综采工作面煤层装备联合虚拟仿真技术构想与实践

当前综采工作面煤层和装备都是分开建模,缺少将两者的运行关系进行融合的方法和案例,导致构建的虚拟生产系统与实际情况偏差过大。利用虚拟现实软件Unity3D的物理仿真引擎,对虚拟装备之间和装备与虚拟煤层之间的相互作用关系进行编译,获得关键的运行信息、特征和状态,目的是实现"煤层+装备"的联合虚拟仿真运行。基于逆向重构技术与Mesh网格碰撞体技术建立由虚拟固有煤层和虚拟实时更新煤层两部分组成的虚拟煤层仿真系统,对装备进行协同仿真,建立装备与煤层虚拟作用模型,研究与煤层底板直接进行作用的装备行为的仿真方法,包括刮板输送机虚拟铺设、液压支架群虚拟支撑和采煤机虚拟截割煤层顶底板。以井下地质探测数据点为基础按循环点和装备点逆向重构出固有煤层,根据采煤机实时前后滚筒截割轨迹对虚拟煤层数据信息进行更新,煤层实时信息也同时反向作用于装备运行,真实再现煤层环境下装备自适应推进过程。该方法将装备与煤层建立可靠的联系,为构建实时运行数据驱动的综采工作面生产系统虚拟镜像提供技术支撑。     

智能开采装备全位姿测量及虚拟仿真控制技术

针对深部开采复杂地质条件下的综采装备空间位姿及受力动态变化、随机倾斜错动难以描述和自适应控制难题,提出了基于全位姿测量及虚拟仿真控制的智能开采模式,以中煤新集口孜东矿140502工作面地质条件和7 m四柱大采高综采装备参数为基础,构建复杂条件下智能开采装备全位姿测量及虚拟仿真智能控制系统。首先,给出了智能开采"环境装备-仿真模拟-反向控制"运行体系下的智能决策过程,提出了融合视觉的装备全位姿测量、工作面装备位姿一体化描述及驱动关系建模、基于Unity3D的综采虚拟仿真控制等3项支持智能决策的关键技术。随后建立融合视觉的工作面综采装备群全位姿多参数测量系统,提出了基于设备特征点的视觉多参数测量方法,获取描述综采装备群空间全位姿的15个独立参数;给出综采装备群统一坐标描述及驱动模型,建立了特定的全局和局部坐标系、采煤机和刮板输送机位姿驱动关系模型和刮板输送机三维空间弯曲姿态模型;基于Unity3D虚拟仿真技术构建了工作面场景、装备、工艺流程等虚拟实体和关系模型,支撑井下综采装备开采过程运动仿真。开发出与全位姿测量系统通信的底层数据接口,获取装备的实际工况数据,从而驱动仿真模型实现三维场景下的虚实映射。分析计算和模拟优化下一割煤循环装备协同运动及工艺过程,通过反向控制链路实现对装备虚拟模型和实际装备体的闭环控制。实验室测试表明:虚拟仿真系统实现了数据获取、模型解算、单机装备及装备群协同运动仿真,满足装备实际运行逻辑关系,具有对工作面装备运行状态实时监测和反向控制能力,系统运行流畅性满足要求,帧率20 fps。全位姿测量系统经井下现场测试表明:图像识别检测的支架数大于5架,图像解算时间小于0. 5 s,支架顶梁测量角度误差小于1. 2°,满足系统数据测量需求。     

虚拟综采工作面三机运动状态监测系统研究

针对传统综采工作面监测系统存在的不足,利用虚拟现实软件Unity 3D完成虚拟工作面场景的构建及三机(采煤机、刮板输送机、液压支架)的运动仿真,应用VB6.0软件和数据采集模块WISE-4012E、工业级无线传输模块EKI-6311实现数据采集和调用,研发了一套基于虚拟现实技术的综采工作面三机运动状态监测系统。该系统能够将三机的运动状态直观地展现出来,虚拟场景中建立的三机模型与真实设备的运动状态实时同步,通过场景漫游,可以让工作人员多视角监测三机运动状态。     

AR/VR融合驱动的综采工作面智能监控关键技术研究与试验

为突破综采工作面数据驱动实时监控技术瓶颈,进一步满足对综采工作面协同运行状态的深度感知,以虚拟现实(Virtual Reality, VR)监控技术及成果为基础,以HoloLens2增强现实(Augmented Reality, AR)头显为主要开发设备,结合工业互联网、云技术、数字孪生(Digital Twin, DT)等先进手段,进行AR/VR融合驱动的综采工作面智能监控关键技术研究与实践,充分利用AR技术的特性弥补VR监控与真实场景有割裂感、监测数据来源较为单一的缺陷,使综采工作面智能监控体系得到完善与扩充。提出3种关键技术,并对各关键技术的具体解决方案进行剖析,具体包括：(1)构建了通用高效可扩展端云协同异步网络框架,基于该框架研究了多终端协同工作关键技术,实现了空间虚实融合全息辅助标注功能。该技术可为综采工作面智能监控全过程中的多人协作提供便利;(2)将基于稀疏匹配的识别跟踪方法与基于AR标识的识别跟踪方法相结合,实现了对综采工作面全综采装备的识别跟踪,为综采工作面的AR监测与控制提供了先决条件;(3)在由物理综采工作面、云服务器、数字综采工作面3者构成的数字孪生闭环上,进行...     

基于数据驱动的综采装备协同控制系统架构及关键技术

为解决智能化综采工作面关键技术难题之一的开采设备协同控制问题,提出了基于数据驱动的综采装备仿人智能协同控制模型,重点研究了大数据背景下智能综采装备的协同控制知识自学习、开采行为自决策、分布协同自运行等关键技术理论与方法。具体包括:从数据应用的角度分析了智能综采系统的数据特点,阐明了智能综采的3大数据化特征:泛在感知(数据获取)、信息融合(数据挖掘)、智能控制(数据决策);构建了面向经验操作员决策过程表征的综采装备协同控制框架;提出了基于扩展有限状态机的综采装备运行状态演化方法和基于多标记决策信息系统的综采装备运动行为模式学习方法,来实现数据驱动下智能综采装备行为决策知识的获取;提出了面向经典采煤工艺过程的综采装备行为模态类的决策知识划分方法和基于CBR与RBR融合的决策行为混合推理方法,来实现智能综采装备动作行为的自主决策;探讨了人工控制模式下综采装备驾驶员控制策略的表征方法,发展了具有自学习、自决策、工况自适应的综采"三机"仿人智能协同控制方法;给出了基于平行系统理论的平行综采技术逻辑,为综采装备协同控制的研究提供方法。所提综采装备协同控制系统为大数据背景下的综采生产系统的协同控制提供了解决方案。     

虚拟仿真技术在监控无人综采工作面的应用

针对目前国内的无人综采工作面存在的问题,提出运用Unity3D虚拟显示软件建立综采工作面模型,通过无人综采工作面设备(重点是液压支架)的实时数据反馈,模拟其运动过程的姿态,以便更好地监视和控制设备的运行,对无人工作面监视和控制的实现提供一种新的辅助手段。重点介绍虚拟仿真技术方案的架构、关键设备和相关协议,及实现的原理与方法。     

“人本智造与XR+”驱动的综采工作面人机协同智能化运行模式探索与实践

煤矿开采当前仍然处于部分无人化的发展阶段，人仍然在综采系统中扮演着重要的角色。智能化综采工作面应该在当前智能化装备和技术的基础上，依靠人(包括巡检工、集控工和维护工)与设备环境的深度人机协作，最终达到安全高效运行的目标。因此，基于在“XR+”领域长期的实践，从“人本智造”的角度出发，对综采工作面人机协同智能化运行模式进行探索。首先对比分析井下3类工种与地面工种的工作环境，得出3个工种在未来如何提升到智能操作工的升级路径；提出了基于多功能平行系统的综采工作面多工种协同运行模式框架，搭建“人-机-环”深度融合的综采工作面全局虚拟场景，并以此为基础进行智能推演，对3工种之间以及和多功能虚拟平行系统的协同交互方式进行设计。接着对其中的一些关键技术，如参数化虚拟矿工模型、真实矿工与虚拟矿工的实时联动、巡检手势集设计和井下协同维护系统等进行研究；最后对多功能平行系统的多工种培训、巡检工虚拟操作、集控工人机优化、维护工协同运行和多工种协同进行了相关的测试，实现了3工种之间以及与多功能平行系统的实时交互；最终形成“全局细节兼掌控+机器智能推结果+多工种协同决策”的协同操作模式，共同完成高质量远程监视、...     

基于Unity3D的综采工作面全景虚拟现实漫游系统设计

针对煤矿井下工作环境恶劣、教育培训手段缺失的问题,设计了基于Unity3D的综采工作面全景虚拟现实漫游系统。系统首先基于虚拟现实场景构建及3D虚拟模型制作技术,宏观上对综采工作面进行了布置,为用户提供了在综采工作面中自由漫游的直观感受;建立了综采工作面的整个环境,实现了综采设备的三维虚拟展示和运动仿真模拟;同时基于交互理论,对其与综采设备的人机交互进行了深入设计,使用户能够完整与真实地体验煤矿井下综采工作面的整个生产过程。利用虚拟现实技术将煤矿综采工作面的布置全景与动态运动生动形象地展示出来,为煤矿企业等单位提供一种全新的培训技术手段。     

基于数字孪生和数据驱动的新型煤矿智能支护监控系统设计

煤矿支护严重影响着煤矿安全生产与高效开采,很多研究集中在采掘设备上,对煤矿支架的智能化研究不足。鉴于此,本文从虚拟现实的概念出发,基于数字孪生和数据驱动的先进理念,构建了新型煤矿智能支护监控系统。将"ANSYS"与"Unity3D"2种软件进行有效耦合,提出了数字孪生和数据驱动耦合的液压支架智适应调整方案,该方法是一种虚拟现实技术在煤矿机械中的具体示范应用,可以指导完成在虚拟环境下综采工作面支护监测与动态规划。根据真实物理场景数据,在虚拟空间中对支架的调整进行演化,并根据演化结果指导真实场景,避免了支架调整过程中可能造成的不良效果。为液压支架的联动仿真和虚拟状态安全监测与控制提供了理论支持和应用的新思路。     

VR环境下综采工作面全景造型与故障渲染

提出基于虚拟现实(VR)技术的综采工作面全景造型设计与故障渲染监测方法。首先利用UG进行设备建模并建立运动关系,利用3DSMAX进行人物与场景巷道建模展现设备外观与运行环境,然后利用RHINO对各模型进行优化;然后使用UNITY-3D进行人物骨骼制作、场景搭建;使用粒子系统制作展现井下事故设备故障,同时进行GUI(图形用户界面)的设计优化;最终输入实时工作面数据,在监测系统决策出当前问题后,在3D虚拟监测场景中可以实时生动的渲染出相应问题效果,包括井下水灾、井下火灾、顶板灾害、设备故障提示等,完成综采工作面全景造型与故障渲染系统的建立。     

复杂煤层条件下采煤机自适应截割控制策略

采煤机是综采工作面的核心装备,复杂煤层条件下,其工况恶劣、环境复杂,采掘装备智能化程度不高,导致我国煤矿开采灾害多、煤机适应性不强、故障率高、效率低,提高煤机装备的可靠性与适应性是煤矿智能化发展的主要任务之一。采煤机工作机构与复杂煤层耦合作用机理及煤岩截割状态与动力传递系统的导控机制,是实现采煤机智能高效截割的关键。基于虚拟样机技术、模糊控制技术,结合数据自适应加权融合算法、深度强化学习算法,采用多领域建模与协同仿真及试验分析相结合的方法,构建机-电-液-控一体化的采煤机自适应截割系统模型,研究其自适应截割控制策略。利用AMEsim建立调高液压系统模型,并与EDEM-RecurDyn煤岩截割双向耦合模型集成;根据煤层实际赋存条件划分煤岩坚固性系数等级范围,以采煤机综合性能最优为目标,利用改进的MOGWO（Multi-Objective Grey Wolf Optimizer）算法对采煤机的牵引速度和滚筒转速进行分级优化。以采煤机截割部的时域振动信号作为煤岩截割状态识别的特征参数,运用数据自适应加权融合算法对其进行融合处理;以特征参数融合值为依据利用模糊控制实现煤岩截割状态的智能识别;利...     

基于采煤机和刮板输送机能耗模型的速度协同优化控制

综采工作面“智能化+装备”协同控制是实现煤矿综采智能化关键技术之一,采煤机和刮板输送机作为综采工作面的两大核心装备,其协同运行状态决定了整个综采过程的智能化程度、效率和能耗。基于前期研究建立的采煤机能耗模型,结合双向割煤工艺特点,通过对刮板输送机在不同工艺阶段的煤量线密度、实时煤量及运行阻力的分析,建立了刮板输送机的能耗模型。为验证该模型的合理性,以山西某煤矿9105综采工作面双机系统作为研究对象,通过MATLAB仿真得到的双机基准速度及其同比率增加或减少时的系统能耗变化趋势与实际经验相符。为明确牵引速度、滚筒转速及刮板链速度变化对采煤机和刮板输送机能耗的影响,通过对45组不同速度协同组合下采煤机和刮板输送机的能耗变化情况进行仿真分析,得出双机能耗最速下降路径的速度协同组合方向。其次,在满足采煤量、速度要求、生产时间等约束条件下,以采煤机和刮板输送机协同运行时的总能耗最小为目标,建立了双机速度协同优化模型,提出基于双机能耗模型的速度协同优化控制方法。为突出协同优化控制方法的优势,以同一综采工作面为研究对象,通过仿真得到优化协同速度及相应的能耗,与基准速度下的能耗相比,在一个生产循环中,...     

基于虚拟现实技术的矿井综采工作面矿压显现仿真系统

以提升矿井综采工作面矿压显现仿真精度和仿真环境视觉效果为目的,研究基于虚拟现实技术的矿井综采工作面矿压显现仿真系统。系统利用Multigen软件构建矿井工作面矿压显现仿真环境,获取矿井综采工作面矿压参数,并利用该参数建立外部数据库和场景数据库,经过场景调度外部数据库与场景数据库实施场景建模、场景形象建模、几何建模等流程建立矿井工作面矿压显现仿真系统,以场景漫游与交互控制实现矿井综采工作面矿压显现操作。实验结果表明,矿井工作面矿压显现系统虚拟场景画面逼真,功能齐全,可有效仿真矿井工作面矿压环境;获取的矿井当前矿压数值与实际值很接近,仿真精准度高。     

长壁综采工作面无人自主开采发展路径与挑战

智能化无人开采是实现煤矿安全高效开采的技术途径。根据无人控制系统发展的一般规律,分析了综采工作面控制系统发展历程包括远程遥控、自动控制和自主控制3个阶段。综采工作面自主控制需要解决综采工作面环境实时感知、综采“三机”协同控制、高精度煤层地理信息系统、开采工艺智能决策与无人综采工作面评估试验方法5个方面的问题。总结了综采工作面控制系统的3个目标任务：可靠割煤与装煤、保持工作面几何关系、围岩可靠支护;凝练了综采工作面控制系统的8项关键技术：液压支架电液控制技术、综采装备协同控制技术、工作面通信技术、工作面可视化技术、采煤机定位技术、采煤机自动调高技术、工作面自动调直技术、工作面围岩支护控制技术,并分析了综采工作面控制系统关键技术与其目标任务之间的逻辑关系。通过分析综采工作面控制系统关键技术的功能需求和综采工作面自主控制的研究问题,提出了综采工作面由自动控制迈向自主控制首要解决的问题,即工作面煤层地理信息系统精细化、采煤机截割规划策略、工作面围岩智能支护策略以及综采工作面控制系统适用性评估检验方法。     

综采工作面智能化开采路径及关键技术

智能化开采是煤矿开采技术演进的必由之路,目前我国总体处于智能化开采的初级阶段,智能化开采理论体系尚需不断完善。通过分析我国不同煤矿开采阶段在生产信息获取、处理及控制技术等方面的技术特点,发现信息感知、分析和控制技术是煤矿开采方式进步的本质原因;基于智能化开采的基本要素,明确综采工作面智能化开采的内涵是以"互联互通"的智能化成套综采装备为载体,以物联网技术、人工智能技术、大数据技术、云计算技术、通信技术等现代技术与煤矿生产技术的深度融合为基础,通过智能信息感知、智能信息分析决策、智能控制与反馈,实现具有人工智能特征的工作面自动化采煤技术。提出综采工作面智能化开采的技术路径包含生产物理场景智能感知与矿山大数据储存,矿山大数据关联分析与智能决策,智能化生产装备精准协同控制等3个方面内容。结合目前我国智能化开采发展阶段和发展方向,提出了综采工作面智能化开采亟须突破的关键技术:开采全生命周期地质精准探测与建模技术;工作面生产场景精准感知技术;建立通信协议标准化的信息传输系统;复杂生产环境下的智能决策技术;智能化综采装备系统可靠性增强技术。结合工程实践介绍了基于人-装备-环境多源信息数据的特厚煤层智能化综放开采模式的初步应用。     

基于工业元宇宙的综采工作面虚实融合运行模式初步探索

以数字孪生技术形成虚实融合的运行模式是推进智能化建设的关键，而以数字孪生为基础的工业元宇宙是智采工作面未来发展的方向。提出基于虚拟现实-数字孪生-信息物理系统-工业元宇宙的综采工作面虚实融合运行模式构想，具有展示与离线模拟、监测与辅助操作、在线模拟与预演等六大内涵特征，是逐渐由低层级的展示模拟到高层级深度融合功能的演变过程，最终具备由实到虚精准的复制映射能力、虚拟迭代的推理预测决策能力、由虚到实的复制控制能力以及虚实人机无缝协作和精益化管理四大能力。分析工业元宇宙所具备的4种能力和实现工业元宇宙的关键技术。在已有的监测、决策、控制能力的基础上融入能加强现场操作人员与远程操作人员协作能力的AR远程协助技术、能加强操作人员安全性的机器人协同技术与能在虚拟空间内利用AI驱动运行的虚拟人技术，构建了基于工业元宇宙的液压支架调架实验系统，形成工业元宇宙在煤矿开采中应用的初步认识。     

采煤机自主导航截割原理及关键技术

深部煤层构造较为复杂,实现采煤机无人驾驶开采更加困难。在总结采煤机结构和截割调控技术演变历程基础上,提出采煤机截割调控技术在经历了人工目测截割、机载探测截割、示教记忆截割3个发展阶段后,已经进入到自主导航截割的第4阶段,并提出了适用于深部煤层采煤机自动驾驶的导航截割理论与技术框架,包括导航地图、位姿感知、路径规划、姿态控制4项技术内涵和精细化煤层截割定位地图、精准化煤层截割导航地图、动态化煤层截割导控地图、采煤机融合定位方法、定位精度提升、智采机组全位姿参数矩阵建立、物理-虚拟模型驱动与交互、无人驾驶防冲撞路径规划、截割作业智能调高调直9项关键技术。系统阐述了采煤机自主导航截割相关核心技术基本原理:首先,构建煤层智能化开采导航地图,从精细化煤层截割定位、精准化煤层截割导航和动态化煤层截割导控3个关键步骤实现地图构建及更新;其次,通过融合定位和定位精度提升方法,完成了采煤机位姿精确感知;再次,创建智采机组全位姿参数矩阵,并结合物理-虚拟模型驱动与交互技术构建出导航截割数字孪生系统;最后,基于实时综采装备位姿状态和煤层导航地图信息,实现了无人驾驶防干涉防冲撞路径规划、截割滚筒自适应调高控制以及行走路径自动调直控制。从而实现了深部煤层采煤机智能导航截割控制,为智采工作面实现无人作业提供了新的理论技术支撑。     

基于真实煤层环境的液压支架运动虚拟仿真方法

为解决现有煤矿开采中液压支架无法根据井下煤层环境及时调整支护姿态的问题,提出了一种基于真实煤层环境的液压支架运动虚拟仿真方法。该方法在虚拟软件Unity 3D中基于真实煤层数据点直接生成顶底板煤层环境曲面,并结合液压支架模型对其进行物理组件的添加,实现了液压支架基于重力作用下对底板曲面的自适应贴合。通过对液压支架模型的运动学和煤层顶板曲面数据点的分析,确定出满足该顶板支护状态下的液压支架各部件角度信息值,在虚拟空间中预先实现液压支架对煤层环境运动姿态的调整。最后进行了试验,在试验中构建了煤层顶底板曲面模型,进行了液压支架在试验煤层情况下的支护姿态调整;同时在虚拟环境中生成相应的煤层顶底板曲面,并进行了虚拟环境中液压支架姿态的调整。试验结果表明,利用虚拟软件Unity 3D实现基于煤层环境的液压支架运动参数变化与实际液压支架运动参数变化基本相同。本方法为实现液压支架对围岩煤层环境的自适应调整提供了思路参考和应用实践。     

冲击地压“双驱动”智能预警架构与工程应用

冲击地压预测预警有助于全面掌握灾害风险程度,提前采取针对性防冲措施,可以有效降低灾害影响。冲击危险性等级、冲击危险性区域与潜在冲击时间的实时量化预测是冲击地压预测预警的核心。为此,提出“双驱动”冲击地压智能预警架构,结合物理驱动与数据驱动,动态实时确定工作面冲击地压的等级、时间及区域。在物理驱动的框架下,通过贝叶斯概率的综合模型,使用工作面实时微震数据、巷道实时应力、地震CT-微震等相关参数,对工作面冲击地压危险性等级进行动静态协同综合实时评价;在数据驱动的框架下,以微震大事件定量预测为切入点,构建一个结合普通卷积模块、循环神经网络模块与AR自回归模型的深度学习模型MSNet,利用工作面历史微震事件作为模型输入,定量动态预测未来几次微震事件发生的时间、位置与能量,继而确定冲击时间与危险性区域,并基于Unity3D软件开发了相应的冲击地压三维智能预警平台。创新性提出了基于物理及数据“双驱动”的冲击地压灾害预警技术,实现了冲击地压风险特征信息的动态智能预警预测和危险区域的三维可视化显示。平台的现场应用表明,具有冲击危险性的等级预测精度可达0.88。和现场微震记录相比,工作面微震事件位置坐标...     

基于TGIS的数字孪生智能综采工作面研究

为了在煤矿智能化综采工作面远程控制过程中实时、准确、直观地掌握工作面信息，消除监控死角，提出了基于时态地理信息系统(TGIS)的数字孪生智能综采工作面构建方法，实现与真实工作面之间的工作仿真、分析预测和实时交互。阐述了基于TGIS的数字孪生智能综采工作面构建技术体系，从数化、互动、先知、先决和共智5个方面说明了基于TGIS的数字孪生智能综采工作面成熟度模型的生长发育过程，并简要介绍了数字孪生智能综采工作面的建设路线，以国家能源集团宁夏煤业有限责任公司金凤煤矿数字孪生智能综采工作面为例介绍了数字孪生智能综采工作面的构建方法，对智能工作面、透明化工作面建设具有积极意义。