数字孪生五维模型构建—电梯篇

数字孪生（DT）技术实际上是多学科、多领域、多尺度等融合产生的新型技术，其以新一代信息技术（New IT）为依托，将物理世界的实体（包括人、机、料、法、环、全生命周期等全要素）建立数字化物理模型、几何模型、行为模型及规则模型，通过与物理实体实时交互及仿真集成，将物理实体的性能、状态、预测趋势、故障诊断等实时反映在数字化模型中，为不同的需求提供相应的服务。DT驱动的技术特点如图1所示。

目前，我国电梯年产量、保有量、年增长量均为世界第一，随着保有量的迅速增长，电梯使用愈加频繁，电梯使用带来的安全风险日益受到社会各方面的关注，对现有电梯安全监管模式提出了严峻挑战。DT技术的发展从全生命周期环节对保障电梯安全运行的实现提供了条件。

• 设计环节：传统的电梯设计方法缺乏完整、有效、充分的电梯全生命周期数据的支撑，没有有效的知识库辅助设计决策，缺乏精确的仿真方法，设计验证困难、周期性长。DT技术可有效解决上述问题，大量的电梯设计、制造、安装、使用等孪生数据能够支持知识数据库的建设，并辅助相关的设计工作；同时DT高拟真的仿真环境，可以提高设计验证能力，缩短设计研发周期，避免在使用过程中才发现电梯存在缺陷，避免“原生”事故隐患。

• 制造环节：电梯或电梯的关键部件的制造质量影响着产品的最终性能和成本，目前制造环节存在着原型设计与工艺设计脱节、二维工艺文件直观性差等问题，DT技术与制造环节融合，可以实现对制造车间实时监控、数字化管理和工艺优化，确保产品制造质量和原型设计保持一致；同时还可以以三维工艺文件的形式辅助人工操作，用于后续的工艺指导，可读性大大提升。

• 安装环节：电梯是一种现场组装的特种设备，其安装质量直接影响到电梯使用的安全性能，且建筑物土建可接受误差范围较大，传统的安装设计与实际建筑物结合不紧密，存在脱节现象，利用DT技术，将电梯的安装过程建立数字孪生体，不仅能够为知识数据库提供安装数据，扩充电梯安全监管维度，而且利用高拟真仿真，可有效减少变更安装设计文件的安全风险及验证时间。

• 维护保养环节：维护保养对保障电梯安全具有极其重要的意义，准确有效的运维方案能够大大提高电梯故障预测和健康管理的效率成本。目前电梯维护保养模式为定期保养，存在“过维保”或“欠维保”现象，不能有效的提高电梯安全，且对电梯故障预测的工作也相对缺乏，既受限于实时数据的缺乏，同时也在理论方法上存在不足。基于DT技术的电梯故障预测与健康管理，能够基于多维多尺度动态实时数据采集与处理，实现快速捕捉故障现象，准确定位故障原因，同时评估设备状态，进行针对性预测维护，提高电梯安全性能。

由此可见，DT技术与电梯行业的高质量发展目标不谋而合，DT技术能够为电梯行业的智能监管提供强有力的理论支撑和实践指导。

学术界对数字孪生模型研究的比较多，北京航空航天大学陶飞教授在三维的数字孪生模型的基础上构建了五维数字模型，本文基于五维模型，构建了电梯数字孪生通用五维模型，模型如图2所示。

1）物理空间维度，以电梯全生命周期为时间主线，将各个环节的物理实体实时与虚拟实体、服务、孪生数据进行实时交互；

2）虚拟空间维度，包含物理模型、几何模型、行为模型及规则模型，通过与物理实体高保真一一映射，根据用户需求将物理实体的功能在虚拟实体进行实时迭代优化及仿真预测；

3）服务维度，数字孪生的服务系统集成了评估、控制、优化等，主要是在电梯全生命周期过程中，为物理实体提供智能运行、故障诊断、状态监测预警、结构优化等服务；

4）数据维度，孪生数据集 合了所有维度的数据，包含物理实体、虚拟实体、服务系统产生的数据，数据实时更新，领域知识与其不断融合，是数字孪生的核心驱动；

5）连接维度，通过各种通讯协议与接口，与物理实体、虚拟实体、孪生数据、服务系统相连，使两两之间进行实时有效的数据传输，从而确保各部分间的一致性。

电梯数字孪生通用五维模型可表示为：M(DT-E)={Pe,Ve,Se,De,Ce}。其中，Pe表示物理维度中的物理实体；Ve表示虚拟维度中的虚拟实体；Se表示服务维度中的服务系统；De表示数据维度中的孪生数据；Ce表示连接维度中的Pe,Ve,Se,De之间两两的相互连接。

Pe是从电梯全生命周期出发，考虑设计、制造、安装、使用、检测、维修、改造、报废等生产活动中涉及到的物理实体要素总和，包括设备资源要素、人力资源要素、物料资源要素、采购资源要素等，通过传感器、RFID、物联网、工业互联网等设备将物理实体各要素进行实时感知、采集并传输至虚拟实体。

Pe具有层次性，可分为单元级Pe，例如曳引机、控制柜、加工设备等，完成特定功能的物理实体；系统级Pe，例如曳引系统、安全保护系统、层门生产线等，由单个设备组合构成的物理实体；复杂系统级Pe，例如电梯整机、智能车间等，包含了物料流、能量流、信息流的综合物理实体。

Ve包含几何模型、物理模型、行为模型和规则模型。几何模型为描述物理实体的几何参数的三维模型，包括产品几何模型、生产过程几何模型等，常用的工具有Solidworks、Pro/E、AutoCAD等；

物理模型是在几何模型的基础上加上物理属性、约束等信息，包括结构受力模型、超高速电梯流场分析模型等，常用的工具有ANSYS、ABAQUS等；

行为模型是物理实体在外部环境作用下及内部运行控制共同作用下产生的实时响应及行为，包括随时间的演化模型、动态行为模型等，常用的工具有Adams、Simulink等；规则模型包括与历史关联数据的规律规则，以及相关标准及准则等。

Se是指在应用数字孪生过程中所需的各类数据、模型、算法、仿真等进行数字化封装，以工具组件、模块展示等形式支撑数字孪生内部功能，以不同形式的APP、软件、平台等满足不同用户需求的交互服务。服务包含两个方面，一方面是功能性 服务，主要集中在模型管理、数据管理与处理、综合连接服务；另一方面是业务性 服务，包含操作指导服务、专业化技术服务、智能决策服务、用户产品服务等。功能性 服务是对业务性 服务的实现提供支撑和保障。

De是指数字孪生中的孪生数据，包括物理数据、几何数据、行为数据、规则数据、历史数据、实时数据、功能需求数据及用户反馈数据等，并对这些数据进行转换、预处理、分类、关联等处理，最后得到信息物理融合数据，为服务模型提供驱动力。

 Ce是实现数字孪生各维度互联互通的关键，包括物理实体与孪生数据的连接（Ce_PD），可以利用传感器、嵌入式系统、数据采集卡等将物理实体的数据进行采集，通过OPC-UA、Zigbee、MQTT等协议传输至孪生数据层，孪生数据层通过对数据进行处理后通过协议也可将优化操作指令传输至物理实体，实现物理实体的优化控制；

物理实体与虚拟实体的连接（Ce_PV），实现方法与Ce_PD类似，采集物理实体的实时数据传输至虚拟实体，用于更新虚拟实体的数字模型，虚拟实体进行仿真后将仿真数据转化成控制指令，下达至物理实体，实现对物理实体的实时控制；

物理实体与服务的连接（Ce_PS），实现方法与Ce_PD类似，将采集物理实体的实时数据传输至服务模型，实现服务的实时更新和优化，服务产生的操作指导、专业分析、智能决策等通过平台软件、APP等形式反馈给用户，通过人工控制物理实体的运行；

虚拟实体与孪生数据的连接（Ce_VD），通过ODBC、JDBC等数据库接口，实现两者之间的交互；虚拟实体与服务的连接（Ce_VS），可通过RPC、MQSeries、Socket等软件接口，实现两者之间的交互；服务与孪生数据的连接（Ce_SD），与Ce_VD类似，通过ODBC、JDBC等数据库接口，实现两者之间的交互。

数字孪生作为践行智能制造、工业4.0及智慧城市等先进理念的一种使能技术和方法，当前被工业界和学术界广泛关注。如何将数字孪生技术从理论走向实际应用是今后数字孪生发展和研究的重点。由于电梯是人民群众广泛接触的特种设备，也是国家重要产品追溯体系中的重要类型之一，提出将数字孪生技术与电梯行业进行融合，进一步提升电梯的安全性能，具有重大的社会效益，这是电梯行业转型升级的必然趋势。

本文在基于数字孪生的五维模型的基础上，建立并分析了电梯行业适用的通用数字孪生模型，希望能够为将来电梯全生命周期内开展数字孪生的进一步落地应用提供理论和方法参考。