“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、...     

基于数字孪生的综采工作面工业虚拟服务系统

针对传统虚拟综采工作面数字化程度低、工艺规划周期长、装备运行状态监测困难等问题,设计了基于数字孪生的综采工作面生产系统。围绕综采工作面运行规律及特点,构建了物理综采工作面、虚拟综采工作面、综采虚拟软件服务系统和综采孪生数据系统,研究了系统间的数据交互流程和驱动优化方法。提出虚拟综采工作面元素模型的系统性构建方法,完成了多种类煤层及综采装备建模;基于综采虚拟软件服务系统对综采生产过程进行虚拟仿真,实现了采煤机截割路径规划和不同综采工艺的预演评价;利用相关传感器及软件技术实现了综采装备运行姿态在虚拟环境中的实时映射,在此基础上,建立了分布式局域网协同模型,借助一致性哈希算法实现了多装备监测任务的动态优化分配。经应用测试,该综采虚拟软件服务系统能有效为数字孪生和综采工作面的深度融合及终端装备的生产、规划、监测等问题提供服务。     

煤矿采运装备协同运行虚拟仿真教学系统设计

为弥补煤矿装备教学实验在实验成本、实验条件、安全性和交互性等方面的不足,通过分析协同运行关系与模型,描述使用Unity3D程序设计虚拟仿真教学系统的基本原理,设计和制作等比例缩小样机实验教学平台,完成了煤矿工作面采煤机和刮板输送机组成的采运装备协同运行虚拟仿真教学系统设计。依托该系统,通过虚实结合手段可以完成煤矿采运装备协同运行虚拟仿真教学实验,提升机械工程煤机方向研究生和本科生的科学实验与教学实践能力。     

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。     

虚拟现实技术在煤矿领域的研究现状及展望

针对国内外煤矿领域虚拟现实研究大多是局部或单向性研究,整合各阶段、各领域、各环节进行综合性研究且获重大突破的极其缺乏的实际情况,在概述国内外虚拟现实技术在煤矿虚拟场景仿真、虚拟现实监测监控、虚拟规划方法和"VR+AR"技术融合设计等应用领域的研究现状基础上,剖析了其在应用中存在的困难和问题,明确提出了虚拟现实技术应整合多技术手段进行融合设计,并实施"四步走"战略,即首先解决在技术培训、数据可视化分析、虚拟规划等方面的问题;其次是解决整个生产过程中的虚拟监测监控问题;再其次是利用以上成果加上创新突破实现矿山智能装备虚拟设计,特别是突出虚拟设计和多环节的融合交互关联,把智能操控平台高度集成到整个生产操控中,最终真正实现高智能、自关联、绿色化,高效率无人值守的目的。     

面向多平台的矿山机械零部件数字化设计与虚拟装配系统

为了有效提高矿山机械装备关键零部件的设计效率,通过分析各种零部件的设计与装配参数,总结出一种基于WebGL标准的数字化设计与虚拟装配模式,并以此为基础开发了相应的原型系统实例。系统分为离线和在线两个模块,关键功能均采用JavaScript与Three.js进行开发,包含数字化设计、虚拟装配、零件模型下载和上传零件预览等,具有跨平台、结构轻便和易于开发等优点,对同类型的系统开发具有一定的借鉴作用。以采煤机外牵引部传动系统为例进行数字化设计与虚拟装配,验证了系统的可行性。     

带式输送机关键零部件多方法参数化协同建模研究

为提高矿山机械企业设计关键零部件的效率,缩短开发周期及促进技术创新,综合运用UG/OPEN C、NXOPEN C++、Block UI Styler等二次开发工具,在VS2012集成开发环境下,进行3种参数化方法协同建模研究,分别为:基于UG OPEN API与NXOPEN C++的参数化建模、基于模型表达式与NXOPEN C++的参数化建模、基于JA录制与NXOPEN C++的参数化建模。在3种参数化建模方法的协同支持下,开发了带式输送机参数化建模设计系统并且以某零件的参数化过程为例,从开发代码量、适用对象和适用范围等6个方面对3种方法进行了全方位的对比,为不同复杂程度的矿山机械零部件进行特异参数化设计提供理论基础。     

网络环境下刮板输送机减速器参数化动力学仿真系统分析

为了对刮板输送机的关键机构进行动力学分析,构建了网络环境下参数化动力学仿真系统。系统采用B/S架构,将Web技术与ADAMS软件相结合,实现了系统页面的布局与显示,动态网页与用户的交互,后台数据库的管理以及仿真软件的调用;参数化建模、宏命令、以及ADAMS/View命令文件技术相结合实现了基于ADAMS的自动化建模仿真和仿真数据输出。以系统中刮板输送机减速器齿轮机构为例进行实例分析,实现了参数化建模、自动仿真分析以及结果数据查看,为后续设计提供了理论支撑和数据支持。     

综采工作面“三机”运动仿真研究

针对目前综采工作面三机运动仿真研究较少涉及单机部件联动过程、不能详细展现单机运动状态的问题,结合虚拟仿真技术建立三机几何模型,在对三机姿态进行解析的基础上,在Unity3D平台下通过脚本组件,运用面向对象的编程思想,真实还原采煤机摇臂升降及割煤动作,液压支架降柱、移架、推溜等动作,以及刮板输送机弯曲运动。测试结果表明,所建立的模型能够清晰、完全地展现三机构造、运行原理及单机运动情况。     

机器人运动学与时序预测融合驱动的刮板输送机调直方法

随着智能化开采的不断发展,刮板输送机直线度控制对于煤矿安全、高效开采具有重要意义。针对刮板输送机的调直精度不高的问题,提出了一种基于空间运动学与长短时记忆神经网络轨迹预测相融合的调直方法。首先,利用工业机器人的空间运动学知识对液压支架和刮板输送机浮动连接机构的运动规律进行了解析,并以C#语言的形式编入Unity3D仿真系统底层,通过推移机构连接头捕捉刮板输送机中部槽上的关键点,实现液压支架与刮板输送机的连接,实现了液压支架的精准推移,较理想化地解决了销耳间隙的影响;其次,综合考虑到传感器噪声与截割底板轨迹对刮板输送机轨迹检测的影响,在仿真系统中进行相关的补偿后,在MATLAB中利用LSTM(Long Short Time Memory)神经网络对刮板输送机的轨迹进行预测;最后,根据实际工况要求建立了目标调直轨迹的修正模型和轨迹-姿态转换模型,以得到的刮板输送机轨迹为基础,确定及时移架后的液压支架位置与对应中部槽的相对位置差,基于浮动连接机构运动规律液压支架精准推移,实现刮板输送机调直。通过虚拟试验的验证,建立的修正模型和转换模型具有较强的可靠性,在仿真系统与实验室条件下分别在底板存在起...