一种基于数字孪生的吊装过程安全预警方法与流程

本发明涉及大型零件吊装，特别是涉及一种基于数字孪生的吊装过程安全预警方法。

背景技术：

1、近年来，随着制造业的蓬勃发展，我国已能设计生产大容量水轮机。而大容量水轮机所使用的主要零部件体积大、重量高，在进行安装时需要采用吊装的方式。吊装效率、吊装精度与吊装过程的安全性将直接影响到水轮机大型零件吊装的正常进行。对大型零件吊装过程的安全监测是保障吊装质量与吊装效率的重要手段之一。

2、对于大型零件的吊装，目前多数是采用传统的吊装方法，通过现场施工人员与吊装设备操作者进行语音交流完成，安装人员实地监测来评判吊装质量，时效性较差，难以对吊装过程中出现的问题进行实时跟踪处理。传统的吊装方法不仅吊装效率较低，而且吊装精度与安全性也得不到保证。在现有大型装备生产制造与未来新施工技术的发展背景下，亟需吊装过程安全预警的新方法。

3、数字孪生是以数字化的方式建立物理实体的多维多尺度、多物理量以及多学科的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在现实环境中的属性、行为、规则等。数字孪生作为解决智能制造信息物理融合难题和践行智能制造理念与目标的关键使能技术，得到了学术界的广泛关注和研究，并被工业界引入到越来越多的领域进行落地应用。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：解决上述背景技术中存在的问题，提供一种基于数字孪生的吊装过程安全预警方法，相比于传统吊装方法，由于数字孪生具备虚实融合与实时交互、迭代运行与优化、以及全流程数据驱动等特点，在大型零件的吊装作业中使用数字孪生模型可以提高吊装效率与吊装精度，实现吊装过程的模拟预测与安全预警。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于数字孪生的吊装过程安全预警方法，包括以下步骤,

3、s1、采集吊装环境、吊装设备以及吊装零件的形状数据，根据获得的形状数据建立三维实体模型；

4、s2、确定吊装零件、吊装设备与吊装环境之间的初始三维位置关系，建立吊装现场三维几何模型，并从几何、物理、行为、规则四个维度建立吊装环境、吊装设备和吊装零件的运动模型，建立初步的数字孪生模型；

5、s3、采集吊装过程中吊装设备与吊装零件通过测距终端所获得的吊装设备与吊装零件相对于吊装环境的位移数据，进行模型的迭代优化；

6、s4、实际吊装过程中持续采集获得吊装设备的运行数据和吊装零件相对于吊装环境间的位置信息，并将数据同步到数字孪生模型中，实现数字孪生模型的同步模拟，并对吊装零件在吊装过程中的后续位置与姿态进行预测；

7、s5、在数字孪生模型中设定安全阈值，若在吊装过程中数字孪生模型预测吊装零件与吊装设备或吊装环境间存在碰撞的可能或吊装过程性能参数超出安全阈值，数字孪生模型进行判断，并发出预警信息。

8、在s1中，通过三维扫描装置采集吊装环境与吊装设备的形状数据，吊装零件的三维实体数据可在零件制造完成后测量或者在吊装现场扫描获得，根据获得的形状数据，应用建模软件建立三维实体模型；其中所述吊装环境包括吊装区域周围固定建筑物和吊装基坑；所述吊装设备包括起重机；所述吊装零件包括水轮机的引水部件、导水部件、工作部件、泄水部件。

9、在s2中，以吊装基坑中心为基准建立吊装环境坐标系，确定吊装零件、吊装设备与吊装环境坐标系之间的初始三维位置关系，建立吊装现场三维几何模型；其中几何维度从吊装环境、吊装设备和吊装零件的形状、尺寸、位置以及装配关系进行三维实体模型的构建，物理维度从吊装设备与吊装零件的物性参数和运动状态方面进行建模，行为维度基于整体吊装过程，根据所建立的吊装现场三维几何模型，通过仿真软件模拟吊装过程中随时间变化的演化行为，将得到的吊装设备与吊装零件物性参数和运动状态的变化情况反馈到吊装现场三维几何模型，规则维度基于相关标准与准则，对已建立的数字孪生模型进行控制与指导。

10、在s2中，采用吊装定位算法获得吊装零件与吊装环境坐标系间的位置关系；

11、首先获得吊装前吊装零件的中心在吊装环境坐标系中的坐标与吊装零件的中心在吊装环境坐标系下的最终安装坐标，以及安装在吊装零件上的若干测距终端在以吊装零件的中心为原点的三维坐标系下的坐标,,…,，以吊装零件的中心为参照，计算测距终端在吊装环境坐标系下的目标坐标：

12、，

13、，

14、；

15、从而得到各测距终端的目标坐标、、,吊装过程中测距终端测得对应点在吊装环境坐标系下沿轴的位移分别为，得到吊装零件在吊装过程中测距终端对应点的坐标为：

16、，

17、，

18、；

19、从而确定吊装过程中各测距终端的实测坐标，且测距终端在吊装环境坐标系中和吊装环境坐标系原点所连线段与各坐标轴夹角分别为：

20、，

21、，

22、；

23、从而根据测距终端与吊装零件的中心初始位置关系求解得到吊装零件的中心在吊装过程中的坐标，即由以下方程：

24、，

25、，

26、；

27、解得吊装零件的实测坐标为，得到各点的实测坐标后，通过与最终安装坐标进行计算，解出各测点与最终安装坐标的方向与距离s，进而得到吊装零件在吊装过程中与吊装环境坐标系间的位置关系。

28、在s3中，根据s2中的运动模型，采集实际吊装过程中吊装设备与吊装零件上测距终端所获得的吊装设备与吊装零件相对于吊装环境的位移数据，并反馈至初步建立的数字孪生模型，若数字孪生模型仿真模拟结果与实际情况不一致，则对模型进行校正，以使数字孪生模型输出结果与实际物理过程趋于接近。

29、在s4中，实际吊装时，持续获得吊装设备的运行数据和吊装零件相对于吊装环境的位置信息，并将数据同步到数字孪生模型中，实现数字孪生模型的同步模拟；

30、在吊装过程中数字孪生模型随着吊装设备和吊装零件与吊装环境相对位置的变化而变化，以固定时间间隔获取吊装设备与吊装零件的位移数据，利用吊装定位算法得到当前时刻吊装零件与吊装环境之间的具体位置关系，数字孪生模型中的虚拟实体根据输入的吊装零件运动数据而改变其相对位置，根据采集到的位移数据拟合得到包括吊装零件的中心在内的各测点的位移曲线，进而获得各测点的速度和加速度信息，通过拟合曲线得到相应测点在下一时刻的位移、速度、加速度状态信息，反映到数字孪生模型得到吊装零件在下一时刻与吊装环境的相对位置关系，以及吊装零件的摆动与扭转状态，从而对吊装零件在吊装过程中的后续位置与姿态进行预测。

31、在s5中，吊装过程中根据吊装零件、吊装设备相对于吊装环境的运动情况，数字孪生模型中虚拟实体也会随之变化，在数字孪生模型中设定安全阈值，若在吊装过程中数字孪生模型预测吊装零件与吊装设备或吊装环境间存在碰撞的可能或吊装过程性能参数超出安全阈值，数字孪生模型进行判断，并向外部发出预警信息，提醒技术人员吊装过程存在安全风险；其中在数字孪生模型中设定安全阈值包括吊装零件与吊装基坑边缘的距离、吊装零件摆动的幅度、吊装零件扭转角度、吊装零件重要安装点位实测坐标与安装坐标的位置与方向。

32、本发明有如下有益效果：

33、1、本发明通过获取吊装现场环境、吊装设备与吊装零件的数据参数，建立相应的数字孪生模型，使用户在进行大型零件的吊装时，对零件的吊装过程进行实时模拟，实现吊装的全过程监测，并且基于实际数据的数字孪生模型在吊装时可以对零件与周围环境的三维位置关系进行同步拟合，提供可视化分析。

34、2、本发明通过对吊装过程进行数字孪生建模分析，基于实际参数，实现吊装零件的三维位置测量，通过判断吊装零件与吊装环境之间的干涉关系来判断实际吊装过程可能出现的风险，实现吊装过程的安全预警，提高吊装安全性。