CN115345034B - 一种液压支架群的数字孪生体的管理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提出的液压支架群的数字孪生体的管理方法、系统及存储介质中，建立液压支架群中每个液压支架的数字孪生模型，数字孪生模型的分布与对应液压支架的分布相同，获取液压支架群中相邻液压支架之间的距离信息，根据距离信息校正每个数字孪生模型的位置，采集设置于相邻液压支架之间的传感器的测量数据，基于测量数据和数字孪生模型的分布，利用力学方程约束对液压支架群的数字孪生体进行管理。由此，本申请中的数字孪生模型能与液压支架的位姿保持同步，且使得相邻液压支架之间建立了物理关系，从而使得数字孪生模型存在与真实液压支架群的孪生关系，进而使得可以通过液压支架群的数字孪生模型对液压支架群进行模拟、仿真和监控。

Description

一种液压支架群的数字孪生体的管理方法及系统
技术领域
本公开涉及故障诊断技术领域，尤其涉及一种液压支架群的数字孪生体的管理方法、系统以及存储介质。
背景技术
液压支架作为综采机械化关键设备，需要对液压支架进行监测以对液压支架进行控制。而在实际煤矿综采工作环境中通常是由多个液压支架构成的液压支架群共同完成综采任务。但是，由于煤矿综采的环境比较复杂，不能实时在煤矿综采环境中监控和控制液压支架群。基于此，需要建立液压支架群的数字孪生模型，然后通过液压支架群虚拟的数字孪生模型与液压支架群实体进行交互反馈，并通过虚拟的数字孪生模型实现对液压支架群的状态监控和运动控制。
相关技术中，通过对单一液压支架建立数字孪生模型后，然后根据实际工作面液压支架群中各个液压支架的分布进行排列，从而形成该液压支架群的数字孪生模型。其中，相关技术中通过大量液压支架多角度的图片，然后使用3Ds Max对液压支架外观建立数据孪生模型，或者，通过手持式三维扫描仪对液压支架进行三维扫描后，自动生成三维点云模型，并通过采集液压支架上布设的传感器的实时数据对单个液压支架的数字孪生模型进行控制。
但是，相关技术中建立的液压支架的模型未精细到液压支架的零部件，因此无法显示液压支架的零部件，导致不能对液压支架的零部件进行控制，进而使得数字孪生模型不能与液压支架的位姿保持同步。同时，上述相关技术中，建立的液压支架群的数字孪生模型仅按照每个液压支架的分布进行简单排列，并没有建立液压支架之间的物理关系，则会导致数字孪生模型之间的不受力学定律的约束，进而不存在与真实液压支架群的孪生关系，使得不能通过液压支架群的数字孪生模型对该液压支架群进行监控。
发明内容
本公开提出了一种液压支架群的数字孪生体的管理方法、系统以及存储介质，旨在解决相关技术中实用价值低的技术问题。
本公开第一方面实施例提出了一种液压支架群的数字孪生体的管理方法，包括：
建立液压支架群中每个液压支架的数字孪生模型，所述数字孪生模型的分布与对应液压支架的分布相同；
获取所述液压支架群中相邻液压支架之间的距离信息，根据所述距离信息校正每个数字孪生模型的位置；
采集设置于所述相邻液压支架之间的传感器的测量数据；
基于所述测量数据和所述数字孪生模型的分布，利用力学方程约束对所述液压支架群的数字孪生体进行管理。
本公开第二方面实施例提出了一种液压支架群的数字孪生体的管理系统，包括：
建立模块，用于建立液压支架群中每个液压支架的数字孪生模型，所述数字孪生模型的分布与对应液压支架的分布相同；
校正模块，用于获取所述液压支架群中相邻液压支架之间的距离信息，根据所述距离信息校正每个数字孪生模型的位置；
采集模块，用于采集设置于所述相邻液压支架之间的传感器的测量数据；
管理模块，用于基于所述测量数据和所述数字孪生模型的分布，利用力学方程约束对所述液压支架群的数字孪生体进行管理。
本申请第三方面实施例提出的计算机设备，其中，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时，能够实现如上第一方面所述的方法。
本申请第四方面实施例提出的计算机存储介质，其中，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令；所述计算机可执行指令被处理器执行后，能够实现如上第一方面所述的方法。
本申请提出的液压支架群的数字孪生体的管理方法、系统及存储介质中，建立液压支架群中每个液压支架的数字孪生模型，数字孪生模型的分布与对应液压支架的分布相同，获取液压支架群中相邻液压支架之间的距离信息，根据距离信息校正每个数字孪生模型的位置，采集设置于相邻液压支架之间的传感器的测量数据，基于测量数据和数字孪生模型的分布，利用力学方程约束对液压支架群的数字孪生体进行管理。由此，本申请中每个液压支架的数字孪生模体精细到液压支架的零部件，以使得可以对液压支架的零部件进行控制，从而使得数字孪生模型与液压支架的位姿保持同步。同时本申请对每个数字孪生模型的位置进行逐一较正，使得液压支架群对应的数字孪生模型的分布与液压支架群中每个液压支架的真实分布保持一致，使得相邻液压支架之间建立了物理关系，从而使得数字孪生模型存在与真实液压支架群的孪生关系，进而使得可以通过液压支架群的数字孪生模型对液压支架群进行模拟、仿真和监控。
本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
本公开上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本公开一实施例提供的液压支架群的数字孪生体的管理方法的流程示意图；
图2是根据本公开另一实施例提供的液压支架群的数字孪生体的管理系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。相反，本公开的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
实施例一
图1是根据本公开一实施例提供的液压支架群的数字孪生体的管理方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
步骤101、建立液压支架群中每个液压支架的数字孪生模型。
其中，在本发明的实施例中，建立液压支架群中每个液压支架的数字孪生模型的方法可以包括以下步骤：
步骤a、建立液压支架的三维模型。
其中，在本发明的一个实施例中，可以根据上述液压支架的设计结构，使用结构设计软件对液压支架零部件进行三维建模。
以及，在本发明的一个实施例中，上述结构设计软件可以包括solidworks、creo中的至少一种。
进一步地，在本发明的一个实施例中，上述三维模型中包括液压支架的零部件，零部件可以包括零件、组件和部件。示例的，零件可以包括螺钉、螺母，部件可以包括立柱、底座。
步骤b、将三维模型导入到三维模型软件中，通过三维模型软件对三维模型进行渲染，得到渲染后的三维模型。
其中，在本发明的一个实施例之中，可以将步骤a得到的三维模型导入到3Ds Max三维模型软件，利用3Ds Max软件对该三维模型进行渲染。以及，在本发明的一个实施例之中，可以对三维模型进行面数调整、渲染优化、光线调整中一种或多种的调整操作，并基于上述液压支架真实的设计制造数据设置不同零部件的材料、纹理、照明，以使得渲染后的三维模型更加真实。
步骤c、将渲染后的三维模型导入物理引擎，在物理引擎中设置渲染后的三维模型中零部件的约束和/或零部件之间的约束，得到液压支架的数字孪生模型。
其中，在本发明的一个实施例之中，上述物理引擎可以为UnrealEngine、Unity3D中的任意一种。
以及，在本发明的一个实施例之中，零部件的约束可以为零部件可移动的预设阈值范围。示例的，立柱上升的预设阈值范围为（0~300mm），立柱下降的预设阈值范围为（0~300mm），支架偏移工作面法线方向的偏移角度的预设阈值范围为（0-~3°）。
进一步地，在本发明的一个实施例之中，零部件之间的约束可以为部件与部件之间运动方向约束。示例的，在液压支架中立柱是顶着顶梁进行运行，基于此，立柱和顶梁之间的约束为立柱和顶梁的运动方向一致，即立柱的运动方向为向上时，顶梁的运动方向也为向上。
需要说明的是，在本公开的一个实施例中，当获取到液压支架中的零部件的数据时，可以通过设置的零部件的约束和/或零部件之间的约束判断当前液压支架的零部件的数据是否正常，从而能够更好的判断液压支架所处的状态。
以及，在本发明的一个实施例之中，通过上述步骤a-步骤c得到的每个液压支架的数字孪生模体可以精细到液压支架的零部件，且每个液压支架的数字孪生模体均可以采集设置与液压支架上的传感器的实时数据，然后通过获取到的实时数据与液压支架的位姿保持同步（例如进行推移、拉架、升架、降架等动作）。
步骤102、获取液压支架群中相邻液压支架之间的距离信息，根据距离信息校正每个数字孪生模型的位置。
其中，在本发明的一个实施例之中，获取液压支架群中相邻液压支架之间的距离信息，根据距离信息校正每个数字孪生模型的位置的方法可以包括以下步骤：
步骤1、通过液压支架群中相邻液压支架之间的距离传感器，获取相邻液压支架之间的距离信息。
步骤2、以位于顶边的数字孪生模型为基准，根据距离信息逐一校正每个数字孪生模型的位置。
其中，在本发明的一个实施例中，通过上述步骤102对每个数字孪生模型的位置进行逐一较正之后，使得液压支架群对应的数字孪生模型的分布与液压支架群中每个液压支架的真实分布保持一致，进而使得液压支架之间的建立了物理关系，以便后续根据液压支架之间的物理关系，对该液压支架群进行整体的状态进行分析。
步骤103、采集设置于相邻液压支架之间的传感器的测量数据。
其中，在本发明的一个实施例之中，相邻液压支架之间可以根据需要设置多种不同的传感器，当相邻液压支架之间设置的传感器不同时，对应采集的测量数据也有所不同。
具体的，在本发明的一个实施例之中，可以采集设置于相邻液压支架之间的压力传感器测量的压力数据，并根据测量到的相邻液压支架之间的压力数据，得到相邻液压支架之间的相互作用力。
步骤104、基于测量数据和数字孪生模型的分布，利用力学方程约束对液压支架群的数字孪生体进行管理。
其中，在本发明的一个实施例之中，对于不同力学问题对应不同的力学方程约束。
具体的，在本发明的一个实施例之中，对于动力学问题（如支架四连杆机构等的受力运动状态），对应的力学方程约束为动力学方程约束。其中，动力学方程约束包括根据达朗贝尔原理确立的支架力平衡方程与根据虚位移原理确定的能量平衡方程，具体为：
Figure 414012DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 816174DEST_PATH_IMAGE002
。
其中，
Figure 485053DEST_PATH_IMAGE003
表示被分析物体所受主动力，
Figure 478417DEST_PATH_IMAGE004
表示被分析物体所受约束力，
Figure 154117DEST_PATH_IMAGE005
表示被分析物体所受重力，
Figure 891129DEST_PATH_IMAGE006
表示一段无穷小位移，又称虚位移。
以及，在本发明的另一个实施例之中，对于静力学问题（如液压支架底座上个各区域的应力与应变），对应的力学方程约束为材料力学方程约束。其中，材料力学方程约束包括计算液压支架顶梁转角、挠曲线的方程，具体为：
Figure 414514DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 47621DEST_PATH_IMAGE008
表示顶梁转角，
Figure 289247DEST_PATH_IMAGE009
表示挠曲线，
Figure 564370DEST_PATH_IMAGE010
表示弯矩，
Figure 207841DEST_PATH_IMAGE011
表示顶梁，
Figure 605324DEST_PATH_IMAGE012
表示材料弹性模量，
Figure 334246DEST_PATH_IMAGE013
表示材料惯性矩。
其中，在本发明的一个实施例之中，利用力学方程约束对液压支架群的数字孪生体进行的管理可以包括：利用力学方程约束对液压支架群的数字孪生体进行控制，和/或，利用力学方程约束对液压支架群的数字孪生体进行故障诊断。
示例的，在本发明的一个实施例之中，液压支架群组在支护过程中，可根据上述动力学方程约束的解得到各个支架所受的主动力，从而根据各个支架所受的主动力提前调节供液系统进行供液，达到自适应的支护效果，缓解供液系统压力。
以及，在本发明的另一个实施例之中，某液压支架的底座结构件发生了焊缝开裂，此时即可通过调取过往液压支架受力数据，通过对上述动力学方程约束进行计算得到底座的应力云图，从而分析得出开裂焊缝的成因，为后续底座设计、焊接加工工艺提供改进参考。
本申请提出的液压支架群的数字孪生体的管理方法中，建立液压支架群中每个液压支架的数字孪生模型，数字孪生模型的分布与对应液压支架的分布相同，获取液压支架群中相邻液压支架之间的距离信息，根据距离信息校正每个数字孪生模型的位置，采集设置于相邻液压支架之间的传感器的测量数据，基于测量数据和数字孪生模型的分布，利用力学方程约束对液压支架群的数字孪生体进行管理。由此，本申请中每个液压支架的数字孪生模体精细到液压支架的零部件，以使得可以对液压支架的零部件进行控制，从而使得数字孪生模型与液压支架的位姿保持同步。同时本申请对每个数字孪生模型的位置进行逐一较正，使得液压支架群对应的数字孪生模型的分布与液压支架群中每个液压支架的真实分布保持一致，使得相邻液压支架之间建立了物理关系，从而使得数字孪生模型存在与真实液压支架群的孪生关系，进而使得可以通过液压支架群的数字孪生模型对液压支架群进行模拟、仿真和监控。
图2是根据本公开另一实施例提供的液压支架群的数字孪生体的管理系统的结构示意图，如图2所示，该系统包括：
建立模块201，用于建立液压支架群中每个液压支架的数字孪生模型，数字孪生模型的分布与对应液压支架的分布相同；
校正模块202，用于获取液压支架群中相邻液压支架之间的距离信息，根据距离信息校正每个数字孪生模型的位置；
采集模块203，用于采集设置于相邻液压支架之间的传感器的测量数据；
管理模块204，用于基于测量数据和数字孪生模型的分布，利用力学方程约束对液压支架群的数字孪生体进行管理。
其中，在本发明的一个实施例之中，上述建立模块，具体用于：
建立液压支架的三维模型，三维模型中包括液压支架的零部件，零部件包括零件、组件和部件；
将三维模型导入到三维模型软件中，通过三维模型软件对三维模型进行渲染，得到渲染后的三维模型；
将渲染后的三维模型导入物理引擎，在物理引擎中设置渲染后的三维模型中零部件的约束和/或零部件之间的约束，得到液压支架的数字孪生模型，其中零部件的约束为零部件可移动的预设阈值范围。
本申请提出的液压支架群的数字孪生体的管理系统中，建立液压支架群中每个液压支架的数字孪生模型，数字孪生模型的分布与对应液压支架的分布相同，获取液压支架群中相邻液压支架之间的距离信息，根据距离信息校正每个数字孪生模型的位置，采集设置于相邻液压支架之间的传感器的测量数据，基于测量数据和数字孪生模型的分布，利用力学方程约束对液压支架群的数字孪生体进行管理。由此，本申请中每个液压支架的数字孪生模体精细到液压支架的零部件，以使得可以对液压支架的零部件进行控制，从而使得数字孪生模型与液压支架的位姿保持同步。同时本申请对每个数字孪生模型的位置进行逐一较正，使得液压支架群对应的数字孪生模型的分布与液压支架群中每个液压支架的真实分布保持一致，使得相邻液压支架之间建立了物理关系，从而使得数字孪生模型存在与真实液压支架群的孪生关系，进而使得可以通过液压支架群的数字孪生模型对液压支架群进行模拟、仿真和监控。
为了实现上述实施例，本公开还提出一种计算机存储介质。
本公开实施例提供的计算机存储介质，存储有可执行程序；所述可执行程序被处理器执行后，能够实现如图1任一所示的方法。
为了实现上述实施例，本公开还提出一种计算机设备。
本公开实施例提供的计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；所述处理器执行所述程序时，能够实现如图1任一所示的方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种液压支架群的数字孪生体的管理方法，其特征在于，包括：
建立液压支架群中每个液压支架的数字孪生模型，所述数字孪生模型的分布与对应液压支架的分布相同；
获取所述液压支架群中相邻液压支架之间的距离信息，根据所述距离信息校正每个数字孪生模型的位置，其中，通过所述液压支架群中相邻液压支架之间的距离传感器，获取所述相邻液压支架之间的距离信息，以位于顶边的数字孪生模型为基准，根据所述距离信息逐一校正每个数字孪生模型的位置；
采集设置于所述相邻液压支架之间的传感器的测量数据，其中，采集设置于所述相邻液压支架之间的压力传感器测量的压力数据；
基于所述测量数据和所述数字孪生模型的分布，利用力学方程约束对所述液压支架群的数字孪生体进行管理；
所述利用力学方程约束对所述液压支架群的数字孪生体进行管理，包括：
利用力学方程约束对所述液压支架群的数字孪生体进行控制；
所述力学方程约束包括动力学方程约束和材料力学方程约束，其中，所述动力学方程约束包括根据达朗贝尔原理确立的支架力平衡方程与根据虚位移原理确定的能量平衡方程，具体为：
Figure 559876DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 387018DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，
Figure 859588DEST_PATH_IMAGE003
表示被分析物体所受主动力，
Figure 973037DEST_PATH_IMAGE004
表示被分析物体所受约束力，
Figure 429426DEST_PATH_IMAGE005
表示被分析物 体所受重力，
Figure 653734DEST_PATH_IMAGE006
表示一段无穷小位移；
所述材料力学方程约束包括计算液压支架顶梁转角、挠曲线的方程，具体为：
Figure 715231DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 406107DEST_PATH_IMAGE008
表示顶梁转角，
Figure 818633DEST_PATH_IMAGE009
表示挠曲线，
Figure 846632DEST_PATH_IMAGE010
表示弯矩，
Figure 559373DEST_PATH_IMAGE011
表示顶梁，
Figure 749046DEST_PATH_IMAGE012
表示材料弹性模 量，
Figure 648869DEST_PATH_IMAGE013
表示材料惯性矩；
其中，液压支架群组在支护过程中，根据所述动力学方程约束的解得到各个支架所受的主动力，并根据所述各个支架所受的主动力提前调节供液系统进行供液。
2.如权利要求1所述的管理方法，其特征在于，所述建立液压支架群中每个液压支架的数字孪生模型，包括：
建立液压支架的三维模型，所述三维模型中包括所述液压支架的零部件，所述零部件包括零件、组件和部件；
将所述三维模型导入到三维模型软件中，通过所述三维模型软件对所述三维模型进行渲染，得到所述渲染后的三维模型；
将所述渲染后的三维模型导入物理引擎，在所述物理引擎中设置所述渲染后的三维模型中所述零部件的约束和所述零部件之间的约束，得到所述液压支架的数字孪生模型，其中所述零部件的约束为所述零部件可移动的预设阈值范围。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用力学方程约束对所述液压支架群的数字孪生体进行管理，还包括：
利用力学方程约束对所述液压支架群的数字孪生体进行故障诊断。
4.一种液压支架群的数字孪生体的管理系统，其特征在于，包括：
建立模块，用于建立液压支架群中每个液压支架的数字孪生模型，所述数字孪生模型的分布与对应液压支架的分布相同；
校正模块，用于获取所述液压支架群中相邻液压支架之间的距离信息，根据所述距离信息校正每个数字孪生模型的位置，其中，通过所述液压支架群中相邻液压支架之间的距离传感器，获取所述相邻液压支架之间的距离信息，以位于顶边的数字孪生模型为基准，根据所述距离信息逐一校正每个数字孪生模型的位置；
采集模块，用于采集设置于所述相邻液压支架之间的传感器的测量数据，其中，采集设置于所述相邻液压支架之间的压力传感器测量的压力数据；
管理模块，用于基于所述测量数据和所述数字孪生模型的分布，利用力学方程约束对所述液压支架群的数字孪生体进行管理；
所述利用力学方程约束对所述液压支架群的数字孪生体进行管理，包括：
利用力学方程约束对所述液压支架群的数字孪生体进行控制；
所述力学方程约束包括动力学方程约束和材料力学方程约束，其中，所述动力学方程约束包括根据达朗贝尔原理确立的支架力平衡方程与根据虚位移原理确定的能量平衡方程，具体为：
Figure 120039DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 421708DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，
Figure 782282DEST_PATH_IMAGE003
表示被分析物体所受主动力，
Figure 700559DEST_PATH_IMAGE004
表示被分析物体所受约束力，
Figure 70361DEST_PATH_IMAGE005
表示被分析物 体所受重力，
Figure 960957DEST_PATH_IMAGE006
表示一段无穷小位移；
所述材料力学方程约束包括计算液压支架顶梁转角、挠曲线的方程，具体为：
Figure 164536DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 773372DEST_PATH_IMAGE008
表示顶梁转角，
Figure 946864DEST_PATH_IMAGE009
表示挠曲线，
Figure 488704DEST_PATH_IMAGE010
表示弯矩，
Figure 456660DEST_PATH_IMAGE011
表示顶梁，
Figure 552792DEST_PATH_IMAGE012
表示材料弹性模 量，
Figure 670921DEST_PATH_IMAGE013
表示材料惯性矩；
其中，液压支架群组在支护过程中，根据所述动力学方程约束的解得到各个支架所受的主动力，并根据所述各个支架所受的主动力提前调节供液系统进行供液。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述建立模块，具体用于：
建立液压支架的三维模型，所述三维模型中包括所述液压支架的零部件，所述零部件包括零件、组件和部件；
将所述三维模型导入到三维模型软件中，通过所述三维模型软件对所述三维模型进行渲染，得到所述渲染后的三维模型；
将所述渲染后的三维模型导入物理引擎，在所述物理引擎中设置所述渲染后的三维模型中所述零部件的约束和所述零部件之间的约束，得到所述液压支架的数字孪生模型，其中所述零部件的约束为所述零部件可移动的预设阈值范围。
6.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现如权利要求1-3中任一所述的方法。
7.一种计算机存储介质，其中，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令；所述计算机可执行指令被处理器执行后，能够实现权利要求1-3中任一所述的方法。
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