數(shù)字孿生技術(shù)在電梯設(shè)計制造中的應(yīng)用探索

王英杰 張芹 左希慶

摘?要：在智能化、信息化技術(shù)與市場需求的推動下，電梯制造業(yè)的驅(qū)動模式由以往的產(chǎn)品驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩趄?qū)動，為解決用戶驅(qū)動背景下電梯制造過程存在的個性化定制問題，將數(shù)字孿生技術(shù)引入電梯設(shè)計與制造環(huán)節(jié)，建立了電梯數(shù)字孿生五維模型，對五維模型中各個維度重點分析。基于MCD仿真平臺對電梯的機電系統(tǒng)進行設(shè)計，總結(jié)分析了當(dāng)前數(shù)字孿生的實踐情況與后續(xù)擴展方向。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生???電梯???五維模型???機電系統(tǒng)

中圖分類號：TU857

Exploration?of?the?Application?of?Digital?Twin?Technology?in?the?Design?and?Manufacturing?of?Elevators

WANG?Yingjie??ZHANG?Qin??ZUO?Xiqing

Huzhou?Vocational?and?Technological?College，?Huzhou，?Zhejiang?Province，?313000?China

Abstract：?Driven?by?intelligence?and?information?technologies?and?market?demand，?the?driving?mode?of?the?elevator?manufacturing?industry?is?shifting?from?the?previous?product-driven?one?to?the?user-driven?one.?In?order?to?solve?the?personalized?customization?problem?in?the?manufacturing?process?of?elevators?under?the?user-driven?background，?digital?twin?technology?is?introduced?into?the?design?and?manufacturing?process?of?elevators，?a?five-dimensional?digital?twin?model?of?elevators?is?established，?and?each?dimensions?in?the?five-dimensional?model?is?mainly?analyzed.?Based?on?the?MCD?simulation?platform，?the?electromechanical?system?of?elevators?is?designed，?and?the?current?practice?and?follow-up?expansion?directions?of?the?digital?twin?are?summarized?and?analyzed.

Key?Words：?Digital?twin;?Elevator;?5D?model;?Electromechanical?system

近年來，隨著我國城市化進程和樓宇建設(shè)的高速發(fā)展，電梯作為現(xiàn)代高層建筑中必不可少的垂直交通工具，承擔(dān)著日益繁重的任務(wù)。伴隨人們經(jīng)濟水平的提高，對生活品質(zhì)也提出了更高的要求。人們更多地希望能夠根據(jù)電梯的功能和結(jié)構(gòu)進行個性化定制。為進一步提高市場競爭力，電梯制造企業(yè)不斷調(diào)整發(fā)展策略，嘗試運用各種新技術(shù)、新方法來縮短研發(fā)周期、提高制造效率、降低制造成本，以響應(yīng)電梯市場的快速發(fā)展。在政策上，國家制定了“十四五”規(guī)劃綱要，綱要指出“探索數(shù)字孿生城市建設(shè)”。數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)，為各行各業(yè)的發(fā)展帶來了新思路。

1??數(shù)字孿生技術(shù)分析

數(shù)字孿生模型實現(xiàn)了電梯的虛擬模型設(shè)計、制造過程和運行測試的全過程，并能預(yù)測電梯的性能、制造成本以及可維護性等。該模型最早由美國的邁克爾·格里夫斯教授在產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出[1]，提出了“物理產(chǎn)品的數(shù)字表達(dá)”的概念，已經(jīng)具備數(shù)字孿生的組成和功能。經(jīng)過7年的發(fā)展，“Digital?Twin”（DT）一詞在NASA的技術(shù)報告中才被正式提出，被定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或飛行器仿真過程”[2]，數(shù)字孿生的概念更加明確。2012年基于模型定義（Model?Based?Definition，MBD）和基于模型的企業(yè)（Model?Based?Enterprise，MBE）的概念被確定，將數(shù)字孿生擴展到了產(chǎn)品的整個制造周期。?2016年，西門子公司率先將數(shù)字孿生技術(shù)引入工業(yè)4.0中。2017年至今，關(guān)于數(shù)字孿生技術(shù)的研究進入快速增長期，并成為十大科技發(fā)展戰(zhàn)略趨勢之一。陶飛等人[3-6]從2016年至今先后探索了未來車間運行的新模式，提出了數(shù)字孿生車間的概念、數(shù)字孿生的五維結(jié)構(gòu)模型、數(shù)字孿生驅(qū)動的6條應(yīng)用準(zhǔn)則和復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計制造一體化開發(fā)框架。李宏宇等人[7-8]在機電產(chǎn)品的設(shè)計上應(yīng)用了數(shù)字孿生技術(shù)，解決了機電產(chǎn)品的設(shè)計中存在動態(tài)需求適應(yīng)性差、設(shè)計階段離散、設(shè)計周期長等問題。姜珊等人[9]在飛機柔性工裝建模中提出了數(shù)字孿生模型參數(shù)化建模，解決了模型動態(tài)信息量大、建模過程復(fù)雜等問題。王發(fā)麟等人[10]在線纜裝配過程中通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建，解決了裝配與工藝文件的偏差問題。陳堯等人[11]利用數(shù)字孿生技術(shù)，建立了電梯的概念模型、機電系統(tǒng)模型和參數(shù)模型，并從電梯的功能、性能和安全等不同角度進行了基于數(shù)字孿生技術(shù)的定制電梯設(shè)計方法研究。

2?電梯五維模型構(gòu)建

數(shù)字孿生是一個伴隨著多種技術(shù)不斷發(fā)展不斷進化的動態(tài)過程，以往數(shù)字孿生模型多沿用邁克爾·格里夫斯教授最初定義的物理實體、虛擬實體及兩者之間連接三維模型。

近年來隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展，北京航空航天大學(xué)陶飛教授團隊在三維模型的基礎(chǔ)上增加了孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)兩個新維度，形成了數(shù)字孿生五維模型，使數(shù)據(jù)孿生適用于更多的領(lǐng)域。為解決用戶驅(qū)動背景下電梯制造過程存在的個性化定制問題，將五維模型應(yīng)用到電梯設(shè)計中，構(gòu)建電梯五維模型，MDT（E）=（PE（E），VE（E），Ss（E），DD（E），CN（E）），其中：PE（E）表示電梯物理實體，VE（E）表示電梯的虛擬實體，它在虛擬空間最大程度地還原了物理實體的映射，Ss（W）表示電梯的服務(wù)，它是整個模型中最重要的一環(huán)，DD（E）表示電梯的孿生數(shù)據(jù)，CN（E）表示前四部分之間的信息交互。

2.1?物理實體

物理實體是五維模型的構(gòu)成基礎(chǔ)，從電梯全生命周期出發(fā)，考慮電梯產(chǎn)品的規(guī)劃、設(shè)計、選型、制造、安裝、使用、檢測、維修、改造、拆除、報廢等生產(chǎn)活動中涉及的物理實體要素總和，包括組成電梯的各級子系統(tǒng)及電力設(shè)備和傳感器設(shè)備。按照功能及結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度分為3個層次，依次是單元級、系統(tǒng)級和復(fù)雜系統(tǒng)級。單元級是電梯結(jié)構(gòu)最小的實物設(shè)備單元，如曳引機、轎廂、傳感器設(shè)備等。系統(tǒng)級是由多個設(shè)備組成的系統(tǒng)，可以完成特定的工作任務(wù)，例如曳引系統(tǒng)、沖壓生產(chǎn)線等，復(fù)雜系統(tǒng)級可以實現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作。

2.2??虛擬實體

虛擬實體是電梯結(jié)構(gòu)的核心部分，包含4層特征，分別是幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型。幾何模型是根據(jù)物理實體的幾何參數(shù)建立的三維模型，主要反映物理實體的形狀、尺寸、位置和相對關(guān)系；物理模型是在幾何模型的基礎(chǔ)上增加了物理屬性、約束及特征等信息；行為模型是物理實體內(nèi)外的雙重控制下做出的響應(yīng)；規(guī)則模型是通過對電梯物理實體力學(xué)規(guī)則、運行規(guī)律的建模，使虛擬電梯實體具備評估、預(yù)測等功能。

2.3??服務(wù)

服務(wù)是電梯孿生的核心目的，是虛擬實體和物理實體的引擎，將電梯設(shè)計過程中所用的模型、仿真、數(shù)據(jù)、算法進行封裝。面向領(lǐng)域廣泛，可以滿足不同層次和不同需求的用戶。展現(xiàn)方式較為靈活，借助軟件平臺或者手機App以工具組件的形式或者模塊展現(xiàn)。并以小組件和用戶在使用的過程中可以根據(jù)不同的功能需求，在電梯設(shè)計中的服務(wù)主要包括智能運行狀態(tài)、故障診斷、故障預(yù)測、維修保養(yǎng)等。

2.4??孿生數(shù)據(jù)

孿生數(shù)據(jù)匯聚了物理實體、虛擬實體和服務(wù)等所有維度的數(shù)據(jù)，在數(shù)字孿生種發(fā)揮了驅(qū)動的功能。包括物理實體的電梯模型、大小、結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，通過傳感器采集獲取電梯的運行情況、狀態(tài)檢測；虛擬實體的電梯仿真模型、行為特征等數(shù)據(jù)以及服務(wù)中的產(chǎn)生的運行狀態(tài)、故障診斷等數(shù)據(jù)。

2.5??連接

連接是實現(xiàn)數(shù)字孿生各部分之間的信息交互。包括物理實體電梯與虛擬實體的信息交互，通過傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊采集電梯的實體數(shù)據(jù)，通過相關(guān)協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層，通過數(shù)據(jù)優(yōu)化再對數(shù)據(jù)進行處理，處理后的數(shù)據(jù)再傳輸?shù)轿矬w實體電梯層。其他部分之間的交互連接方法不再贅述。通過各個部分的信息交互、同步，實現(xiàn)五維模型的優(yōu)化更新。

3??基于MCD仿真平臺的機電系統(tǒng)設(shè)計

3.1?電梯模型參數(shù)化設(shè)計

電梯整機是一套復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)，在其設(shè)計過程中通常將其拆分為機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩部分。其中機械模塊按照功能特性又可劃分為不同的子模塊（如房模塊、轎廂模塊、門機模塊等）。雖然不同電梯各模塊結(jié)構(gòu)尺寸不同，但各模塊內(nèi)零部件的形狀特征類似。在設(shè)計過程中，可通過模塊化設(shè)計與參數(shù)化設(shè)計的有機結(jié)合，提取各模塊中關(guān)鍵參數(shù)（形狀、尺寸特征），通過設(shè)置不同關(guān)鍵參數(shù)，驅(qū)動各數(shù)字模型的更新，快速完成各模塊的參數(shù)化模型設(shè)計。各模塊設(shè)計完成后，對各模塊進行裝配并設(shè)置對應(yīng)的約束關(guān)系，完成電梯整機數(shù)字模型的設(shè)計。

3.2??物理及運動特征創(chuàng)建

為與電梯物理產(chǎn)品建立孿生映射關(guān)系，需要為電梯數(shù)字模型中各部件指定物理屬性（如物理特性、運動屬性、限制屬性等），以確定各運動部件的運動方向和傳動形式。

首先，根據(jù)電梯運動特性，將電梯各部件分為靜止部件和運動部件兩大類，并分別定義剛體（具有質(zhì)量、慣性和重心的物體），便于后續(xù)建立運動和力學(xué)關(guān)系。為提高運算效率，減小工作量，通常將盡可能多的靜止部件作為一個整體，設(shè)置為1個剛體，將運動部件按照運動關(guān)系（運動中相對靜止的部件作為一個整體）分別設(shè)置為剛體。

其次，定義各剛體之間的運動副關(guān)系（如固定副、滑動副、旋轉(zhuǎn)動副、彈簧阻尼器、螺旋副等），若各運動剛體間的運動關(guān)系比較復(fù)雜，不能用單一運動副描述，還需單獨為對應(yīng)剛體創(chuàng)建合適的運動關(guān)系（如曳引機、鋼絲繩、轎廂等部件創(chuàng)建齒輪齒條耦合副、線纜副等）。通過運動副的創(chuàng)建，確保數(shù)字模型中各部件的運動方式與電梯實體各部件運動方式一致。

最后，為幾何對象添加碰撞體，模擬各部件運動過程中可能發(fā)生的碰撞關(guān)系，當(dāng)運動過程中發(fā)生碰撞時，系統(tǒng)會對碰撞部位進行高亮顯示，便于進行故障的快速排除。

3.3??執(zhí)行器和傳感器創(chuàng)建

通過對電梯運動部件（曳引機、鋼絲繩、轎廂、轎門等）的對應(yīng)運動副添加執(zhí)行器，可為系統(tǒng)指定剛體的運動速度和距離。

通過在電梯對應(yīng)運動位置創(chuàng)建限位開關(guān)、距離傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等檢測元件，定義電梯模型運動過程中的各位置的運行狀態(tài)屬性。

3.4??機電信號創(chuàng)建

為實現(xiàn)電梯實體與電梯數(shù)字模型運行狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)互交與通信，需要在電梯數(shù)字模型中通過MCD創(chuàng)建虛擬模型，根據(jù)電梯實體建立相應(yīng)的機電信號。并通過信號映射方法實現(xiàn)雙方的數(shù)據(jù)通信。在不影響系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，為提高運算效率，增強系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞穩(wěn)定性，可根據(jù)其運動狀態(tài)及特性，僅創(chuàng)建主要運動剛體的機電信號（如轎廂、電梯門、曳引機等）。

3.5??PLC程序調(diào)試

以S7-PLCSIM?AdvancedV4.0作為PLC虛擬硬件橋梁，鏈接TIA博圖與NX?MCD進行數(shù)字孿生系統(tǒng)軟在環(huán)PLC程序調(diào)試。在TIA博圖軟件中，創(chuàng)建轎廂操作面板HMI人機交互界面，并通過對操作面板按鍵的按動，模擬真實環(huán)境下乘梯人員對電梯的操作。在NX?MCD中，將需要監(jiān)測的部件運動特征添加到運行時察看器中（如轎廂的位置、位移、速度、加速度，轎門的開啟關(guān)閉狀態(tài)、曳引機的工作狀態(tài)、負(fù)載等），設(shè)計人員可對電梯各項運動參數(shù)進行實時觀測。通過PLC程序的運行及NX?MCD?電梯模型的運動參數(shù)監(jiān)測，可以檢驗電梯模型是否按照預(yù)定的PLC程序?qū)崿F(xiàn)各項功能，以及系統(tǒng)在運行過程中是否存在其他錯誤（如剛體定義不合理、傳感器參數(shù)設(shè)置不正確、運行方向錯誤、部件運動數(shù)據(jù)無法監(jiān)測、PLC程序無法循環(huán)運行等）。將電梯系統(tǒng)各項功能在其軟在環(huán)狀態(tài)下調(diào)試完畢，即可將數(shù)據(jù)直接遷移至實物電梯系統(tǒng)并正常運行，有效地控制設(shè)計環(huán)節(jié)出現(xiàn)的偏差，提高設(shè)計效率，降低定制化開發(fā)成本。

4??現(xiàn)有電梯孿生技術(shù)存在的不足

4.1?電梯模型參數(shù)化設(shè)計程度有待提高

目前，電梯模型的參數(shù)化設(shè)計是將電梯系統(tǒng)按模塊進行拆分，然后再對各模塊進行參數(shù)化設(shè)計[12-13]，最后將各模塊裝配得到電梯整機系統(tǒng)。如需變更設(shè)計，需要在子模塊中設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)，并通過參數(shù)傳遞，自動完成新模型的參數(shù)化設(shè)計，最后再將更新的子模塊裝配得到電梯整機系統(tǒng)，并未從整機設(shè)計角度實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。各模塊間參數(shù)化設(shè)計的關(guān)聯(lián)性較低，在電梯整機模型裝配過程中，還可能存在部件干涉的問題。

此外，現(xiàn)有參數(shù)化模型設(shè)計方法，并未考慮結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化設(shè)計問題。例如：在對設(shè)計轎架時，沒有考慮各桿件的壁厚因素，當(dāng)使用更大或更小的承載參數(shù)驅(qū)動轎架參數(shù)化模型更新得到的新模型很可能不是最優(yōu)解，造成材料浪費或產(chǎn)生安全風(fēng)險。

因此，后續(xù)電梯設(shè)計參數(shù)化設(shè)計的方向應(yīng)從整機系統(tǒng)的參數(shù)化角度出發(fā)，結(jié)合有限元、干涉檢查等技術(shù)對參數(shù)化模型進行迭代優(yōu)化，在達(dá)到定制化要求的基礎(chǔ)上，得到數(shù)字模型的最優(yōu)解。

4.2?電梯參數(shù)化模型與MCD系統(tǒng)互交需要加強

NX?MCD機電系統(tǒng)設(shè)計是基于電梯三維數(shù)字模型設(shè)計并運行的，當(dāng)電梯設(shè)計參數(shù)數(shù)值變化較大時，電梯各模塊中可能會出現(xiàn)零部件的增加或減少（如當(dāng)轎廂深度參數(shù)變大時，轎廂底部支撐筋的數(shù)量會增加），若后續(xù)剛體、屬性、運行參數(shù)、機電信號等數(shù)據(jù)不能實時更新，會造成系統(tǒng)運行部件干涉、運動數(shù)據(jù)錯誤、PLC程序運行錯誤等問題。同時，在MCD系統(tǒng)設(shè)計中，因機構(gòu)運動和PLC程序運行錯誤而暴露的機械結(jié)構(gòu)問題也無法被標(biāo)記并反饋給電梯參數(shù)化模型，只能通過設(shè)計人員手動排查和修改。

5??結(jié)語

將數(shù)字孿生技術(shù)與電梯設(shè)計制造進行融合，利用虛擬模型映射實物電梯，通過軟件在環(huán)虛擬調(diào)試電梯機電系統(tǒng)，可大幅度提高調(diào)試的精度和效率，降低企業(yè)成本。但現(xiàn)有調(diào)試流程還存在諸如電梯整機參數(shù)化程度不高、MCD系統(tǒng)與模型互交較弱等問題，后續(xù)還需深入開展電梯行業(yè)的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用研究。

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