基于數(shù)字孿生的碰撞預(yù)測系統(tǒng)

王文華

摘? 要：工廠內(nèi)人、車、設(shè)備交叉作業(yè)頻繁，工作環(huán)境復(fù)雜，駕駛員視距受限，容易因疲勞、視角盲區(qū)等影響，造成誤操作，從而導(dǎo)致碰撞事故的發(fā)生。該文提出了一種基于數(shù)字孿生的碰撞預(yù)測系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上給出碰撞預(yù)測模型的開發(fā)方法，將預(yù)測結(jié)果反饋至實(shí)際物理世界中，調(diào)整物理世界中的碰撞預(yù)測對象的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)用物理世界中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)迭代更新碰撞預(yù)測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了工廠內(nèi)的碰撞預(yù)測。以焊接成品車間碰撞預(yù)測場景為例，驗(yàn)證了所提方法的有效性與適用性。

關(guān)鍵詞：? ?數(shù)字孿生? ?碰撞預(yù)測模型? ?移動要素? ?數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP391.41? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

The System of Collision Prediction Based on Digital Twin

WANG Wenhua

（China Railway Construction Heavy Industry Co.， Ltd.， Changsha， Hunan Province， 410100 China）

Abstract： In the factory， workers， vehicles and equipment cross operations frequently， the working environment is complex， the driver's sight distance is limited， and it is easy to cause misoperation due to fatigue， blind area of view， etc.， leading to collision accidents. This paper puts forward a system of collision prediction based on digital twin， and analyzes the technical architecture of the system. On this basis， it gives the development method of the collision prediction model， feeds prediction results into the actual physical world， adjusts the operating state of collision prediction objects in the physical world， iteratively updates collision prediction results in real time with the data in the physical world， and realizes the collision prediction in the factory. It takes the collision prediction scenario in the welding finished product workshop as an example， and verifies the effectiveness and applicability of the proposed method.

Key Words： Digital twin; Collision prediction model; Move factors; Data acquisition

隨著智能化工廠的發(fā)展，生產(chǎn)車間生產(chǎn)自動化、智能化程度越來越高，少人化及人機(jī)協(xié)同的生產(chǎn)方式為制造行業(yè)發(fā)展趨勢，因此，工廠的安全管理顯得尤為重要。

工廠生產(chǎn)車間內(nèi)存在很多移動和不移動的元素，很多移動的元素由人控制或者由內(nèi)部程序自動控制。當(dāng)人的控制與程序自動控制的制造生產(chǎn)邏輯未統(tǒng)一或者存在控制偏差時(shí)，則容易發(fā)生碰撞事故。由于缺乏有效的碰撞監(jiān)控預(yù)測手段，設(shè)備一旦發(fā)生碰撞事故將直接損壞設(shè)備、威脅人身安全、影響生產(chǎn)進(jìn)度，嚴(yán)重影響裝備制造效率，并導(dǎo)致維護(hù)成本上升、產(chǎn)品成品率降低以及造成生命財(cái)產(chǎn)安全事故問題，因此，檢查工廠車間現(xiàn)場的碰撞情況[1]，以及預(yù)防碰撞事故的發(fā)生是必不可少的。

針對以上問題，將打造物理車間移動要素的鏡像數(shù)字孿生體，建立基于數(shù)字孿生碰撞預(yù)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、預(yù)測、反饋控制[2]。另一方面，對工廠生產(chǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)度較高、實(shí)時(shí)性較好的碰撞預(yù)測[3-5]，在虛擬世界中預(yù)測碰撞事故的發(fā)生，并自動做出決策，將決策指令實(shí)時(shí)反饋至物理世界的碰撞預(yù)測對象中，從根源上制止碰撞事故的發(fā)生。

1? 數(shù)字孿生碰撞預(yù)測系統(tǒng)開發(fā)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

總體技術(shù)架構(gòu)分為物理層、數(shù)據(jù)層、模型層、軟件層、應(yīng)用層五個(gè)部分，其中：物理層為人、起重設(shè)備、物流轉(zhuǎn)運(yùn)車、AGV小車、叉車等碰撞預(yù)測對象；數(shù)據(jù)層包含定位基站信號采集、UWB通信傳輸?shù)溶浻布?，以及定位類?shù)據(jù)、預(yù)測模型反饋的控制類數(shù)據(jù)等，是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)；模型層主要是應(yīng)用機(jī)理模型、模擬仿真模型、碰撞預(yù)測模型等關(guān)鍵技術(shù)，是基于數(shù)字孿生碰撞預(yù)測系統(tǒng)的核心；軟件層包含移動要素仿真、碰撞預(yù)測分析、決策數(shù)據(jù)下發(fā)等功能，是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的載體；應(yīng)用層包含虛實(shí)鏡像、人機(jī)交互、碰撞預(yù)測等，將實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的碰撞預(yù)測系統(tǒng)中虛實(shí)數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用。

1.2 虛擬工廠場景構(gòu)建

虛擬工廠場景構(gòu)建主要通過3D激光掃描、幾何建模、逆向建模等數(shù)字化的方式，拷貝工廠內(nèi)實(shí)際物理世界中的碰撞預(yù)測對象信息，在三維建模引擎軟件中建立同等比例的數(shù)字模型，構(gòu)建廠內(nèi)的數(shù)字孿生場景，為虛擬世界與物理世界的鏡像映射提供數(shù)據(jù)來源和模型基礎(chǔ)[6-8]。

三維建模引擎軟件中可進(jìn)行人機(jī)交互界操作，通過按鈕切換鏡頭，方便用戶查看廠內(nèi)車間中數(shù)字孿生場景中某個(gè)局部地區(qū)的實(shí)時(shí)狀態(tài)場景[9]。

1.3 碰撞預(yù)測對象虛實(shí)同步

定義工廠內(nèi)的碰撞預(yù)測對象為移動要素，移動要素包含起重設(shè)備、AGV小車、叉車、登高作業(yè)車、其他物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備、人員等可移動的設(shè)備或者人員等。

在每個(gè)移動要素上安裝定位標(biāo)簽，通過UWB室內(nèi)定位技術(shù)，采集工廠內(nèi)移動的人和設(shè)備的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)，以獲取移動要素的狀態(tài)和空間位置。采用數(shù)字孿生系統(tǒng)與車間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)雙向傳輸?shù)姆绞?，建立虛?shí)聯(lián)動的雙向數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)各移動要素的虛實(shí)空間聯(lián)動控制。

根據(jù)實(shí)際物理世界的工廠環(huán)境和虛擬世界的工廠環(huán)境坐標(biāo)映射關(guān)系，將移動要素的位置信息鏡像映射至虛擬世界的工廠環(huán)境中，并通過可視化界面實(shí)時(shí)監(jiān)控虛擬工廠中的變化，以便碰撞預(yù)測計(jì)算[10-11]。

2? 基于數(shù)字孿生的碰撞預(yù)測模型開發(fā)

開發(fā)基于數(shù)字孿生的碰撞預(yù)測模型[5]，通過“獲取—感知—預(yù)測—反饋控制”閉環(huán)控制流程框架，建立自感知、自分析、自決策、自反饋、自執(zhí)行虛實(shí)融合的碰撞預(yù)測系統(tǒng)，系統(tǒng)流程如圖1所示。

2.1 設(shè)置監(jiān)測半徑L

為減小兩兩碰撞對象之間的計(jì)算量，對所有的碰撞預(yù)測對象設(shè)置監(jiān)測半徑L，為此碰撞預(yù)測對象的監(jiān)測范圍，且監(jiān)測范圍隨該碰撞預(yù)測對象的移動而移動。以每個(gè)碰撞預(yù)測對象及其監(jiān)測范圍為單個(gè)單元，進(jìn)行碰撞預(yù)測計(jì)算。在每個(gè)單元中，剔除該碰撞預(yù)測對象監(jiān)測范圍外的點(diǎn)，只對監(jiān)測范圍內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行碰撞預(yù)測計(jì)算，這樣可以減少計(jì)算量。

在監(jiān)測范圍內(nèi)，以每個(gè)碰撞預(yù)測對象為圓心由中心至外分別設(shè)置為防撞區(qū)域、限速區(qū)域、預(yù)警區(qū)域。分析碰撞預(yù)測對象處于不同的區(qū)域時(shí)，對其采取不同的措施。

其中防撞區(qū)域半徑根據(jù)每個(gè)碰撞預(yù)測對象當(dāng)前的剎車停止距離為參考來計(jì)算。防撞區(qū)域參數(shù)設(shè)置為，限速區(qū)域參數(shù)設(shè)置為，預(yù)警區(qū)域參數(shù)設(shè)置為。其中，。

2.2 實(shí)時(shí)更新每個(gè)碰撞預(yù)測對象坐標(biāo)

在虛擬世界中，在每個(gè)掃描周期內(nèi)實(shí)時(shí)更新碰撞預(yù)測對象動態(tài)數(shù)據(jù)，使虛擬世界中的預(yù)測對象信息（空間位置和移動方向、移動速度）與實(shí)際物理世界中保持同步，以便進(jìn)行碰撞預(yù)測的計(jì)算。

2.3 推算碰撞預(yù)測對象的當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)

定義虛擬世界中碰撞預(yù)測對象的幾何中心點(diǎn)為碰撞監(jiān)測點(diǎn)。利用當(dāng)前碰撞監(jiān)測點(diǎn)的位置微分變化可求出在單個(gè)掃描周期內(nèi)位移變化，進(jìn)而求出當(dāng)前碰撞監(jiān)測點(diǎn)的速度和方向。

設(shè)單個(gè)掃描時(shí)間為，設(shè)定當(dāng)前移碰撞監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)坐標(biāo)為，上一個(gè)掃描周期該檢測點(diǎn)坐標(biāo)為，單個(gè)掃描周期內(nèi)至的位移變化為

計(jì)算出碰撞監(jiān)測點(diǎn)當(dāng)前速度為

利用空間直線的表達(dá)公式，計(jì)算碰撞監(jiān)測點(diǎn)運(yùn)動斜率

2.4 劃定監(jiān)測區(qū)域，標(biāo)記碰撞預(yù)測對象

確定碰撞監(jiān)測點(diǎn)當(dāng)前運(yùn)動方向后，劃定該碰撞對象的監(jiān)測區(qū)域。

碰撞預(yù)測對象的監(jiān)測半徑為設(shè)置值，碰撞檢測角度為3D球體角度。以每個(gè)碰撞預(yù)測點(diǎn)為單個(gè)單元，設(shè)定該碰撞預(yù)測點(diǎn)為中心預(yù)測點(diǎn)，確定每個(gè)單元的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)其他預(yù)測對象，并標(biāo)記，納入與該中心預(yù)測點(diǎn)單元內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。且該碰撞監(jiān)測區(qū)域隨碰撞預(yù)測點(diǎn)位置變化而平移變化，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)其他預(yù)測對象隨每個(gè)掃描周期而變化一次。

遍歷該工廠內(nèi)所有的碰撞預(yù)測點(diǎn)，在每個(gè)單元內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測區(qū)域劃分和碰撞預(yù)測對象標(biāo)記。

2.5 計(jì)算剎車停止距離，確定碰撞預(yù)測分級區(qū)域

計(jì)算每個(gè)碰撞監(jiān)測點(diǎn)在當(dāng)前速度以及方向下的剎車停止距離，為碰撞預(yù)測分級區(qū)域劃分提供數(shù)據(jù)依據(jù)。位移、速度、時(shí)間關(guān)系公式計(jì)算為

減速停止速度與時(shí)間關(guān)系為

其中為初始速度，為加速度，為時(shí)間。

其中，可為當(dāng)前碰撞預(yù)測點(diǎn)的反饋速度，減速時(shí)間為

若該碰撞預(yù)測點(diǎn)為靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，則。

減速停止距離為時(shí)間到的積分，碰撞預(yù)測點(diǎn)的剎車停止距離為從當(dāng)前時(shí)間至?xí)r間未來剎車停止時(shí)間長度的積分

根據(jù)微分定律其中 。

以碰撞檢測點(diǎn)A為例，R為碰撞監(jiān)測點(diǎn)的剎車停止距離，則防撞區(qū)域半徑，限速區(qū)域半徑為，預(yù)警區(qū)域半徑為，如圖2所示。其中

2.6 計(jì)算監(jiān)測區(qū)域內(nèi)中心預(yù)測點(diǎn)與標(biāo)記碰撞預(yù)測對象的兩兩距離

在系統(tǒng)每個(gè)掃描周期中，計(jì)算中心預(yù)測點(diǎn)A的監(jiān)測范圍內(nèi)與其他預(yù)測對象兩兩之間的距離，設(shè)定其他要素為B，求AB實(shí)時(shí)位置點(diǎn)之間的距離

（12）

上個(gè)掃描周期兩兩對象空間距離

在每個(gè)掃描周期內(nèi)將兩兩對象的距離與上個(gè)掃描周期的距離比較，并判斷兩兩碰撞檢測對象是靠近還是遠(yuǎn)離。若，則兩空間碰撞對象為遠(yuǎn)離的運(yùn)行狀態(tài)，判定此兩對象不存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，不對現(xiàn)場做任何反饋處理；若，兩空間碰撞對象為靠近的運(yùn)行狀態(tài)，將進(jìn)一步對此兩對象進(jìn)行分析判定，預(yù)測發(fā)生碰撞的不同情況。

2.7 實(shí)時(shí)分析兩兩碰撞監(jiān)測點(diǎn)距離

以地面碰撞預(yù)測對象距離分析為例，如圖3所示，分析發(fā)生碰撞的情況。

設(shè)定碰撞監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)的防撞距離，限速區(qū)域距離為，預(yù)警區(qū)域距離為，碰撞監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)的防撞距離，限速區(qū)域距離為，預(yù)警區(qū)域距離為，碰撞監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)碰撞分析及反饋處理表見表1。

比較分析與碰撞預(yù)測分級區(qū)域距離時(shí)，同時(shí)應(yīng)分析碰撞監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)和點(diǎn)在平面的直線坐標(biāo)距離，防止吊裝繩索纏繞。

設(shè)定在軸和軸方向上，繩索纏繞的安全距離分別為和，若

則無碰撞風(fēng)險(xiǎn)。若不能滿足此條件，則碰撞預(yù)測對象進(jìn)行緊急剎車處理。

2.8 動態(tài)更新，迭代優(yōu)化

減速或剎車過程中通過數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場碰撞監(jiān)測點(diǎn)的速度，反饋至系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)算，碰撞監(jiān)測點(diǎn)速度公式（2）實(shí)時(shí)變化，減速停止速度與時(shí)間關(guān)系公式（5）實(shí)時(shí)變化，減速時(shí)間公式（6）實(shí)時(shí)變化。碰撞監(jiān)測點(diǎn)從當(dāng)前時(shí)間至未來剎車停止時(shí)間過程中，剎車停止距離公式（7）變化，從而防撞距離、限速區(qū)域距離、預(yù)警區(qū)域距離變化，動態(tài)更新該碰撞預(yù)測對象的碰撞預(yù)測分級區(qū)域，再次分析兩兩碰撞監(jiān)測對象的距離，預(yù)測可能發(fā)生碰撞的情況，判定是否對現(xiàn)場移動要素采取措施。

3? 應(yīng)用案例

由于在焊接成品車間物料運(yùn)轉(zhuǎn)和行車操作的動作較多，對防碰撞預(yù)測的需求較多，故將該系統(tǒng)應(yīng)用于焊接成品車間的碰撞預(yù)測。圖4為焊接成品車間某一行車周邊的碰撞預(yù)測場景。

基于5G網(wǎng)絡(luò)的TCP/ip通信，建立數(shù)字處理中心與數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺的雙向通訊傳輸。采集現(xiàn)場行車、登高車、人員的實(shí)時(shí)位置信息，在系統(tǒng)三維建模引擎軟件中進(jìn)行運(yùn)動仿真，如圖5所示，同時(shí)進(jìn)行碰撞預(yù)測計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)反饋至焊接車間的行車、登高車，控制現(xiàn)場行車、登高車減速或者緊急剎車，減少碰撞事故的發(fā)生，碰撞預(yù)測結(jié)果及反饋處理表2所示。

4 結(jié)語

該文簡要分析了基于數(shù)字孿生的碰撞預(yù)測系統(tǒng)?；陂_源平臺，搭建了基于數(shù)字孿生的碰撞預(yù)測系統(tǒng)，集成應(yīng)用機(jī)理模型、模擬仿真模型、碰撞預(yù)測模型等關(guān)鍵技術(shù)，通過工廠物聯(lián)網(wǎng)建立物理工廠與數(shù)字孿生虛擬工廠之間的雙向數(shù)據(jù)傳遞機(jī)制，實(shí)時(shí)反饋更新并迭代優(yōu)化，形成“人—機(jī)—物”實(shí)時(shí)感知預(yù)測反饋、交互聯(lián)動的工廠數(shù)字孿生碰撞預(yù)測應(yīng)用。并以焊接成品車間某一行車周邊的碰撞預(yù)測場景為例，驗(yàn)證此方法的可行性和有效性。與傳統(tǒng)碰撞預(yù)測方法相比，通過數(shù)字孿生碰撞預(yù)測系統(tǒng)對實(shí)際工廠內(nèi)的移動要素實(shí)時(shí)檢測和碰撞預(yù)測，該方法有效提升了碰撞預(yù)測的有效性、實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)度，綜合解決了工廠現(xiàn)場生產(chǎn)潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，大大降低了現(xiàn)場意外事故的發(fā)生率，具有應(yīng)用推廣意義。

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