態(tài)偏擺預(yù)警模型。 樁機(jī)三維虛擬模型是打樁機(jī)物理實(shí)體的鏡像映射， 具備各個(gè)零件之間裝配約束， 能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)以及仿真的運(yùn)動(dòng)功能。 首先， 通過Solid?Works 建立三維模型； 然后利用3dmax、 Unity3D 等軟件創(chuàng)建層級(jí)、 約束關(guān)系信息， 并進(jìn)行三維輕量化處理； 最后利用傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新虛擬模型，實(shí)現(xiàn)三維模型的驅(qū)動(dòng)， 為操作人員提供樁機(jī)三維動(dòng)態(tài)監(jiān)控畫面。 樁體姿態(tài)偏擺預(yù)警模型反映當(dāng)前樁體的偏斜程度。 首先， 利用Unity3D 建立偏擺模型并設(shè)置預(yù)警范圍； 再利用姿態(tài)傳感器讀取樁體的滾動(dòng)角、 俯仰角以及偏航角， 并將數(shù)據(jù)掛載到偏擺模型上； 最后判斷此時(shí)樁體姿態(tài)是否超出預(yù)警范圍， 當(dāng)樁體姿態(tài)發(fā)生偏擺且超出預(yù)警范圍時(shí)， 預(yù)警模型會(huì)做出預(yù)警提示。模型層可以為服務(wù)層提供樁機(jī)三維模型、 樁體姿態(tài)偏擺預(yù)警模型支撐。

1.4 服務(wù)層

服務(wù)層包括打樁機(jī)三維虛擬模型、 樁體姿態(tài)監(jiān)測(cè)與偏擺預(yù)警、 樁機(jī)工況監(jiān)測(cè)三部分內(nèi)容， 主要采用SolidWorks、 Unity3D、 3dmax、 C＃等技術(shù)， 以傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 實(shí)現(xiàn)三維模型可視化監(jiān)控， 建立樁體姿態(tài)與樁機(jī)工況監(jiān)測(cè)界面， 并為樁體姿態(tài)偏擺做出預(yù)警提示。

2 樁體姿態(tài)偏擺預(yù)警模型

樁體姿態(tài)偏擺預(yù)警模型是沉樁過程中樁體姿態(tài)發(fā)生偏擺時(shí)， 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做出的預(yù)警提示。 預(yù)警流程如圖2 所示。 在執(zhí)行沉樁工作時(shí)， 樁體需保持垂直狀態(tài)。若沉樁過程中樁體的俯仰角、 滾動(dòng)角以及偏航角傾斜超過預(yù)設(shè)的閾值時(shí)， 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將為操作人員做出預(yù)警提示。

圖2 樁體姿態(tài)偏擺預(yù)警流程Fig.2 Warning process for pile posture skew

步驟1， 設(shè)置樁體期望姿態(tài)。 在樁機(jī)沉樁過程中， 需要其樁體姿態(tài)保持垂直， 即滾動(dòng)角α、 俯仰角λ為0， 偏航角φ保持指定的角度， 樁體的3 組姿態(tài)參數(shù)如圖3 所示。 根據(jù)實(shí)際的沉樁需求確定樁體的3組姿態(tài)參數(shù)， 即滾動(dòng)角α、 俯仰角λ與偏航角φ。

圖3 樁體姿態(tài)參數(shù)Fig.3 The posture parameters of piles

步驟2， 樁體姿態(tài)監(jiān)測(cè)。 在實(shí)際的沉樁過程中，從樁機(jī)夾持樁體到完成沉樁工作的過程中， 樁體姿態(tài)發(fā)生連續(xù)變化， 因此需要實(shí)時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)樁體的姿態(tài)。通過安裝姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)采集樁體位姿信息。

步驟3， 數(shù)據(jù)顯示界面與數(shù)字孿生模型。 數(shù)據(jù)顯示界面是將傳感器采集的所有信息進(jìn)行解析并在界面上顯示。 數(shù)字孿生模型是根據(jù)樁機(jī)實(shí)體建立的虛擬模型， 并利用傳感器采集樁機(jī)與樁體的姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新模型， 完成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型， 從而實(shí)現(xiàn)樁機(jī)三維可視化監(jiān)測(cè)。

步驟4， 預(yù)警范圍判斷。 根據(jù)樁體實(shí)時(shí)的滾動(dòng)角α、 俯仰角λ與偏航角φ3 個(gè)姿態(tài)參數(shù)， 以及利用步驟1 中的樁體期望值αy、λy、φy， 確定其樁體姿態(tài)偏擺變化量， 如圖4 所示。

圖4 偏擺變化量Fig.4 Skew variation： （a） XOZ plane； （b） YOZ plane； （c） XOY plane

根據(jù)樁體的沉樁精度要求設(shè)置預(yù)警閾值， 當(dāng)樁體位姿偏擺變化量超過規(guī)定的預(yù)警閾值時(shí)， 執(zhí)行步驟5確定樁體位姿偏擺的類型。 如果樁體位姿偏擺變化量在規(guī)定的預(yù)警閾值內(nèi)， 即樁體當(dāng)前姿態(tài)滿足沉樁精度要求， 執(zhí)行步驟2 繼續(xù)監(jiān)測(cè)樁體姿態(tài)。

步驟5， 確定樁體位姿偏擺類型。 由步驟4 可知樁體姿態(tài)的變化量有3 組值， 因此將偏擺類型劃分為滾動(dòng)角偏擺、 俯仰角偏擺以及偏航角偏擺。 樁體水平內(nèi)發(fā)生傾斜是由滾動(dòng)角偏擺與俯仰角偏擺引起的， 樁體繞自身垂直軸線旋轉(zhuǎn)是由偏航角偏擺引起的。

步驟6， 調(diào)整提示。 由步驟5 確定樁體姿態(tài)偏擺類型， 根據(jù)樁體姿態(tài)偏擺類型執(zhí)行相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)整提示。 即當(dāng)偏擺類型是偏航角偏擺時(shí)， 界面會(huì)立即向操作人員做出預(yù)警， 并根據(jù)偏航角的偏擺變化量Δφ確定樁體需繞Z軸做正、 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)， 并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前調(diào)整變化量。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組成

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

文中搭建的樁機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由樁體姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、樁機(jī)工況監(jiān)測(cè)模塊以及樁機(jī)虛擬模型模塊組成。 樁體姿態(tài)檢測(cè)模塊是依靠安裝在偏擺機(jī)構(gòu)頭部的姿態(tài)傳感器采集樁體實(shí)時(shí)姿態(tài)信息。 樁機(jī)工況檢測(cè)模塊是依靠安裝在振動(dòng)箱體上的振動(dòng)傳感器與溫度傳感器以及安裝在激振器上的壓力傳感器采集樁機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工況信息。 傳感器的安裝如圖5 所示。 樁機(jī)虛擬模型模塊是利用傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新虛擬模型。

3.2 樁體姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

文中提出的樁機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊對(duì)樁機(jī)夾持的樁體進(jìn)行姿態(tài)監(jiān)測(cè)， 實(shí)現(xiàn)了樁體滾動(dòng)角、 俯仰角、 偏航角3 個(gè)位姿參數(shù)的監(jiān)測(cè)與顯示， 文中選用ML7600?3?D九軸傾角傳感器檢測(cè)樁體姿態(tài)， 其滾動(dòng)角、 俯仰角的檢測(cè)誤差小于0.01°， 偏航角檢測(cè)誤差小于0.05°。該模塊能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)樁體的3 個(gè)姿態(tài)參數(shù)， 并在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面實(shí)時(shí)顯示樁體姿態(tài)， 為操作人員提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的樁體姿態(tài)信息。

3.3 樁機(jī)工況檢測(cè)模塊

文中提出的樁機(jī)工況檢測(cè)模塊針對(duì)激振器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 激振器作為樁機(jī)的核心部件， 它是反映樁機(jī)能否正常工作的重要標(biāo)準(zhǔn)。 文中采用三軸溫振一體化傳感器， 可采集振動(dòng)箱體的溫度信息與激振器的振動(dòng)頻率， 其測(cè)量范圍為10～1 000 Hz， 完全滿足激振器測(cè)量的范圍需求。 同時(shí)為監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)輸入激振器壓力能的變化情況， 文中選用Huba 511 壓力變送器，量程為0 ～25 MPa， 精度為0.3%FS， 用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油壓變化情況。 樁機(jī)工況檢測(cè)模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)激振器的頻率、 振動(dòng)箱體溫度、 輸入激振器的油壓， 并在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面實(shí)時(shí)顯示樁機(jī)工況信息， 便于操作人員實(shí)時(shí)掌握樁機(jī)的工作狀態(tài)。

3.4 樁機(jī)虛擬模型驅(qū)動(dòng)模塊

以側(cè)夾式打樁機(jī)為例， 樁機(jī)由行走裝置、 回轉(zhuǎn)裝置、 動(dòng)臂、 斗桿、 偏擺機(jī)構(gòu)等組成。 其三維模型如圖6 所示。

圖6 樁機(jī)三維模型Fig.6 3D model of pile driver

首先， 運(yùn)用SolidWorks 建立三維模型， 采用3dmax 對(duì)三維模型進(jìn)行輕量?jī)?yōu)化處理； 接著， 將三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 中進(jìn)行渲染； 最后， 將姿態(tài)傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新到Unity3D 中， 并以此姿態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)樁機(jī)三維模型， 實(shí)現(xiàn)樁機(jī)三維可視化監(jiān)控。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

文中提出的樁機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)基于QT 與Uni?ty3D 進(jìn)行開發(fā)， 為方便駕駛?cè)藛T實(shí)時(shí)掌控樁體姿態(tài)與樁機(jī)工況， 整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面應(yīng)簡(jiǎn)潔和可操作化。樁機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)顯示界面與虛擬顯示界面兩部分。 運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首先顯示主界面， 如圖7 所示。 主界面包括菜單欄、 工具欄以及數(shù)據(jù)顯示界面，數(shù)據(jù)顯示界面展示樁體姿態(tài)和振動(dòng)箱體溫度、 激振器頻率、 輸入激振器的油壓等參數(shù)信息。 通過點(diǎn)擊主界面工具欄三維按鈕切換至虛擬顯示界面， 如圖8 所示。 虛擬顯示界面實(shí)時(shí)顯示樁機(jī)三維動(dòng)態(tài)和樁體姿態(tài)偏擺預(yù)警兩部分內(nèi)容， 為操作人員提供三維可視化監(jiān)控界面。

圖7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面Fig.7 Main interface of monitoring system

圖8 虛擬顯示界面Fig.8 Virtual display interface

5 樁體偏擺預(yù)警

根據(jù)上述傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理， 可以得出樁體滾動(dòng)角、 俯仰角和偏航角3 組參數(shù)， 根據(jù)文中提出的樁體姿態(tài)偏擺預(yù)警模型， 可以有效地對(duì)樁體姿態(tài)偏擺進(jìn)行預(yù)警并做出調(diào)整提示， 如圖9 所示。 通過采集的樁體姿態(tài)數(shù)據(jù)分析可知： 樁體3 組姿態(tài)偏擺變化量均在0 左右， 未超出預(yù)警范圍， 此時(shí)樁體姿態(tài)滿足沉樁精度需求。 若樁體姿態(tài)超過預(yù)警范圍， 預(yù)警模塊則向操作人員發(fā)出預(yù)警提示， 可及時(shí)提醒操作人員樁體傾斜， 并給出調(diào)整方向與調(diào)整變化量， 實(shí)現(xiàn)快速、 準(zhǔn)確的樁體姿態(tài)矯正， 從而提高沉樁效率與沉樁質(zhì)量。

圖9 樁體姿態(tài)偏擺預(yù)警提示Fig.9 Warning prompt for pile posture skew

6 結(jié)語(yǔ)

（1） 提出了基于數(shù)字孿生技術(shù)的樁機(jī)姿態(tài)與工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 構(gòu)建了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架， 實(shí)現(xiàn)物理層、 數(shù)據(jù)層、 模型層以及服務(wù)層之間的數(shù)據(jù)連通。

（2） 基于文中提出的樁體姿態(tài)偏擺預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)樁體滾動(dòng)角、 俯仰角、 偏航角3 組姿態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)預(yù)警， 從而實(shí)時(shí)矯正樁體姿態(tài)， 提高了樁機(jī)的沉樁精度與沉樁效率。

（3） 在數(shù)字孿生環(huán)境下獲取樁機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 為樁機(jī)工況監(jiān)測(cè)模塊與樁體姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊提供數(shù)據(jù)源， 結(jié)合樁機(jī)虛擬模型驅(qū)動(dòng)模塊可以更加高效、 直觀、 準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)樁機(jī)運(yùn)行工況， 從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)人工決策的樁體姿態(tài)調(diào)整， 為自動(dòng)化振動(dòng)沉樁做理論鋪墊。