胡偉飛 方健豪 劉飛香 陳煒鎰 劉振宇 廖金軍 譚建榮

摘要：數(shù)字孿生是一種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裝備在物理世界與信息世界互聯(lián)融合的新興技術(shù)，在復(fù)雜裝備模擬仿真、監(jiān)控分析、診斷預(yù)測(cè)、優(yōu)化控制等方面有著廣闊的應(yīng)用前景.本文以掘錨一體機(jī)為對(duì)象，對(duì)復(fù)雜裝備數(shù)字孿生運(yùn)動(dòng)與建模分析、數(shù)據(jù)傳遞及雙向映射開展了研究.在數(shù)字孿生行為一致性方面，基于歷史物理仿真數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了掘錨一體機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)快速仿真分析.同時(shí)，提出了掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生幾何模型庫(kù)構(gòu)建技術(shù)，通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)、快速布爾運(yùn)算等方法實(shí)現(xiàn)了掘錨一體機(jī)狀態(tài)鏡像映射，以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中服役環(huán)境實(shí)時(shí)仿真.此外，在實(shí)時(shí)狀態(tài)映射方面，提出了掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生虛實(shí)映射技術(shù)，通過(guò)在線采集與傳遞孿生數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了基于異步傳輸?shù)男畔?shí)時(shí)傳遞.對(duì)于掘錨一體機(jī)整機(jī)抬升、進(jìn)給、挖掘、煤渣攏料等運(yùn)動(dòng)過(guò)程，數(shù)據(jù)處理平均延遲時(shí)間小于10-2ms，運(yùn)動(dòng)學(xué)插值處理數(shù)據(jù)誤差小于3%，開發(fā)的掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生仿真幀率達(dá)到74.3幀/s，實(shí)現(xiàn)了融合服役環(huán)境的掘錨一體機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)映射與作業(yè)流程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè).

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;實(shí)時(shí)狀態(tài)映射;掘錨一體機(jī);數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP277;TH186

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2021-07-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019YFB1705200），National KeyR&D Program of China（2019YFB1705200）;浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題（SKLoFP_ZZ_2102），StateKeyLaboratoryofFluidPowerandMechatronicSystems（SKLoFP_ZZ_2102）

作者簡(jiǎn)介：胡偉飛（1985—），男，浙江桐廬人，浙江大學(xué)“百人計(jì)劃”研究員，博士

通信聯(lián)系人，E-mail：liuzy@zju.edu.cn

掘錨一體機(jī)是一種運(yùn)用于煤礦巷道快速掘進(jìn)的掘、錨一體設(shè)備.相對(duì)于傳統(tǒng)的煤礦挖掘裝備，掘錨一體機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在同一臺(tái)設(shè)備上同時(shí)進(jìn)行掘進(jìn)和錨護(hù).近年來(lái)，隨著巷道掘進(jìn)設(shè)備要求提高，對(duì)于掘錨一體機(jī)的研發(fā)[1-2]與應(yīng)用[3]逐漸深入.然而，目前對(duì)于掘錨一體機(jī)的研發(fā)主要集中于裝備設(shè)計(jì)制造優(yōu)化與工藝流程優(yōu)化方面，對(duì)于裝備運(yùn)維階段施工作業(yè)狀態(tài)與地質(zhì)環(huán)境的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)以及實(shí)時(shí)維護(hù)等問題尚無(wú)法得到有效解決.其主要問題在于：1）生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中移動(dòng)單元的信息難以實(shí)時(shí)采集;2）對(duì)于采集到的大量數(shù)據(jù)難以快速分析，造成數(shù)據(jù)浪費(fèi);3）設(shè)備與人之間未形成有效的信息溝通.這些問題已經(jīng)成為攻克掘錨一體機(jī)服役過(guò)程中卡機(jī)、損壞等技術(shù)難題的關(guān)鍵制約因素.

數(shù)字孿生是一種虛實(shí)融合的動(dòng)態(tài)模型，它與現(xiàn)實(shí)世界中對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體完全一致，可以準(zhǔn)確及時(shí)地反映物理實(shí)體的特性、行為、性能等[4]，對(duì)于工程裝備的協(xié)作智能化、信息自動(dòng)化起到重要促進(jìn)作用.近年來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械領(lǐng)域得到了初步的研究與應(yīng)用[5]，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，從而面向產(chǎn)品全生命周期搭建連接物理世界與虛擬世界的橋梁.

在數(shù)字孿生的基礎(chǔ)理論研究方面，目前在產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸、實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)和故障定位方面已經(jīng)開展了一系列的研究.Mori等[6]提出了一種利用XML格式文件及逆行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與診斷機(jī)床方式，為機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)提供了遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)系統(tǒng).在高保真映射與遠(yuǎn)程仿真方面，Nee等[7]引入了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用，包括AR協(xié)同設(shè)計(jì)、工廠布局、路徑規(guī)劃等.Bi等[8]提出了基于視覺制造的方法，根據(jù)紅外采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)集生成物理對(duì)象的虛擬表示，解決了數(shù)據(jù)采集與處理中的各種問題.在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方面，陳勇[9]等人提出了使用以太網(wǎng)構(gòu)建機(jī)器人的監(jiān)測(cè)方法，采用信息融合進(jìn)行了多傳感信息整合，構(gòu)建了多機(jī)器人生產(chǎn)線.張愛民[10]等人提出了運(yùn)用Socket協(xié)議的組件發(fā)展多線程連接技術(shù)，在工業(yè)機(jī)器人上采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程客戶端監(jiān)控，能夠?qū)崟r(shí)查看機(jī)器人的位置、狀態(tài)以及對(duì)應(yīng)的控制.數(shù)字孿生相關(guān)理論還處于起步階段，為促進(jìn)數(shù)字孿生的落地應(yīng)用，在數(shù)字孿生建模、信息物理融合、交換與協(xié)同等方面有待系統(tǒng)深入地研究.

在工業(yè)實(shí)踐方面，數(shù)字孿生仍處于初步實(shí)踐與探索階段.美國(guó)PTC公司致力于在虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界間建立一個(gè)實(shí)時(shí)的連接，基于數(shù)字孿生為客戶提供高效的產(chǎn)品售后服務(wù)與支持[11]，同時(shí)增強(qiáng)虛擬產(chǎn)品和物理部分的連接.相對(duì)而言，法國(guó)Dassault Systèmes公司側(cè)重于產(chǎn)品性能[12].

在產(chǎn)品服務(wù)方面，數(shù)字孿生在結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)方面取得一定進(jìn)展.西門子公司提出“數(shù)字化雙胞胎”的概念，致力于幫助制造企業(yè)在信息空間構(gòu)建整合制造流程的生產(chǎn)系統(tǒng)[13]，實(shí)現(xiàn)物理空間從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造到執(zhí)行的全過(guò)程數(shù)字化.特斯拉（TESLA）的目標(biāo)是為每一輛已建成的汽車開發(fā)一個(gè)數(shù)字孿生體，從而實(shí)現(xiàn)汽車和工廠之間的同步數(shù)據(jù)傳輸，而其他公司則越來(lái)越多地使用復(fù)雜的產(chǎn)品模型來(lái)提高虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的沉浸感[14].

近些年來(lái)，數(shù)字孿生的理念及關(guān)鍵技術(shù)被應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)等生命周期，但在地下工程裝備中尚未得到有效應(yīng)用.因此本文從地下工程裝備實(shí)際工作流程出發(fā)，以某型掘錨一體機(jī)為研究對(duì)象，建立了掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生模型;提出了掘錨一體機(jī)模型庫(kù)構(gòu)建技術(shù)，基于歷史物理仿真數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)與快速布爾運(yùn)算等方法，實(shí)現(xiàn)了掘錨一體機(jī)及服役環(huán)境快速仿真分析;提出了掘錨一體機(jī)虛實(shí)映射技術(shù)，通過(guò)在線采集傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了基于異步傳輸?shù)男畔?shí)時(shí)傳遞;最終實(shí)現(xiàn)了掘錨一體機(jī)融合服役環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)映射與作業(yè)流程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè).

1掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生建模

某型號(hào)掘錨一體機(jī)主要由截割系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)、物料運(yùn)輸系統(tǒng)、支撐與行走系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)組成.在掘錨一體機(jī)現(xiàn)場(chǎng)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)采集，虛擬實(shí)體基于C/S架構(gòu)內(nèi)建立在公網(wǎng)內(nèi).兩者基于公網(wǎng)的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與共享.

1.1掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生框架

基于數(shù)字孿生五維模型的概念，結(jié)合掘錨一體機(jī)實(shí)際信息采集功能，本文建立掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生體模型[15]，如式（1）所示：

MDT=（PE，DD，VE，Ss，CN）

式中，PE代表物理實(shí)體，DD代表孿生數(shù)據(jù)，VE代表虛擬實(shí)體，Ss代表數(shù)字孿生服務(wù)，CN代表虛實(shí)映射過(guò)程.在數(shù)字孿生五維模型[15]的基礎(chǔ)上，結(jié)合掘錨一體機(jī)作業(yè)流程與地下實(shí)際情況，提出基于數(shù)字孿生的掘錨一體機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)映射框架，如圖1所示.

該五維模型一共包括五個(gè)部分：1物理實(shí)體;2虛擬實(shí)體;3孿生數(shù)據(jù);4虛實(shí)映射過(guò)程;5孿生服務(wù)

1.物理實(shí)體與2虛擬實(shí)體.該數(shù)字孿生的物理與虛擬實(shí)體為實(shí)際掘錨一體機(jī)的單元級(jí)別數(shù)字孿生模型，在物理空間與虛擬空間互相對(duì)應(yīng).為了完整地向虛擬空間中映射掘錨一體機(jī)，物理模型需包含實(shí)際掘錨一體機(jī)的外形參數(shù)、裝配關(guān)系以及表面運(yùn)動(dòng)顏色、約束等特征信息.對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)體中也應(yīng)包含對(duì)應(yīng)信息，因此，該掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生物理實(shí)體與虛擬實(shí)體可以分別被定義為

式中，Gvr與Gvv分別為物理實(shí)體與虛擬實(shí)體中的幾何尺寸，包括掘錨一體機(jī)幾何以及外形尺寸;Avr與Avv分別為物理實(shí)體與虛擬實(shí)體中掘錨一體機(jī)的裝配以及約束關(guān)系;Svr與Svv分別為物理實(shí)體與虛擬實(shí)體掘錨一體機(jī)的外形特征參數(shù)，包括顏色、貼圖、材質(zhì)等主要用于表面特征的渲染.以上3個(gè)參數(shù)在物理實(shí)體與虛擬實(shí)體中相互對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)幾何一致性.

3孿生數(shù)據(jù).該掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)將從物理實(shí)體中，采用傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等進(jìn)行采集獲得.通過(guò)上傳存儲(chǔ)于企業(yè)網(wǎng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)服務(wù)驅(qū)動(dòng)掘錨一體機(jī)虛擬實(shí)體，最終實(shí)現(xiàn)由實(shí)到虛的狀態(tài)映射.該孿生數(shù)據(jù)可以被定義為

式中，Dp為掘錨一體機(jī)機(jī)身位姿數(shù)據(jù)，包括整機(jī)位置、轉(zhuǎn)角、傾角等位姿信息，用于幾何模型的位姿驅(qū)動(dòng);Df為掘錨一體機(jī)油缸流量數(shù)據(jù)，包括機(jī)身各個(gè)部位的驅(qū)動(dòng)油缸流量，如舉升油缸、掏槽油缸等，用于物理模型的驅(qū)動(dòng);Dc為掘錨一體機(jī)電流數(shù)據(jù)，包括油泵電機(jī)、減速電機(jī)等，主要用于幾何模型的驅(qū)動(dòng)及故障監(jiān)測(cè)等功能;Dp為電機(jī)功率數(shù)據(jù)，包括油泵電機(jī)、刮板電機(jī)等關(guān)鍵部件，主要用于后期健康監(jiān)測(cè).

4虛實(shí)映射過(guò)程.該掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生以虛實(shí)映射過(guò)程作為媒介，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬實(shí)體的溝通.包括文件數(shù)據(jù)的推送與上傳，以及廣播發(fā)送至各個(gè)客戶端中.連接可被定義為

式中，CNu為物理實(shí)體與服務(wù)器的連接，通過(guò)采集物理實(shí)體數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器服務(wù);CNd為服務(wù)器與虛擬實(shí)體的連接，服務(wù)器根據(jù)此連接將數(shù)據(jù)分發(fā)至虛擬實(shí)體服務(wù).

5孿生服務(wù).孿生服務(wù)主要是基于連接后傳遞的孿生數(shù)據(jù)，通過(guò)其中儲(chǔ)存的模型，包括幾何模型、物理模型、行為模型以及規(guī)則模型進(jìn)行虛擬實(shí)體的驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高可信度的虛擬實(shí)體.孿生服務(wù)可被定義為

式中：Mg為虛擬實(shí)體的幾何模型，通過(guò)三維建模軟件進(jìn)行掘錨一體機(jī)的幾何外形與物理屬性構(gòu)建，在渲染軟件中進(jìn)行掘錨一體機(jī)表面渲染;Mp為虛擬實(shí)體的物理模型，根據(jù)建立完成的歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行掘錨一體機(jī)快速精確仿真;Mb為虛擬實(shí)體的行為模型，基于掘錨一體機(jī)行為策略進(jìn)行動(dòng)作規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生行為一致性;Mr為虛擬實(shí)體的規(guī)則模型，為掘錨一體機(jī)服役環(huán)境動(dòng)態(tài)變化實(shí)時(shí)呈現(xiàn)模型.在接收孿生連接CN傳遞的孿生數(shù)據(jù)DD后，孿生服務(wù)Ss基于行為模型Mb確定掘錨一體機(jī)孿生體的運(yùn)動(dòng)模式，結(jié)合物理模型Mb實(shí)時(shí)更新掘錨一體機(jī)各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù).結(jié)合截割大臂的運(yùn)動(dòng)軌跡造成煤巖脫落參數(shù)由規(guī)則模型Mr反映.最后基于以上孿生服務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)時(shí)反映到幾何模型Mg中，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體驅(qū)動(dòng)的過(guò)程.

如圖1所示，孿生服務(wù)Ss基于CN通過(guò)各種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等進(jìn)行物理實(shí)體PE孿生數(shù)據(jù)DD的實(shí)時(shí)采集，基于服務(wù)器傳送至虛擬實(shí)體VE，用于更新與調(diào)用虛擬實(shí)體中各類孿生服務(wù)數(shù)字模型，從而實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體VE的驅(qū)動(dòng).此外，虛擬實(shí)體VE也可以通過(guò)孿生服務(wù)Ss將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至DD，另一方面，孿生服務(wù)Ss可以基于存儲(chǔ)的孿生數(shù)據(jù)DD對(duì)歷史數(shù)據(jù)、規(guī)則數(shù)據(jù)等進(jìn)行優(yōu)化，基于CN將更新后的情景實(shí)時(shí)反饋至操作人員或物理實(shí)體PE，形成孿生閉環(huán).

此外，對(duì)于掘錨一體機(jī)工作過(guò)程的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、氣壓、電流、功率等性能參數(shù)，通過(guò)傳感器傳輸后，在相應(yīng)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)應(yīng)展示.通過(guò)人機(jī)交互過(guò)程，結(jié)合虛擬模型中獲得的參數(shù)進(jìn)行物理干預(yù)，實(shí)現(xiàn)由虛到實(shí)的狀態(tài)映射.結(jié)合以上4種模型，共同實(shí)現(xiàn)掘錨一體機(jī)狀態(tài)映射的幾何、行為的一致性.

1.2歷史物理仿真數(shù)據(jù)庫(kù)傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算往往需要獲取所有部件移動(dòng)

位置與四元數(shù)，同時(shí)進(jìn)行速度與位置求解，實(shí)現(xiàn)模型位置調(diào)整與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng).當(dāng)其參數(shù)改變時(shí)，需要進(jìn)行所有參數(shù)的調(diào)整，整體過(guò)程較為復(fù)雜，本文提出一種快速驅(qū)動(dòng)模型，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件離線歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合與聯(lián)合驅(qū)動(dòng).

該模型引入局部坐標(biāo)系概念，即以坐標(biāo)系作為物理中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，基于局部坐標(biāo)系進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)操作.實(shí)際運(yùn)動(dòng)在局部坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)可以轉(zhuǎn)化為

式中，Dp，local為局部坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)，其由孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換獲得，用于實(shí)現(xiàn)在定義的局部坐標(biāo)系中進(jìn)行坐標(biāo)變換，M4×4為坐標(biāo)變換矩陣，相當(dāng)于幾何中的仿射變換，該矩陣由平移與旋轉(zhuǎn)組合而成，可以表示為

其中，αlocal、βlocal、γlocal分別為局部坐標(biāo)系中繞三局部坐標(biāo)軸x、y、z旋轉(zhuǎn)角度，xlocal、ylocal、zlocal為局部坐標(biāo)系中的平移距離.此外，引入父子關(guān)系，使該掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生體下一關(guān)節(jié)位姿坐標(biāo)與上一關(guān)節(jié)直接相關(guān)，該軟件僅需在每關(guān)節(jié)上建立坐標(biāo)系.整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征可以由局部坐標(biāo)系與父子關(guān)系決定

式中：Quaternion是一個(gè)四元數(shù)，為父物體旋轉(zhuǎn)角度，Axis是子物體旋轉(zhuǎn)軸，為3維向量，求得結(jié)果LocalEulerAngles為3維向量，為子物體旋轉(zhuǎn)軸，將其變更為該關(guān)節(jié)的歐拉角轉(zhuǎn)動(dòng).

針對(duì)掘錨一體機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)單獨(dú)分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，根據(jù)實(shí)際工作狀況，在運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件（如Adams）中對(duì)機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動(dòng)副與驅(qū)動(dòng)，通過(guò)后處理獲取機(jī)構(gòu)各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的變化量與主驅(qū)動(dòng)的變化量，將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合實(shí)際傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)行.

在獲取運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)后，根據(jù)實(shí)際測(cè)得的主動(dòng)件或運(yùn)動(dòng)副上的傳感器數(shù)據(jù)，查找歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，快速獲得其余主動(dòng)件或運(yùn)動(dòng)副所對(duì)應(yīng)的變化量.由于歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)以離散化形式存儲(chǔ)，需要結(jié)合線性插值方法獲取主動(dòng)件或運(yùn)動(dòng)副所對(duì)應(yīng)的變化量.

該公式為采用的線性插值公式，輸入實(shí)際傳感數(shù)據(jù)后，訪問存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算相應(yīng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移/轉(zhuǎn)角.通過(guò)父子物體關(guān)系與局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)主動(dòng)件與從動(dòng)件關(guān)系的設(shè)定，僅需驅(qū)動(dòng)父物體運(yùn)動(dòng)，子物體將會(huì)跟隨運(yùn)動(dòng).這樣使得計(jì)算更加簡(jiǎn)化，不僅能減少參數(shù)的輸入，有效地減少函數(shù)的重新載入與IF語(yǔ)句的使用，減少計(jì)算量，使得數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算速度提高.此外，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)代碼可以存儲(chǔ)在其他腳本中，該腳本將被用作“狀態(tài)管理器”.在實(shí)現(xiàn)正數(shù)據(jù)調(diào)用時(shí)，只需調(diào)用服務(wù)器，其子物體將會(huì)跟隨父物體進(jìn)行共同運(yùn)動(dòng).

1.3基于有限狀態(tài)機(jī)的掘錨一體機(jī)動(dòng)態(tài)反饋流程

由于實(shí)際生產(chǎn)情況較為復(fù)雜，復(fù)雜裝備的反饋控制若簡(jiǎn)單使用if/else加標(biāo)志位控制并不能有效地解決狀態(tài)變換的問題，往往會(huì)出現(xiàn)很多不可預(yù)知情況，導(dǎo)致掘錨一體機(jī)的運(yùn)行出現(xiàn)問題，于是本研究運(yùn)用狀態(tài)模式以及有限狀態(tài)機(jī)（Finite-State Machine，F(xiàn)SM）來(lái)快速、高效地解決該問題.

狀態(tài)機(jī)是表示有限狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型.本文主要使用有限狀態(tài)機(jī)對(duì)掘錨一體機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模與編程，約束條件如下：

1）整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程中有且僅有一組狀態(tài)，并且可以在這組狀態(tài)之間進(jìn)行切換.

2）狀態(tài)機(jī)同一時(shí)刻只能在一個(gè)狀態(tài).事實(shí)也是這樣，同一臺(tái)掘錨一體機(jī)在一個(gè)時(shí)間內(nèi)只會(huì)進(jìn)行一項(xiàng)工作.

3）一連串的輸入或事件被發(fā)送給機(jī)器.本文的研究對(duì)象的自變量是時(shí)間，這是一個(gè)連續(xù)的函數(shù).

4）每個(gè)狀態(tài)都有一系列的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換與輸入和另一狀態(tài)相關(guān).得到輸入后，如果它與當(dāng)前狀態(tài)的某個(gè)轉(zhuǎn)換匹配，機(jī)器轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)換所指的狀態(tài).

對(duì)于掘錨一體機(jī)工作全流程，以掏槽大臂為例，幾個(gè)狀態(tài)如圖2所示.

掘錨一體機(jī)在同一時(shí)間內(nèi)僅有一個(gè)狀態(tài)，所以FSM的每一個(gè)狀態(tài)可以用一次枚舉來(lái)表示，定義掘錨一體機(jī)5種狀態(tài)舉升油缸舉升、開始進(jìn)行煤層截割、進(jìn)行剖面切割、收集煤渣、恢復(fù)正常狀態(tài).其算法如表1所示.

對(duì)于掘錨一體機(jī)而言，護(hù)盾、幫錨桿機(jī)、頂錨桿機(jī)等構(gòu)件都存在類似的動(dòng)作與功能觸發(fā)條件.整個(gè)作業(yè)狀態(tài)可以用有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行調(diào)整，掘錨一體機(jī)可以進(jìn)行快速、高效地反饋，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)，保證其運(yùn)動(dòng)的一致性.

1.4地下服役環(huán)境動(dòng)態(tài)變化模擬對(duì)于盾構(gòu)機(jī)數(shù)字孿生而言，其服役環(huán)境動(dòng)態(tài)變

化最重要的過(guò)程為實(shí)時(shí)的截面切割，其本質(zhì)為土塊掉落.現(xiàn)有的計(jì)算方式大多為網(wǎng)格交叉處理，其運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)算效率低.因此，本研究基于現(xiàn)有方法[17]，以一種快速布爾運(yùn)算方法將其替代.

對(duì)于在虛擬空間內(nèi)進(jìn)行的布爾運(yùn)算，一般需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)組，其渲染過(guò)程一般為尋找被裁剪的實(shí)體，通過(guò)消除原色后進(jìn)行重新渲染.一般而言，渲染過(guò)程基本為在表面緩沖區(qū)消色后在另一面著色.在生成緩沖區(qū)過(guò)程之前，僅提取作為布爾運(yùn)算目標(biāo)作為運(yùn)算目標(biāo)的對(duì)象，單獨(dú)創(chuàng)建一個(gè)繪制這些對(duì)象深度的緩沖區(qū)，然后將其寫入深度緩沖區(qū)，在其余的緩存處進(jìn)行.因此，在生成對(duì)于一個(gè)布爾渲染運(yùn)算，需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)組，一個(gè)為要被挖掘的實(shí)體（被裁剪體）和一個(gè)用于裁剪的實(shí)體（裁剪體）.對(duì)于掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生映射而言，截割滾筒為裁剪體，巖層為被裁剪體.

為了方便表示算法，如圖3，定義透明體為裁剪體，不透明體為被裁剪體.

為了清楚起見，該屏幕空間布爾渲染算法如圖3所示，該算法的本質(zhì)為在空間中添加深度緩存區(qū)的深度信息：

1）首先，獲取被裁剪體的表層位置與顏色信息;

2）創(chuàng)建一個(gè)裁剪體，通過(guò)包圍盒算法，獲得交叉的部分，以及被裁剪體進(jìn)行布爾運(yùn)算待去除的區(qū)域，保存該區(qū)域的表面渲染形狀、位置以及顏色;

3）將2）中保存的交叉部分形狀以及位置去除，使其與裁剪體形狀相反;

4）進(jìn)行去除部分的上色，將2）中保存的顏色信息賦予交叉面;

5）刪除用于裁剪的采集體.

在完成上述五步進(jìn)行渲染后，渲染層將被寫入被裁剪體的顏色緩沖區(qū)中，同時(shí)接觸被裁剪體與裁剪體之間的關(guān)系.因此在該過(guò)程中，將被裁剪體設(shè)為服役環(huán)境，即可以快速實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)挖掘過(guò)程中服役環(huán)境隨截割大臂動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生服役環(huán)境的幾何一致性.

2掘錨一體機(jī)虛實(shí)狀態(tài)實(shí)時(shí)映射技術(shù)

數(shù)字孿生虛實(shí)狀態(tài)技術(shù)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行實(shí)體模型參數(shù)信息等傳遞，從而為數(shù)字孿生服務(wù)模型驅(qū)動(dòng)提供參數(shù)與數(shù)據(jù)的支持.

2.1掘錨一體機(jī)通信服務(wù)框架

該掘錨一體機(jī)虛實(shí)狀態(tài)的數(shù)據(jù)獲取主要基于C/S（客戶端/服務(wù)器）模式，將遠(yuǎn)程掘錨一體機(jī)物理實(shí)體作為客戶端，連接與數(shù)據(jù)庫(kù)作為通信客戶端，虛擬實(shí)體及服務(wù)作為交互客戶端，通信服務(wù)框架如圖4所示.

配置完成，打開網(wǎng)絡(luò)通信端口以后，遠(yuǎn)端設(shè)置控制器為服務(wù)端，偵聽客戶端的連接.連接過(guò)程中使程序阻塞不循環(huán)，當(dāng)檢測(cè)到客戶端連接完成后，程序繼續(xù)執(zhí)行.此時(shí)將創(chuàng)建兩條同步任務(wù)，遠(yuǎn)端機(jī)器人繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，將孿生數(shù)據(jù)完整傳送到本機(jī)，在本機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)映射.同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性判斷，在完整性實(shí)現(xiàn)以后進(jìn)行下一波數(shù)據(jù)流傳輸.

當(dāng)客戶端過(guò)大時(shí)，考慮進(jìn)行分布式的網(wǎng)絡(luò)配置，形成服務(wù)器集群.由于孿生數(shù)據(jù)傳輸需要完整且連續(xù)，因此選擇面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的TCP（Transmission Control Protocol）協(xié)議作為傳輸協(xié)議控制整個(gè)傳輸流程.

2.2基于異步Socket通信的掘錨一體機(jī)實(shí)時(shí)虛實(shí)映射過(guò)程

地下工程裝備數(shù)據(jù)模塊主要使用Socket通信程序組成，在Socket通信程序中需要設(shè)置Socket通信的IP地址與端口號(hào)，構(gòu)建與在以上不同路由器與軟件平臺(tái)中的Socket通信，將數(shù)據(jù)二進(jìn)制化后進(jìn)行

發(fā)送S.ocket本身并不是協(xié)議，是一個(gè)應(yīng)用程序接口.可以將其形象的理解為應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的接口.套接字在TCP/IP協(xié)議中位于傳輸層之上.通過(guò)Socket，我們可以方便的調(diào)用TCP/IP協(xié)議.Socket一般采用的是C/S模式，即本文所運(yùn)用的客戶端/服務(wù)器模式，服務(wù)端與客戶端之間的通信如圖5所示.

使用Socket同步傳輸有可能由網(wǎng)絡(luò)卡頓造成等待，同時(shí)服務(wù)端一次僅能處理一條數(shù)據(jù)，對(duì)于多個(gè)客戶端同時(shí)連接相同服務(wù)器的情況，有可能會(huì)使服務(wù)端持續(xù)等待，對(duì)于數(shù)字孿生的時(shí)效性與精確性造成一定影響.因此本文均運(yùn)用基于異步傳輸?shù)腟ocket通信，其實(shí)現(xiàn)方式如圖6所示.

完成地下工程裝備數(shù)據(jù)的接受，如圖6，采用三次握手與四次揮手進(jìn)行數(shù)據(jù)通信：設(shè)置定時(shí)器，每隔固定時(shí)間（50ms）執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)，每次需要接收時(shí)存入異步緩存區(qū)，等待接受，當(dāng)上一條信息接收完成時(shí)，發(fā)送下一條信息.此時(shí)將會(huì)進(jìn)入異步函數(shù)，當(dāng)發(fā)送失敗時(shí)，會(huì)發(fā)送警告信息.

對(duì)于服務(wù)端而言，客戶端數(shù)目多，添加與管理問題需要被考慮.同時(shí)，掘錨一體機(jī)開始運(yùn)動(dòng)后，對(duì)于多個(gè)客戶端而言，需要進(jìn)行管理.因此，本研究使用字典類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)客戶端進(jìn)行管理.

此外，為實(shí)現(xiàn)孿生數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸，本研究制定了特定通訊協(xié)議

其中，description表示該變量名稱，隨后的備注為變量標(biāo)識(shí)單位;paraName為變量簡(jiǎn)寫標(biāo)識(shí)符，該變量被表示為a1，unitCap為單位，這里并沒有單位.通過(guò)讀取當(dāng)前備注，客戶端可讀取所需變量，采用JsonNet包進(jìn)行數(shù)據(jù)的拆分與讀取.掘錨一體機(jī)部件根據(jù)實(shí)際狀態(tài)選擇驅(qū)動(dòng)或者不驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)基于采集數(shù)據(jù)的位置、行為的實(shí)時(shí)更新與狀態(tài)映射.

3應(yīng)用案例

為實(shí)現(xiàn)前述功能，本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況下掘錨一體機(jī)，建立掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)下掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生.本文的開發(fā)環(huán)境為i7-10700與GTX2060的臺(tái)式機(jī).在虛擬實(shí)體搭建過(guò)程中，以VisualStudio2020為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，以Unity3D展示平臺(tái)搭建狀態(tài)實(shí)時(shí)映射系統(tǒng).輸入為經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)采集的掘錨一體機(jī)機(jī)身位姿、油缸流量、電流數(shù)據(jù)、電機(jī)功率等數(shù)據(jù)，輸出為實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的掘錨一體機(jī)虛擬實(shí)體.

3.1掘錨一體機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)映射的實(shí)現(xiàn)3.1.1幾何模型與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

在開始實(shí)際映射前，需要構(gòu)建掘錨一體機(jī)虛擬實(shí)體，作為實(shí)時(shí)狀態(tài)映射的模型載體，本研究將在模型渲染軟件3dsMax中進(jìn)行模型重構(gòu)以及渲染.

如圖7所示，為獲得帶有幾何尺寸與渲染關(guān)系的掘錨一體機(jī)虛擬實(shí)體，需要進(jìn)行以下操作：

1）首先，在三維建模軟件中進(jìn)行掘錨一體機(jī)幾何模型，包括幾何尺寸、參數(shù)關(guān)系;

2）導(dǎo)入3dsMax，進(jìn)行裝配關(guān)系重定義.如圖7（a），重構(gòu)模型樹，建立對(duì)應(yīng)裝配關(guān)系;

3）進(jìn)行網(wǎng)格添加、刪除、調(diào)整.如圖7（b），將多余網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新劃分，減少模型重量;

4）進(jìn)行多余部件刪除.如圖7（c），將多余部件進(jìn)行網(wǎng)格塌陷或刪除，減少模型中不需要的零件或特征.

5）進(jìn)行表面材質(zhì)、貼圖、紋理等制作.如圖7（d），根據(jù)實(shí)際紋理孿生數(shù)據(jù)，進(jìn)行表面材質(zhì)貼圖紋理等特征制作.

綜合以上五個(gè)步驟，獲得數(shù)字孿生虛擬實(shí)體，即可利用孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)孿生服務(wù).對(duì)于動(dòng)力學(xué)而言，需要在動(dòng)力學(xué)仿真軟件中建立相應(yīng)掘錨一體機(jī)動(dòng)力學(xué)模型.

如圖8，為運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件中Adams中構(gòu)建的動(dòng)力學(xué)仿真模型.其中，（a）為Adams中加約束條件的三維模型，（b）為具體的約束細(xì)節(jié).構(gòu)建完成物理約束模型后，即可調(diào)用Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)內(nèi)核進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系計(jì)算，計(jì)算結(jié)果存入運(yùn)動(dòng)仿真歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中.

3.1.2實(shí)時(shí)狀態(tài)映射

由于掘錨一體機(jī)在研發(fā)過(guò)程中不斷迭代更新，對(duì)于數(shù)字孿生實(shí)時(shí)狀態(tài)映射，需要根據(jù)掘錨一體機(jī)虛擬實(shí)體的變化進(jìn)行快速修改.本文通過(guò)導(dǎo)入不同掘錨一體機(jī)模型以及更換歷史數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在同一系列掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生快速構(gòu)建，體現(xiàn)系統(tǒng)的泛化性.

對(duì)于虛擬空間中實(shí)時(shí)部件顯示及傳感器綁定過(guò)程，需要在虛擬空間內(nèi)獲取模型的裝配關(guān)系.據(jù)此本文提出了裝配體模型樹讀取算法.該算法的核心是讀取環(huán)境內(nèi)裝配體的模型樹，通過(guò)遞歸遍歷裝配體內(nèi)所有子樹，同時(shí)在函數(shù)中實(shí)時(shí)調(diào)整與導(dǎo)出裝備名稱與對(duì)應(yīng)裝配關(guān)系，達(dá)到顯示裝配體整體的功能.

該算法的核心流程圖如圖9所示，當(dāng)導(dǎo)入模型時(shí)，程序自動(dòng)調(diào)用該導(dǎo)入算法.通過(guò)選擇對(duì)應(yīng)類，決定改算法搜尋的核心根節(jié)點(diǎn).調(diào)用尋找子節(jié)點(diǎn)算法判斷該節(jié)點(diǎn)鏈表是否存在子節(jié)點(diǎn).當(dāng)子節(jié)點(diǎn)存在時(shí)，通過(guò)調(diào)用遞歸函數(shù)，將該子節(jié)點(diǎn)設(shè)為父節(jié)點(diǎn)，據(jù)此進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的搜尋和遍歷.遍歷完成后，將該子節(jié)點(diǎn)的信息以及其父節(jié)點(diǎn)的信息存入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程.

讀取完模型樹名稱后，需要進(jìn)行模型的導(dǎo)入，從而實(shí)現(xiàn)模型預(yù)裝配，該部分功能通過(guò)使用開源插件進(jìn)行調(diào)用.在使用插件時(shí)，使用方法與前文類似，都為進(jìn)行模型的遞歸，在成功導(dǎo)入模型后，模型的幾何位置關(guān)系都將進(jìn)行導(dǎo)入，此后進(jìn)行裝配關(guān)系導(dǎo)入的說(shuō)明.

實(shí)現(xiàn)模型預(yù)裝配后，如圖10所示，在模型內(nèi)部保存和展示實(shí)際模型樹與開發(fā)軟件Unity3D中完全相同，就此可以進(jìn)行模型樹的存儲(chǔ)與發(fā)送.將傳感器屬性存儲(chǔ)入裝配樹中，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存與驅(qū)動(dòng).

掘錨一體機(jī)幾何模型導(dǎo)入后，需要添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，從而減小模型在運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)時(shí)計(jì)算損耗.該部分需要結(jié)合對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系進(jìn)行研究.對(duì)于歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)不同的掘錨一體機(jī)幾何模型，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)更新，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入模型后模型庫(kù)更新.

在運(yùn)行時(shí)，通過(guò)指針遍歷尋找事先規(guī)定好的裝備位置與相對(duì)關(guān)系，進(jìn)行指針綁定到特定的裝備部件從而實(shí)現(xiàn)特定部件的位置關(guān)系.導(dǎo)入驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)后，對(duì)應(yīng)運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)映射，映射效果如圖11所示.

3.1.3服役環(huán)境動(dòng)態(tài)變化

將該掘錨一體機(jī)幾何模型融入服役環(huán)境，即可在服役環(huán)境中基于實(shí)時(shí)傳遞的孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行服役環(huán)境的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真.通過(guò)孿生服務(wù)調(diào)用接收到的孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型調(diào)用結(jié)果，結(jié)合快速布爾運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)融合服役環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化.

圖12為掘錨一體機(jī)切割煤巖過(guò)程，服役環(huán)境巖層被實(shí)時(shí)切割，切割面積與位置響應(yīng)與對(duì)應(yīng)截割滾筒運(yùn)動(dòng)軌跡相同，實(shí)現(xiàn)掘錨一體機(jī)服役環(huán)境變化一致性.

3.2模型測(cè)試結(jié)果

將地下工程裝備導(dǎo)入U(xiǎn)nity環(huán)境中運(yùn)行，進(jìn)行系統(tǒng)可行性測(cè)試，通過(guò)測(cè)試運(yùn)行誤差、運(yùn)算精度、軟件運(yùn)行幀率判斷該成果是否符合指標(biāo)性能要求.本節(jié)中選取了掘錨一體機(jī)中截割大臂、護(hù)盾以及煤渣裝載機(jī)3個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行算法性能測(cè)試.基于本文編寫的軟件系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如下.

圖13為每步仿真步長(zhǎng)時(shí)間，由圖可知，對(duì)于掘錨一體機(jī)截割大臂、護(hù)盾以及煤渣裝載機(jī)三個(gè)裝配部件而言，其數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算時(shí)間均小于0.1ms，能較好地保證掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生運(yùn)行過(guò)程中物理實(shí)體的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞.

表2為仿真過(guò)程中的平均仿真時(shí)間，對(duì)于掘錨一體機(jī)整體運(yùn)動(dòng)過(guò)程，本文提出的運(yùn)動(dòng)學(xué)處理延遲小于10-2ms.相對(duì)于對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件仿真結(jié)果，有較大提升.其中，煤渣裝載機(jī)的仿真時(shí)間4.89×10-3ms，相對(duì)于其余兩種機(jī)構(gòu)處理時(shí)間延遲高，原因?yàn)闄C(jī)構(gòu)本身較為復(fù)雜，導(dǎo)致最終處理時(shí)間較長(zhǎng).

此外，將本運(yùn)動(dòng)學(xué)快速仿真模型與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件獲得的相對(duì)誤差進(jìn)行對(duì)比.相對(duì)誤差由以下公式表示

式中，ere為物理實(shí)體與虛擬實(shí)體相應(yīng)關(guān)鍵部件的相對(duì)誤差，φs為運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真后測(cè)得的物理實(shí)體關(guān)鍵部件角度，φa為采用本文所提方法在數(shù)字孿生軟件中進(jìn)行采樣獲得的虛擬實(shí)體相對(duì)部件角度.

圖14為煤渣轉(zhuǎn)載機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角-相對(duì)誤差圖，對(duì)于截割大臂，基于本文編寫的軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在0.5%～2.5%左右，遠(yuǎn)小于5%，可以被認(rèn)為基本滿足數(shù)字孿生行為一致性要求.其中，在主動(dòng)件-20°～-5°油缸轉(zhuǎn)角誤差較大的可能原因?yàn)樵摱沃鲃?dòng)件對(duì)于從動(dòng)件造成了較大的角度變化，最終導(dǎo)致誤差相對(duì)較大.

圖15為掘錨一體機(jī)護(hù)盾驅(qū)動(dòng)-相對(duì)誤差圖，對(duì)于掘錨一體機(jī)護(hù)盾，平均誤差在1%～3%之間浮動(dòng)，遠(yuǎn)小于5%，可以被認(rèn)為基本滿足數(shù)字孿生行為一致性要求.其浮動(dòng)原因應(yīng)為該類機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中具有一定的周期性.

圖16為煤渣裝載機(jī)的驅(qū)動(dòng)-誤差圖，對(duì)于掘錨一體機(jī)裝載機(jī)，平均誤差在1%～2.5%左右，小于指標(biāo)規(guī)定的5%，基本滿足要求.其中，油缸轉(zhuǎn)角誤差較大的可能原因與截割大臂相同，為從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)位移較大.

較快的運(yùn)動(dòng)學(xué)處理時(shí)間保證了基于文中方法構(gòu)建的數(shù)字孿生實(shí)時(shí)映射具有較高的仿真效率.圖17為項(xiàng)目的運(yùn)行幀率圖，對(duì)于掘錨一體機(jī)在unity軟件中，其運(yùn)行的平均速度在74.3幀/s（Frames Per Sec?ond，F(xiàn)PS）左右.基本實(shí)現(xiàn)掘錨一體機(jī)融合服役環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)映射，作業(yè)流程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，保證數(shù)字孿生實(shí)時(shí)狀態(tài)映射中幾何、行為的實(shí)時(shí)性與一致性.

4結(jié)論

本研究從地下工程裝備生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程出發(fā)，以掘錨一體機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生實(shí)時(shí)狀態(tài)映射的研究，結(jié)論概要如下：

1）開發(fā)了歷史物理仿真數(shù)據(jù)庫(kù)，基于歷史物理仿真數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了掘錨一體機(jī)及服役環(huán)境快速仿真分析;

2）提出了地下工程裝備幾何模型庫(kù)構(gòu)建技術(shù)，通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)、快速布爾運(yùn)算等實(shí)現(xiàn)了地下工程裝備全生命周期狀態(tài)鏡像映射，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中服役環(huán)境實(shí)時(shí)仿真，對(duì)于掘錨一體機(jī)整機(jī)抬升、進(jìn)給、挖掘、回收煤渣等運(yùn)動(dòng)過(guò)程，運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)處理延遲達(dá)到10-2ms，插值數(shù)據(jù)誤差小于3%;

3）提出了掘錨一體機(jī)虛實(shí)映射技術(shù)，在線采集傳遞孿生數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了基于異步傳輸?shù)男畔⒂蓪?shí)到虛傳遞，開發(fā)的掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生仿真幀率達(dá)到74.3幀/s.

本文提出基于數(shù)字孿生的掘錨一體機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)映射與作業(yè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有利于指導(dǎo)復(fù)雜裝備施工過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、在線監(jiān)控.目前本研究?jī)H從數(shù)字孿生幾何一致性與行為一致性構(gòu)建掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生狀態(tài)映射.未來(lái)將從裝備性能實(shí)時(shí)響應(yīng)、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)優(yōu)化方面對(duì)掘錨一體機(jī)數(shù)字孿生進(jìn)行優(yōu)化與完善.

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