基于数字孪生技术的煤矿三维智能监控平台的设计与研究

孙 涛

中煤电气有限公司 北京 101300

0 引言

数字孪生技术目前在智能制造领域被广泛的提及和关注,国际上著名工业自动化企业如GE、西门子正进行研究和应用。国内数字孪生技术的应用主要体现在工程建设行业,在煤矿数字化、智能化矿山、三维矿山领域也有了初步的尝试但并未广泛深入推进。本文根据三维智能化矿山系统特性,以数字孪生技术为基础,系统性的进行了模型设计、设备监控、性能优化等方面的研究,相关研究成果在实践中取得了良好的使用效果,为进一步的推广应用奠定了基础。

1 数字孪生概念

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

对比传统的数字仿真（Simulation）,数字孪生技术体系对物理设备数据采集过程的反馈准确性、及时性和交互性提出更高的要求,导致数字孪生技术发展受限,进入21世纪,随着信息技术的大力发展,数字孪生技术迎来新的发展机遇。

2 基于数字孪生技术的煤矿三维智能监控平台设计研究

我国煤矿综合自动化技术的发展已经由早期的自动化综合自动化发展为数字化、智能化综合自动化平台,系统也由早期的二维综合自动化平台到三维综合自动化平台发展,而随着三维综合自动化系统在煤矿中的使用,数字孪生技术也开始从简单的现场设备简单同步到目前的现场设备与虚拟设备的精确交互,三维仿真技术的大力发展使得煤矿生产、掘金cad图纸通过系统坐标与三维仿真虚拟系统之间建立起了数据关联,从而使数字孪生技术通过综合自动化数据采集链路实现煤矿三维综合自动化系统的数字孪生技术交互,进而发展从具有三维可视化、数字孪生技术的煤矿智能监控平台。

2.1 三维智能监控平台整体方案 三维智能监控平台的设计依然是基于煤矿综合自动化平台的系统架构分为三层（应用层、网络层、设备层）组成,在应用层使用三维可视化软件通过数字孪生技术的关系数据库,以及生产过程监控的实时数据库综合构成三维智能监控平台应用层。系统架构如下:

2.2 三维组态开发设计 采用组态化的三维智能监控平台软件进行煤矿三维自动化设计,通过建立三维模型、关联采集数据、配置事件动作,实现三维可视化监控、工艺流程可视化、设备三维可视化。

（1）三维可视化监控。针对地面设施、地下巷道、房屋建筑、设备进行建模。

进行建筑建模:通过1:1比例精准建模,准确表示风机房、变电所、洗选厂、主井、副井等厂房建筑;

进行设备建模:准确表示破碎机、皮带、煤仓、空压机、通风机等设备的工作状态和动态参数;

地形勘探建模:准确展示三维巷道图、皮带运转图、矿井总貌图。

（2）工艺流程可视化。设计具有矢量化360度,可随意缩放,随意旋转的三维实时生产监控系统,实现生产监控,场景漫游,故障定位,设备巡检等功能。通过实时数据驱动的三维动态效果,实现所见即所得的可视化效果,更加直观形象的反映煤矿子系统生产工艺的生产状态以及运行情况。

（3）设备三维可视化。可利用标准的OPC服务器进行模型与实时数据的交互,配置三维对象的大小变化,位置移动,旋转,隐藏/显示等实时数据驱动的仿真动画或多种动画组合的方式,实现设备运行的实时再现。OPC UA高速数据采集可以保证系统仿真与现场实际运行的同步性和动作一致性,实现和现场完全一致的监控效果。

2.3 数字孪生交互设计 由于三维智能监控平台的建立,使得数字孪生技术可以在煤矿智能监控平台中真正发挥重要作用,通过建立三维坐标体系,将系统三维模型坐标与真实设备建立虚拟标准坐标体系,通过对模型对象的渲染,配色、旋转、移动按真实设备进行仿真,关联动作和事件,通过动态展现体现真实设备的实际运行状态。

（1）建立时空坐标体系,将虚拟设备与现实设备1:1建模。设计时空坐标体系,每个对象由点、线、面组成,形成以对象（Objs）,顶点（Verts）,UVs（贴图）,Tris（三角面）,Center坐标轴（x,y,z）组成的全方位坐标体系,通过与真实设备的空间坐标（x,y,z）与设备大小（width,length）进行1:1关联建模,实现完全的虚拟与现实设备对应。

设计基本模型库,具备矩形、原型、平面、多边形、管道等基本形状组成各个原型的基本模型,通过不同模型组合、组态形成三维仿真模型设计。

（2）建立动态采集链路,将虚拟设备与现实设备数据同步展示。三维智能监控平台通过标准的硬件设备的驱动协议,如Modbus、OPC、Logic Ethernet等,通过简易配置即可从现场控制器中获取破碎机、皮带、煤仓、空压机、通风机等各种设备的运行参数与状态,同时还提供与设备通讯的状态监测、链路的运行参数监测,包括链接超时、读写反馈、发包次数等。

在三维智能监控平台软件中通过三维对象连接采集数据,将采集数据通过动态连接方式以大小（size）、位置（location）、旋转（rotation）、隐藏（hide）、可用性（disable）、颜色（color）等动态事件使采集数据源以数字孪生方式关联到现实设备实际数据。

通过连接实际数据仿真风扇页面旋转动作,当监测到风扇实际运行时,通过动态事件连接,通过三维仿真将采集信号同步到三维智能监控平台中,触发风扇转动效果:

图1 三维智能监控平台系统架构

（3）建立数据库后台,实现多维度数据分析。实时数据的采集,不光用于前台三维展示界面,还用于后台数据库的实时采集、存储、分析、处理,三维智能监控平台配备的工业实时数据库以及集成的关系数据库,将工业实时采集数据与关系分析结合起来,形成独特的数字孪生后台支持数据库。

三维智能监控平台数据库将除了对生产数据进行采集和记录,还具备数据管理和归档技术,可以实现故障情况下的数据存储和转发,保证生产数据的安全;采用旋转门压缩技术的高性能的磁盘存储和内存存储方式保证了数据查询的便捷和效率,相对传统数据库技术可以节省90%的磁盘空间。可以将采集并发送的数据一方面在实时历史数据库存储以供历史趋势分析,另一方面它可以完成对煤矿综合自动化应用服务器中设置的生产事件模型进行触发。

在数字孪生技术方面,三维智能监控平台数据库具有复杂的数据分析功能,能执行高级分析算法,具备追溯SPC（统计过程控制）/SQC（统计质量控制）信息,可追溯到上一次维护后的计数信息,具备动态/加权平均方式,可以实现复杂的KPI计算。

通过复杂的计算公式和分析算法,将煤矿子系统虚拟设备与真实设备之间建立关联,用分析算法预测设备寿命、设备维护情况、设备运行分析等方式监控设备生命周期。

3 数字孪生技术在煤矿三维智能监控平台中的使用意义和效果

采用数字孪生技术的煤矿三维智能监控平台将虚拟设备与现实设备实现了三维仿真交互,通过形象化的立体展示将虚拟设备以组态化的方式实现了现实仿真,利用数据库全面实现数据采集、存储、分析、维护,与传统的煤矿综合自动化相比,基于数字孪生技术的煤矿三维智能监控平台具有更前言的技术,利用前沿技术实现数据的快速稳定采集、虚拟设备更形象化仿真现实设备、利用数据孪生技术实现设备生命周期监测、分析、预测。

图2 设备运行生命周期分析设计

通过本文的论述和系统设计,基于数字孪生技术的煤矿三维智能监控平台是近年煤矿自动化发展趋势中不可或缺的一项新技术应用,对于煤矿智能化矿山建设有建设指导意义。