基于OPC UA的数字孪生矿井提升系统信息模型研究

徐善永，白善文，黄友锐，2，韩 涛

(1.安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001；2.皖西学院 电气与光电工程学院，安徽 六安 237012)

随着“中国制造2025”和“互联网+”的不断深入，煤矿逐步向数字化、智能化方向飞速发展。数字孪生作为一门综合多学科、多尺度、多概率的复杂系统仿真技术，它能够实现物理模型和孪生模型的完整映射，为实现物理世界和信息世界的融合以及指导产品生产、装配等过程提供了有效的解决方案[2]。矿井提升机作为煤矿生产中的关键设备，其系统中各类子系统种类多、设备型号繁杂[3]，作为一个长期周期性运行的系统，设备能耗大、可靠性要求高，其提升机频繁启动、制动[4]，导致部分设备损耗快需要经常更换，新老设备间信息数据完备性低、信息交互滞后，会形成信息孤岛现象。因此需要解决矿井提升机系统信息数据难以互联互通的问题。

数字孪生的核心是建模和数据交互[5]，国内外许多学者对多源异构信息收集、轻量化以及数字孪生模型构建等关键技术开展了研究工作，聂志等[6]为攻克离散的车间生产流程中对零部件的实时位置追踪、生产流程信息跟踪的难题，采用超高频射频、二维码和物联方式的信息收集和处理解决方案；丁凯等[7]从多维多尺度智能制造空间角度，根据数字孪生技术的实施设计逻辑，深入研究了智能制造空间的虚实映射建模方式、复杂性多维时间域下的智能制造过程及数据分析模型方法；Greyce[8]则对于实现建模和通信的通用性，给出了基于AutomationML的数学模型建模方法和通用数据信息交互技术。

信息集成与互联互通是消除信息孤岛的关键环节[9]。OPC统一架构(OLE for Process Control Unified Architecture，OPC UA)作为一套安全、可靠用于工业通信的数据交互规范的平台[10]，能够建立语义一致的信息模型实现设备与系统之间的信息集成和互联互通。通过OPC UA技术配合现有的生产管控系统来实现物理世界中“人-机-物-环境”的互联共融，为推动数字孪生运转提供一种解决办法。

因此，本文基于OPC UA对数字孪生矿井提升系统信息模型进行研究。依据人、机、物、环境四类多源、多维度异构数据构建提升机系统OPC UA信息交互网络架构，分析满足矿井提升机要求的功能模型和信息流，提出适用于矿井提升机系统的信息建模方法。通过搭建的数字孪生系统平台验证矿井提升系统信息模型的可行性。

1 基于OPC UA的数字孪生数据集成框架

1.1 OPC UA架构

经典OPC以COM/DCOM为基础提供用于工业自动化的数据交换的规范，其中OPC数据存取(DA)、OPC报警和事件(A&E)以及OPC历史数据存取(HDA)已被以工业自动化为目标的系统所实现。为了从落后的COM/DCOM技术向面向服务的架构(SOA)的技术迁移，OPC基金会发布了OPC统一架构(OPC UA)作为最新一代OPC规范。OPC UA规范不再是基于COM/DCOM技术，因此OPC UA可以在Windows、Linux、PLC、ARM等其他的嵌入式平台中实现。

OPC UA的基础组件是传输机制和信息建模[11-12]。OPC UA在传输中可通过XML格式或者二进制格式来传输，并且可选择并兼容更多通用的IT通信协议，比如HTTPS。OPC UA建模是节点以及节点之间的引用。其中节点分为变量、对象、方法等8个节点类型，属性被用来描述节点，一个节点可以有不同的属性集，如图1所示。引用作为两个节点之间的连接，只能间接地通过浏览节点访问。

图1 节点和节点之间的引用

1.2 提升系统数字孪生数据集成体系架构

物理世界是数字孪生的重要组成，包括了人员、设备、环境等客观实体以及在生产过程中产生的各种数据。采用OPC UA技术对矿井提升系统所有生产要素进行统一建模和数据传输，从而增强矿井提升系统生产运行中实时感知信息的能力，推动数字孪生系统的高效运转。依据系统功能的应用需求，矿井提升系统数字孪生数据集成体系可以划分为感知层、传输层、应用层三个层次，如图2所示。

图2 提升系统数字孪生数据集成体系架构

感知层利用PLC设备、电压传感器、温度传感器、压力传感器等各类传感器实时自动采集现场设备运行参数，以及对提升机、液压站、各类电机等矿井生产现场中的物理设备生产要素实时采集，获取人、机、物、环境等多源异构数据。由于提升系统各机电设备有着相对独立的网口、串口以及厂商自定义的数据获取方式，如串行通信技术有RS232、RS485等；现场总线通信技术有AN、LonWorks、ProfiBus等。物理接口、通信协议等语义的异构性，使设备与设备之间、系统与系统之间有着信息壁垒，所以采用OPC UA通信协议来解决多源异构数据的问题。

传输层采用OPC UA通信协议对感知层中不同物理设备所产生的多源异构数据建立标准化的信息模型，解决信息数据完备性低以及信息交互滞后等形成的信息孤岛问题，实现矿井提升机系统在语义上的互联互通。传输层主要通过对矿井提升机系统的整体信息模型进行构建，对各物理设备的多源异构数据建立统一化、标准化的信息模型。根据OPC UA建模和传输的特点，将标准化信息模型结合地址空间模块与采集的规范化数据构建出OPC UA服务器的地址空间，并对信息模型进行实例化，而后通过OPC UA服务器完成物理模型与孪生模型地址空间数据映射，将OPC UA客户端直接集成于数字孪生服务平台，为数字孪生的服务与数据采集提供统一的通讯架构。

应用层通过OPC UA客户端与OPC UA服务器连接实现对矿井提升机物理设备的状态数据和过程数据的统一访问。利用Unity3D构建矿井提升机孪生模型，并基于传输层的数据支持，保持与物理信息融合结果的一致性。通过OPC UA客户端获得具有标准的数据源和统一的语义信息，为上层应用提供数据支撑，使得数字孪生服务平台为实现故障诊断、剩余寿命预测、智能管控等功能提供支撑。

2 面向数字孪生提升系统的OPC UA建模

2.1 矿井提升机系统信息模型建模要求

矿井提升机系统包括主轴装置、传动系统、制动系统、控制系统等。由于矿井提升机系统规模大、设备多、控制复杂，因此对其进行信息建模时应遵循完整性、一致性、可扩展性要求[3]。在完整性上，矿井提升机系统信息模型应包含设备基本信息、工作状态、参数等多方面信息；在一致性上，矿井提升机系统信息模型应与实际设备属性信息保持一致，保证参数、状态的一一对应；在可扩展性上，矿井提升机系统信息模型应是开放的、可修改升级的，保证信息模型的灵活性、动态性。

根据矿井提升机系统基本信息和OPC UA信息模型建模规则，将实体设备与信息模型建立对应关系如图3所示。其中实体设备由基本属性、物理操作、若干系统组成，每个子系统又包括设备和基本属性与之匹配。信息模型是实体设备的抽象描述，定义属性集、方法集、组件、引用等信息模型元素，实现映射矿井提升系统的所有信息并建立实际设备与信息模型的映射关系。

图3 物理模型与信息模型的映射关系

2.2 矿井提升机系统信息模型整体架构

根据矿井提升机系统的物理设备、功能模块以及信息流要求，提出矿井提升机系统信息模型整体架构如图4所示。将矿井提升机系统划分为主轴装置信息模型、传动系统信息模型、制动系统信息模型、控制系统信息模型四个主要子系统模型，各子模型包括属性集、方法集，其中属性集分为静态属性集和过程属性集。静态属性集是矿井提升系统中不变或变化周期很长的静态数据，如编号、名称等信息，是系统中的固有信息。过程属性集是矿井提升系统中设备运转所产生时刻变化的动态数据，如罐笼的位置、电机的转速、闸瓦间隙等信息。各子系统通过静态属性集和过程属性集进行抽象描述，且属性集与组件可相互嵌套。

图4 矿井提升机系统信息模型整体架构示意

以制动系统信息模型为例，其由静态属性集、过程属性集和方法集组成，主要描述矿井提升机在制动时的设备运行状态的变化。静态属性包含系统编号、运行状态、制动器名称、闸瓦名称等静态信息；过程属性包含制动油压大小、液压油温高低、闸盘温度高低、左右闸盘偏摆大小、闸瓦间隙大小等动态信息；方法集包含工作制动、安全制动、恒减速、安全控制等操作信息。

2.3 基于OPC UA的矿井提升机系统信息建模

2.3.1 需求获取

首先需要搜集煤矿行业相关的标准和规范，整理总结相关资料，了解建模基础，获取建模需求。其次根据具体需求抽象出系统建模需要的设备类型模型。在此基础上定义信息模型所需的其它节点，包括对象、方法、数据变量、特性节点。这些节点是对元模型的扩展，是设备类型属性在信息模型中的映射。最后根据建模规则和引用类型对设备类型模型实例化。我们需要获取矿井提升机系统运行过程中不同设备的状态、属性集和方法集。

2.3.2 创建类型模型

根据需求获得矿井提升机系统的对象类型、属性、方法以及设备之间的关系，创建相应的节点类型。矿井提升机设备繁杂，不仅拥有大量感知类设备来获得数据如压力传感器、温度传感器等，还拥有大量控制类设备来满足生产要求和生产安全。先将矿井提升机设备类型抽象化创建其对象类型，见表1；再对不同对象类型的不同属性、方法、描述做进一步定义。

表1 矿井提升机设备对象类型

1)主轴装置。主轴装置是矿井提升机的工作和承载部件，其承担了矿井提升机运行中的绝大部分载荷[13]，关系到矿井生产和人员生命安全，如罐笼不仅可以提升煤炭，也可以运送人员、材料以及设备等；钢丝绳作为连接提升机和提升容器的重要部件也承载着工作效率和安全生产的作用。其基本信息包括设备编号、名称等信息；固件信息包括罐笼、钢丝绳、提升容器等设备信息；参数信息包括提升容量、罐笼位置、钢丝绳张力等实时信息。

2)传动系统。传动系统是矿井提升机运行中传递动力和减速的重要部件，减速器作为传动系统的核心设备，不仅将电动机的输出转速转化为所需的工作转速，并将电动机输出的转矩转化为所需的工作转矩[14]。其基本信息包括设备编号、名称等信息；固件信息包括减速器、电动机等设备信息；参数信息包括电机转速、液位高度、电机转矩等实时信息；操作信息包括启动、停止两种方法。

3)制动系统。制动系统的可靠性直接影响到矿井提升机设备的安全运转，也影响着工作人员的生命安全，对生产运行和人员安全有着重大意义[15]。制动系统主要由液压站和盘型制动器组成，其中液压站主要包括电机、蓄能器、散热器等设备。在制动时盘式制动有工作制动和安全制动两种工作方式，液压站分为工作、恒减速、安全控制三种制动方式。正常工作启动时，在提升机负载或减速能达到预定的运行状态，能够控制提升机运转速度，即盘式制动的工作制动，同时液压站电机带动液压泵，通过调节输出油压的压力值控制盘型制动器来实现提升机的安全运行为液压站的工作状态。在发生突发情况或安全事故时，要求在安全范围内紧急制动提升机，即安全制动，同时液压站及时将提升机锁定在全制动状态为液压站的安全控制。其基本信息包括设备编号、名称等信息；固件信息包括制动器、蓄能器、散热器等设备信息；参数信息包括制动油压、液压油温、闸瓦偏摆等实时信息；操作信息包括工作制动、安全制动、恒减速等方法。由此建立制动系统到OPC UA对象节点类型的映射，见表2。

表2 制动系统节点类型描述

4)控制系统。控制系统作为矿井提升机设备的“大脑”调度着各设备和系统的稳定、安全、高效的运行[16]。其主要由主回路、PLC控制等构成，通过计算机参与控制设备系统使得速度更快、精度更高。工作人员通过操作台实现提升机设备之间的控制传递，对相应系统发出指令改变电控系统的工作状态使得提升机按照既定的工作方式安全运行。其基本信息包括设备编号、名称等信息；固件信息包括PLC、深度指示器等设备信息；参数信息包括运行速度、运行电压、运行电流等实时信息；操作信息包括启动、爬行、等速运行、减速、停车等方法。

2.3.3信息模型的实例化

矿井提升机系统信息模型抽象框架建立之后，需要结合实际设备情况，将抽象设备的信息模型转化为实际设备的数据对象，按照抽象模型中的信息与实际设备信息一一对应，形成具有实体意义的信息模型，这个过程即是信息模型的实例化。以制动系统的部分变量实例化模型为例，制动系统主要包含液压站、提升机等设备，其中液压站可给碟形刹车系统供给不同液压值的高气压油，而液压的改变由电液比例溢流器来调控，利用改变比例溢流器的比例调节电流的大小，可达到刹车系统液压的可调性。且液压站有一主一备两个电机以及滤油器、压力表等设备，其主要包括静态属性集、过程属性集、方法。提升机部分拥有8对16个制动闸瓦，通过液压站提供油压使得闸瓦将制动器紧闸实现制动，其中闸瓦间隙不得超过2 mm标准。制动系统的状态变量值通过实时数据源不断变化更新，与实际设备数据同步交互的过程即是完成信息模型实例化，如图5所示。

图5 制动系统信息模型实例化

基于XML描述文件的统一规范性、可扩展性和跨平台跨系统的特性，OPC UA信息模型一般通过XML描述文件进行加载。但XML描述文件需要通过纯代码进行编写，工作量较大，所以通过建模工具UaModeler对信息模型进行建模，用户可以通过UaModeler内置的OPC UA所有标准节点快速创建节点信息，并在之后的设备更换升级中更迭节点信息，建模完成后UaModeler能够自动生成相应的XML文件进行引用。

3 测试与应用

3.1 OPCUA服务器测试

为了检验采用OPC UA的矿井提升机系统信息模型的可行性，通过使用OPC UA客户端工具UaExpert接入OPC UA服务器，对信息建模在OPC UA地址空间映射的准确性进行了测试。在利用建模工具UaModeler对获取的信息进行建模并生成所需要的XML文件之后，通过Open62541SDK和Python工具将UaModeler中建立完成的信息模型转化的XML描述文件解析出来向OPC UA服务器地址空间映射，通过客户端工具UaExpert读取服务器地址空间，显示信息模型内容，实现信息模型的加载与浏览，信息建模方案如图6所示。

图6 矿井提升机系统OPC UA信息建模方案

节点地址空间中Root节点是地址空间的入口；Objects对象节点是地址空间的主体部分，其下定义了实际设备信息在地址空间的映射，矿井提升机系统信息模型内容也定义于此，如制动系统的静态属性集、过程属性集等信息，在生产过程中数据变化所形成的有关信息，会定期更新在OPC UA服务器的地址空间中。

3.2 数字孪生平台

3.2.1 虚拟模型搭建

根据本文系统设计需求，利用3dMax、Unity3D来完成建模工作，建模过程如图7所示。

图7 虚拟建模流程

在建模过程中，根据设备说明书中设备的模型结构与尺寸在3dMax中对实际设备进行等比例建模，并根据模型实际情况对模型进行优化参数调整。将制作好的模型生成.FBX文件导入Unity3D中，通过现场观察作业环境以及对真实设备进行图片采集，在Unity中对虚拟模型添加纹理图片和贴图形式增加模型相应材质，进而提高还原度和仿真效果，实际设备与虚拟模型对比效果如图8所示。

图8 实际设备与数字孪生设备对比

3.2.2 数字孪生平台应用

通过搭建OPC UA客户端采集矿井提升系统多源数据并存入MySQL数据库，利用Unity3D的C#脚本，构建矿井提升系统孪生模型内外通讯结构，完成OPC UA信息模型对孪生模型和物理模型数据的虚实映射，为数字孪生矿井提升系统提供数据交互服务，实现矿井提升系统的状态监控，故障预警等功能。

1)状态监控。通过点击UI按键可跳转至“主界面”、“张力界面”和“实时故障”场景。其中主界面和张力界面中借助Unity平台Xcharts插件绘制可视化图表，分别使用了以时间为横坐标，提升机运行速度为纵坐标和以时间为横坐标，罐笼载重为纵坐标的折线图，根据OPC UA采集传输可以动态监测提升机运行状态和罐笼载重数据。并将采集到的提升机数据如各类电压电流、闸瓦间隙、大小罐张力差等以数字或柱状形式具象化显示，实时显示在数字孪生平台上，实现孪生平台的状态监控。

2)故障预警。当现场发出各类动作信号以及各类故障信号时，通过OPC UA采集信息事件存入数据库，实时故障界面会通过Unity平台Simple tableUI插件建立的可视化表格，将事件分类名称、事件类型、事件时间和事件描述四类信息显示与表格之中。并通过警告图标以及提示故障事件序号反馈给物理空间，实现孪生平台的故障预警，提高实际现场与数字孪生平台的交互性，便于现场分析故障原因，有利于现场工作效率的提高。

3)其他应用。在OPC UA采集数据的基础上，可以对矿井提升系统进行预测性维护。首先构建场景感知模块，实现场景感知数据的获取和存储，并实现数据的预处理、特征的提取、特征的选择和特征的融合算法等。而后分别搭建历史数据库和特征数据库，为孪生模型的更新、数据驱动算法的训练和预测、以及融合型预测性维护算法的使用提供有效数据。最后构建故障诊断和故障预测模型，如CNN模型和随机森林模型等，利用场景感知的特征进行模型的训练和验证。针对场景的不同，利用迁移学习和机器学习等实现数字孪生模型仿真和数据驱动算法的有效融合，从而提高预测性维护的可行性。

根据应用实验效果，孪生平台显示的数据与实际运行数据一致，且数据来自地址空间信息模型，从而验证了通过OPC UA协议与信息模型互联互通的可行性。

4 结 语

数字孪生作为煤矿智能化战略发展的关键技术之一，是连接煤矿物理世界和数字虚拟世界的最佳纽带。本研究基于矿井提升机的数字孪生模型，结合OPC UA构建了矿井提升系统信息模型架构并进行应用。信息模型搭建有利于实现设备、系统、生产等异构数据之间的互联互通，通过建模工具UaModeler对矿井提升机系统主轴装置、传动系统、制动系统、控制系统四个子系统进行构建标准信息模型，根据实体设备的静态属性集、过程属性集、方法集进行了分析，对信息模型进行实例化后利用OPC UA服务器验证了信息模型的可行性，并与数字孪生平台实现数据采集与传输的实时映射。本研究对矿井提升机的状态监控、故障预警等方面提供更有力的通信支持，从而有效提高矿井生产安全可靠性和智能运维水平，对解决矿井提升机各设备之间信息无法直接共享和对推进智能矿山的发展提供了一定的技术支持和方法借鉴。