1.本发明涉及挖掘机技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的挖掘机操作培训系统。
背景技术：
2.机械正铲式挖掘机的装机功率大，生产效率高，作业稳定，目前广泛应用于煤矿石露天采矿和剥离作业。现有的机械正铲式挖掘机主要包括回转机构、起重臂、斗杆、铲斗、推压机构、提升机构、行走机构、开斗及辅助机构。挖掘机在作业过程中，铲斗在推压机构和提升机构的联合作用下进行运动，挖掘机的回转机构以中央枢轴为回转中心进行回转。
3.传统的正铲式挖掘机的操作培训依赖于老操作工对新操作工的言传身教，导致新操作工的操作水平完全取决于老操作工的操作水平和教学能力的高低，若老操作工的操作水平不高、教学能力较差，则会导致新操作工的操作水平较低，在后续新操作工进行挖掘机的操作时，容易造成挖掘机因长时间低水平操作而发生故障频发、设备损坏的情况。
技术实现要素：
4.为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种基于数字孪生的挖掘机操作培训系统。
5.本发明的技术方案如下：
6.提供了一种基于数字孪生的挖掘机操作培训系统，所述系统包括：
7.挖掘机培训样机，设置有行走机构、提升机构、回转机构、推压机构、控制单元和操作台，所述控制单元分别与所述行走机构、所述提升机构、所述回转机构、所述推压机构和所述操作台连接，所述控制单元能够根据所述操作台的输入控制所述行走机构、所述提升机构、所述回转机构和/或所述推压机构动作，并将动作过程产生的作业数据发送至服务器；
8.所述服务器，分别与所述挖掘机培训样机和挖掘机数字孪生交互模块连接，设置有参数数据库和数字孪生模型构建模块，所述参数数据库存储有多种不同型号的挖掘机的多个指定参数指标数据，所述数字孪生模型构建模块用于根据所述参数数据库中的数据构建挖掘机数字孪生模型，所述服务器将所述作业数据和所述挖掘机数字孪生模型发送至所述挖掘机数字孪生交互模块；
9.所述挖掘机数字孪生交互模块，包括处理单元和交互屏，所述处理单元分别与所述服务器和所述交互屏连接，所述处理单元用于根据所述参数数据库中的数据和所述作业数据对所述挖掘机数字孪生模型进行渲染，并将所述作业数据和渲染后的所述挖掘机数字孪生模型发送至所述交互屏进行显示；
10.操作指导模块，包括操作处理单元、语音播报单元和存储单元，所述操作处理单元分别与所述挖掘机数字孪生交互模块、所述语音播报单元和所述存储单元连接，所述存储单元设置有操作指导数据库和操作经验数据库，所述操作指导数据库存储有标准操作行为
和操作评分标准数据，在所述挖掘机培训样机的操作过程中，所述操作处理单元将每次操作的操作顺序和操作时长，以及挖掘机培训样机整机及各个机构的动作方向、动作速度、动作轨迹、运行状态数据和报警数据作为操作行为数据记录在所述操作经验数据库中，根据操作行为数据和操作评分标准对每次操作进行评分，并将评分结果发送至所述语音播报单元，所述语音播报单元用于对接收的评分结果进行播报。
11.在一些可能的实现方式中，所述数字孪生模型构建模块设置有数字孪生模型算法，所述数字孪生模型构建模块根据预先指定的挖掘机的型号调取所述参数数据库中对应型号的多个指定参数指标数据，利用数字孪生模型算法对调取的多个指定参数指标数据进行匹配建模，获取挖掘机数字孪生模型。
12.在一些可能的实现方式中，挖掘机的多个指定参数指标数据包括：挖掘机整机、提升机构、回转机构、推压机构和行走机构的长度、宽度、高度、外形结构、局部特征、尺寸比例、设定坐标体系、渲染方法和像素深度。
13.在一些可能的实现方式中，所述作业数据包括：挖掘机整机、提升机构、回转机构、推压机构和行走机构的动作轨迹、动作方向、速度区间、运行状态数据和报警数据。
14.在一些可能的实现方式中，所述挖掘机的多个指定参数指标数据还包括：挖掘机的传动系统和润滑系统的外形结构、局部特征、尺寸比例、设定坐标体系、渲染方法和像素深度；
15.所述作业数据还包括：挖掘机的传动系统和润滑系统的运行状态数据和报警数据。
16.在一些可能的实现方式中，所述处理单元根据所述参数数据库中对应型号的挖掘机的各个部分的尺寸比例、设定坐标体系、长度、宽度、高度、外形结构和局部特征调用相应的渲染方法和像素深度对所述挖掘机数字孪生模型进行渲染；
17.当所述挖掘机培训样机动作时，所述处理单元根据挖掘机整机及动作机构的运行状态数据、动作轨迹、动作方向和速度区间调用相应的渲染方法和像素深度对所述挖掘机数字孪生模型进行动作渲染。
18.在一些可能的实现方式中，当存在报警数据时，所述处理单元确定报警数据对应的部位，并在所述交互屏显示的挖掘机数字孪生模型中对应的部位上对报警数据进行弹框显示。
19.在一些可能的实现方式中，所述存储单元还设置有语音报警数据库，所述语音报警数据库存储有挖掘机的各类数据异常报警语音和各类状态异常报警语音，在所述挖掘机培训样机的操作过程中，所述操作处理单元将当前操作的操作行为数据与所述操作指导数据库存储的标准操作行为数据进行实时比较，若存在某个数据与其对应的标准数据的偏差超过预设阈值，所述操作处理单元从所述语音报警数据库中提取对应的数据异常报警语音和/或状态异常报警语音并发送至所述语音播报单元，所述语音播报单元对接收的语音进行播报。
20.在一些可能的实现方式中，所述存储单元还设置有语音指导数据库，所述语音指导数据库存储有挖掘机的各个动作对应的动作完成语音和动作开始语音，在所述挖掘机培训样机的操作过程中，所述操作处理单元根据当前操作的动作顺序依次调用所述语音指导数据库中的动作完成语音和动作开始语音并发送至所述语音播报单元，所述语音播报单元
对接收的语音进行播报。
21.在一些可能的实现方式中，所述操作处理单元还与所述挖掘机培训样机连接，所述操作指导数据库存储有操作样例影像，所述操作处理单元能够根据所述操作台的输入从所述操作指导数据库中调取操作样例影像并发送至所述挖掘机数字孪生交互模块，所述挖掘机数字孪生交互模块对接收的操作样例影像进行显示。
22.本发明技术方案的主要优点如下：
23.本发明的基于数字孪生的挖掘机操作培训系统通过设置挖掘机培训样机，将挖掘机操作经验数据化、模型化，对挖掘机培训样机的操作实时显示和评分，能够实现挖掘机操作的自主培训，既能够保证培训后的操作工的操作水平，又能够避免采用实体培训时因操作工前期操作水平较低而导致挖掘机发生损坏，降低培训成本。
附图说明
24.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
25.图1为本发明一实施例的基于数字孪生的挖掘机操作培训系统的结构示意图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
28.参考图1，本发明一实施例提供了一种基于数字孪生的挖掘机操作培训系统，该系统包括：
29.挖掘机培训样机1，设置有行走机构、提升机构、回转机构、推压机构、控制单元和操作台，控制单元分别与行走机构、提升机构、回转机构、推压机构和操作台连接，控制单元能够根据操作台的输入控制行走机构、提升机构、回转机构和/或推压机构动作，并将动作过程产生的作业数据发送至服务器；
30.服务器2，分别与挖掘机培训样机1和挖掘机数字孪生交互模块3连接，设置有参数数据库和数字孪生模型构建模块，参数数据库存储有多种不同型号的挖掘机的多个指定参数指标数据，数字孪生模型构建模块用于根据参数数据库中的数据构建挖掘机数字孪生模型，服务器将作业数据和挖掘机数字孪生模型发送至挖掘机数字孪生交互模块；
31.挖掘机数字孪生交互模块3，包括处理单元和交互屏，处理单元分别与服务器2和交互屏连接，处理单元用于根据参数数据库中的数据和作业数据对挖掘机数字孪生模型进行渲染，并将作业数据和渲染后的挖掘机数字孪生模型发送至交互屏进行显示；
32.操作指导模块4，包括操作处理单元、语音播报单元和存储单元，操作处理单元分别与挖掘机数字孪生交互模块3、语音播报单元和存储单元连接，存储单元设置有操作指导数据库和操作经验数据库，操作指导数据库存储有标准操作行为和操作评分标准数据，在
挖掘机培训样机1的操作过程中，操作处理单元将每次操作的操作顺序和操作时长，以及挖掘机培训样机整机及各个机构的动作方向、动作速度、动作轨迹、运行状态数据和报警数据作为操作行为数据记录在操作经验数据库中，根据操作行为数据和操作评分标准对每次操作进行评分，并将评分结果发送至语音播报单元，语音播报单元用于对接收的评分结果进行播报。
33.具体地，本发明一实施例提供的基于数字孪生的挖掘机操作培训系统在使用时，操作员通过操作台输入挖掘机的型号，并通过操作台操作挖掘机培训样机，控制单元实时接收操作台的输入，根据操作台的输入控制挖掘机培训样机进行动作，并将挖掘机培训样机动作过程产生的作业数据发送至服务器；服务器中的数字孪生模型构建模块根据操作台指定的挖掘机型号调取参数数据库中对应型号的挖掘机的多个指定参数指标数据构建挖掘机数字孪生模型，服务器将作业数据和构建的挖掘机数字孪生模型发送至挖掘机数字孪生交互模块；挖掘机数字孪生交互模块的处理单元根据参数数据库中对应型号的挖掘机的多个指定参数指标数据和服务器发送的作业数据对挖掘机数字孪生模型进行渲染，并将作业数据和渲染后的挖掘机数字孪生模型发送至交互屏，交互屏对接收的作业数据和挖掘机数字孪生模型进行显示，操作员根据交互屏实时显示的数据和模型获知挖掘机经对应操作后的实际状态；同时，操作指导模块中的操作处理单元将每次操作的操作顺序和操作时长，以及挖掘机培训样机整机及各个机构的动作方向、动作速度、动作轨迹、运行状态数据和报警数据作为操作行为数据记录在操作经验数据库中，根据操作行为数据和操作评分标准对每次操作进行评分，并将评分结果发送至语音播报单元，语音播报单元对接收的评分结果进行播报，操作员根据每次操作的评分结果确定操作是否需要进一步改进，进而不断提升操作水平。
34.进一步地，为了提高挖掘机数字孪生模型的建模效率，以提高服务器和挖掘机数字孪生交互模块对于挖掘机培训样机的操作输入的响应速度，本发明一实施例中，数字孪生模型构建模块设置有数字孪生模型算法，数字孪生模型构建模块根据指定的挖掘机的型号调取参数数据库中对应型号的多个指定参数指标数据，利用数字孪生模型算法对调取的多个指定参数指标数据进行匹配建模，获取挖掘机数字孪生模型。
35.其中，数字孪生模型算法可以采用现有的任意一种算法，只要能够实现数字孪生模型的快速构建即可。
36.进一步地，考虑到挖掘机在实际操作时其主要的动作部分包括提升机构、回转机构、推压机构和行走机构的动作，本发明一实施例中，挖掘机的多个指定参数指标数据包括：挖掘机整机、提升机构、回转机构、推压机构和行走机构的长度、宽度、高度、外形结构、局部特征、尺寸比例、设定坐标体系、渲染方法和像素深度。
37.基于上述设置的多个指定参数指标数据构建挖掘机数字孪生模型，能够在满足挖掘机操作培训需求的情况下尽可能减少建模时的数据处理量。
38.进一步地，由于挖掘机的主要动作部分为提升机构、回转机构、推压机构和行走机构的动作，本发明一实施例中，作业数据包括：挖掘机整机、提升机构、回转机构、推压机构和行走机构的动作轨迹、动作方向、速度区间、运行状态数据和报警数据。
39.进一步地，考虑到在挖掘机的实际操作中，挖掘机的传动系统和润滑系统也是容易发生故障的部分，为此，本发明一实施例中，挖掘机的多个指定参数指标数据还可以包
括：挖掘机的传动系统和润滑系统的外形结构、局部特征、尺寸比例、设定坐标体系、渲染方法和像素深度；作业数据还可以包括：挖掘机的传动系统和润滑系统的运行状态数据和报警数据。
40.如此，能够使构建的挖掘机数字孪生模型实现对挖掘机更精细的模拟，进一步提高挖掘机操作培训效果。
41.进一步地，基于上述设定的挖掘机的指定参数指标数据和作业数据，处理单元根据参数数据库中的数据和作业数据对挖掘机数字孪生模型进行渲染包括：
42.处理单元根据参数数据库中对应型号的挖掘机的各个部分的尺寸比例、设定坐标体系、长度、宽度、高度、外形结构和局部特征调用相应的渲染方法和像素深度对挖掘机数字孪生模型进行渲染；
43.当挖掘机培训样机动作时，处理单元根据挖掘机整机及动作机构的运行状态数据、动作轨迹、动作方向和速度区间调用相应的渲染方法和像素深度对挖掘机数字孪生模型进行动作渲染。
44.具体地，当挖掘机培训样机处于未操作状态时，处理单元根据参数数据库中的挖掘机的多个指定参数指标数据对挖掘机数字孪生模型进行渲染，获取三维静态数字孪生模型，并发送至交互屏，由交互屏进行显示；当挖掘机培训样机经操作员操作而进行动作时，处理单元基于三维静态数字孪生模型，根据挖掘机整机及动作机构的运行状态数据、动作轨迹、动作方向和速度调用相应的渲染方法和像素深度对挖掘机数字孪生模型进行动作渲染，获取三维动态数字孪生模型，并发送至交互屏，由交互屏进行显示。
45.进一步地，本发明一实施例中，当存在报警数据时，处理单元确定报警数据对应的部位，并在交互屏显示的挖掘机数字孪生模型中对应的部位上对报警数据进行弹框显示。
46.通过在对应的部位上对报警数据进行弹框显示，能够使操作员直观获知报警数据及其对应的报警部位。
47.进一步地，本发明一实施例中，存储单元还设置有语音报警数据库，语音报警数据库存储有挖掘机的各类数据异常报警语音和各类状态异常报警语音，在挖掘机培训样机的操作过程中，操作处理单元将当前操作的操作行为数据与操作指导数据库存储的标准操作行为数据进行实时比较，若存在某个数据与其对应的标准数据的偏差超过预设阈值，操作处理单元从语音报警数据库中提取对应的数据异常报警语音和/或状态异常报警语音并发送至语音播报单元，语音播报单元对接收的语音进行播报。
48.通过对出现异常的数据进行实时播报，能够使操作员在操作过程中及时获知异常数据信息，以对操作进行调整改进。
49.进一步地，存储单元还设置有语音指导数据库，语音指导数据库存储有挖掘机的各个动作对应的动作完成语音和动作开始语音，在挖掘机培训样机的操作过程中，操作处理单元根据当前操作的动作顺序依次调用语音指导数据库中的动作完成语音和动作开始语音并发送至语音播报单元，语音播报单元对接收的语音进行播报。
50.通过在挖掘机培训样机的操作过程中对动作完成和动作开始进行语音播报，能够对操作员的操作进行指导，提高操作员的学习效率。
51.进一步地，操作处理单元还与挖掘机培训样机连接，操作指导数据库存储有操作手册和操作样例影像，操作处理单元能够根据操作台的输入从操作指导数据库中调取操作
手册和/或操作样例影像并发送至挖掘机数字孪生交互模块，挖掘机数字孪生交互模块对接收的操作手册和/或操作样例影像进行显示。
52.通过在操作指导数据库存储操作手册和操作样例影像，并使操作手册和操作样例影像能够被调用显示，能够使操作员根据显示的操作手册和操作样例影像进行挖掘机的操作学习，实现自主培训，提高操作员的操作水平。
53.进一步地，本发明一实施例中，操作处理单元还将操作经验数据库中记录的评分大于预设分值的操作行为与操作指导数据库中存储的标准操作行为进行对比，若记录的操作行为比标准操作行为具有更佳效果，则将记录的操作行为作为标准操作行为，并对操作指导数据库中的标准操作行为进行替换。
54.通过对操作指导数据库中存储的标准操作行为进行择优迭代，能够不断提升该挖掘机操作培训系统的培训水平，进而提高经培训后的操作员的操作水平。
55.本发明一实施例提供的基于数字孪生的挖掘机操作培训系统通过设置挖掘机培训样机，将挖掘机操作经验数据化、模型化，对挖掘机培训样机的操作实时显示和评分，能够实现挖掘机操作的自主培训，既能够保证培训后的操作工的操作水平，又能够避免采用实体培训时因操作工前期操作水平较低而导致挖掘机发生损坏，降低培训成本。
56.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
57.最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。