液壓支架姿態數字孿生精準快速映射方法

摘要：針對應用數字孿生實現綜采工作面液壓支架姿態映射存在精度低、時延大及精度與時延難以平衡等問題，提出了一種液壓支架姿態數字孿生精準快速映射方法。設計了包括物理感知層、數據層、業務邏輯層和表現層的液壓支架姿態數字孿生系統架構；在業務邏輯層，通過保留液壓支架高精度模型外部形狀并將關鍵部位合并成輕量化結構件，建立了液壓支架姿態數字孿生模型，減少了渲染時延，并通過建立傾角傳感器測量角度與數字孿生模型轉動角度之間的轉換關系，實現液壓支架姿態數字孿生模型與液壓支架實體虛實映射一致，保證了液壓支架姿態映射的精度；在數據層，從各數據傳輸環節中劃分出傳輸間隔并進行參數約束，應用參數規劃求解優化可調環節的數據更新間隔，減少了數字孿生系統數據傳輸過程的資源浪費和時延。搭建了液壓支架姿態數字孿生精準快速映射平臺，進行液壓支架姿態虛實映射的時延和精度測試，結果表明，該方法在保證液壓支架姿態映射精度的前提下具有較低的時延。

關鍵詞：液壓支架；數字孿生；虛實映射；渲染時延；數據傳輸時延；參數規劃求解

中圖分類號：TD355 文獻標志碼：A

0 引言

截至2022 年12 月，全國建成智能化采掘工作面1 019 處，煤礦智能化建設進入示范推廣期和高級智能化難題攻堅期[1-4]。液壓支架作為工作面重要的支護設備，其數字化和智能化是工作面安全、高效生產的重要支撐。應用數字孿生實現液壓支架姿態映射是液壓支架監測和管理的新途徑，但目前存在精度低、時延大的問題。

在數字孿生系統框架方面，張帆等[5-6]提出了數字孿生技術內涵、方法、機理等理論新型研究范式，針對礦山場景特點提出了數字孿生理論架構；苗丙等[7]、葛世榮等[8]針對綜采工作面場景，構建了“五機一架”設備的數字孿生感知模型，提出搭建綜采工作面數字孿生系統的主要任務是數據傳輸和模型動作約束；林承志等[9]在自動化生產線場景實現實時姿態映射，對生產線設備進行數字孿生建模，基于Unity 開發數字孿生系統，應用Snap7 通信協議實現PLC 與Unity 的數據通信，提供了建模、系統搭建和數據通信的整體思路。在提高數字孿生映射精度方面，李阿樂等[10]使用Pro/E 進行液壓支架零件裝配，再導入3ds Max 實現液壓支架的三維建模和運動仿真，對生產教學和液壓支架的虛擬演示有輔助作用，但通過零件控制動作會增加渲染時延且部分零件沒有相應傳感器數據做支撐；劉清等[11]提出了高協同、高耦合的“三機”建模方案，通過預設模型動作和接收離散仿真時間點信號觸發高協同動作，但不適用于液壓支架復雜姿態的表達；柳林燕等[12]、康瑞浩等[13]針對工業機器人等由旋轉關節組成的簡易結構，通過關節轉角數據可以實時保證模型精度，對于簡單的結構可以保證精準和快速映射；洪飛[14]將ANSYS 與Unity 進行耦合，提出了數字孿生和數據驅動耦合的液壓支架實時映射方案，但ANSYS 和Unity 中間數據庫的處理增加了數據傳輸環節，從而增加了時延。在減少數字孿生映射時延方面，王宏偉等[15]構建了包含機械系統和液壓系統的高精度數字孿生模型，適用于分析液壓支架內部細節的場景，但對注重整體姿態而非內部結構的場景會增加渲染成本；朱海峰等[16]使用三維點云數據對室內場景進行精準快速建模，但對于工作面采煤設備實時動作的非固定場景，僅靠點云數據無法保證建模精度；李梅等[17]使用云渲染技術加載三維模型場景，降低了模型渲染時延，但受網絡影響大，對GPU 顯卡要求極高；崔耀等[18]對數據源進行清晰劃分，將歷史數據用作工藝過程回放，時序數據用作跟機工藝演繹，通過減少每次傳輸的實時數據量降低傳輸時延；舒亮等[19]提出了一種基于視錐體細粒度剔除的快速渲染方法，雖在CPU/GPU 層面降低了大規模模型渲染時延，但對于工作面這種空間狹隘、視角單一的場景，視錐體剔除失去了意義；龔平等[20]提出了一種輕量化的XML 數據傳輸協議，憑借協議簡單、實施簡便的優勢快速布置到支持TCP/UDP 網絡通信的數字孿生系統，降低了傳輸時延；高蕾等[21]基于AMESim對液壓支架液壓系統進行仿真分析，根據液壓壓力數據推演液壓支架數字孿生模型預設動作，根據壓力數據與跟機速度的關系來保證時延，但姿態映射精度無法保證。

為平衡液壓支架姿態虛實映射的精度與時延，提出了一種液壓支架姿態數字孿生精準快速映射方法。通過建立內部結構簡單的輕量化液壓支架姿態數字孿生模型，以減少渲染時延；通過建立傾角傳感器測量角度與數字孿生模型轉動角度之間的轉換關系，以保證虛實映射精度；合理分配各個數據傳輸環節的更新頻率，以減少數據傳輸時延。

1 液壓支架姿態數字孿生系統架構

液壓支架姿態數字孿生系統架構主要分為物理感知層、數據層、業務邏輯層和表現層，如圖1所示。