綜采工作面三機(jī)數(shù)字孿生及協(xié)同建模方法

劉清， 張龍， 李天越， 杜鵬飛

（1. 北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399；2. 兗礦能源集團(tuán)股份有限公司，山東 鄒城 273500；3. 中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

2020 年3 月，由國家發(fā)展改革委、國家能源局等八部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，樹立了煤礦智能化發(fā)展階段性目標(biāo)，加快了煤礦智能化體系建設(shè)[1]?；跀?shù)字化礦山基礎(chǔ)，應(yīng)用新一代信息技術(shù)、智能制造技術(shù)、人工智能技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)智能化礦山，實(shí)現(xiàn)煤炭安全、智能、高效、綠色開采和清潔利用，成為現(xiàn)代煤礦發(fā)展的必由之路[2-4]。

數(shù)字孿生技術(shù)是以數(shù)字化方法創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，并實(shí)現(xiàn)物理世界及數(shù)字世界之間雙向映射、動(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)連接的關(guān)鍵技術(shù)，可將物理實(shí)體的屬性、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、性能、功能和行為映射到數(shù)字世界[5]，形成高保真的動(dòng)態(tài)多維、多尺度、多物理量模型[6]，從而為物理實(shí)體提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的運(yùn)行或操作服務(wù)。

數(shù)字孿生技術(shù)在煤炭行業(yè)已有相關(guān)研究。葛世榮等[7]采用基于仿真的數(shù)字孿生建模方法提出了綜采工作面數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)虛擬實(shí)體包括機(jī)理模型和行為模型，機(jī)理模型、行為模型與其控制系統(tǒng)組合的離線運(yùn)行模式形成綜采工作面計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為綜采工作面智能控制系統(tǒng)真正的自主決策復(fù)雜算法開發(fā)提供了測試平臺。王宏偉等[8]提出了一種液壓支架數(shù)字孿生體聯(lián)合建模方法，利用SolidWorks 軟件建立液壓支架機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的三維實(shí)體模型，將三維實(shí)體模型生成.sldasm 格式文件導(dǎo)入MapleSim 軟件中，使用運(yùn)動(dòng)副連接機(jī)械部分，液壓元件連接液壓部分，建立液壓支架機(jī)械系統(tǒng)孿生模型和液壓系統(tǒng)孿生模型，二者聯(lián)合，與物理體通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互及模型優(yōu)化，并進(jìn)行了虛實(shí)一致性實(shí)驗(yàn)。孫繼平[9]、謝嘉成[10]通過構(gòu)建數(shù)字孿生模型對綜采工作面環(huán)境和三機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。葛世榮等[11]、洪飛[12]使用 Unity 3D 等軟件建立了智采工作面模型，完成了在虛擬環(huán)境下綜采工作面的支護(hù)監(jiān)測與動(dòng)態(tài)規(guī)劃。以上研究方法雖然利用數(shù)字孿生技術(shù)將物理對象進(jìn)行了數(shù)字化表達(dá)，但側(cè)重對單一設(shè)備進(jìn)行建模，缺少三機(jī)耦合協(xié)同關(guān)系分析。

針對上述問題，本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，提出了綜采工作面三機(jī)數(shù)字孿生及協(xié)同建模方法。對采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)進(jìn)行數(shù)字孿生建模，對三機(jī)協(xié)同工藝進(jìn)行離散事件建模。通過采煤機(jī)搖臂升降仿真、液壓支架升柱仿真及基于生產(chǎn)日志的三機(jī)協(xié)同工藝虛實(shí)對比仿真驗(yàn)證了模型與真實(shí)設(shè)備映射的一致性。綜采工作面三機(jī)數(shù)字孿生及協(xié)同建模方法為綜采設(shè)備及其協(xié)同關(guān)系的數(shù)字孿生建模提供了新思路。

1 綜采三機(jī)數(shù)字孿生建模

綜采三機(jī)的數(shù)字孿生模型包含智能體模型和三維模型，三者關(guān)系如圖1 所示。采用智能體建模方法[13]構(gòu)建包含感知單元、控制單元和執(zhí)行單元的采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)智能體模型，依據(jù)三維建模流程構(gòu)建對應(yīng)的可視化模型，以智能體驅(qū)動(dòng)三維模型，二者結(jié)合構(gòu)成三機(jī)數(shù)字孿生模型。采用離散事件建模方法構(gòu)建三機(jī)協(xié)同工藝模型，按照時(shí)序梳理三機(jī)開采工藝，形成三機(jī)協(xié)同工藝時(shí)序表。數(shù)字孿生模型用于描述三機(jī)的狀態(tài)與行為，進(jìn)行個(gè)體層面的仿真計(jì)算；三機(jī)協(xié)同工藝模型用于表征數(shù)字孿生模型之間的時(shí)序動(dòng)作轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對三機(jī)協(xié)同過程整體層面的建模及推演。這種混合建模方法在一定程度上體現(xiàn)了分層設(shè)計(jì)的思想，各個(gè)子模型保持自身獨(dú)立性，同時(shí)整體具有集中協(xié)同的特點(diǎn)。

圖1 數(shù)字孿生模型、智能體模型與三維模型的關(guān)系Fig. 1 Relation among digital twin model,agent model and 3D model

智能體具有自主性、交互性、反應(yīng)性和主動(dòng)性，能根據(jù)其內(nèi)部狀態(tài)與主動(dòng)感知的環(huán)境信息決定和控制自身行為。智能體模型由感知單元、控制單元和執(zhí)行單元[14]組成，如圖2 所示。

圖2 智能體模型組成Fig. 2 The agent model components

三維模型是物體的多邊形數(shù)字可視化表示，通常用計(jì)算機(jī)或其他視頻設(shè)備進(jìn)行顯示。工業(yè)領(lǐng)域常使用C4D、3D Max、Auto CAD 等軟件進(jìn)行建模[15]。本文按照常規(guī)三維建模流程構(gòu)建綜采工作面三機(jī)三維可視化模型，建模流程如圖3 所示，具體步驟包括模型CAD 圖紙預(yù)處理、多邊形建模、貼圖制作、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、過程檢查、多層場景合并、模型優(yōu)化、成品檢查。

圖3 三維模型建模流程Fig. 3 3D model modeling flow

離散事件建模是將一系列能夠改變模型狀態(tài)的動(dòng)作抽象為事件，為每個(gè)事件都分配時(shí)間戳來表示事件發(fā)生的仿真時(shí)間點(diǎn)[16]。由于開采過程中各設(shè)備的協(xié)同動(dòng)作過程符合離散事件的特點(diǎn)，故將三機(jī)協(xié)同過程按照離散事件方法進(jìn)行建模。

1.1 采煤機(jī)數(shù)字孿生建模

1.1.1 采煤機(jī)建模

采煤機(jī)是煤礦開采的核心裝備，分別構(gòu)建其智能體模型和三維模型。采煤機(jī)的智能體作為獨(dú)立的活動(dòng)個(gè)體，包括感知單元、控制單元和執(zhí)行單元。

1） 采煤機(jī)感知單元建模：以采煤機(jī)CAD 圖紙確定結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，結(jié)合傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)運(yùn)行狀況的感知與周圍環(huán)境的探測[17]。采煤機(jī)關(guān)鍵感知數(shù)據(jù)項(xiàng)見表1。

表1 采煤機(jī)關(guān)鍵感知數(shù)據(jù)項(xiàng)Table 1 Key perception data items of shearer

2） 采煤機(jī)控制單元建模：對采煤機(jī)結(jié)構(gòu)約束條件和采煤機(jī)與液壓支架干涉約束條件進(jìn)行建模，約束包括：① 采煤機(jī)搖臂升降角度約束，受限于調(diào)高油缸伸縮范圍而產(chǎn)生的滾筒最高與最低的范圍。② 采煤機(jī)速度約束，受限于工作面供液能力及液壓支架支護(hù)速度。③ 采煤機(jī)滾筒與液壓支架頂梁、護(hù)幫之間的干涉約束，通過設(shè)置安全距離實(shí)時(shí)檢測它們之間的距離，若小于安全距離時(shí)，下發(fā)減速或停機(jī)指令，避免設(shè)備之間發(fā)生碰撞事故。

3） 采煤機(jī)執(zhí)行單元建模：采煤機(jī)動(dòng)作模型包括左右滾筒升降、牽引啟動(dòng)、牽引停機(jī)、加速與減速等，上述動(dòng)作除了滾筒的升降，其余均涉及采煤機(jī)的位置、速度變化，需要采煤機(jī)騎架在刮板輸送機(jī)上協(xié)同仿真，所構(gòu)建的采煤機(jī)數(shù)字孿生模型與真實(shí)物理裝備的一致性實(shí)驗(yàn)將圍繞采煤機(jī)滾筒的升降動(dòng)作展開。

按照圖3 流程建立了采煤機(jī)三維可視化模型，其與真實(shí)采煤機(jī)的對比如圖4 所示。在建模軟件3D Max 中測量得到的各個(gè)零部件尺寸數(shù)據(jù)與真實(shí)采煤機(jī)CAD 圖紙數(shù)據(jù)一致，說明所建立模型的正確性。

圖4 真實(shí)采煤機(jī)與三維模型對比Fig. 4 Comparison of real shearer and 3D model

1.1.2 實(shí)驗(yàn)仿真

為了驗(yàn)證所建立的采煤機(jī)模型的正確性進(jìn)行了虛實(shí)一致性仿真實(shí)驗(yàn)。采煤機(jī)通過控制調(diào)高液壓缸的伸縮動(dòng)作，帶動(dòng)搖臂旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)滾筒升降。受限于調(diào)高液壓缸伸縮范圍，搖臂旋轉(zhuǎn)的傾角取值為[?16.05°，40.92°]，由于采煤機(jī)兩側(cè)搖臂對稱，本文以左側(cè)搖臂為例進(jìn)行升降實(shí)驗(yàn)。

采煤機(jī)數(shù)字孿生模型左側(cè)搖臂升降虛實(shí)一致性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示，初始時(shí)左側(cè)搖臂呈水平狀態(tài)，傾角為0，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 s。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，持續(xù)輸入“左側(cè)滾筒上升”動(dòng)作指令，15 s 后，采煤機(jī)數(shù)字孿生模型與真實(shí)采煤機(jī)左側(cè)搖臂傾角均達(dá)到上限，在0～5 s 內(nèi)，采煤機(jī)調(diào)高油缸運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)滯后性，傾角上升幅度滯后于智能體傾角；在8～14 s，數(shù)字孿生模型仿真傾角變化呈線性關(guān)系，真實(shí)采煤機(jī)傾角變化類似拋物線。在“左側(cè)滾筒下降”動(dòng)作仿真中，變化過程與上升過程類似。采煤機(jī)數(shù)字孿生模型在搖臂升降實(shí)驗(yàn)過程中，其傾角變化過程與真實(shí)采煤機(jī)變化過程一致，平均誤差為2.3°，其動(dòng)態(tài)特性滿足一致性實(shí)驗(yàn)要求。

圖5 采煤機(jī)左側(cè)搖臂傾角數(shù)字孿生數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)對比曲線Fig. 5 Comparison curves between digital twin data and real data of dip angle of shearer left rocker arm

1.2 液壓支架數(shù)字孿生建模

1.2.1 液壓支架建模

液壓支架是煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，其主要作用是在綜采工作面支護(hù)頂板，保護(hù)人員與設(shè)備的安全。選取兩柱掩護(hù)式支架作為研究對象，進(jìn)行數(shù)字孿生建模。對智能體模型進(jìn)行感知單元分析，關(guān)鍵傳感器包括底座、連桿、頂梁傾角傳感器，平衡桿、立柱油缸壓力傳感器及推移缸的位移傳感器[18]。

根據(jù)液壓支架CAD 圖紙將其簡化為圖6 所示的桿系結(jié)構(gòu)，便于構(gòu)建液壓支架運(yùn)動(dòng)約束控制模型。

圖6 簡化的液壓支架桿系結(jié)構(gòu)Fig. 6 Simplified structure of hydraulic support rod system

在該液壓支架桿系結(jié)構(gòu)中，由平衡桿和立柱油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)液壓支架整體結(jié)構(gòu)的變化。根據(jù)圖紙測量得到液壓支架各個(gè)尺寸數(shù)據(jù)，結(jié)合高度傳感器與傾角傳感數(shù)據(jù)，可求解液壓支架姿態(tài)、油缸推移量，并根據(jù)煤層數(shù)據(jù)可計(jì)算出液壓支架需調(diào)整的位置高度，進(jìn)而迅速求解液壓缸所需的伸長量，從而對液壓支架姿態(tài)進(jìn)行預(yù)測控制。根據(jù)圖6 的結(jié)構(gòu)關(guān)系，可得到液壓支架環(huán)形向量方程：

式中:LAB為后連桿底部點(diǎn)A到前連桿底部點(diǎn)B的距離向量；LBD為前連桿底部點(diǎn)B到頂部點(diǎn)D的距離向量；LAC為后連桿底部點(diǎn)A到頂部點(diǎn)C的距離向量；LCD為后連桿頂部點(diǎn)C到前連桿頂部點(diǎn)D的距離向量；LEG為平衡桿底部點(diǎn)E到頂梁與掩護(hù)梁銜接點(diǎn)G的距離向量；LGF為頂梁與掩護(hù)梁銜接點(diǎn)G到平衡桿頂部點(diǎn)F的距離向量；LEF為平衡桿底部點(diǎn)E到頂部點(diǎn)F的距離向量；LKA為立柱油缸底部點(diǎn)K到后連桿底部點(diǎn)A的距離向量；LCG為后連桿頂部點(diǎn)C到頂梁與掩護(hù)梁銜接點(diǎn)G的距離向量；LGI為頂梁與掩護(hù)梁銜接點(diǎn)G到立柱油缸頂部點(diǎn)I的距離向量；LKI為立柱油缸底部點(diǎn)K到頂部點(diǎn)I的距離向量。

上述向量環(huán)方程組即為液壓支架約束控制模型的核心算法，對其進(jìn)行求解后可得到液壓支架姿態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)字化表達(dá)。液壓支架執(zhí)行單元包含液壓支架升降柱、推溜移架、平衡伸收動(dòng)作，支撐液壓支架智能體模型動(dòng)作交互。按照圖3 流程建立了液壓支架三維可視化模型，其與真實(shí)液壓支架的對比如圖7所示?？煽闯鲆簤褐Ъ苋S模型滿足虛實(shí)一致性要求。

圖7 真實(shí)液壓支架與三維模型對比Fig. 7 Comparison of real equipment and 3D model of hydraulic support

1.2.2 實(shí)驗(yàn)仿真

為了驗(yàn)證所建立的液壓支架模型的正確性，進(jìn)行了液壓支架升柱動(dòng)作仿真實(shí)驗(yàn)。對液壓支架模型進(jìn)行迭代求解，設(shè)置初始頂梁角度為0，立柱長度取值為[2 000 mm, 4 000 mm]，變化間隔為100 mm，持續(xù)進(jìn)行升柱動(dòng)作。以液壓支架CAD 圖紙測量的尺寸和角度數(shù)據(jù)為初始輸入，采用Powell[19]臨近域搜索法進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算得到后連桿角度、前連桿角度、立柱桿角度、平衡桿角度、掩護(hù)梁角度、立柱長度、平衡桿長度的變化曲線，如圖8 所示?？煽闯龈鳁l曲線過渡平滑，說明迭代計(jì)算過程中上述各部件的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的。實(shí)驗(yàn)的最終計(jì)算結(jié)果與液壓支架傳感器采集的測量值對比見表2，角度平均誤差為0.14°，行程平均誤差為6.3 mm。液壓支架GUD90B雙軸傾角傳感器的誤差為 ±0.3°，GUD500 行程傳感器的誤差為15 mm，對比可知，液壓支架數(shù)字孿生模型計(jì)算數(shù)據(jù)均在誤差允許范圍內(nèi)，符合與真實(shí)設(shè)備的一致性要求。

表2 液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果Table 2 Hydraulic support motion simulation reaults

圖8 液壓支架姿態(tài)各變量連續(xù)變化曲線Fig. 8 Continuous change curves of various variables of hydraulic support attitude

1.3 刮板輸送機(jī)數(shù)字孿生建模

刮板輸送機(jī)是煤礦綜采工作面常用的運(yùn)輸機(jī)械之一，是連接采煤機(jī)和液壓支架的橋梁。由于刮板輸送機(jī)自身無法主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以，其智能體只需進(jìn)行感知和約束控制單元構(gòu)建。

刮板輸送機(jī)感知單元的關(guān)鍵傳感器包括溫度、壓力、振動(dòng)、電流、電壓、功率、傾角傳感器，圍繞電動(dòng)機(jī)、減速器、中部槽進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測感知[20]。

刮板輸送機(jī)的控制模型圍繞自身約束及與外部設(shè)備的銜接約束進(jìn)行構(gòu)建。刮板輸送機(jī)相鄰中部槽通過連接銷和連接耳子兩兩連接，其物理允許的最大旋轉(zhuǎn)角度不超過3°。刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)、液壓支架均有物理銜接約束。采煤機(jī)在采空區(qū)側(cè)的2 個(gè)導(dǎo)向滑靴和煤壁側(cè)的2 個(gè)平滑靴分別騎架在刮板輸送機(jī)銷軌和鏟煤板上，起到支撐和導(dǎo)向作用[21]；液壓支架的推移活塞桿用插銷連接到中部槽擋煤板上，當(dāng)進(jìn)行推溜動(dòng)作時(shí)，中部槽受活塞桿推動(dòng)往煤壁方向移動(dòng)[22]。

按照圖3 流程建立了刮板輸送機(jī)三維可視化模型，其與真實(shí)物理設(shè)備的對比如圖9 所示?？煽闯龉伟遢斔蜋C(jī)三維模型能真實(shí)反映刮板輸送機(jī)的狀態(tài)，滿足虛實(shí)一致性要求，證明所建立模型的正確性。

圖9 真實(shí)刮板輸送機(jī)與三維模型對比Fig. 9 Comparison of real equipment and 3D model of scraper conveyor

2 三機(jī)協(xié)同工藝離散事件建模及仿真

2.1 三機(jī)協(xié)同工藝離散事件建模

綜采工作面開采是各個(gè)設(shè)備互相配合、協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。采煤機(jī)開采工藝與液壓支架跟機(jī)工藝均以圖表結(jié)合文字的方式劃分生產(chǎn)階段，以采煤機(jī)在工作面的不同位置變化推動(dòng)開采過程往復(fù)進(jìn)行。該工藝階段的劃分符合離散事件特點(diǎn)，即可操作性與流程性。在完成三機(jī)數(shù)字孿生建模后，根據(jù)其業(yè)務(wù)階段特點(diǎn)，采用離散事件建模方法構(gòu)建三機(jī)協(xié)同工藝模型。以時(shí)間軸為基準(zhǔn)串聯(lián)采煤機(jī)、液壓支架動(dòng)作事件，事件涵蓋要素包括事件名稱、動(dòng)作執(zhí)行對象、動(dòng)作指令、指令持續(xù)時(shí)間、采煤機(jī)位置變化等。其中動(dòng)作執(zhí)行對象為采煤機(jī)或液壓支架，動(dòng)作指令即為采煤機(jī)、液壓支架智能體執(zhí)行模塊列舉的動(dòng)作類型。部分三機(jī)協(xié)同工藝時(shí)序表數(shù)據(jù)見表3。

表3 部分三機(jī)協(xié)同工藝時(shí)序表數(shù)據(jù)Table 3 Partial three machine collaborative process schedule data

建立的三機(jī)協(xié)同三維模型如圖10 所示，采煤機(jī)騎架在刮板輸送機(jī)上，刮板輸送機(jī)擋煤板與液壓支架推移桿通過插銷連接，液壓支架支護(hù)整個(gè)綜采工作面，三者協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)綜采工作面有序開采。

圖10 三機(jī)協(xié)同三維模型Fig. 10 Three machine collaborative 3D model

2.2 三機(jī)協(xié)同工藝虛實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證構(gòu)建的三機(jī)協(xié)同工藝模型與真實(shí)設(shè)備在開采過程中的一致性進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并將真實(shí)生產(chǎn)日志文件中的工藝過程數(shù)據(jù)與三機(jī)協(xié)同工藝時(shí)序表仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗(yàn)證所建模型的正確性。

以兗礦集團(tuán)趙樓煤礦某工作面為研究對象，截取綜采集控平臺2022 年4 月的日志文件，文件記錄了綜采工作面生產(chǎn)過程采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)、液壓支架架號及動(dòng)作指令、時(shí)間數(shù)據(jù)，將上述數(shù)據(jù)過濾提取，形成真實(shí)開采過程數(shù)據(jù)集。將數(shù)據(jù)集繪制形成圖11（a）所示基于日志文件的采煤機(jī)液壓支架動(dòng)作時(shí)序，包含采煤機(jī)兩刀煤截割過程及對應(yīng)的液壓支架跟機(jī)動(dòng)作。結(jié)合該工作面開采工藝、跟機(jī)工藝文檔對綜采工作面三機(jī)模型虛擬仿真初始參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：采煤機(jī)最大牽引速度設(shè)為12 m/min，加速到最大速率時(shí)間設(shè)為5 s；液壓支架數(shù)量為175 架，執(zhí)行端部割三角煤工藝，設(shè)定第25 架及第150 架為上下行折返點(diǎn)。完成初始參數(shù)設(shè)定后，以采煤機(jī)位置變化為觸發(fā)條件進(jìn)行虛擬孿生仿真，得到圖11（b）所示時(shí)序。將基于日志的時(shí)序圖與仿真結(jié)果疊加對比，得到圖11（c）。從圖11 可得出如下結(jié)論：

圖11 三機(jī)協(xié)同時(shí)序仿真Fig. 11 Time sequence simulation of three machine collaboration

1） 采煤機(jī)整體仿真運(yùn)行軌跡與真實(shí)日志記錄趨勢一致，符合綜采工作面采煤機(jī)雙向割煤端部斜切進(jìn)刀的工藝約束要求。

2） 工作面各個(gè)液壓支架時(shí)序動(dòng)作基本一致，仿真結(jié)果符合實(shí)際生產(chǎn)工藝指令及跟機(jī)策略約束。

3） 三機(jī)協(xié)同工藝模型的虛實(shí)對比仿真結(jié)果與真實(shí)記錄接近，驗(yàn)證了數(shù)字孿生模型的正確性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

1） 提出了綜采工作面三機(jī)數(shù)字孿生建模與三機(jī)協(xié)同離散事件混合建模方法。對采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)進(jìn)行數(shù)字孿生建模，對三機(jī)協(xié)同工藝進(jìn)行離散事件建模，實(shí)現(xiàn)了三機(jī)協(xié)同過程宏觀層次的建模。

2） 采煤機(jī)數(shù)字孿生模型的搖臂升降實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型誤差較小，搖臂傾角平均誤差為2.3°；液壓支架升柱實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與測量數(shù)據(jù)相比，角度平均誤差為0.14°，行程平均誤差為6.3 mm，測量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符；基于真實(shí)生產(chǎn)日志的三機(jī)協(xié)同工藝虛實(shí)對比仿真結(jié)果表明，所構(gòu)建的數(shù)字孿生模型可以正確反映實(shí)際生產(chǎn)過程的真實(shí)狀態(tài)，與真實(shí)裝備符合一致性要求，仿真結(jié)果與真實(shí)記錄接近，驗(yàn)證了數(shù)字孿生模型的正確性和準(zhǔn)確性。

3） 下一步將研究煤礦井下地質(zhì)環(huán)境數(shù)字孿生構(gòu)建方法，形成地質(zhì)與裝備交互耦合，進(jìn)一步探究綜采裝備在仿真過程中與環(huán)境的交互關(guān)系，為綜采工作面虛擬仿真開采、數(shù)字孿生技術(shù)在煤炭行業(yè)的應(yīng)用提供新思路。