如今，有越來越多的研發(fā)團隊轉(zhuǎn)向使用系統(tǒng)級的數(shù)字孿生來開發(fā)、改進、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：減少停機時間、更好的預(yù)測和維護、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)了一種利用機械、實驗設(shè)計和離散元建模(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)，它最小化了計算成本和計算時間，但卻還能保持對實際操作的預(yù)測的準(zhǔn)確性。
除了經(jīng)濟效益和工作效率的提升以外，數(shù)字孿生還為該行業(yè)提供了一個改善其安全記錄的機會，比如：通過自動化的監(jiān)控和控制，公司可以降低散裝物料傳輸過程中的風(fēng)險，而且基于ANSYS對設(shè)備行為的分析和預(yù)測，也帶來了更加直觀有效的設(shè)備維護計劃，這就意味著可以減少工人受到預(yù)期外傷害的風(fēng)險。
數(shù)字孿生體在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用方式
為提高計算效率，一個基于物理實體的數(shù)字孿生模型首先應(yīng)從基于全三維物理實體的降階模型開始。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，來連接到真實的現(xiàn)場設(shè)備，由此產(chǎn)生的數(shù)字孿生體可以通過計算提供不便在現(xiàn)場測量的額外數(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)，并識別和解決部分工業(yè)中的工藝問題，以及預(yù)測/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)空間中不需要進行完整的物理求解，而是可以通過快速估算的方式進行行為預(yù)估。通過將Rocky DEM同時集成到ANSYS Workbench和ANSYSDesignXplorer中，能進一步提高整個仿真系統(tǒng)的計算效率。
礦業(yè)案例介紹
這里舉一個測試案例，在真實的礦業(yè)場景下，梭式礦車將開采的煤炭（或散裝物料）從礦山巖體工作面運送到給料機入口。然后煤炭被礦車通過傳動機構(gòu)傾倒在給料機傳送帶上，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(有時礦車傳動機構(gòu)速度太快)，物料會在給料機入口傳送帶上逐漸地發(fā)生累積，這些累積的物料溢出會影響后續(xù)地裝卸。
尤其是當(dāng)有多臺礦車同時卸料時，傳送帶輸送物料的總質(zhì)量流會短暫的高于下游破碎系統(tǒng)的處理能力，這可能會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控制系統(tǒng)，當(dāng)然也可以使用自動控制，但任何改變都會對整個系統(tǒng)會產(chǎn)生不可預(yù)估的影響。
所以工程師團隊認為必須要分析系統(tǒng)中的所有變量是如何影響給料機的質(zhì)量流量的。（圖2）
圖2. 給料機輸出受很多因素影響
這項分析的目標(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的輸送速度和原料質(zhì)量。但單靠DEM分析將花費太長的時間來運行，而且需要為每一組輸入進行新的求解。另一方面，降階模型的方法可以實時提供結(jié)果，是分析高度可變系統(tǒng)的最佳方法。然而，它只提供了一個預(yù)測結(jié)果。
最優(yōu)解決方案
工程師們認為，最好的方法是建立一個數(shù)字孿生系統(tǒng)，并為該系統(tǒng)添加一個基于Rocky DEM的仿真模擬進行驗證。
團隊并沒有直接開發(fā)一個只具有單一用途的降階模型，而是設(shè)置了兩個功能獨立的降階模型——梭式礦車模型和給料機模型——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。給料機降階模型僅需識別出一個重要變量：礦石從進入到輸出的時間。
梭式礦車的測試案例設(shè)置了大約20噸物料在輸送機上以不同的速度運行。
研究小組分別對梭式礦車和給料機進行了四次仿真。這些仿真將作為DesignXplorer的輸入，用來追溯出幾個特征時間點（圖4）。
圖4. 從降階模型分析預(yù)測任意時間點的響應(yīng)面：梭式礦車（左）和給料機
數(shù)字孿生體系統(tǒng)的驗證
就驗證來說，由于該團隊無法實際記錄整個采礦過程中的數(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進行了另外的Rocky DEM仿真，然后再對兩者的仿真結(jié)果進行比較。
即然使用Rocky DEM的計算結(jié)果作為現(xiàn)場測量的代替數(shù)據(jù)，那么作為驗證的輸入，可以假設(shè)給定兩輛裝有20噸物料的梭式礦車，其傳動系統(tǒng)的輸送速度為0.35 m/s；給料機對物料的輸送速度為0.46 m/s。
因為是使用Rocky進行仿真計算，所以在給定采樣點上的數(shù)據(jù)結(jié)果將是準(zhǔn)確的。（并非估計值）。
將Rocky DEM結(jié)果與Twin Builder仿真結(jié)果進行比較，驗證結(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)測準(zhǔn)確的現(xiàn)場結(jié)果時是可靠的。
圖5. DesignXplorer從數(shù)字孿生體（digitaltwin analysis）中生成了給料機響應(yīng)面：（上圖）藍色符號表示RockyDEM產(chǎn)生的隨機化數(shù)據(jù)輸出的可變粒度；（下）降階模型與現(xiàn)場仿真相比
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，我們的收獲一定會遠遠超過我們現(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，以預(yù)測行動并避免不良后果
使用降階模型可以立即查看某些變量對系統(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)量的計算
使用降階模型優(yōu)化系統(tǒng)
將降階模型嵌入一個控制器（PLC），實現(xiàn)輸送機速度的自動化
