基于数字孪生技术的准确度检测平台开发研究

厉琦

摘要：本文对数字孪生概念设计特点进行分析，并在孪生技术支持下进行采煤机智能工作面孪生三维监测系统设计，包括系统架构设计、数据采集、监测平台开发等方面。根据实际应用结果可知，该系统可对设备空间姿态、开采环境、实时工况等进行全面数据化展示，使采煤场智能化工作面的监测效果得到极大提升。

关键词：数字孪生技术;三维监测系统;系统架构

引言：在供给侧结构性改革逐渐深入下，国内煤炭工业逐渐从追求速度过渡到追求质量。在数字化矿山基础上，利用新一代信息技术、人工智能技术，实现煤炭智能、绿色、高效的开采和利用成为主流趋势。近年来，数字孪生技术成为智能制造的研究热点，为煤炭行业智能化建设提供强有力的技术支持，促进工作面监控质量和水平的全面提升。

1数字孪生概念设计特点

数字孪生属于虚拟世界中对现实世界产品全要素的模拟，体现在产品的各个生命阶段，为设计者提供一种新的技术实现方式。在传统概念设计中，主要以模块化设计为基础进行方案决策，再借助大数据平台对孪生和非结构化数据进行管理。在数字孪生诞生后，不但可为用户提供充分参与产品方案规划的渠道，企业还可在虚拟社区内与用户互动，打破时空限制，用户参与时间延长，效率也得到显著提升。在数字孪生技术应用中，其概念设计特点体现在以下方面。

意图概念生成。数字孪生拥有丰富的数据支持，包括用户信息、产品功能参数、历史数据等等，可为设计者产品等级确定、思维转变提供依据;

模块化设计支持概念设计。该设计方案的决策包括三项内容，一是以性能为导向的设计，二是以制造为导向设计，三是以服务为导向的设计。对于前两者来说，均是通过探寻服务组件、物理组件使设计目标得到满足，通过规划上述需求，使用户更加满意，为制造商谋取更多效益;第三种是根据最佳需求方案，在设计系统中制造出成本更低的服务，使市场的个性化需求得到充分满足[1];

大数据支持平台。数字孪生拥有海量信息，包括图纸文库、基本数据库、模块库等，可为产品元件构成和相互作用提供依据，还可有效预防异常情况的产生，促进需求分析质量提升，使分析结果更加客观可靠。同时，数字孪生产品数据分析还有助于设计者把握问题本质，剖析问题成因，便于找寻解决途径。

2采煤机智能工作面孪生三维监测系统设计

以采煤机为研究对象，结合该设备工作面的监控特点，将数字孪生技术应用到生产流程中，与三维虚拟展示技术相结合，设计出一套具有三维展示、运行数据监管、异常操作报警等功能的智能监控系统，为煤炭开采提供辅助作用。

2.1系统架构设计

在孪生监测系统中，数据驱动渗透到各个阶段，整体架构分为四个层次，即现场层、边缘层、平台层与实践层，分别具备数据采集、传输、设计和交互功能。在现场层中，包括采煤机、液压支架、刮板输送机、智能集控系统等内容;边缘层的作用在于数据整合和过滤，依靠以太网与现场总线连接;在平台层中，具有异常诊断、设备状态监测、历史数据重演、开采仿真模拟等功能，并创建了数据库，可与边缘层之间进行网络通信;在实践层中，包括三维姿态展示、数据模型融合展示、控制工艺虚拟仿真等内容，可与平台层进行数据驱动。

2.2数据采集

工作面和监控系统的衔接由数据来完成，这也是数字孪生监测平台的基础所在。在数据采集方面，通过设备中可靠传感器、控制系统来实现。现场设备不但是孪生体映射物理实体、监控对象，还是本系统重要的信息来源。与现有设备相比，数字孪生监测系统中的传感器功能更丰富，除基本功能之外，还可感应到设备空间姿态，为模型三维定位、运动展示、姿态展示等提供数据支持。工作面设备数量较多，每个设备都配备相应的传感器，全部数据均支持在线实时监测，为缓解系统传输压力，促进硬件系统简化，使系统更加灵活。在现场数据采集和整合时，还应对其过滤处理，筛选出有价值的信息传递给上层平台。边缘节点重点还可凭借工业以太网、传感器、控制器等进行信息采集、处理，再通过网络通信传递到孪生监控系统中，在数据库内存储备用[2]。

2.3监测平台开发

该平台通过三维模型展示、参数监控等方式，将设备空间姿态在虚拟环境下展示出来，为生产者提供监控辅助，平台开发包括以下内容。

煤机设备精准建模。在孪生三维系统基础上，与实际设备进行1：1制作，结合实际情况创建配套的工作面;三维模型根据采煤机、传动部、液压支架等设备，利用Autodesk软件进行三维建模;

数据驱动算法开发。因矿井下环境复杂，设备很容易受到干扰，出现传输延时、传感器状态异常等情况。对此，应采用驱动算法进行数据采集，根据设备间的约束关系进行工艺控制，判断数据是否存在异常。如若偏离标准值，则说明传感器状态异常，应采取有效措施进行修复;

监测系统界面设计。结合工作面智能化开采需求，利用孪生技术对系统人机交互界面进行UI设计。对采煤机记忆截割、液压支架、采煤机滚筒等进行监测，包括关键区域展示、设备展示等，并结合工作面定位情况调整跟踪视角。在三维可视化交互应用下，可将设备场景进行详细展示，如旋转、移动、缩放等，为生产控制人员提供方便快捷的监控操作。

2.4应用实践

以某地区煤炭开采工作面为研究对象，引入智能工作面孪生三维监测系统，对型号为MG900/2550-GWD采煤机、型号为ZY15000液压支架进行监测，以智能化集控中心为基础进行数据采集。该系统的应用可对设备空间姿态、开采环境、实时工况等进行全面数据化展示，并与视频监测系统同步开展，使该采煤场的智能化工作面监测效果得到极大提升。

结束语：综上所述，在煤炭行业智能化工作面生产中，数字孪生技术的诞生为设备监测、生产监控提供了强大的技术支持。在实际应用中，通过孪生技术仿真分析，可对设备异常物理状态进行准确诊断，将监控信息直观全面的展示给监控人员，充分满足各层次的监测需求，在数据驱动下达到降低调试成本，促进工作效率提升的目标。

参考文献：

[1]王浩，贺倩筠，贺子洋，等.基于数字孪生技术的"四线一库"自动运维系统建设及应用[J].工业计量，2021，31（6）：5.

[2]龚晓燕，雷可凡，吴群英，等.数字孪生驱动的掘進工作面出风口风流智能调控系统[J].煤炭学报，2021（06）：32.