液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生精準(zhǔn)快速映射方法

摘要：針對(duì)應(yīng)用數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)綜采工作面液壓支架姿態(tài)映射存在精度低、時(shí)延大及精度與時(shí)延難以平衡等問(wèn)題，提出了一種液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生精準(zhǔn)快速映射方法。設(shè)計(jì)了包括物理感知層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表現(xiàn)層的液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)；在業(yè)務(wù)邏輯層，通過(guò)保留液壓支架高精度模型外部形狀并將關(guān)鍵部位合并成輕量化結(jié)構(gòu)件，建立了液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生模型，減少了渲染時(shí)延，并通過(guò)建立傾角傳感器測(cè)量角度與數(shù)字孿生模型轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生模型與液壓支架實(shí)體虛實(shí)映射一致，保證了液壓支架姿態(tài)映射的精度；在數(shù)據(jù)層，從各數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)中劃分出傳輸間隔并進(jìn)行參數(shù)約束，應(yīng)用參數(shù)規(guī)劃求解優(yōu)化可調(diào)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)更新間隔，減少了數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的資源浪費(fèi)和時(shí)延。搭建了液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生精準(zhǔn)快速映射平臺(tái)，進(jìn)行液壓支架姿態(tài)虛實(shí)映射的時(shí)延和精度測(cè)試，結(jié)果表明，該方法在保證液壓支架姿態(tài)映射精度的前提下具有較低的時(shí)延。

關(guān)鍵詞：液壓支架；數(shù)字孿生；虛實(shí)映射；渲染時(shí)延；數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；參數(shù)規(guī)劃求解

中圖分類(lèi)號(hào)：TD355 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

截至2022 年12 月，全國(guó)建成智能化采掘工作面1 019 處，煤礦智能化建設(shè)進(jìn)入示范推廣期和高級(jí)智能化難題攻堅(jiān)期[1-4]。液壓支架作為工作面重要的支護(hù)設(shè)備，其數(shù)字化和智能化是工作面安全、高效生產(chǎn)的重要支撐。應(yīng)用數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)液壓支架姿態(tài)映射是液壓支架監(jiān)測(cè)和管理的新途徑，但目前存在精度低、時(shí)延大的問(wèn)題。

在數(shù)字孿生系統(tǒng)框架方面，張帆等[5-6]提出了數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵、方法、機(jī)理等理論新型研究范式，針對(duì)礦山場(chǎng)景特點(diǎn)提出了數(shù)字孿生理論架構(gòu)；苗丙等[7]、葛世榮等[8]針對(duì)綜采工作面場(chǎng)景，構(gòu)建了“五機(jī)一架”設(shè)備的數(shù)字孿生感知模型，提出搭建綜采工作面數(shù)字孿生系統(tǒng)的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)傳輸和模型動(dòng)作約束；林承志等[9]在自動(dòng)化生產(chǎn)線場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)姿態(tài)映射，對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行數(shù)字孿生建模，基于Unity 開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)，應(yīng)用Snap7 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC 與Unity 的數(shù)據(jù)通信，提供了建模、系統(tǒng)搭建和數(shù)據(jù)通信的整體思路。在提高數(shù)字孿生映射精度方面，李阿樂(lè)等[10]使用Pro/E 進(jìn)行液壓支架零件裝配，再導(dǎo)入3ds Max 實(shí)現(xiàn)液壓支架的三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)生產(chǎn)教學(xué)和液壓支架的虛擬演示有輔助作用，但通過(guò)零件控制動(dòng)作會(huì)增加渲染時(shí)延且部分零件沒(méi)有相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)做支撐；劉清等[11]提出了高協(xié)同、高耦合的“三機(jī)”建模方案，通過(guò)預(yù)設(shè)模型動(dòng)作和接收離散仿真時(shí)間點(diǎn)信號(hào)觸發(fā)高協(xié)同動(dòng)作，但不適用于液壓支架復(fù)雜姿態(tài)的表達(dá)；柳林燕等[12]、康瑞浩等[13]針對(duì)工業(yè)機(jī)器人等由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，通過(guò)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)保證模型精度，對(duì)于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可以保證精準(zhǔn)和快速映射；洪飛[14]將ANSYS 與Unity 進(jìn)行耦合，提出了數(shù)字孿生和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)耦合的液壓支架實(shí)時(shí)映射方案，但ANSYS 和Unity 中間數(shù)據(jù)庫(kù)的處理增加了數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，從而增加了時(shí)延。在減少數(shù)字孿生映射時(shí)延方面，王宏偉等[15]構(gòu)建了包含機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的高精度數(shù)字孿生模型，適用于分析液壓支架內(nèi)部細(xì)節(jié)的場(chǎng)景，但對(duì)注重整體姿態(tài)而非內(nèi)部結(jié)構(gòu)的場(chǎng)景會(huì)增加渲染成本；朱海峰等[16]使用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行精準(zhǔn)快速建模，但對(duì)于工作面采煤設(shè)備實(shí)時(shí)動(dòng)作的非固定場(chǎng)景，僅靠點(diǎn)云數(shù)據(jù)無(wú)法保證建模精度；李梅等[17]使用云渲染技術(shù)加載三維模型場(chǎng)景，降低了模型渲染時(shí)延，但受網(wǎng)絡(luò)影響大，對(duì)GPU 顯卡要求極高；崔耀等[18]對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行清晰劃分，將歷史數(shù)據(jù)用作工藝過(guò)程回放，時(shí)序數(shù)據(jù)用作跟機(jī)工藝演繹，通過(guò)減少每次傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)量降低傳輸時(shí)延；舒亮等[19]提出了一種基于視錐體細(xì)粒度剔除的快速渲染方法，雖在CPU/GPU 層面降低了大規(guī)模模型渲染時(shí)延，但對(duì)于工作面這種空間狹隘、視角單一的場(chǎng)景，視錐體剔除失去了意義；龔平等[20]提出了一種輕量化的XML 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，憑借協(xié)議簡(jiǎn)單、實(shí)施簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)快速布置到支持TCP/UDP 網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)字孿生系統(tǒng)，降低了傳輸時(shí)延；高蕾等[21]基于AMESim對(duì)液壓支架液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)液壓壓力數(shù)據(jù)推演液壓支架數(shù)字孿生模型預(yù)設(shè)動(dòng)作，根據(jù)壓力數(shù)據(jù)與跟機(jī)速度的關(guān)系來(lái)保證時(shí)延，但姿態(tài)映射精度無(wú)法保證。

為平衡液壓支架姿態(tài)虛實(shí)映射的精度與時(shí)延，提出了一種液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生精準(zhǔn)快速映射方法。通過(guò)建立內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的輕量化液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生模型，以減少渲染時(shí)延；通過(guò)建立傾角傳感器測(cè)量角度與數(shù)字孿生模型轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以保證虛實(shí)映射精度；合理分配各個(gè)數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)的更新頻率，以減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

1 液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)主要分為物理感知層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表現(xiàn)層，如圖1所示。