基于數(shù)字孿生的礦井提升機天輪結(jié)構性能監(jiān)測

文章編號：1671?251X（2024）08?0069?07 DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2024050086

關鍵詞：礦井提升機天輪；數(shù)字孿生；天輪結(jié)構性能監(jiān)測；組合代理模型；天輪應變

中圖分類號：TD633 文獻標志碼：A

0引言

礦井提升機是礦井的“咽喉”設備[1]，在整個煤礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用，天輪作為礦井提升機的重要部件，承擔著引導和支撐鋼絲繩的作用，是礦井提升機傳遞動力和載荷的重要部件[2]。天輪結(jié)構的失效會導致天輪變形、斷裂，影響礦井提升機的正常運行，甚至會造成重大事故。傳統(tǒng)天輪檢測方法通過工作人員攀爬至高處進行檢查，存在較大安全隱患，且工作人員很難觀察到一些細小故障，這些故障可能會對礦井提升機的運行造成重大影響，因此對礦井提升機天輪進行智能監(jiān)測具有重要意義。

許多學者對礦井提升機天輪智能監(jiān)測進行了深入研究。蔡曉煒等[3]設計了一種基于LabVIEW 的礦井提升機天輪遠程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，對礦井提升機天輪振動、溫度、偏擺進行實時監(jiān)測，并對故障進行診斷。李瑤等[4]提出了一種基于機器視覺的天輪偏擺實時監(jiān)測方法，將線激光照射在天輪上，采用機器視覺技術對圖像進行線結(jié)構光提取和偏擺測量，并將測量到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成曲線圖，實現(xiàn)對天輪偏擺的監(jiān)測。姜雪等[5]設計了一種礦井提升機天輪故障監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)ΦV井提升機天輪的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，當振動、溫度或偏擺超出閾值時發(fā)出警報。以上研究多側(cè)重于對天輪振動、溫度、偏擺的監(jiān)測，而對天輪結(jié)構性能監(jiān)測的研究較少。

數(shù)字孿生技術作為新一代信息技術，能夠利用來自物理世界的數(shù)據(jù)預測物理實體的未來狀態(tài)和行為[6-8]。數(shù)字孿生技術通過建立復雜系統(tǒng)的孿生模型，結(jié)合傳感器和數(shù)據(jù)傳輸技術，實現(xiàn)虛擬空間和物理空間的交互映射[9]，為運行狀態(tài)可視化監(jiān)測提供了有效的解決方案[10]，同時能夠基于歷史數(shù)據(jù)和仿真模擬對物理實體的運行狀態(tài)進行預測[11]，對設備可能發(fā)生的故障進行預警。近年來，數(shù)字孿生技術加快了礦業(yè)向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的速度，為智慧礦山的建設賦能[12-13]。

為了實現(xiàn)對礦井提升機天輪結(jié)構性能的實時監(jiān)測，本文基于數(shù)字孿生技術設計了礦井提升機天輪結(jié)構性能監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用組合代理模型構建結(jié)構性能預測模型，可實現(xiàn)對天輪的結(jié)構性能預測。采用Unity3D 構建礦井提升機天輪數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)實現(xiàn)了對礦井提升機天輪的運行狀態(tài)監(jiān)測、結(jié)構性能監(jiān)測及故障預警，并以某礦井提升機天輪為試驗對象，對天輪的測量應變、仿真應變、預測應變進行對比分析，驗證天輪結(jié)構性能預測模型的有效性。

1天輪數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)框架

為預防礦井提升機天輪長期運行導致結(jié)構失效而引起天輪變形、失穩(wěn)、斷裂等問題，實現(xiàn)礦井提升機天輪運行狀態(tài)及結(jié)構性能實時監(jiān)測，本文基于數(shù)字孿生五維模型[14]，結(jié)合礦井提升機天輪運行過程中的實際狀況，構建了天輪數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)，包括物理實體層、孿生模型層、孿生數(shù)據(jù)層、應用層及各層之間的連接5 個部分，如圖1所示。

1） 物理實體層。物理實體是天輪數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)的基礎，主要包括礦井提升系統(tǒng)主體設備及數(shù)據(jù)采集設備（如速度傳感器、溫度傳感器等）。

2） 孿生模型層。孿生模型是對物理實體的狀態(tài)、行為和性能準確模擬的虛擬模型。根據(jù)礦井提升系統(tǒng)主體設備的幾何尺寸，采用三維建模軟件構建物理實體的三維模型，在Unity3D 中依照實際場景建立孿生系統(tǒng)的虛擬幾何模型。根據(jù)礦井提升系統(tǒng)各部件之間的運動邏輯和父子關系建立行為邏輯模型。通過不同工況的有限元分析數(shù)據(jù)建立結(jié)構性能預測模型，從而實現(xiàn)對孿生模型的建立。

3） 孿生數(shù)據(jù)層。孿生數(shù)據(jù)是模型驅(qū)動的關鍵，主要包括靜態(tài)數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)和預測數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)主要包括礦井提升系統(tǒng)主體設備的幾何尺寸、位置信息、裝配關系、材料、約束關系及性能參數(shù)等，為虛擬幾何模型及結(jié)構性能預測模型的構建提供支持。運行數(shù)據(jù)是礦井提升機天輪在運行過程中的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括礦井提升機天輪的速度、溫度、鋼絲繩張力等數(shù)據(jù)。預測數(shù)據(jù)是礦井提升機天輪運行過程中通過預測模型實時預測的結(jié)構性能數(shù)據(jù)，包括應力和應變數(shù)據(jù)。

4） 應用層。應用層是天輪數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)的服務部分，主要包括運行狀態(tài)監(jiān)測模塊、結(jié)構性能監(jiān)測模塊、故障預警模塊。運行狀態(tài)監(jiān)測模塊實時映射物理實體的運行狀態(tài)。結(jié)構性能監(jiān)測模塊實時映射天輪的結(jié)構性能。故障預警模塊對天輪可能出現(xiàn)的故障進行預警。

5） 連接。連接是實現(xiàn)物理實體與虛擬模型信息同步的關鍵技術。連接建立物理實體層、孿生模型層、孿生數(shù)據(jù)層、應用層等任意層之間的數(shù)據(jù)交互，使整個天輪數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)形成閉環(huán)。

2結(jié)構性能預測方法

傳統(tǒng)的基于有限元軟件分析的方式計算成本過高、耗時過長，難以滿足運行過程中礦井提升機天輪結(jié)構性能實時分析的需求。代理模型是一種基于少量數(shù)據(jù)構建的近似模型， 通過構建近似的輸入?輸出響應可以有效替代仿真技術，具有耗時短、響應快、成本低等特點，被廣泛應用[15-17]。代理模型分為單一代理模型和組合代理模型，組合代理模型可以綜合各個單一代理模型的優(yōu)勢，提供更準確的結(jié)果，因此本文采用組合代理模型建立礦井提升機天輪結(jié)構性能預測模型。

2.1組合代理模型理論

組合代理模型[18]是通過加權平均的方式將多個單一代理模型疊加，一般形式為

RBF代理模型的基函數(shù)包括線性函數(shù)、立方函數(shù)、高斯函數(shù)、多二次函數(shù)、逆多二次函數(shù)、薄板樣條函數(shù)[21]。本文采用的基函數(shù)分別為立方函數(shù)和多二次函數(shù)的RBF代理模型構建組合代理模型。

2.2結(jié)構性能預測模型構建

要實現(xiàn)礦井提升機天輪結(jié)構性能的實時監(jiān)測需要構建結(jié)構性能預測模型，構建流程如圖2所示。

1） 結(jié)合礦井提升機天輪理論和實際工作需求，對天輪進行力學分析，為后續(xù)有限元分析建立理論基礎；采用最優(yōu)拉丁超立方試驗設計方法在鋼絲繩所受拉力范圍內(nèi)進行均勻隨機采樣，選取120 個樣本點。

2） 將天輪三維模型導入Ansys 軟件，進行材料屬性設置、網(wǎng)格劃分，然后根據(jù)不同工況設置邊界條件并施加載荷，得到對應的有限元數(shù)據(jù)。將網(wǎng)格劃分為細網(wǎng)格和粗網(wǎng)格，細網(wǎng)格用于有限元分析，粗網(wǎng)格用于后續(xù)的網(wǎng)格降維。

3） 將網(wǎng)格數(shù)據(jù)、應變數(shù)據(jù)、應力數(shù)據(jù)導出Ansys 軟件。對粗網(wǎng)格的位置節(jié)點進行去重，得到無重復節(jié)點網(wǎng)格坐標和節(jié)點索引；無重復節(jié)點的粗網(wǎng)格缺少對應的結(jié)構性能數(shù)據(jù)，利用細網(wǎng)格對應的結(jié)構性能數(shù)據(jù)結(jié)合K 最近鄰（K-Nearest Neighbor，KNN）分類算法和RBF 插值算法將無重復節(jié)點對應的結(jié)構性能數(shù)據(jù)補全，從而對網(wǎng)格進行降維。

4） 采用處理后的有限元數(shù)據(jù)訓練得到RBF 單一代理模型。基于廣義均方誤差求得單一代理模型在組合代理模型中的權重，由2 個單一代理模型構建組合代理模型，得到結(jié)構性能預測模型。

3天輪數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)應用驗證

3.1系統(tǒng)構建

以立井五繩摩擦提升系統(tǒng)為研究對象，在礦井提升機上布置了相應的數(shù)據(jù)采集設備，以Unity3D 為平臺構建了天輪數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)構建分為虛擬空間構建、數(shù)據(jù)傳輸構建和應用模塊構建3 個部分。

3.1.1虛擬空間構建

虛擬空間構建包括三維建模、模型格式轉(zhuǎn)換、虛擬場景搭建、行為邏輯模型構建4 個部分，如圖3 所示。根據(jù)礦井提升機天輪工作場景和物理實體的幾何尺寸、位置信息，采用三維建模軟件SolidWorks 按照實際尺寸進行等比例建模；將繪制好的三維模型以.STL 格式導出，并導入3ds Max 軟件對模型進行輕量化處理，以.FBX 格式導出；將.FBX 格式的模型導入Unity3D 中，為其添加相應的材質(zhì)球，采用Unity3D中的Terrain 工具創(chuàng)建主體設備周圍的相關場景；根據(jù)礦井提升系統(tǒng)各部件之間的運動邏輯和父子關系編寫C#行為邏輯控制腳本，建立行為邏輯模型。

3.1.2數(shù)據(jù)傳輸構建

采用USB協(xié)議和TCP/IP網(wǎng)絡通信協(xié)議建立通信模塊，實現(xiàn)物體實體、虛擬空間、應用模塊、數(shù)據(jù)庫和服務端之間的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸過程如圖4所示。

3.1.3應用模塊構建

天輪數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)包括運行狀態(tài)監(jiān)測、結(jié)構性能監(jiān)測、故障預警3 大應用模塊。運行狀態(tài)監(jiān)測模塊將傳感器實時采集到的天輪運行狀態(tài)信息通過Xchart 插件以可視化圖表的形式呈現(xiàn)在系統(tǒng)中（圖5），實現(xiàn)對礦井提升機天輪運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。

結(jié)構性能監(jiān)測模塊通過天輪結(jié)構性能預測模型實時獲取天輪結(jié)構性能數(shù)據(jù)，將性能數(shù)據(jù)根據(jù)結(jié)果大小分段映射為RGB顏色信息，并將顏色信息賦值給孿生模型相應的節(jié)點，將性能數(shù)據(jù)以云圖的形式實時呈現(xiàn)在UI界面（圖6），實現(xiàn)對天輪結(jié)構性能的實時監(jiān)測。

故障預警模塊對礦井提升機天輪監(jiān)測的每個參數(shù)設置相應閾值，當監(jiān)測到該參數(shù)超過設定的閾值時，系統(tǒng)發(fā)出警告并確定出現(xiàn)異常處，在系統(tǒng)上進行高亮顯示（圖7）。

3.2試驗結(jié)果與分析

采集天輪在運動過程中的應變，如圖8所示。在天輪4個測試點處分別粘貼應變片，為了便于測量，設置天輪以7.8 m/s的速度緩慢正轉(zhuǎn)1 圈多，再將天輪以相同速度逆轉(zhuǎn)相同距離，采用NI 數(shù)據(jù)采集儀采集應變數(shù)據(jù)。

4個測試點的應變曲線如圖9 所示。可看出在運行過程中，3條應變曲線有相同的趨勢，預測得到的應變與實際測得的應變結(jié)果較為吻合，預測曲線與仿真曲線幾乎重合。

從表1可看出，4個測試點的測量應變與預測應變平均決定系數(shù)為0.97398，接近于1，說明測量應變與預測應變具有較高的相關性。綜上分析可以得出結(jié)構性能預測模型的預測效果較好。

4結(jié)語

提出了天輪數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)，對礦井提升機天輪進行仿真，獲取仿真數(shù)據(jù)，采用組合代理模型訓練仿真數(shù)據(jù)，得到礦井提升機天輪結(jié)構性能預測模型。以立井五繩摩擦提升系統(tǒng)為對象，構建了天輪數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)，試驗結(jié)果表明，預測得到的天輪應變與實際測得的應變結(jié)果較為吻合，測量應變與預測應變的平均決定系數(shù)為0.97398，表明礦井提升機天輪結(jié)構性能預測模型具有有效性。