智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术

针对数字化综采工作面的场景构建、虚实交互通道和虚拟模型驱动三大基础问题,提出一种面向智能化综采工作面的实时虚拟监测方法,对高可信度煤层装备联合虚拟仿真与协同规划、实时可靠信息获取与"虚实融合"通道构建技术和虚实融合与感知一致性呈现等方法进行研究,具体包括:①基于Unity3D开发特点和模型所需特性,分别完成了三机装备数字模型和煤层顶底板模型的构建,将虚拟装备布置在虚拟煤层中,实现各装备之间的虚拟协同以及装备与煤层之间的关系构建,完成了虚拟煤层环境下的装备协同推进仿真并对装备群协同运行进行虚拟规划,实现了高仿真度综采虚拟场景的构建;②在装备反映位姿信息的关键位置上布置传感器,通过一系列接口和通道,构建Unity3D与组态软件、数据库和计算软件之间的信息交互。采用分布式协同的驱动模式,优化了数据的传输处理,最终将综采装备的实时运行数据导入虚拟平台,驱动虚拟设备运行,实现了稳定可靠的传感信息协同与调度;③构架了复杂综采虚拟场景实时驱动框架,研究了基于底层模型驱动虚拟单机关键技术,提出了采运装备协同仿真与实时数据驱动的方法、采煤机自动调高方法、刮板输送机和支架协同仿真与实时数据驱动方法、虚拟液压支架群的虚拟驱动方法以及动态透明工作面时空运动学实时分析方法,接着进行了虚拟监测界面设计,实现了传感数据与虚拟仿真运行信息高精度融合。最后在实验室综采成套试验系统和样机试验平台上分别完成了相关试验,验证了三大模块联合运行的正确性和可靠性。试验表明,VR监测系统运行清晰流畅,虚实映射状态同步,可切换性好,呈现信息准确,后台数据库压力也较小,可以完成预期目标。在仿真运行中可实时提取出各装备与煤层运行的相关参数,完成高可靠性虚拟规划。     

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。     

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。     

刮板输送机功率协调与载荷均衡控制研究

刮板输送机是综采工作面的运输设备,其载荷随着落煤量以及采煤机运行方向的不同而不断变化并且无规律性。研究了刮板输送机的负载特性,在变频驱动的基础上使用双电机主从控制方式实现刮板输送机前后驱动电机输出功率的均衡;在此基础上引入模糊控制规则,以刮板链运行速度为控制对象,以刮板链载煤段单位长度载煤量恒定为控制目标,实现对刮板输送机载荷及速度的智能控制。该控制方法能够实现刮板输送机前后电机功率的平衡,实现刮板链单位载荷的均衡化,提高矿井出煤量,降低能源损耗。     

煤矿刮板输送机自动校直控制技术研究

为了满足综采工作面自动化要求,需将刮板输送机直线度控制在许可范围内,分析了煤矿刮板输送机自动校直技术,在刮板输送机构成及形态的基础上,分析了刮板输送机直线度控制误差以及检测误差。采用模糊自适应PID控制器系统,研究了刮板输送机的直线度控制,设计了刮板输送机直线度控制仿真试验,分析了2种刮板输送机的形态的调整。研究表明,该方法可有效地对刮板输送机直线度进行准确调整。研究可为实现煤矿智能化开采提供技术支持。     

智能刮板输送机控制系统的应用研究

通过对综采工作面刮板输送机的应用进行分析,对智能刮板输送机控制系统进行状态诊断设计,控制应用设计,同时对控制系统的控制模型进行建立,实现了智能刮板输送机的不断链、少人化、远程控制功能。     

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。     

老公营子煤矿综采工作面调斜方案探讨

在综采工作面,刮板输送机的稳定性是重中之重。保证管板输送机不上蹿下跳,是综采工作面高产高效的重要前提,同时,刮板输送机的日常管理,也是采煤工作的难点之一。刮板输送机快速向上或向下移动,常常导致安全出口宽度不符合规定、断链等,更有甚者,刮板输送机直接进入煤壁,对正常生产工作造成严重威胁。老公营子煤矿I04(3)综采工作面从S26~S16点开始煤层倾角连续变化,在现场施工中刮板输送机很难控制。先建立生产模型,然后通过经验公式计算出生产参数,最终确定3次伪斜调整工作的具体实施方案,确保刮板输送机稳定运行。经生产实践证明,该方案效果明显,保证了刮板输送机的稳定性,为正常生产工作提供了技术保障。     

基于航位推测的刮板输送机形态检测研究

针对煤矿综采工作面自动化中刮板输送机直线度检测困难及测量精度不高的问题,利用捷联惯导提出了一种基于中部槽结构尺寸航位推测的刮板输送机形态检测新方法。首先,选择Rodrigues参数法进行惯导姿态解算,其次采用加速度传感器测量采煤机经过刮板输送机连接间隙时产生的振动信号,建立了Butterworth滤波下的刮板输送机节数检测模型,最后在考虑刮板输送机连接间隙的情况下构建刮板输送机形态检测模型。利用采煤机和轨道模型在水平、竖直面分别搭建实验平台,实验结果表明,刮板输送机形态的跟踪误差小于14mm。该形态检测方法为刮板输送机形态的检测提供了一种新思路,并为综采工作面自动校直的实现提供了一定的理论支持。     

千米深井三软煤层智能开采关键技术与展望

基于我国淮南矿区三软煤层赋存条件及综采自动化技术发展现状,分析了千米深井三软煤层综采工作面实现智能化、少人化开采的制约因素与技术瓶颈。针对三软煤层易发生煤壁片帮与顶板冒漏等问题,提出了基于多参量监测与融合分析的液压支架智能自适应控制策略;通过分析采煤机精准定位与智能调高存在的技术瓶颈,提出了基于地质信息模型和随掘随采探测动态修正的采煤机采高智能调控策略;分析了刮板输送机发生上窜、下滑等异常工况的原因,提出了基于刮板输送机三向姿态智能监测的异常工况预警与调控策略,并辅以刮板输送机推移工序进行调整;针对综采工作面超前支护区域难以实现智能化推进的难题,研发设计了单元式智能自适应超前液压支架及自动搬移装置,提高了对大变形巷道的适应性及智能化控制水平;分析了综采装备群智能协同推进控制策略,对综采工作面智能化开采技术的发展方向进行了展望。     

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。     

薄煤层成套智能一体化综采装备应用

将薄煤层支架、电控系统、破碎机、刮板输送机、转载机、采煤机等,整合成套智能一体化综采装备,由1家企业统一提供,详细说明综采装备成套智能一体化的概念、问题、应用效果等,对高产高效薄煤层智能工作面的科学选型以及实际应用有一定的参考价值.     

数字孪生智采工作面技术架构研究

为了进一步提高煤矿井下智能化采煤工作面系统自主运行和人机交互能力,达到真正的无人化开采境界,提出数字孪生智采工作面系统(Digital Twin Smart Mining Workface)的概念、架构及构建方法,融合应用5G通信技术、物联网技术和仿生智能技术,从而搭建一个智采工作面的数字孪生远程操作平台。首次定义数字孪生智采工作面是一个数据可视化、人机强交互、工艺自优化的高逼真采煤工作面三维镜像场景,它由物理工作面、数字工作面和数据信息3个部分组成。介绍了DTSMW系统涉及的物理工作面、虚拟工作面、孪生数据、信息交互、模型驱动、边缘计算、沉浸式体验、云端服务、信息物理系统、智能终端等10项关键技术。新的DTSMW系统具有开采过程仿真、优化和监控功能,可以实现开采工艺数字孪生、开采过程数字孪生、设备性能数字孪生、生产管理数字孪生和生产安控数字孪生。研究了智采工作面的仿生智能特性,阐述了物理模块(躯干)、信息模块(大脑)、通信模块(神经)、控制模块(脑肌)、孪生模块(映像)的基本功能特征,特别描述了采煤机、液压支架和刮板输送机的仿生智能要素。针对DTSMW系统数据的高度依赖性,首次将智采工作面复杂信息归纳为3条信息流,用于描述采煤过程的环境、控制和能量状态。环境信息流和控制信息流来自煤岩体对采煤机、液压支架、煤流运输机组的输入信息及其调控信息,能量信息流来自开采装备对煤层、岩层变量调控所产生的能量交换状态信息。针对智采工作面的巨大信息流量,提出了管理DTSMW信息流的数据主线(Digital Thread)方法,将信息流的数据分为周期性数据、随机性数据和突发性数据进行建模处理,以确保数字孪生智采工作面的数据驱动及稳定运行。通过对比分析,DTSMW系统比现有远程集控中心的智能性提高了一个层次,可为中级智采工作面实现无人化运行提供新的监控系统架构。     

矿用隔爆软起动器在综采工作面刮板机上的应用

介绍综采工作面刮板输送机利用隔爆软起动器取代原装液力耦合器驱动的具体应用,通过对运行测试数据分析,表明软起动器是煤矿井下输送机设备交流电动机的较好起动与控制装置。     

综放工作面后部刮板输送机新型卸载方式研究

随着厚煤层、超厚煤层工作面开采工艺的发展,综采放顶煤技术也成为综采工作面开采的重要高产高效的开采方法,但后部刮板输送机卸载方式的发展却一直局限于端卸形式,结合前部刮板输送机卸载方式的优点,通过对不同卸载方式的研究,设计出综放工作面后部刮板输送机新型卸载方式的机头,提高工作面生产效率。     

基于数据挖掘技术的煤矿智能精准开采系统

煤矿综采自动化技术的研究日渐成熟,但由于自动化综采工作面采煤工艺复杂,智能化系统庞大,各设备作业条件复杂。在分析各自动化子系统间存在大量信息孤岛、现存在综采自动化设备和系统不能有效联通,数据可用性低的问题,为了在海量有噪声的、模糊的、随机的实际数据中,提取挖掘其内在控制和生产决策方面有潜在价值的信息,探究如何通过深度数据挖掘实现对综采自动化系统的精准开采。基于数据挖掘技术对建立的开采模型的融合数据分析,根据实时工况数据及各传感器测量数据的实际控制反馈,进行智能开采模型算法的深度学习和控制算法的迭代;随着数据挖掘不断优化控制参数和控制策略算法分析,增加了系统和装备的分析决策功能,最终转换为精准开采决策,极大提升了综采工作面智能化整体水平。     

无功补偿变频一体化电机驱动刮板输送机研究

刮板输送机是影响综采工作面产能的关键设备,利用无功补偿变频一体化电机驱动刮板输送机,在节能的基础上还可以提高输送机的可靠性。本文将现阶段综采工作面使用的电机与一体化电机进行比较,发现一体化电机优势明显。一体化电机兼具无功补偿与变频驱动的功能,同时在起动和运行过程中稳定可靠,具有很好的应用前景。     

智能采煤机器人关键技术

采煤机是综采工作面的核心装备,研发智能采煤机器人是实现综采工作面智能化的关键。综合分析当前采煤机机器人化研究进程中的传感检测、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制等技术的研究现状,提出研发智能采煤机器人必须破解的“智能感知、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制、位-姿-速协同控制”五大关键技术,并给出解决方案。针对智能感知问题,提出了构建智能感知系统思路,给出了智能采煤机器人智能感知系统的架构,实现对运行状态、位姿、环境等全面感知,为智能采煤机器人安全、可靠运行提供保障;针对位姿控制问题,提出了智能PID位姿控制思路,给出了改进遗传算法的PID位姿控制方法,实现了智能采煤机器人位姿精准控制;针对速度控制问题,提出了融合“力-电”异构数据的截割载荷测量思路,给出了基于神经网络算法的截割载荷测量方法,实现了截割载荷的精准测量;提出牵引与截割速度自适应控制思路,给出了人工智能算法牵引与截割速度决策方法和滑模自抗扰控制的牵引与截割速度控制方法,实现了智能采煤机器人速度精准自适应控制;针对截割轨迹规划与跟踪控制问题,提出了截割轨迹精准规划思路,给出了融合地质数据和历史截割数据的截割轨...