基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警方法及系统

技术领域

本公开属于压光机监测技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

压光机是一种精度高、结构复杂、机电液热一体化控制的制造业高端装备，广泛应用于造纸行业、熔喷布(医用口罩核心材料)行业、反渗透膜(海水淡化、净水器)行业。发明人发现，现有方案中通常采用人工的方式对压光机进行监控和调试，并随时查看各设备运行情况，当出现故障时需要工作人员到工业现场实地解决。虽然这种人工监控方式实现最简单，也最直接，但是消耗大量的人力和财力，且监控效率低下，无法保证监控的实时性；同时，由于压光机的特殊性(包括待监控参数多样、导致故障发生的因素众多以及各因素与故障发生之间的关系较为复杂)，导致现有的设备自动化监控方法无法进行应用。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提供了一种基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警方法及系统，所述方案基于数字孪生技术对压光机的运行状态进行监控，为操作人员在远程监控时提供身临其境的3D感受,实现远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的；并且基于选择的压光机运行参数组合，结合压光机运行数据的历史记忆矩阵，对压光机的运行状态进行快速准确的故障判断，避免停产所造成的损失；同时，所述方案利用滑动窗口法消除压光机运行中的不确定因素和随机干扰，提高故障预警的准确率。

根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警方法，包括：

实时采集压光机的运行数据；其中，所述运行数据包括热参数、载荷参数以及位置参数；

基于采集的运行数据，采用数字孪生技术在预先构建的压光机三维模型中进行压光机运行状态的实时展示；

基于压光机正常运行时的历史运行数据，构建历史记忆矩阵；并基于所述历史记忆矩阵中不同时刻对应的压光机运行数据，构建压光机的运行状态估计向量；

基于当前时刻压光机的运行数据以及压光机的运行状态估计向量，计算当前时刻压光机运行状态的偏离度；

基于所述偏离度和压光机故障预警阈值，确定是否进行故障预警。

进一步的，所述压光机故障预警阈值的确定，具体为：基于预设时间段内采集的压光机运行数据以及压光机的运行状态估计向量，利用滑动窗口法，确定压光机故障预警阈值。

进一步的，所述利用滑动窗口法，确定压光机故障预警阈值，具体为：对于预设时间段内采集的压光机运行数据向量序列，基于预设窗口大小N，计算窗口内连续N个偏离度的平均值；并基于获得的平均偏离度最大值确定故障预警阈值。

进一步的，所述偏离度的计算具体采用如下公式：

其中，X、Y为待进行偏离度计算的运行数据向量，w′

进一步的，所述运行状态估计向量，具体为所述历史记忆矩阵中若干个压光机正常状态下的历史运行数据向量的线性组合。

进一步的，所述运行数据包括热参数、载荷参数以及位置参数，其中，所述热参数包括辊面温度、导热油温度以及轴承温度；所述载荷参数包括线压力、扭矩力以及液压压力；所述位置参数包括振动及幅宽位置度。

进一步的，对于实时采集的压光机运行数据及其对用的故障预警情况进行实时存储。

根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警系统，包括：

数据获取单元，其用于实时采集压光机的运行数据；其中，所述运行数据包括热参数、载荷参数以及位置参数；

展示单元，其用于基于采集的运行数据，采用数字孪生技术在预先构建的压光机三维模型中进行压光机运行状态的实时展示；

估计向量构建单元，其用于基于压光机正常运行时的历史运行数据，构建历史记忆矩阵；并基于所述历史记忆矩阵中不同时刻对应的压光机运行数据，构建压光机的运行状态估计向量；

故障预警单元，其用于基于当前时刻压光机的运行数据以及压光机的运行状态估计向量，计算当前时刻压光机运行状态的偏离度；基于所述偏离度和压光机故障预警阈值，确定是否进行故障预警。

根据本公开实施例的第三个方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警方法。

根据本公开实施例的第四个方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的一种基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)本公开提供了一种基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警方法及系统，所述方案基于数字孪生技术对压光机的运行状态进行监控，为操作人员在远程监控时提供身临其境的3D感受,实现远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的；同时，所述方案基于选择的压光机运行参数组合，结合压光机运行数据的历史记忆矩阵，对压光机的运行状态进行快速准确的故障判断，避免停产所造成的损失。

(2)所述方案利用滑动窗口法消除压光机运行中的不确定因素和随机干扰，提高故障预警的准确率，通过选择合理的滑动窗口宽度，能够及时(快速地捕捉偏离度统计特性的连续变化，消除随机因素的影响)，提高设备状态监测的可靠性，降低误报警的几率。

本公开附加方面的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

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例中所述的一种基于数字孪生技术的压光机监控方法整体流程图；

图2为本公开实施例中所述的一种基于数字孪生技术的压光机监控系统结构示意图；

图3为本公开实施例中所述的压光机结构示意图；

其中，1、顶辊；2、横杆；3、主体；4、第一支撑座；5、连接杆；6、稳定柱；7、平整辊；8、热压辊；9、挡板；10、控制台；11、汽缸；12、连接板；13、滑轨。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一：

本实施例的目的是提供一种基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警方法。

如图1所示，一种基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警方法，包括：

实时采集压光机的运行数据；其中，所述运行数据包括热参数、载荷参数以及位置参数；

基于采集的运行数据，采用数字孪生技术在预先构建的压光机三维模型中进行压光机运行状态的实时展示；

基于压光机正常运行时的历史运行数据，构建历史记忆矩阵；并基于所述历史记忆矩阵中不同时刻对应的压光机运行数据，构建压光机的运行状态估计向量；

基于当前时刻压光机的运行数据以及压光机的运行状态估计向量，计算当前时刻压光机运行状态的偏离度；

基于所述偏离度和压光机故障预警阈值，确定是否进行故障预警。

在具体实施中，所述压光机故障预警阈值的确定，具体为：基于预设时间段内采集的压光机运行数据以及压光机的运行状态估计向量，利用滑动窗口法，确定压光机故障预警阈值。

在具体实时中，所述利用滑动窗口法，确定压光机故障预警阈值，具体为：对于预设时间段内采集的压光机运行数据向量序列，基于预设窗口大小N，计算窗口内连续N个偏离度的平均值；并基于获得的平均偏离度最大值确定故障预警阈值。

在具体实施中，所述偏离度的计算具体采用如下公式：

其中，X、Y为待进行偏离度计算的运行数据向量，w′

在具体实施中，所述运行状态估计向量，具体为所述历史记忆矩阵中若干个压光机正常状态下的历史运行数据向量的线性组合。

在具体实施中，所述运行数据包括热参数、载荷参数以及位置参数，其中，所述热参数包括辊面温度、导热油温度以及轴承温度；所述载荷参数包括线压力、扭矩力以及液压压力；所述位置参数包括振动及幅宽位置度。

在具体实施中，对于实时采集的压光机运行数据及其对用的故障预警情况进行实时存储。

具体的为了便于理解，以下结合附图从具体实施的角度对本实施例所述方案进行详细说明：

首先，本实施例所述一种基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警方法的具体实现，依赖于如图3所示的如下模块，包括：3D模型管理模块、多源数据采集模块、归档数据库、故障预警分析模块、环境监控模块、数字孪生管理平台、压光机，其中：

数字孪生管理平台用于维持数字孪生监控及故障预警系统的运行；

3D模型管理模块与数字孪生管理平台连接，并通过3D模型管理模块导入并渲染压光机的三维模型；

多源数据采集模块与归档数据库连接并与数字孪生管理平台进行通信，采集压光机设备的状态数据，将每个操作数据上传至归档数据库；

环境监控模块与数字孪生管理平台连接，并通过环境监控模块在三维场景下实时监控压光机工作环境的相对湿度、温度和环境污染参数等；当环境数据变化或达到预警值时实时报警，避免生产安全隐患；

故障预警分析模块，记录压光机各子系统传感器在临界点至故障发生点产生的传感器数据，并对传感器数据进行同质化预处理，对各部件状态和子系统件故障路径进行分析，及时预警故障信息。

追溯模块对归档数据库中的数据进行追溯。

压光机包括主机、液压系统、电气控制系统、导热油电加热系统和轴承润滑装置等，如图3所示，压光机结构示意图，其中：1、顶辊；2、横杆；3、主体；4、第一支撑座；5、连接杆；6、稳定柱；7、平整辊；8、热压辊；9、挡板；10、控制台；11、汽缸；12、连接板；13、滑轨。

在具体实施中，关于压光机实时运行数据的获取，优选地，需要提取压光机各模块对应的关键特征信号，包括采集辊面温度、导热油温度、轴承温度等热参数，线压力、扭矩力、液压压力等载荷参数，以及振动、幅宽位置度等参数。

利用从压光机正常运行状态中得到的历史数据构成矩阵D。矩阵的每一列均代表一个观测状态，矩阵的列数m代表m个状态，行数n代表每次观测的n个变量。假设压光机的监测变量中共有n个相互关联的变量，则将在某一时刻t

X(t

历史记忆矩阵D可表示为

历史记忆矩阵中的每一列观测向量代表压光机运行状态，经过合理选择的历史记忆矩阵中的m个历史观测向量所形成的子空间能够代表过程或设备正常运行的整个动态过程。

对于某一时刻设备的观测向量X

X

(3)

估计向量为历史记忆矩阵中m个历史观测向量的线性组合。权值向量w代表此状态与历史记忆矩阵中状态的一种相似性测度。权值向量可通过最小化残差向量ε来获得。观测向量X

ε＝X

利用与观测向量和估计向量有关的偏离度函数可以定量衡量观测向量与估计向量之间的偏离。观测值与估计值之间的残差可以反映设备异常或故障。通常直接将某变量的观测值与其估计值之间的残差作为故障判断指标。

定义偏离度函数为

其中，w′

利用滑动窗口法消除压光机运行中的不确定因素和随机干扰，提高故障预警的准确率。通过选择合理的滑动窗口宽度，能够及时快速地捕捉偏离度统计特性的连续变化，消除随机因素的影响，提高设备状态监测的可靠性，降低误报警的几率。当压光机运行异常时，这些状态模型可及时检测出压光机状态的轻微异常变化，从而实现故障预警。

假设在某段时间内估计偏离度序列共n个，则

S(X

对该序列取一个宽度为N的滑动窗口,窗口内连续N个偏离度的平均值为

根据偏离度平均值确定故障预警阈值E

E

其中，k为预警值系数，为常数。

需要说明的是，上述滑动窗口法在确定报警阈值时执行上述步骤，同时，在实际监控过程中也会不断根据预设更新新周期选择一段时间内的运行数据序列更新阈值数据。

由于压光机相关变量众多，如果将这些变量都作为相关变量将会出现冗余，造成不必要的计算量，增加模型的复杂度，因此需要对这些变量进行筛选。结合压光机故障分析资料选取辊面温度、导热油温度、轴承温度、线压力、扭矩力、液压压力以及振动、幅宽位置度组成观测向量。

本实施例所述方案通过大量的试验分析，融合了智能控制技术、数字孪生技术、以及大数据技术，实现了高可靠性故障预警。一方面，通过对压光机运行的状态进行监测，实时对收集的物理数据进行仿真分析，找出针对当前仿真的运行状态模型的最优参数，反馈给压光机从而实现对压光机运行状态的有效维护；另一方面，随着压光机的使用、老化、损坏等因素，压光机的运行状态不断变化，利用仿真的运行状态模型，能够实现对压光机实际运行存在的风险以及故障做出预警，从而实现对压光机运行状态智能化与灵活化的监控与故障预警。

实施例二：

本实施例的目的是提供一种基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警系统。

一种基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警系统，包括：

数据获取单元，其用于实时采集压光机的运行数据；其中，所述运行数据包括热参数、载荷参数以及位置参数；

展示单元，其用于基于采集的运行数据，采用数字孪生技术在预先构建的压光机三维模型中进行压光机运行状态的实时展示；

估计向量构建单元，其用于基于压光机正常运行时的历史运行数据，构建历史记忆矩阵；并基于所述历史记忆矩阵中不同时刻对应的压光机运行数据，构建压光机的运行状态估计向量；

故障预警单元，其用于基于当前时刻压光机的运行数据以及压光机的运行状态估计向量，计算当前时刻压光机运行状态的偏离度；基于所述偏离度和压光机故障预警阈值，确定是否进行故障预警。

进一步的，本实施例所述系统与实施例一所述方法相对应，其技术细节在实施例一中进行了详细描述，故此处不再赘述。

在更多实施例中，还提供：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例一中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例一中所述的方法。

实施例一中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。

上述实施例提供的一种基于数字孪生技术的压光机监控及故障预警方法及系统可以实现，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。