基于數字孿生的連續卸船機實時監控技術研究

梁勇，王欣，姜鑫，車路，王殿龍

基于數字孿生的連續卸船機實時監控技術研究

梁勇1，王欣1，姜鑫2，車路2，王殿龍1

（1.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116023；2.大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧 大連 116000）

為提高碼頭作業無故障運行率，將數字孿生技術應用于連續卸船機使物理實體與虛擬空間相互映射，有利于實時監控連續卸船機的工作狀態，智能地診斷出連續卸船機可能存在的運行問題。為此，在數字孿生的理論背景下，建立了連續卸船機數字孿生的總體框架。分析連續卸船機整體結構與工作原理。采用有限元分析軟件建立連續卸船機虛擬力學模型。提出監測連續卸船機工作過程中動態變量的傳感器安裝方案。介紹了孿生數據的傳輸與存儲、數字孿生虛實映射結合的實現方法與技術。

鏈斗式連續卸船機；數字孿生；有限元分析

鏈斗式連續卸船機是一種利用鏈斗從海船艙內挖取物料并將物料通過輸送機系統卸至碼頭上的散料連續式卸船機械[1]。其在工作過程中因突發故障造成停機維修將嚴重影響工作效率，甚至可能危及工作人員的安全。傳統的設備維護方式主要以定期檢查，故障維修為主，在設備運行時無法得知其實時狀態，無法進行故障預測。

近年來數字孿生技術已經被列為十大戰略科技發展趨勢之一[2]，被廣泛應用于機械設計、制造和服務等各個階段。陶飛等[3]率先提出了數字孿生車間的概念，為數字孿生技術與工程領域的結合提供了理論指導。張雨萌[4]提出將數字孿生技術應用于礦用機電設備維修，在機電設備維修的過程中實現可視化。聞佳華[5]提出將數字孿生技術應用于集裝箱碼頭，在虛擬世界里反映碼頭實際運營情況。從而讓碼頭工作人員實時掌握碼頭整體運營情況。

上述研究為數字孿生在工程機械領域的應用提供了一定的幫助。但缺少仿真過程中對仿真模型和仿真計算的研究，同時缺少對物理模型與仿真模型相互映射方案的提出。

本文構建的連續卸船機的實時狀態監測系統集成了數字孿生、虛擬力學模型、數據傳感采集、有限元分析等技術手段。用于實時監測卸船機工作姿態，采集外載荷、應力、應變等信息，進行數據分析，智能診斷卸船機可能存在的運行問題。及時發現隱患并給予警示，避免突發故障和連鎖停機造成的損失。為實現機械設備管理的數字化、智能化、科學化、系統化提供基礎。

1 數字孿生系統體系構架

鏈斗式連續卸船機工作流程如圖1所示。取料裝置利用鏈斗轉動挖取船艙中的物料，鏈斗提升機構帶動裝載物料的鏈斗經由筒體向上運動，鏈斗翻轉將物料卸至回轉給料盤。回轉給料盤旋轉，通過離心力給料至臂架皮帶機，最后經過回轉架的輸出皮帶機將物料輸送到碼頭皮帶機上。

圖1 鏈斗式連續卸船機工作流程圖[6]

構建連續卸船機數字孿生體系需要建立與物理實體相一致的虛擬模型，并通過傳感系統采集物理實體上的載荷信息與姿態信息，最后實現物理實體與孿生模型的數據交互與實時映射。連續卸船機的數字孿生系統總體框架如圖2所示。

圖2 卸船機的數字孿生系統總體框架

（1）物理實體層

連續卸船機主要結構如圖3所示。物理實體層主要包括連續卸船機工作姿態和外載荷情況。工作姿態包括：回轉角度、俯仰角度和取料裝置回轉角度。外載荷主要包括：各個部件自重載荷，工作過程中的物料與積垢載荷，取料裝置所受挖掘阻力與側向阻力，慣性力載荷和工作風載等。

圖3 鏈斗式連續卸船機整體結構圖

（2）孿生模型層

孿生模型層主要由仿真模型與孿生數據組合構成，其中仿真模型是對連續卸船機實體關鍵物理特征的真實寫照。孿生數據由傳感器系統在物理實體上采集得到，將孿生數據經過傳感器數據采樣處理施加在仿真模型上，從而形成了孿生模型。

（3）服務層

服務層主要面向用戶，主要負責在孿生數據驅動下數字孿生系統的顯示功能和數據監測功能。

昆山砍人案，于海明屬于正當防衛，不負刑事責任，大快人心，奔走相告!法律不能苛求每個防衛者都是黃飛鴻，對窮兇極惡者“點到為止”。優先保護防衛者，是正當防衛制度的價值所在。此案的處理，必將對后續同類案件起到積極引領作用。公平正義寫在法條之中，更應由每一個個案體現。

根據上述服務體系構架，在物理實體層和孿生模型層之間建立連接，使仿真模型能夠真實、準確、快速地反映連續卸船機的工作情況。

2 數據采集與傳輸系統

為了實時獲取連續卸船機工作姿態和受載情況需要選取合適的傳感器對連續卸船機進行監測。并對傳感器采集的數據進行處理與存儲，數據采集與傳輸系統體系如圖4所示。

2.1 傳感器種類及布置

采用位移傳感器測量油缸活塞位移得到臂架俯仰角度。在回轉架處安裝角度傳感器測量連續卸船機回轉角度。在取料裝置處安裝角度傳感器測量取料器回轉角度，取料器角度決定挖掘阻力與側向力的方向。利用扭矩傳感器測量頂部機構處提升軸的扭矩，用于計算物料載荷。在回轉給料盤處安裝壓力傳感器，測量回轉給料盤物料載荷。在卸船機正常工作過程中假設回轉給料盤物料載荷恒定，則通過鏈斗提升機進入回轉給料盤的物料與通過臂架皮帶機輸出的物料相等。所以將扭矩傳感器測得的物料載荷以均布力的方式施加在臂架上。在回轉架運輸機上安裝壓力傳感器測量回轉架運輸機物料載荷。在取料器鏈條處安裝鏈條張力傳感器，取料過程中的挖掘阻力等于張緊油缸最大卸荷壓力減去鏈條張力，挖掘側向阻力通常為水平挖掘阻力的0.3倍。采用在大車行走與回轉機構上安裝加速度傳感器，用以測量相應的加速度，由此可在模型上施加同樣的加速度模擬卸船機緊急制動時所受的慣性力。通過風速測量儀測量實時風速，不同風速以不同的面載荷加載。基于上述傳感器監測卸船機工作過程的動態變量。

圖4 數據采集與傳輸系統體系圖

由于鏈斗式連續卸船機工作環境惡劣，粉塵、振動、大風、濕度等因素都會影響對設備應力監測的準確性。光纖光柵傳感器具有抗外界電磁信號干擾能力強、靈敏度高、耐腐蝕等特點。所以采用光纖光柵傳感器監測連續卸船機重點部位的應力情況。在連續卸船機頂部結構與平衡梁連接處、頂部結構與臂架連接處、回轉架與臂架連接處安裝光纖光柵傳感器測量該處應力情況，可與模型結果做對比，來驗證數字孿生系統的合理性，并修正和調整模型及參數，保持模型結果與真實情況的吻合性。在易損易疲勞的危險部位，如平衡梁上部和回轉架底部等，安裝光纖光柵傳感器，重點監測應力變化情況。上述傳感器的布置位置如圖5所示。

圖5 傳感器布置圖

2.2 數據處理

在數據采集過程中，采集到的數據會存在噪聲和誤差，不能直接用于驅動連續卸船機模型，需要對這些數據進行處理。通過濾波算法，對原始數據進行濾波處理[7]，在保證濾波后數據精準性的前提下，過濾掉數據中的高頻噪聲，獲取相對穩定無噪聲的數據用于連續卸船機虛擬模型的驅動。濾除噪聲數據，最常見的方法是使用平均濾波方法：取一定數量的原始數據，進行累加后取平均值，這樣可以濾除原始數據中的高頻噪聲部分，從而獲取較平穩的輸出數據。

對傳感器采集的連續數據每隔0.1 s采樣一次，將連續數據轉變為離散數據，這樣信號()可以用一組分散的采樣值來表示{(0.1),(0.2),(0.3),(0.4), …,(0.1k), …}。

2.3 數據傳輸

為了解決數字孿生車間中異構設備實時數據的獲取與傳輸問題，需要建立統一的通訊方式[8]。采用OPC UA協議將連續卸船機上的傳感器數據進行實時采集，OPC是用于在工業自動化領域和其他行業中安全可靠地交換數據的互操作性標準，可以將不同傳感器數據并行傳輸用于模型驅動。OPC標準是由業內人員定義的一系列規范。這些規范定義了客戶端和服務器以及服務器和服務器之間的接口[9]。OPC UA數據采集系統，可以訪問服務器的地址空間來讀取數據，然后將傳感器測得的數據存入到Mysql數據庫中。

2.4 數據存儲

Mysql是一種開源的關系型數據庫管理系統，該數據庫速度快、可靠性和適應性比較高。將采集到的連續卸船機工作時的回轉角度、臂架俯仰角度、取料器回轉角度、提升軸扭矩、挖掘阻力與側向力、回轉給料盤物料載荷、回轉架運輸機物料載荷、大車運行加速度、回轉角加速度、風載、關鍵部位的應力等信息存儲在數據庫中。在數據庫中生成一張以時間戳為索引的數據表。采用引用指針對數據表中的各種數據進行索引。由于索引會占用較大的硬盤空間，所以只在各種物料載荷、挖掘阻力與側向力、關鍵部位的應力等數據值建立索引，方便對數據的查詢與調用。

3 仿真模型建立

采用ANSYS有限元分析軟件對連續卸船機進行建模，模型的建立分為以下幾個階段：

（1）制定方案：首先需要確定連續卸船機模型的方案，根據設計文件確定模型的結構及尺寸，確定整機模型。

（2）分解模型：連續卸船機由諸多結構組成，在建模過程中，需要對模型進行分解，可以分解為平衡梁、臂架、頂部結構、回轉架、主梁、海側腿、陸側腿和筒體。

（3）集成裝配：將各部分結構在ANSYS中以剛性區域方式連接，使之成為一個整體。

按照設計結構形式等效分析，有限元模型中采用下列單元類型：Shell 181板單元、beam 188梁單元、mass 21質量單元，具體對應情況如表1所示。

表1 單元類型表

根據實際連接情況，連續卸船機的提升筒體與頂部結構之間為螺栓連接，在提升筒體和頂部結構的連接處加耦合約束；各鉸點之間的連接方式采用剛性區域連接，如主梁與陸側支腿連接處、回轉架與平衡梁連接處、回轉架與臂架連接處、臂架與頂部鋼結構連接處；四個支腿根部采用全位移約束。鏈斗自重及物料載荷加載在頂部結構的Mass點上；臂架皮帶機上的物料載荷加載在臂架梁上；挖掘阻力與側向力加載在筒體下端；回轉給料盤物料載荷加載在頂部結構上；回轉架運輸機物料載荷加載在回轉架上；平衡梁配重加載在平衡梁尾部；風載以面載荷的方式加載在結構的迎風面上。連續卸船機有限元模型如圖6所示。

圖6 連續卸船機有限元模型

4 物理實體與孿生模型的映射

采用ANSYS有限元分析軟件對連續卸船機進行實時仿真。將傳感器測得的俯仰角度、回轉角度、物料載荷、挖掘阻力與側向力、風載、慣性力載荷等參數編寫進命令流中。使用參數化的命令流對仿真模型進行實時調動，對連續卸船機的工作周期進行實時計算。計算結果如圖7、圖8所示，可以得出連續卸船機在各個工作狀態下的位移、應力分布情況。

圖7 整體位移云圖

圖8 整體應力云圖

采用有限元方法對連續卸船機模型的物理仿真，由于零部件較多、模型過于復雜等因素，求解問題的規模比較龐大，因而求解時間長、求解過程中產生的數據量大。因此有必要簡化有限元模型，這也是技術難點，可將平衡梁、臂架中部簡化為梁單元，對主梁細微、復雜的結構進行必要的省略，從而減少模型運算時間。

另一方面，可以通過建立有限元分析中工況條件與計算結果數據的回歸計算模型來減少結果數據的生成時間。仿真數據回歸計算分為模型訓練和模型使用兩個過程[10]。連續卸船機在正常工作時臂架俯仰角度范圍為：-12°～37°，回轉角度為-60°～60°。在模型訓練過程中，在連續卸船機工作范圍內選取部分角度計算其在滿載、空載和介于兩者之間的載荷工況進行有限元計算得到結果數據。利用這些數據進行深度學習從而得到關于工況數據與結果數據的回歸計算模型。回歸計算流程如圖9所示。這樣可以利用回歸計算模型來預測將來出現的各種工況數據，減小實時仿真模擬的延遲時間。連續卸船機的歷史工作狀態信息還可用疲勞理論對連續卸船機進行疲勞分析與壽命預測，對容易受到疲勞損傷的部位進行加強。

圖9 回歸計算流程圖

采用有限元法對模型進行數值分析時，由于連續卸船機模型過于復雜，求解時間過長，所以對有限元模型進行降階處理是十分必要的。目前有限元模型降階方法主要有：特征正交分解法（POD）[11]、基于奇異值分解的平衡法和基于子空間理論的矩匹配法等方法。ANSYS公司開發Twin Builder平臺，采用降階模型（ROM）減少模型運算時間。降低連續卸船機有限元模型的求解階次，同時保留模型必要的行為和主導效應，可以減少復雜模型所需的求解時間和數據存儲容量，顯著提高數字孿生的實時性。

5 結論

本文將數字孿生技術應用于連續卸船機，提出了連續卸船機數字孿生技術體系架構及技術，分析了孿生模型的建模方式，以及數字采集與傳輸技術的施行方案，為進一步進行數字孿生關鍵技術研究奠定了基礎。

[1]桂軍. 淺析鏈斗式連續卸船機的構成及控制系統[J]. 工業設計，2016（5）：161-163.

[2]TAO Fei，ZHANG He，LIU Ang，et al．Digital twin in industry ： state-of-the-art[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics，2019，15（4）：2405-2415．

[3]陶飛，劉蔚然，劉檢華，等. 數字孿生及其應用探索[J]. 計算機集成制造系統，2018，24（1）：1-18.

[4]張雨萌. 數字孿生驅動的礦用設備維修MR輔助指導系統[D]. 西安：西安科技大學，2020.

[5]聞佳華. 集裝箱碼頭的數字孿生[J]. 起重運輸機械，2021（1）：83-86.

[6]黃俊峰. 鏈斗式連續卸船機自動控制系統設計[D]. 秦皇島：燕山大學，2019.

[7]張慶海，武鵬偉，趙正旭. 大型射電望遠鏡數字孿生系統架構設計與應用[J]. 計算機集成制造系統，2021，27（2）：364-373.

[8]羅少康，滕文琪. 數字孿生車間系統構建及應用[J]. 機械，2021，48（3）：53-58.

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[10]李小龍. 基于數字孿生的機床加工過程虛擬監控系統研究與實現[D]. 成都：電子科技大學，2020.

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Research on Real-Time Monitoring Technology of Continuous Ship Unloader Based on Digital Twin

LIANG Yong1，WANG Xin1，JIANG Xin2，CHE Lu2，WANG Dianlong1

( 1.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China;2.Dalian Huarui Heavy Industry Group Co., Ltd., Dalian 116000, China )

In order to improve the trouble-free operation rate of terminal operations, the digital twin technology is applied to the continuous ship unloader to map the physical entity and virtual space, which is conducive to the real-time monitoring of the working status of the continuous ship unloader, and intelligently diagnoses the possible operation problems of the continuous ship unloader. Therefore, under the theoretical background of the digital twin, the overall framework of the digital twin of the continuous ship unloader is established. The overall structure and working principle of the continuous ship unloader are analyzed. The finite element analysis software is used to establish the virtual mechanical model of the continuous ship unloader. A sensor installation plan for monitoring the dynamic variables during the working process of the continuous ship unloader is proposed. The realization method and technology of twin data transmission and storage, digital twin virtual and real mapping are introduced.

chain bucket continuous ship unloader；digital twin；finite element analysis

U672.7+4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.01.010

1006-0316 (2022) 01-0067-06

2021-05-26

大連市科技重大專項（2019ZD15GX006）

梁勇（1996－），吉林長春人，碩士研究生，主要研究方向為數字孿生，E-mail：1808465979@qq.com；王欣（1972－），天津人，博士，副教授，主要研究方向為結構靜動力學非線性仿真、結構疲勞與壽命評估。