基于數字孿生技術的煤礦三維智能監控平臺的設計與研究

孫 濤

中煤電氣有限公司 北京 101300

0 引言

數字孿生技術目前在智能制造領域被廣泛的提及和關注,國際上著名工業自動化企業如GE、西門子正進行研究和應用。國內數字孿生技術的應用主要體現在工程建設行業,在煤礦數字化、智能化礦山、三維礦山領域也有了初步的嘗試但并未廣泛深入推進。本文根據三維智能化礦山系統特性,以數字孿生技術為基礎,系統性的進行了模型設計、設備監控、性能優化等方面的研究,相關研究成果在實踐中取得了良好的使用效果,為進一步的推廣應用奠定了基礎。

1 數字孿生概念

數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據,集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

對比傳統的數字仿真（Simulation）,數字孿生技術體系對物理設備數據采集過程的反饋準確性、及時性和交互性提出更高的要求,導致數字孿生技術發展受限,進入21世紀,隨著信息技術的大力發展,數字孿生技術迎來新的發展機遇。

2 基于數字孿生技術的煤礦三維智能監控平臺設計研究

我國煤礦綜合自動化技術的發展已經由早期的自動化綜合自動化發展為數字化、智能化綜合自動化平臺,系統也由早期的二維綜合自動化平臺到三維綜合自動化平臺發展,而隨著三維綜合自動化系統在煤礦中的使用,數字孿生技術也開始從簡單的現場設備簡單同步到目前的現場設備與虛擬設備的精確交互,三維仿真技術的大力發展使得煤礦生產、掘金cad圖紙通過系統坐標與三維仿真虛擬系統之間建立起了數據關聯,從而使數字孿生技術通過綜合自動化數據采集鏈路實現煤礦三維綜合自動化系統的數字孿生技術交互,進而發展從具有三維可視化、數字孿生技術的煤礦智能監控平臺。

2.1 三維智能監控平臺整體方案 三維智能監控平臺的設計依然是基于煤礦綜合自動化平臺的系統架構分為三層（應用層、網絡層、設備層）組成,在應用層使用三維可視化軟件通過數字孿生技術的關系數據庫,以及生產過程監控的實時數據庫綜合構成三維智能監控平臺應用層。系統架構如下:

2.2 三維組態開發設計 采用組態化的三維智能監控平臺軟件進行煤礦三維自動化設計,通過建立三維模型、關聯采集數據、配置事件動作,實現三維可視化監控、工藝流程可視化、設備三維可視化。

（1）三維可視化監控。針對地面設施、地下巷道、房屋建筑、設備進行建模。

進行建筑建模:通過1:1比例精準建模,準確表示風機房、變電所、洗選廠、主井、副井等廠房建筑;

進行設備建模:準確表示破碎機、皮帶、煤倉、空壓機、通風機等設備的工作狀態和動態參數;

地形勘探建模:準確展示三維巷道圖、皮帶運轉圖、礦井總貌圖。

（2）工藝流程可視化。設計具有矢量化360度,可隨意縮放,隨意旋轉的三維實時生產監控系統,實現生產監控,場景漫游,故障定位,設備巡檢等功能。通過實時數據驅動的三維動態效果,實現所見即所得的可視化效果,更加直觀形象的反映煤礦子系統生產工藝的生產狀態以及運行情況。

（3）設備三維可視化。可利用標準的OPC服務器進行模型與實時數據的交互,配置三維對象的大小變化,位置移動,旋轉,隱藏/顯示等實時數據驅動的仿真動畫或多種動畫組合的方式,實現設備運行的實時再現。OPC UA高速數據采集可以保證系統仿真與現場實際運行的同步性和動作一致性,實現和現場完全一致的監控效果。

2.3 數字孿生交互設計 由于三維智能監控平臺的建立,使得數字孿生技術可以在煤礦智能監控平臺中真正發揮重要作用,通過建立三維坐標體系,將系統三維模型坐標與真實設備建立虛擬標準坐標體系,通過對模型對象的渲染,配色、旋轉、移動按真實設備進行仿真,關聯動作和事件,通過動態展現體現真實設備的實際運行狀態。

（1）建立時空坐標體系,將虛擬設備與現實設備1:1建模。設計時空坐標體系,每個對象由點、線、面組成,形成以對象（Objs）,頂點（Verts）,UVs（貼圖）,Tris（三角面）,Center坐標軸（x,y,z）組成的全方位坐標體系,通過與真實設備的空間坐標（x,y,z）與設備大小（width,length）進行1:1關聯建模,實現完全的虛擬與現實設備對應。

設計基本模型庫,具備矩形、原型、平面、多邊形、管道等基本形狀組成各個原型的基本模型,通過不同模型組合、組態形成三維仿真模型設計。

（2）建立動態采集鏈路,將虛擬設備與現實設備數據同步展示。三維智能監控平臺通過標準的硬件設備的驅動協議,如Modbus、OPC、Logic Ethernet等,通過簡易配置即可從現場控制器中獲取破碎機、皮帶、煤倉、空壓機、通風機等各種設備的運行參數與狀態,同時還提供與設備通訊的狀態監測、鏈路的運行參數監測,包括鏈接超時、讀寫反饋、發包次數等。

在三維智能監控平臺軟件中通過三維對象連接采集數據,將采集數據通過動態連接方式以大小（size）、位置（location）、旋轉（rotation）、隱藏（hide）、可用性（disable）、顏色（color）等動態事件使采集數據源以數字孿生方式關聯到現實設備實際數據。

通過連接實際數據仿真風扇頁面旋轉動作,當監測到風扇實際運行時,通過動態事件連接,通過三維仿真將采集信號同步到三維智能監控平臺中,觸發風扇轉動效果:

圖1 三維智能監控平臺系統架構

（3）建立數據庫后臺,實現多維度數據分析。實時數據的采集,不光用于前臺三維展示界面,還用于后臺數據庫的實時采集、存儲、分析、處理,三維智能監控平臺配備的工業實時數據庫以及集成的關系數據庫,將工業實時采集數據與關系分析結合起來,形成獨特的數字孿生后臺支持數據庫。

三維智能監控平臺數據庫將除了對生產數據進行采集和記錄,還具備數據管理和歸檔技術,可以實現故障情況下的數據存儲和轉發,保證生產數據的安全;采用旋轉門壓縮技術的高性能的磁盤存儲和內存存儲方式保證了數據查詢的便捷和效率,相對傳統數據庫技術可以節省90%的磁盤空間。可以將采集并發送的數據一方面在實時歷史數據庫存儲以供歷史趨勢分析,另一方面它可以完成對煤礦綜合自動化應用服務器中設置的生產事件模型進行觸發。

在數字孿生技術方面,三維智能監控平臺數據庫具有復雜的數據分析功能,能執行高級分析算法,具備追溯SPC（統計過程控制）/SQC（統計質量控制）信息,可追溯到上一次維護后的計數信息,具備動態/加權平均方式,可以實現復雜的KPI計算。

通過復雜的計算公式和分析算法,將煤礦子系統虛擬設備與真實設備之間建立關聯,用分析算法預測設備壽命、設備維護情況、設備運行分析等方式監控設備生命周期。

3 數字孿生技術在煤礦三維智能監控平臺中的使用意義和效果

采用數字孿生技術的煤礦三維智能監控平臺將虛擬設備與現實設備實現了三維仿真交互,通過形象化的立體展示將虛擬設備以組態化的方式實現了現實仿真,利用數據庫全面實現數據采集、存儲、分析、維護,與傳統的煤礦綜合自動化相比,基于數字孿生技術的煤礦三維智能監控平臺具有更前言的技術,利用前沿技術實現數據的快速穩定采集、虛擬設備更形象化仿真現實設備、利用數據孿生技術實現設備生命周期監測、分析、預測。

圖2 設備運行生命周期分析設計

通過本文的論述和系統設計,基于數字孿生技術的煤礦三維智能監控平臺是近年煤礦自動化發展趨勢中不可或缺的一項新技術應用,對于煤礦智能化礦山建設有建設指導意義。