如今，有越來越多的研發(fā)團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向使用系統(tǒng)級(jí)的數(shù)字孿生來開發(fā)、改進(jìn)、分析他們的設(shè)備和工藝----特別是在結(jié)構(gòu)、流體和電磁等領(lǐng)域。
然而在礦業(yè)領(lǐng)域，之前還沒有這樣一種系統(tǒng)級(jí)的數(shù)字孿生應(yīng)用，盡管在該領(lǐng)域種也面臨著與其它領(lǐng)域相類似的任務(wù)和需求：減少停機(jī)時(shí)間、更好的預(yù)測(cè)和維護(hù)、調(diào)整效率、增加產(chǎn)量和提高安全性。
現(xiàn)在，ANSYS和Rocky DEM軟件公司共同開發(fā)了一種利用機(jī)械、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和離散元建模(DEM)工具為礦業(yè)、散體物料和加工行業(yè)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字孿生模型的方法。
這種解決方案采用了降階模型技術(shù)(ROMs)，它最小化了計(jì)算成本和計(jì)算時(shí)間，但卻還能保持對(duì)實(shí)際操作的預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
除了經(jīng)濟(jì)效益和工作效率的提升以外，數(shù)字孿生還為該行業(yè)提供了一個(gè)改善其安全記錄的機(jī)會(huì)，比如：通過自動(dòng)化的監(jiān)控和控制，公司可以降低散裝物料傳輸過程中的風(fēng)險(xiǎn)，而且基于ANSYS對(duì)設(shè)備行為的分析和預(yù)測(cè)，也帶來了更加直觀有效的設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，這就意味著可以減少工人受到預(yù)期外傷害的風(fēng)險(xiǎn)。
數(shù)字孿生體在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用方式
為提高計(jì)算效率，一個(gè)基于物理實(shí)體的數(shù)字孿生模型首先應(yīng)從基于全三維物理實(shí)體的降階模型開始。而且數(shù)字孿生體應(yīng)通過采集傳感器數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)(IOT)平臺(tái)，來連接到真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，由此產(chǎn)生的數(shù)字孿生體可以通過計(jì)算提供不便在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的額外數(shù)據(jù)。
無需參考和依賴歷史數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生技術(shù)可通過模擬產(chǎn)品組件的方法來加速產(chǎn)品研發(fā)，并識(shí)別和解決部分工業(yè)中的工藝問題，以及預(yù)測(cè)/改善工業(yè)效率。
ANSYS系列產(chǎn)品為構(gòu)建數(shù)字孿生體提供了強(qiáng)大的支持。在礦業(yè)領(lǐng)域的仿真應(yīng)用方面，其引入了Rocky DEM降階模型。如下圖所示。
圖1. Rocky DEM 在ANSYSDesignXplorer中集成并生成數(shù)字孿生體
這些降階模型在連續(xù)空間中不需要進(jìn)行完整的物理求解，而是可以通過快速估算的方式進(jìn)行行為預(yù)估。通過將Rocky DEM同時(shí)集成到ANSYS Workbench和ANSYSDesignXplorer中，能進(jìn)一步提高整個(gè)仿真系統(tǒng)的計(jì)算效率。
礦業(yè)案例介紹
這里舉一個(gè)測(cè)試案例，在真實(shí)的礦業(yè)場(chǎng)景下，梭式礦車將開采的煤炭（或散裝物料）從礦山巖體工作面運(yùn)送到給料機(jī)入口。然后煤炭被礦車通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傾倒在給料機(jī)傳送帶上，傳送帶再將其輸送到位于下游的礦物破碎設(shè)備
當(dāng)梭式礦車卸料時(shí)(有時(shí)礦車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速度太快)，物料會(huì)在給料機(jī)入口傳送帶上逐漸地發(fā)生累積，這些累積的物料溢出會(huì)影響后續(xù)地裝卸。
尤其是當(dāng)有多臺(tái)礦車同時(shí)卸料時(shí)，傳送帶輸送物料的總質(zhì)量流會(huì)短暫的高于下游破碎系統(tǒng)的處理能力，這可能會(huì)造成傳輸堵塞和隨后的設(shè)備損壞。
操作員可以在過載的情況下手動(dòng)控制系統(tǒng)，當(dāng)然也可以使用自動(dòng)控制，但任何改變都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)估的影響。
所以工程師團(tuán)隊(duì)認(rèn)為必須要分析系統(tǒng)中的所有變量是如何影響給料機(jī)的質(zhì)量流量的。（圖2）
圖2. 給料機(jī)輸出受很多因素影響
這項(xiàng)分析的目標(biāo)是優(yōu)化所有組件協(xié)同工作，并了解在溢流發(fā)生之前可以向下游輸送多少物料。
經(jīng)過研究得出最主要的變量是給料機(jī)的輸送速度和原料質(zhì)量。但單靠DEM分析將花費(fèi)太長(zhǎng)的時(shí)間來運(yùn)行，而且需要為每一組輸入進(jìn)行新的求解。另一方面，降階模型的方法可以實(shí)時(shí)提供結(jié)果，是分析高度可變系統(tǒng)的最佳方法。然而，它只提供了一個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果。
最優(yōu)解決方案
工程師們認(rèn)為，最好的方法是建立一個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)，并為該系統(tǒng)添加一個(gè)基于Rocky DEM的仿真模擬進(jìn)行驗(yàn)證。
團(tuán)隊(duì)并沒有直接開發(fā)一個(gè)只具有單一用途的降階模型，而是設(shè)置了兩個(gè)功能獨(dú)立的降階模型——梭式礦車模型和給料機(jī)模型——來處理所有變化（圖3）。
圖3. 梭式礦車降階模型可以輸出基于卸料速度和物料質(zhì)量的質(zhì)量流出。給料機(jī)降階模型僅需識(shí)別出一個(gè)重要變量：礦石從進(jìn)入到輸出的時(shí)間。
梭式礦車的測(cè)試案例設(shè)置了大約20噸物料在輸送機(jī)上以不同的速度運(yùn)行。
研究小組分別對(duì)梭式礦車和給料機(jī)進(jìn)行了四次仿真。這些仿真將作為DesignXplorer的輸入，用來追溯出幾個(gè)特征時(shí)間點(diǎn)（圖4）。
圖4. 從降階模型分析預(yù)測(cè)任意時(shí)間點(diǎn)的響應(yīng)面：梭式礦車（左）和給料機(jī)
數(shù)字孿生體系統(tǒng)的驗(yàn)證
就驗(yàn)證來說，由于該團(tuán)隊(duì)無法實(shí)際記錄整個(gè)采礦過程中的數(shù)據(jù)，因此他們使用一些未被包含在降階模型中的采樣點(diǎn)進(jìn)行了另外的Rocky DEM仿真，然后再對(duì)兩者的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。
即然使用Rocky DEM的計(jì)算結(jié)果作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的代替數(shù)據(jù)，那么作為驗(yàn)證的輸入，可以假設(shè)給定兩輛裝有20噸物料的梭式礦車，其傳動(dòng)系統(tǒng)的輸送速度為0.35 m/s；給料機(jī)對(duì)物料的輸送速度為0.46 m/s。
因?yàn)槭鞘褂肦ocky進(jìn)行仿真計(jì)算，所以在給定采樣點(diǎn)上的數(shù)據(jù)結(jié)果將是準(zhǔn)確的。（并非估計(jì)值）。
將Rocky DEM結(jié)果與Twin Builder仿真結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證結(jié)果非常相近（圖5）——這表明使用該技術(shù)在構(gòu)建降階模型和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果時(shí)是可靠的。
圖5. DesignXplorer從數(shù)字孿生體（digitaltwin analysis）中生成了給料機(jī)響應(yīng)面：（上圖）藍(lán)色符號(hào)表示RockyDEM產(chǎn)生的隨機(jī)化數(shù)據(jù)輸出的可變粒度；（下）降階模型與現(xiàn)場(chǎng)仿真相比
展 望
因此，我們可以預(yù)期，在礦業(yè)領(lǐng)域，在數(shù)字孿生體的應(yīng)用的研究上，我們的收獲一定會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們現(xiàn)在為此所付出的努力。未來，這些收獲還可能包括：
鏈接到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以預(yù)測(cè)行動(dòng)并避免不良后果
使用降階模型可以立即查看某些變量對(duì)系統(tǒng)的影響，從而做出更明智的更改
修改降階模型以包括散落溢出物料質(zhì)量的計(jì)算
使用降階模型優(yōu)化系統(tǒng)
將降階模型嵌入一個(gè)控制器（PLC），實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)速度的自動(dòng)化
