摘要：針對應用數(shù)字孿生實現(xiàn)綜采工作面液壓支架姿態(tài)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(tài)數(shù)字孿生精準快速映射方法。設計了包括物理感知層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務邏輯層和表現(xiàn)層的液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構；在業(yè)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(tài)數(shù)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(shù)字孿生模型轉動角度之間的轉換關系，實現(xiàn)液壓支架姿態(tài)數(shù)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(tài)映射的精度；在數(shù)據(jù)層，從各數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)中劃分出傳輸間隔并進行參數(shù)約束，應用參數(shù)規(guī)劃求解優(yōu)化可調環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)更新間隔，減少了數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程的資源浪費和時延。搭建了液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生精準快速映射平臺，進行液壓支架姿態(tài)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(tài)映射精度的前提下具有較低的時延。

關鍵詞：液壓支架；數(shù)字孿生；虛實映射；渲染時延；數(shù)據(jù)傳輸時延；參數(shù)規(guī)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(shù)字化和智能化是工作面安全、高效生產的重要支撐。應用數(shù)字孿生實現(xiàn)液壓支架姿態(tài)映射是液壓支架監(jiān)測和管理的新途徑，但目前存在精度低、時延大的問題。

在數(shù)字孿生系統(tǒng)框架方面，張帆等[5-6]提出了數(shù)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(shù)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(shù)字孿生感知模型，提出搭建綜采工作面數(shù)字孿生系統(tǒng)的主要任務是數(shù)據(jù)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(xiàn)實時姿態(tài)映射，對生產線設備進行數(shù)字孿生建模，基于Unity 開發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)，應用Snap7 通信協(xié)議實現(xiàn)PLC 與Unity 的數(shù)據(jù)通信，提供了建模、系統(tǒng)搭建和數(shù)據(jù)通信的整體思路。在提高數(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)做支撐；劉清等[11]提出了高協(xié)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(fā)高協(xié)同動作，但不適用于液壓支架復雜姿態(tài)的表達；柳林燕等[12]、康瑞浩等[13]針對工業(yè)機器人等由旋轉關節(jié)組成的簡易結構，通過關節(jié)轉角數(shù)據(jù)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(shù)字孿生和數(shù)據(jù)驅動耦合的液壓支架實時映射方案，但ANSYS 和Unity 中間數(shù)據(jù)庫的處理增加了數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，從而增加了時延。在減少數(shù)字孿生映射時延方面，王宏偉等[15]構建了包含機械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的高精度數(shù)字孿生模型，適用于分析液壓支架內部細節(jié)的場景，但對注重整體姿態(tài)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)源進行清晰劃分，將歷史數(shù)據(jù)用作工藝過程回放，時序數(shù)據(jù)用作跟機工藝演繹，通過減少每次傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)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(guī)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(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，憑借協(xié)議簡單、實施簡便的優(yōu)勢快速布置到支持TCP/UDP 網絡通信的數(shù)字孿生系統(tǒng)，降低了傳輸時延；高蕾等[21]基于AMESim對液壓支架液壓系統(tǒng)進行仿真分析，根據(jù)液壓壓力數(shù)據(jù)推演液壓支架數(shù)字孿生模型預設動作，根據(jù)壓力數(shù)據(jù)與跟機速度的關系來保證時延，但姿態(tài)映射精度無法保證。

為平衡液壓支架姿態(tài)虛實映射的精度與時延，提出了一種液壓支架姿態(tài)數(shù)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(tài)數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)的更新頻率，以減少數(shù)據(jù)傳輸時延。

1 液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構

液壓支架姿態(tài)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構主要分為物理感知層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務邏輯層和表現(xiàn)層，如圖1所示。