基于數(shù)字孿生的綜采工作面工業(yè)虛擬服務系統(tǒng)

李娟莉，沈宏達，謝嘉成,3，李夢輝，姜 朔

(1.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.太原理工大學 煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西 太原 030024；3.太重煤機有限公司 博士后科研工作站，山西 太原 030032)

0 引言

作為主導能源，煤炭在未來相當長的時間內(nèi)依然占據(jù)我國能源消費的主體地位[1]。經(jīng)過40多年的發(fā)展，全國范圍內(nèi)已經(jīng)基本實現(xiàn)了煤礦機械化和綜合機械化[2-3]，在新一代信息技術(shù)推動下，煤礦綜采技術(shù)正朝智能化開采方向發(fā)展[4-6]。隨著可視化遠程干預智能化采煤技術(shù)的推廣應用[7-8]，經(jīng)過近10年的發(fā)展，全國已有超過200個采煤工作面實現(xiàn)了“有人巡視、遠程干預”的可視化遠程干預型智能化采煤模式[9]，但在綜采生產(chǎn)中還存在如下問題：

(1)缺少系統(tǒng)、有效、全面的虛擬綜采場景構(gòu)建方法?，F(xiàn)有的虛擬裝備模型和綜采場景在仿真度和可靠性方面有待提高，虛擬裝備模型的種類不夠全面、模型精度和渲染實時性差、虛擬綜采場景開發(fā)周期較長。

(2)對綜采工作面截割路徑的研究主要基于傳統(tǒng)記憶截割等技術(shù)[10-11]，而對采煤機引領(lǐng)整個裝備群的整體路徑規(guī)劃方法的研究較少。

(3)在綜采裝備姿態(tài)監(jiān)測方面，目前主流工作面視頻監(jiān)控方法易受環(huán)境影響，綜采裝備的某些關(guān)鍵位置無法布置視頻監(jiān)測，導致裝備監(jiān)測不全面[12]。同時，對工作面進行多裝備監(jiān)測時，數(shù)據(jù)量過大增加了主機硬件和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的壓力，易造成監(jiān)測畫面卡頓。這些問題制約著綜采智能化技術(shù)的進一步發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)，為解決上述問題提供了新的思路。

近年來，數(shù)字孿生技術(shù)[13-15]受到廣泛關(guān)注，其以物理實體為基礎(chǔ)，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建高保真、高精度、高可靠度的數(shù)字模型，借助虛實交互技術(shù)驅(qū)動物理實體與虛擬模型的雙向動態(tài)演化，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的全生命周期迭代優(yōu)化，被廣泛應用于探索智能制造[16-17]新模式中。劉志峰等[18]基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建并設(shè)計了零件智能制造車間的調(diào)度云平臺框架模型及其調(diào)度流程模式，搭建了零件產(chǎn)品的全生命周期監(jiān)控系統(tǒng)；丁凱等[19]結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的實現(xiàn)邏輯，研究了智能制造空間的虛實映射建模方法以及復雜多維時空域下的智能制造過程和數(shù)據(jù)建模方法，為實現(xiàn)智能制造空間多要素、多業(yè)務、多流程的實時同步仿真與虛實聯(lián)動控制提供了支撐。隨著數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)研究的深入，一些學者將其引入綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)中，并提出相應的技術(shù)架構(gòu)。謝嘉成等[20]提出一種基于數(shù)字孿生的綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計與運行模式，實現(xiàn)了獲取工作面生產(chǎn)要素的最優(yōu)管理配置，以及生產(chǎn)過程的預仿真和實時監(jiān)控等功能，達到綜采裝備協(xié)同安全高效開采的目的；葛世榮等[21]針對數(shù)字孿生智采工作面技術(shù)架構(gòu)進行研究，為實現(xiàn)中級智采工作面的無人化運行提供了新的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)。數(shù)字孿生技術(shù)通過數(shù)據(jù)和模型交互融合，驅(qū)動物理實體和虛擬模型迭代優(yōu)化，使解決相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計制造問題，實現(xiàn)服務的創(chuàng)新優(yōu)化成為可能。

本文基于數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實等關(guān)鍵技術(shù)，重點對虛擬綜采工作面構(gòu)建、虛擬采煤工藝仿真、虛實交互裝備姿態(tài)監(jiān)測、分布式動態(tài)協(xié)同監(jiān)測等技術(shù)進行研究，結(jié)合綜采工作面的特點和運行規(guī)律，探討數(shù)字孿生技術(shù)應用于智能綜采中的優(yōu)勢，以期對相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究和實踐提供思路與啟發(fā)。

1 系統(tǒng)框架

本文借鑒數(shù)字孿生五維模型[22]的概念和結(jié)構(gòu)，設(shè)計了基于數(shù)字孿生的綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)框架，該框架包括物理綜采工作面、虛擬綜采工作面、綜采虛擬軟件服務系統(tǒng)和綜采孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng)4個主體部分，如圖1所示。

(1)物理綜采工作面 數(shù)字孿生綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的物理實體由采煤機、刮板輸送機、液壓支架和煤層構(gòu)成，此外還應包括各裝備的型號參數(shù)、實時運行數(shù)據(jù)和煤層數(shù)據(jù)。裝備實時運行數(shù)據(jù)主要由布置在綜采裝備上的各種傳感器獲取，煤層數(shù)據(jù)包括初始地質(zhì)探測數(shù)據(jù)和開采暴露數(shù)據(jù)。物理綜采工作面將真實環(huán)境下的裝備和地質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)過綜采孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析處理后發(fā)送給虛擬綜采工作面系統(tǒng)。

(2)虛擬綜采工作面 作為物理綜采工作面的數(shù)字化鏡像，虛擬綜采工作面以物理綜采工作面為參考，借助CAD，UG，Unity 3D等軟件工具和虛擬場景構(gòu)建技術(shù)，建立忠實反映物理綜采工作面的虛擬三維綜采裝備模型和煤層模型。虛擬綜采裝備除反映真實裝備的幾何外形、運行規(guī)則等特征外，還具有同步真實裝備運行狀態(tài)的功能；虛擬煤層根據(jù)初始地質(zhì)探測數(shù)據(jù)構(gòu)建，其融合裝備實時運行數(shù)據(jù)和地質(zhì)開采暴露數(shù)據(jù)后可實時進行動態(tài)更新。

(3)綜采虛擬軟件服務系統(tǒng) 針對綜采生產(chǎn)系統(tǒng)運行過程中的工藝規(guī)劃、裝備監(jiān)測等問題，結(jié)合數(shù)字孿生概念設(shè)計了綜采虛擬軟件服務系統(tǒng)。該服務系統(tǒng)包括虛擬工作面離線仿真系統(tǒng)、綜采裝備在線監(jiān)測系統(tǒng)和分布式協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)3個子系統(tǒng)。虛擬工作面離線仿真系統(tǒng)可針對綜采工作面的設(shè)計要求對綜采工藝方案進行預演和評價；綜采裝備在線監(jiān)測系統(tǒng)可在虛擬環(huán)境中實時監(jiān)測物理綜采裝備的姿態(tài)；分布式協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)可動態(tài)分配上位機的監(jiān)測任務，實時、流暢地監(jiān)測綜采工作面的運行狀態(tài)。

(4)綜采孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng) 物理綜采工作面、虛擬綜采工作面、綜采虛擬軟件服務系統(tǒng)三者通過綜采孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。綜采孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng)對物理綜采工作面的裝備參數(shù)、煤層數(shù)據(jù)和工作面實時運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，虛擬綜采工作面的實時仿真運行狀態(tài)、三機虛擬協(xié)同運行規(guī)則等數(shù)據(jù)，以及綜采虛擬軟件服務系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)等進行收集及融合分析，進而驅(qū)動各綜采孿生子系統(tǒng)迭代運行，優(yōu)化綜采生產(chǎn)系統(tǒng)的運行過程。

2 虛擬綜采工作面元素的構(gòu)建

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)與煤炭開采領(lǐng)域的深度融合，傳統(tǒng)虛擬綜采工作面中模型數(shù)字化程度低、未結(jié)合真實地質(zhì)地形、截割自動化程度低的問題越來越明顯。本文根據(jù)井下煤層的地質(zhì)特點和綜采裝備運行規(guī)律，提出基于Unity 3D的虛擬綜采工作面各元素構(gòu)建方法，包括建立多種類虛擬煤層(厚度、傾角、穩(wěn)定性等)和綜采裝備(采煤機、刮板輸送機、液壓支架等)。

2.1 虛擬煤層模型的構(gòu)建

由于煤層模型對模型界面的精度要求較高，對比幾種建模方法后，本文選擇不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network, TIN)模型對其進行構(gòu)建，該模型根據(jù)區(qū)域內(nèi)的有限點集將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡，在數(shù)據(jù)冗余和計算效率方面具有較高的均衡性，可有效表達煤層表面高低起伏的狀態(tài)。煤層模型數(shù)據(jù)可根據(jù)來源分為初始地質(zhì)探測數(shù)據(jù)和開采暴露數(shù)據(jù)。在確定煤層模型類型和模型數(shù)據(jù)來源后，基于Unity 3D開發(fā)引擎，本文提出一種可實時修正的三維煤層精細建模方法。

煤層模型建模路線如圖2所示，主要步驟如下：①通過Kriging法對初始地質(zhì)探測數(shù)據(jù)進行插值處理，得到更加豐富的煤層模型數(shù)據(jù)；②對插值后的數(shù)據(jù)進行Delaunay三角剖分，在Unity 3D中利用C#腳本建立TIN網(wǎng)并進行渲染；③在得到開采暴露數(shù)據(jù)后，根據(jù)煤層分塊建模的思路更新修正模型，不斷提升模型精度；④采用平面函數(shù)切割模型方法提取當前工作面的煤層頂?shù)装迩€。

2.2 綜采裝備建模

綜采工作面裝備的類型和數(shù)量較多，而且由于型號不同，裝備外形尺寸和運動動作也各不相同。對綜采工作面進行虛擬仿真研究除了建立精確的煤層模型外，還要構(gòu)建準確反映真實物理裝備幾何外形和動作規(guī)律的虛擬裝備模型。通過分析各綜采裝備的運行規(guī)律，確定構(gòu)建裝備虛擬模型的步驟如下：

(1)根據(jù)實際裝備型號在UG中進行建模，將完成的UG模型以stl格式導出，借助3ds MAX將模型由stl格式轉(zhuǎn)換為fbx格式。

(2)將fbx模型導入Unity中，根據(jù)運動規(guī)律建立父子關(guān)系并編寫單機動作控制腳本。

(3)采用Unity物理引擎對綜采裝備進行模型修補，在裝備模型的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)處添加碰撞體和剛體組件，為煤層裝備的聯(lián)合仿真運行做準備。

對綜采裝備建立虛擬模型，關(guān)鍵是對不同類型綜采裝備的運行規(guī)律進行解析并編寫動作控制腳本。其中，采煤機、刮板輸送機、液壓支架完成工作面采、裝、運煤生產(chǎn)任務和頂板支護等工作，是工作面的重要設(shè)備。采煤機的主要仿真動作和功能為：左右滾筒旋轉(zhuǎn)、左右搖臂升降調(diào)節(jié)、采煤機沿工作面方向在刮板輸送機上行走等動作，以及左右滾筒截割軌跡可視化功能；刮板輸送機的主要仿真功能為：適應虛擬煤層底板模型起伏不平的狀態(tài)進行排布，以及在液壓支架推移作用下形成S狀的彎曲段；液壓支架的主要仿真動作為：升柱、降柱、移架、推溜、收縮護幫板、伸出護幫板。

在井下實際生產(chǎn)過程中，采煤機以刮板輸送機為軌道，沿著綜采工作面煤壁往復運行完成割煤工作，刮板輸送機裝入落煤并將其運出。因此，刮板輸送機同時起著運煤和作為采煤機運行軌道的作用，并在完成一刀割煤后，在液壓支架推移機構(gòu)的作用下隨工作面的推進向前移動。以刮板輸送機為例，綜采裝備虛擬模型的構(gòu)建過程如圖3所示。

采煤機、液壓支架等其他綜采裝備的建模過程與刮板輸送機類似，但是需要注意采煤機搖臂部分的動作解析和液壓支架四連桿聯(lián)動解析。在采煤機滑靴和液壓支架底座的相應位置添加剛體和碰撞體組件后，完成綜采三機建模，虛擬三機模型如圖4所示。

2.3 搭建虛擬綜采工作面場景

構(gòu)建綜采各類型煤層和裝備模型后，按照實際工作面情況選擇對應類型和型號的虛擬綜采模型元素，將各元素導入至Unity環(huán)境，參照真實綜采工作面煤層裝備布置規(guī)律和配套規(guī)則搭建虛擬綜采工作面場景，效果如圖5所示。

3 離線仿真與路徑規(guī)劃

數(shù)字孿生技術(shù)能夠構(gòu)建和真實場景完全一樣的虛擬場景，其應用領(lǐng)域越來越多。在智能礦山建設(shè)中，利用數(shù)字孿生技術(shù)進行煤礦虛擬工藝規(guī)劃、虛擬生產(chǎn)過程監(jiān)測和虛擬場景仿真非常重要。在虛擬環(huán)境中構(gòu)建綜采工作面，對采煤機的多種截割方案進行預演，可以有效提高設(shè)計效率，確定最優(yōu)方案，并為綜采工作面的開采提供建設(shè)性意見。所開發(fā)的虛擬離線仿真系統(tǒng)、采煤機路徑規(guī)劃和離線仿真路線如圖6所示。

3.1 虛擬綜采工作面離線仿真系統(tǒng)的開發(fā)

(1)目標截割路徑的提取方法 該方法借助物探、鉆探等技術(shù)初步探測煤巖分界線，通過插值處理得到豐富的煤層數(shù)據(jù)點，獲得初始三維煤層模型并在虛擬環(huán)境中搭建煤層模型的虛擬映射體；構(gòu)建虛擬煤層模型后，根據(jù)模型實時提取其特征數(shù)據(jù)，并將特征數(shù)據(jù)存入xml文件；在虛擬環(huán)境中應用LineRender組件對特征數(shù)據(jù)進行連續(xù)化處理，形成目標截割路徑。通過對三維煤層模型進行數(shù)據(jù)化處理得到采煤機目標截割路徑，該目標截割路徑為采煤機運行時調(diào)節(jié)滾筒截割高度提供依據(jù)。

(2)采煤機截割路徑規(guī)劃方法 該方法是仿真系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其在構(gòu)建虛擬綜采工作面的基礎(chǔ)上，以最大割煤率和最小割巖率為目標設(shè)計采煤機滾筒自動調(diào)高策略，從而較好地跟蹤煤層頂?shù)装遘壽E；構(gòu)建采煤機進刀方式模型、推溜工藝模型等跟機自動化模型，使采煤機在虛擬煤層模型上連續(xù)推進截割路徑。采煤機截割路徑規(guī)劃方法包括采煤機搖臂自動調(diào)高解析、采煤機擁有重力屬性時在刮板輸送機上行走、水平底板上采煤機自動調(diào)高、復雜地形下采煤機自動調(diào)高等方法。

(3)動態(tài)三維煤層模型的構(gòu)建方法 根據(jù)初始地質(zhì)探測數(shù)據(jù)構(gòu)建的初始虛擬煤層模型只能完成采煤機最初幾刀的截割運動仿真，隨著綜采生產(chǎn)活動的持續(xù)，沿工作面推進方向需要不斷生成新的煤層模型，才能形成綜采工藝及截割方案的完整仿真。針對該問題，本文基于采煤機截割路徑，利用Unity 3D中的Mesh技術(shù)，提出一種動態(tài)三維煤層模型的構(gòu)建方法。該方法通過實時記錄采煤機滾筒截割軌跡并對數(shù)據(jù)進行處理，借助Unity 3D中的Mesh組件將處理后的數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)化為三維曲面，在完成一刀截割運動后沿工作面推進方向生成下一刀虛擬煤層頂?shù)装迥Ｐ?，從而對初始三維煤層模型進行更新。

(4)虛擬綜采工作面仿真系統(tǒng)的建立 構(gòu)建初始三維煤層模型，并在虛擬環(huán)境中設(shè)計綜采裝備的初始排布空間，按照綜采裝備的原始尺寸和配合關(guān)系，在虛擬環(huán)境中建立和真實模型完全一樣的虛擬綜采裝備，然后在虛擬煤層等綜采裝備上添加Mesh碰撞體、Box Collider碰撞體和物理碰撞體，將綜采裝備布置在規(guī)劃好的排布空間中，研究綜采裝備之間及其與煤層之間的模型運動耦合規(guī)律，包括刮板輸送機和液壓支架在煤層底板上的排布規(guī)律、采煤機和刮板輸送機之間的定位定姿方法、液壓支架和刮板輸送機之間的浮動連接方法、液壓支架工作時的姿態(tài)確定方法、采煤機的自動調(diào)高方法、綜采裝備協(xié)同推進方法等，并將上述方法融入仿真系統(tǒng)運算方法，以模擬仿真煤層環(huán)境下的綜采裝備協(xié)同推進為目的，搭建虛擬綜采工作面離線仿真系統(tǒng)。

3.2 綜采工作面的離線仿真與仿真結(jié)果分析

按照真實地質(zhì)數(shù)據(jù)和綜采裝備的真實尺寸搭建與真實情況完全一樣的虛擬綜采工作面場景，提取目標截割曲線，設(shè)定采煤機的截割方案，控制綜采裝備按照真實采煤工藝進行離線仿真；然后分析綜采裝備可能出現(xiàn)事故的位置，記錄采煤機的截割路徑，并實時生成基于采煤機截割路徑的動態(tài)三維煤層模型；待完成整個回采工作面的采煤工作后，在逆向軟件中分別重構(gòu)出初始三維地質(zhì)模型和動態(tài)三維地質(zhì)模型，對兩者進行bool運算，解算出留煤量和割巖量，再對截割方案進行多次仿真，從而確定最優(yōu)截割方案。

4 虛實映射與實時監(jiān)測

4.1 綜采裝備在線監(jiān)測系統(tǒng)

實時和準確獲取綜采工作面各裝備的運行姿態(tài)是實現(xiàn)工作面安全高效生產(chǎn)、推進綜采技術(shù)智能化的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文針對當前煤礦井下主流視頻監(jiān)測方法存在的畫面清晰度不高、監(jiān)測設(shè)備布置困難等問題，基于所構(gòu)建的虛擬綜采裝備模型和相關(guān)傳感器開發(fā)了綜采裝備在線監(jiān)測系統(tǒng)。綜采裝備運行姿態(tài)的在線監(jiān)測過程如下：

(1)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的需要在綜采裝備的關(guān)鍵部位安裝傳感器，以獲取裝備運行的實時姿態(tài)數(shù)據(jù)。

(2)在每臺綜采裝備上安裝采集模塊，負責采集單臺裝備的信息，多臺裝備之間通過基于485總線的采集模塊級聯(lián)進行信息匯總。

藏羊血食用蛋白粉：蛋白質(zhì)資源緊缺是一個世界性的問題，我國由于人口眾多，資源有限，短缺尤為嚴重。隨著人口的增長和人民生活水平的不斷提高，蛋白質(zhì)的需要量越來越大。如何提高現(xiàn)有蛋白質(zhì)資源的利用率，積極尋找新的蛋白源，是緩解我國蛋白質(zhì)資源短缺的有效途徑。藏羊血中含有豐富的蛋白，青海省可以利用這一優(yōu)勢，以藏羊血為原料，利用先進的生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)實用性的蛋白粉。蛋白粉可以再被廣泛用于食品、醫(yī)藥、保健品等行業(yè)進行生產(chǎn)加工，通過其產(chǎn)品進行更健康方式的蛋白質(zhì)攝取。

(3)通過局域網(wǎng)將裝備的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至工控機，并在工控機中進行數(shù)據(jù)整合、存儲和二維顯示。

(4)為方便姿態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、分析和管理等操作，將工控機中的數(shù)據(jù)實時寫入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲；另外，通過對數(shù)據(jù)庫進行相關(guān)操作，可實現(xiàn)獲取裝備最新姿態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析裝備歷史姿態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等功能。

(5)在Unity 3D中利用ADO.NET技術(shù)通過預留的數(shù)據(jù)接口不斷讀取數(shù)據(jù)庫中特定表格的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行數(shù)值轉(zhuǎn)換以提高精度，再將處理后的裝備運行姿態(tài)數(shù)據(jù)賦值給虛擬模型相應的變量，驅(qū)動虛擬綜采裝備實時動作。圖7所示為以液壓支架為例的綜采裝備虛擬監(jiān)測路線。

4.2 分布式協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)

4.2.1 分布式局域網(wǎng)協(xié)同模型

通過單臺主機監(jiān)測所有運行裝備的實時姿態(tài)時，因為主機硬件和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡壓力過大會造成卡頓，所以本文在綜采裝備在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出一種客戶機/服務器(Client/Server, C/S)模式下基于可識別數(shù)據(jù)交互器的分布式局域網(wǎng)協(xié)同模型，構(gòu)建過程如下：

(1)搭建網(wǎng)絡環(huán)境 利用實驗室已有的局域網(wǎng)環(huán)境，結(jié)合Unity 3D中的程序命令，搭建基于C/S模式的授權(quán)服務器局域網(wǎng)。

(2)數(shù)據(jù)同步 將一個空物體作為網(wǎng)絡同步的載體，借助遠程過程調(diào)用(Remote Procedure Calls，RPC)函數(shù)和序列化反序列化過程，將綜采裝備關(guān)鍵姿態(tài)參數(shù)在局域網(wǎng)中的多臺主機之間傳遞。

(3)判斷數(shù)據(jù)交互器的歸屬 在分布式系統(tǒng)中，每當有新的主機加入，都會生成新的數(shù)據(jù)交互器，并將該交互器投影到所有服務器和客戶端中。在一臺主機中，多個節(jié)點基于網(wǎng)絡標識來判斷歸屬，從而將屬于主機自身的節(jié)點和鏡像節(jié)點區(qū)分開來。在此基礎(chǔ)上，進一步按節(jié)點功能進行分工，屬于主機自身的節(jié)點可以讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，其他多個鏡像節(jié)點只負責接收從其余主機通過局域網(wǎng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

4.2.2 監(jiān)測任務動態(tài)分配模型

在實際監(jiān)測過程中，由于工況的復雜程度、監(jiān)測需求和主機負載狀況等因素影響，多臺主機執(zhí)行監(jiān)測任務時容易出現(xiàn)資源浪費、系統(tǒng)負載不均衡等現(xiàn)象，本文基于一致性哈希算法提出一種任務動態(tài)分配模型，可對每臺主機監(jiān)測任務進行實時動態(tài)調(diào)整。

主機的負載狀況由多個影響因素共同決定，包括主機的CPU占用率Lcpu(i)、內(nèi)存占用率Lmem(i)、監(jiān)測畫面的幀率Lfps(i)和該主機的任務量Ltask(i)等。在進行動態(tài)分配之前，需要建立多因素評價方法。一是建立基于式(1)的單臺主機狀況評價方法，二是在獲取單臺主機運行狀況的前提下，建立基于標準差的系統(tǒng)負載均衡評價方法，如式(2)所示。

P(i)={α1,α2,α3,α4}

(1)

(2)

利用一致性哈希算法動態(tài)分配任務，首先進行二級映射，將綜采工作裝備的唯一標示映射到哈希環(huán)上，考慮到可能會出現(xiàn)哈希偏斜問題，此處引入虛擬節(jié)點，將一個物理節(jié)點拆分為多個虛擬節(jié)點，然后在哈希環(huán)上進行任務分配。

當主機在運行過程中出現(xiàn)負載失衡時，負載狀況評價參數(shù)會發(fā)生相應的變化，此時系統(tǒng)會自動調(diào)整每臺主機的虛擬節(jié)點個數(shù)，通過有意改變節(jié)點的比例來動態(tài)調(diào)整監(jiān)測任務、均衡系統(tǒng)負載。

5 功能與測試

5.1 虛擬綜采工作面元素測試

在虛擬場景中對所建立的綜采工作面各虛擬模型元素進行準確性和可靠度測試：

(1)針對不同類型的虛擬煤層模型，在虛擬場景中觀測其輪廓走勢、傾角、厚度等特征，經(jīng)測試驗證，虛擬煤層模型和真實煤層數(shù)據(jù)的相關(guān)特征相同。

(2)觀測不同類型虛擬綜采裝備模型的幾何結(jié)構(gòu)和外形尺寸，仿真運行驗證其動作等。經(jīng)測試證明，虛擬裝備模型和真實裝備尺寸的比例為1∶1；虛擬環(huán)境中具有配合關(guān)系的裝備，其各裝配部位連接準確；虛擬環(huán)境下，裝備模型的仿真動作可流暢、準確地執(zhí)行。

(3)對所建立的虛擬綜采工作面進行仿真正確性、可靠性和實時性測試。經(jīng)測試證明，虛擬綜采工作面場景中，各裝備和煤層模型的相對尺寸與真實工作面相同；裝備在煤層上的排布位置合理，裝備間的幾何配套尺寸正確；虛擬場景下，各裝備運行時的動作準確、可靠；虛擬綜采工作面的場景畫面可實時更新，各裝備尺寸數(shù)據(jù)實時顯示。

綜上所述，所構(gòu)建的虛擬綜采工作面可忠實反映真實綜采生產(chǎn)場景，能夠為后續(xù)虛擬服務系統(tǒng)提供可靠的數(shù)字模型平臺。

5.2 虛擬綜采工作面離線仿真系統(tǒng)應用測試

在本實驗室條件下，對基于數(shù)字孿生的虛擬綜采工作面離線仿真系統(tǒng)進行應用測試，設(shè)置相應的采煤工藝參數(shù)后系統(tǒng)開始仿真運行。以采煤機為引領(lǐng)裝備沿目標軌跡進行割煤，液壓支架和刮板輸送機隨采煤機的運行協(xié)同推進。

本系統(tǒng)對采煤機記憶截割、人工干預的采煤機記憶截割和采煤機自動截割3種方案進行了預仿真，實時記錄采煤機的軌跡并構(gòu)建了基于采煤機截割路徑的動態(tài)三維地質(zhì)模型，采煤機截割方案如圖8所示。由圖8可知，采煤機記憶截割無法適應復雜地形，人工干預的采煤機記憶截割方案和采煤機自主截割方案可以在一定程度上解決該問題，但是會存在一定截割誤差。本系統(tǒng)分別以初始三維地質(zhì)模型和動態(tài)三維地質(zhì)模型為基準，構(gòu)建不同截割方案截割完成后其對應的割巖量和留煤量，其中人工干預的采煤機記憶截割方案的割巖量和留煤量如圖9所示，表1所示為對3種方案截割結(jié)果的評價。因為煤層頂板和煤層底板的截割結(jié)果評價方法一樣，所以本方法僅對煤層頂板進行分析。由表1可知，在3種方案中，采煤機自主截割方案的割巖量和留煤量均最小，分別為29 534.01 dm3和34 762.41 dm3，即該方案截割到的巖石較少且具有較高的回采效率，屬于最優(yōu)截割方案。

表1 截割結(jié)果評價 dm3

5.3 在線監(jiān)測及分布式協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)測試

5.3.1 綜采裝備在線監(jiān)測系統(tǒng)測試

在實驗室條件下，以液壓支架為研究對象對綜采裝備在線監(jiān)測系統(tǒng)進行測試。液壓支架的虛擬監(jiān)測中主要使用傾角傳感器和行程傳感器獲取相關(guān)部件的實時角度、距離等姿態(tài)數(shù)據(jù)。實驗前，在支架護幫板、頂梁、前連桿和底座上布置傾角傳感器，在支架推移桿上布置行程傳感器，以獲取支架頂梁和底座的俯仰角、護幫板及前連桿傾角，以及底座推移桿的推移距離。綜采裝備在線監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的對比如表2所示。

表2 裝備在線監(jiān)測系統(tǒng)與視頻監(jiān)測對比

5.3.2 分布式協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)測試

將Unity3D中建立的分布式協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)以可執(zhí)行程序的形式發(fā)布，并將發(fā)布后的程序在3臺主機中運行，3臺主機的顯示畫面如圖10所示。

記錄單臺主機監(jiān)測與分布式協(xié)同監(jiān)測時主機的各項指標，如表3所示。

表3 分布式協(xié)同監(jiān)測與單臺主機監(jiān)測對比

測試表明，在3臺主機監(jiān)測下，整個系統(tǒng)運行良好，在進行大量數(shù)據(jù)監(jiān)測時，未出現(xiàn)明顯的卡頓現(xiàn)象，分布式虛擬監(jiān)測系統(tǒng)達到了預期的效果。

6 結(jié)束語

本文將數(shù)字孿生和虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入綜采工作面運行中，針對綜采數(shù)字模型構(gòu)建、工藝規(guī)劃、裝備姿態(tài)監(jiān)測等問題，探索以設(shè)計虛擬服務系統(tǒng)的方式優(yōu)化綜采活動中的設(shè)計、生產(chǎn)、結(jié)果評價等環(huán)節(jié)，并將數(shù)字孿生的應用成果以軟件形式直觀展示，進一步推動數(shù)字孿生技術(shù)在綜采生產(chǎn)活動中的應用落地，本文的主要研究如下：

(1)結(jié)合綜采工作面元素類型特點及各建模方法的優(yōu)勢，基于虛擬場景構(gòu)建技術(shù)建立準確、可靠的虛擬綜采工作面各元素模型，為探索綜采虛實融合方法、設(shè)計相關(guān)綜采服務系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。

(2)相比傳統(tǒng)綜采工藝規(guī)劃周期長、驗證成本高等問題，本文基于三維建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬綜采工作面離線仿真系統(tǒng)，可以實現(xiàn)既定綜采工藝的虛擬仿真運行和仿真結(jié)果評價，大大縮短了工藝規(guī)劃周期，同時可以直觀地觀測工藝運行結(jié)果。

(3)針對當前綜采裝備監(jiān)測困難的問題，本文研究了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜采裝備姿態(tài)監(jiān)測方法，實現(xiàn)了綜采裝備運行姿態(tài)在虛擬環(huán)境中的實時監(jiān)測；同時，針對綜采工作面裝備數(shù)量眾多帶來的監(jiān)測數(shù)據(jù)龐大的問題，研究設(shè)計了分布式協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了上位機監(jiān)測任務的動態(tài)規(guī)劃。

本文研究尚處于起步階段，下一步研究主要集中在以下方面：①優(yōu)化提高物理綜采工作面與虛擬綜采工作面信息交互的實時性；②探索虛擬環(huán)境中采煤機在復雜煤層底板條件下滾筒實時截割軌跡的準確提取方法；③開發(fā)更多綜采虛擬服務軟件，以解決實際綜采生產(chǎn)過程中的相關(guān)問題。