綜采跟機(jī)工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

崔耀， 李天越， 葉壯， 劉軍偉

（北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399）

0 引言

煤炭是我國(guó)能源行業(yè)壓艙石，2021 年我國(guó)煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的56.0%[1]。目前，國(guó)內(nèi)外大多煤礦綜采工作面已廣泛應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，通過(guò)使用自動(dòng)化開(kāi)采、支護(hù)設(shè)備，極大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了安全生產(chǎn)系數(shù)[2]。在綜采工作面跟機(jī)自動(dòng)化方面，已有廣泛研究：劉清等[3]提出了一種綜采工作面采煤機(jī)和液壓支架協(xié)同控制技術(shù)；高衛(wèi)勇等[4]對(duì)綜采工作面液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化工藝進(jìn)行了研究；王虹等[5]基于遺傳算法和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了液壓支架自身演化；李駿等[6]提出并驗(yàn)證了跟機(jī)自動(dòng)化中采煤機(jī)的自動(dòng)控制方法；付翔等[7]以液壓支架適應(yīng)采煤機(jī)速度、液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定為多目標(biāo)導(dǎo)控，設(shè)計(jì)了液壓支架群組跟機(jī)推進(jìn)行為智能決策模型。

上述研究均基于目前廣泛采用的控制器分布式架構(gòu)，每臺(tái)液壓支架對(duì)應(yīng)1 個(gè)電液控制器，以接入的各類傳感器數(shù)據(jù)為依據(jù)，以采煤機(jī)位置支架號(hào)為主變量，通過(guò)控制器中固定的程序邏輯和配置參數(shù)執(zhí)行跟機(jī)過(guò)程。這種跟機(jī)控制技術(shù)在不同煤礦綜采工作面應(yīng)用時(shí)，因地質(zhì)賦存條件不同，在跟機(jī)工藝設(shè)計(jì)階段就需要因地制宜，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整工藝參數(shù)，通過(guò)試機(jī)開(kāi)采、觀察支架跟機(jī)過(guò)程，判斷跟機(jī)工藝及參數(shù)是否符合實(shí)際要求，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，達(dá)到理想的跟機(jī)效果。當(dāng)跟機(jī)工藝需求發(fā)生較大變化時(shí)，例如由雙向跟機(jī)改為單向跟機(jī)、由正常開(kāi)采工藝改為調(diào)斜工藝時(shí)，僅修改工藝參數(shù)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，需要修改控制器中的固定程序邏輯，開(kāi)啟新一輪的跟機(jī)工藝設(shè)計(jì)、程序開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證、參數(shù)調(diào)整周期。因此，基于分布式控制器的跟機(jī)工藝及參數(shù)調(diào)試方法成本高、周期長(zhǎng)、過(guò)程繁瑣，尤其是柔性化、智能化不足，無(wú)法根據(jù)地質(zhì)與開(kāi)采條件及時(shí)快速調(diào)整跟機(jī)工藝。此外，以采煤機(jī)位置為牽引的跟機(jī)工藝中，采煤機(jī)與液壓支架各自執(zhí)行記憶截割、控制器跟機(jī)拉架等工藝動(dòng)作，液壓支架與采煤機(jī)互動(dòng)性、耦合性、協(xié)同性不足，不能形成良好的反饋與閉環(huán)控制。

針對(duì)以上問(wèn)題，新興的數(shù)字孿生技術(shù)提供了一條解決思路。數(shù)字孿生概念最早由密歇根大學(xué)M. Grieves 教授于2002 年 提出[8]，目前廣為接 受的定義是NASA 于2010 年提出的，即“數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程”[9]。目前，針對(duì)應(yīng)用于礦山的數(shù)字孿生技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)已有相關(guān)研究[10]：文獻(xiàn)[11-13]提出數(shù)字孿生智采工作面系統(tǒng)概念、架構(gòu)及構(gòu)建方法；文獻(xiàn)[14-17]建立了工作面“三機(jī)”（采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及液壓支架）的協(xié)同數(shù)學(xué)模型和虛擬現(xiàn)實(shí)模型，對(duì)基于數(shù)字孿生的綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)與運(yùn)行模式進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[18]提出了一種基于數(shù)字孿生的煤礦井下智能掘進(jìn)機(jī)器人監(jiān)控技術(shù)；文獻(xiàn)[19-20]提出了數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)裝備遠(yuǎn)程智能控制技術(shù)構(gòu)架，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)將掘進(jìn)工作面人員、設(shè)備、環(huán)境等相關(guān)信息呈現(xiàn)到數(shù)字空間，虛實(shí)融合，共智互驅(qū)，解決了掘進(jìn)施工中人?機(jī)?環(huán)共生安全難題；文獻(xiàn)[21]提出了一種數(shù)字孿生與深度學(xué)習(xí)融合的采煤機(jī)健康狀態(tài)預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)可視化與關(guān)鍵零部件剩余壽命預(yù)測(cè)。上述研究提出了數(shù)字孿生在煤礦行業(yè)應(yīng)用的總體架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)，但在綜采跟機(jī)工藝方面尚未有相關(guān)研究。為此，筆者提出了綜采跟機(jī)工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)，旨在為未來(lái)綜采跟機(jī)工藝智能設(shè)計(jì)與分析、工藝模型自動(dòng)生成與參數(shù)調(diào)試配置、工藝可視化與仿真演練、工藝測(cè)試等提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

綜采跟機(jī)工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)包括物理設(shè)備層、虛實(shí)交互層、孿生數(shù)據(jù)層、機(jī)理模型層、仿真算法層和工藝應(yīng)用層，其架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 綜采跟機(jī)工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 Digital twin system architecture of following process for fully mechanized mining

1.1 物理設(shè)備層

綜采設(shè)備包括采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、乳化液泵、組合開(kāi)關(guān)、電液控制器等，其中采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)、位置、姿態(tài)是影響綜采跟機(jī)工藝設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，電液控制器是跟機(jī)工藝的執(zhí)行單元。

1.2 虛實(shí)交互層

虛實(shí)交互層是采集數(shù)據(jù)接入和傳輸、控制決策接收和下發(fā)的信息樞紐。采集數(shù)據(jù)接入可分為2 種情況：① 采集實(shí)體設(shè)備數(shù)據(jù)并映射到虛擬模型。② 采集對(duì)虛擬模型的操控設(shè)置并映射到實(shí)體設(shè)備。采集實(shí)體設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)位置、傾角、溫度、壓力、電壓、行程、振動(dòng)、液位等傳感器采集對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)量與模擬量。采集對(duì)虛擬模型的操控設(shè)置時(shí)，通過(guò)鍵盤、鼠標(biāo)、屏幕、話筒等數(shù)據(jù)輸入設(shè)備采集對(duì)虛擬模型的操作指令。通過(guò)萬(wàn)兆光纖環(huán)網(wǎng)、5G、WiFi 通信網(wǎng)絡(luò)，按照TCP、UDP、Modbus 總線、OPC 等通信協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度中心和工作面巷道監(jiān)控中心。上位機(jī)集控軟件和地面調(diào)度中心下發(fā)的控制決策信息通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)竭吘壏?wù)器，實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備控制。

1.3 孿生數(shù)據(jù)層

孿生數(shù)據(jù)是對(duì)綜采設(shè)備相關(guān)各類信息的數(shù)字化表達(dá)，涉及數(shù)據(jù)使用和數(shù)據(jù)處理2 個(gè)方面。

1.3.1 數(shù)據(jù)使用

數(shù)據(jù)使用方面，按照數(shù)據(jù)來(lái)源及用途可劃分為物理實(shí)體數(shù)據(jù)、孿生虛體數(shù)據(jù)、應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)和融合數(shù)據(jù)。

1） 物理實(shí)體數(shù)據(jù)。物理實(shí)體數(shù)據(jù)主要為通過(guò)傳感器采集的“三機(jī)”生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)。其中刮板輸送機(jī)與液壓支架通過(guò)銷軸連接，在正常工作情況下刮板輸送機(jī)的位姿和控制依賴于工作面液壓支架的位姿和控制。

生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)：采煤機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)包括滾筒高度、采煤機(jī)速度和位置、采煤機(jī)姿態(tài)（包括翻滾角、俯仰角和偏航角）、牽引方向等，可通過(guò)LASC 系統(tǒng)、傾角傳感器、紅外傳感器等采集。液壓支架狀態(tài)數(shù)據(jù)包括前溜行程、支架高度、底座傾角、護(hù)幫傾角、頂梁傾角、前連桿傾角、后連桿傾角，可通過(guò)安裝于液壓支架上的傾角傳感器和行程傳感器采集。刮板輸送機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)主要為電動(dòng)機(jī)溫度、煤流量等，可通過(guò)溫度傳感器和3D 攝像儀進(jìn)行感知?！叭龣C(jī)”環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)包括甲烷含量、氧氣濃度、環(huán)境溫度、礦壓等。

生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)：采煤機(jī)控制數(shù)據(jù)主要包括動(dòng)作控制數(shù)據(jù)（如采煤機(jī)牽引速度和方向、滾筒高度和轉(zhuǎn)速）、程序控制數(shù)據(jù)（如截割工藝代碼）、單元控制數(shù)據(jù)（如與液壓支架的交互數(shù)據(jù)）及系統(tǒng)調(diào)度數(shù)據(jù)（如記憶截割工藝調(diào)度）。液壓支架控制數(shù)據(jù)主要包括動(dòng)作控制數(shù)據(jù)（如液壓支架升柱、降柱、推溜、拉架）、單元控制數(shù)據(jù)（如與采煤機(jī)的交互數(shù)據(jù)）及系統(tǒng)調(diào)度數(shù)據(jù)（如記憶放煤工藝調(diào)度數(shù)據(jù)）。

2） 孿生虛體數(shù)據(jù)。孿生虛體數(shù)據(jù)包括模型基本屬性數(shù)據(jù)和仿真模擬數(shù)據(jù)。模型基本屬性數(shù)據(jù)是指建立孿生模型時(shí)“三機(jī)”的幾何物理數(shù)據(jù)、屬性信息數(shù)據(jù)、行為邏輯數(shù)據(jù)、約束規(guī)則數(shù)據(jù)。仿真模擬數(shù)據(jù)是指結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)綜采跟機(jī)工藝進(jìn)行仿真后得到的結(jié)果數(shù)據(jù)，包括“三機(jī)”實(shí)時(shí)位姿、仿真開(kāi)采時(shí)間、割煤量等。

3） 應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)。應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)主要由應(yīng)用分析數(shù)據(jù)和知識(shí)服務(wù)數(shù)據(jù)組成。應(yīng)用分析數(shù)據(jù)是對(duì)物理實(shí)體數(shù)據(jù)和孿生虛體數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后得到的，包括采煤量、跟機(jī)自動(dòng)化率、跟機(jī)放煤率、人工干預(yù)率、“三機(jī)”狀態(tài)統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。知識(shí)服務(wù)數(shù)據(jù)主要包括工人歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、工作面作業(yè)規(guī)程數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范數(shù)據(jù)等。

4） 融合數(shù)據(jù)。融合數(shù)據(jù)為對(duì)物理實(shí)體數(shù)據(jù)、孿生虛體數(shù)據(jù)、應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)3 個(gè)層級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、分類、關(guān)聯(lián)、集成和計(jì)算得到的衍生數(shù)據(jù)。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理方面，由于受到短時(shí)電磁干擾等影響，井下傳感器會(huì)出現(xiàn)一些異常數(shù)據(jù)，可通過(guò)平滑去噪、剔除異常值等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)清理和補(bǔ)全，保證上報(bào)數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)變化。將清洗好的數(shù)據(jù)按照機(jī)理模型及仿真算法的需要進(jìn)行集成歸類，例如對(duì)于采煤機(jī)機(jī)理模型，集成了采煤機(jī)位置支架號(hào)（紅外傳感器數(shù)據(jù)）、位置米（牽引編碼器數(shù)據(jù)）、牽引方向、速度、左右滾筒高度、截割電動(dòng)機(jī)電流、截割電動(dòng)機(jī)溫度等數(shù)據(jù)點(diǎn)位，可形成表單，按照時(shí)間順序存儲(chǔ)到時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)（通常使用influx DB 數(shù)據(jù)庫(kù)）中，為后續(xù)歷史回放功能提供數(shù)據(jù)支撐。

1.4 機(jī)理模型層

機(jī)理模型是對(duì)綜采設(shè)備及其運(yùn)行環(huán)境的各層級(jí)屬性、組成關(guān)系和運(yùn)行機(jī)理的模型化表述。煤礦設(shè)備系統(tǒng)可分為機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，進(jìn)一步可細(xì)分為幾何、物理、行為和規(guī)則模型。通常幾何模型可使用3D MAX，Maya，CAD，PRO?E 等專業(yè)建模軟件根據(jù)圖紙進(jìn)行等比例建模，而物理、行為、規(guī)則模型一般在仿真軟件中進(jìn)行規(guī)約，如達(dá)索系統(tǒng)（Dassault System）、Ansys、Unity3D、UE4 等。

1.5 仿真算法層

圍繞綜采跟機(jī)工藝設(shè)計(jì)、參數(shù)調(diào)優(yōu)、虛擬測(cè)試、實(shí)時(shí)監(jiān)視、歷史回放等，進(jìn)行數(shù)據(jù)、模型、應(yīng)用3 個(gè)方面的算法研究，形成算法庫(kù)。數(shù)據(jù)算法包括跟機(jī)工藝傳感數(shù)據(jù)平滑降噪、特征值提取和分類等算法。模型算法包括采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)模型的求解、優(yōu)化與擬合算法。應(yīng)用算法包括智能控制、預(yù)測(cè)決策和智能分析等算法。

1.6 工藝應(yīng)用層

基于機(jī)理模型與仿真算法，開(kāi)展跟機(jī)工藝設(shè)計(jì)、跟機(jī)工藝演繹、跟機(jī)仿真運(yùn)行、實(shí)時(shí)工藝孿生和歷史跟機(jī)回放等應(yīng)用。

2 關(guān)鍵技術(shù)

綜采跟機(jī)工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖2所示。通過(guò)萬(wàn)兆光纖環(huán)網(wǎng)+5G 通信技術(shù)將采煤機(jī)工藝動(dòng)作數(shù)據(jù)匯集到采煤機(jī)主機(jī)，將串行支架控制器發(fā)出的支架工藝動(dòng)作數(shù)據(jù)匯集到電液控主機(jī)，對(duì)工藝數(shù)據(jù)按動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行收集、歸類、編碼，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，作為工藝過(guò)程回放的數(shù)據(jù)源。同時(shí)，主機(jī)將實(shí)時(shí)上報(bào)的跟機(jī)工藝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給三維數(shù)字孿生系統(tǒng)，在三維虛擬場(chǎng)景中孿生演繹跟機(jī)過(guò)程。在人機(jī)交互界面完成跟機(jī)工藝參數(shù)配置后，可在三維場(chǎng)景中預(yù)演綜采跟機(jī)工藝過(guò)程。在實(shí)時(shí)開(kāi)采過(guò)程中，匯集各類傳感數(shù)據(jù)，結(jié)合預(yù)演無(wú)誤的跟機(jī)工藝，系統(tǒng)統(tǒng)籌下發(fā)工藝調(diào)度指令，將支架控制器從決策者轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行者，克服因井下空間不足導(dǎo)致控制器算力有限的局限性。

圖2 綜采跟機(jī)工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)技術(shù)路線Fig. 2 Technical roadmap of digital twin system of following process for fully mechanized mining

2.1 跟機(jī)工藝數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)技術(shù)

綜采工作面生產(chǎn)過(guò)程中，與跟機(jī)工藝相關(guān)的數(shù)據(jù)包括采煤機(jī)數(shù)據(jù)和液壓支架數(shù)據(jù)。采煤機(jī)數(shù)據(jù)包括采煤機(jī)位置架、滾筒高度、滾筒狀態(tài)、截割電動(dòng)機(jī)電流、牽引方向、采煤機(jī)速度、電動(dòng)機(jī)溫度等，采用時(shí)序狀態(tài)切片存儲(chǔ)方法，即按照一定的時(shí)間間隔順序存儲(chǔ)采煤機(jī)當(dāng)前記錄時(shí)刻的全部狀態(tài)數(shù)據(jù)（稱為采煤機(jī)狀態(tài)切片），在時(shí)間軸上可選取任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)提取采煤機(jī)狀態(tài)切片。以間隔1 s 為例，采煤機(jī)時(shí)序狀態(tài)切片如圖3 所示。液壓支架數(shù)據(jù)包括支架號(hào)、支架動(dòng)作、前溜行程、立柱壓力、護(hù)幫壓力、護(hù)幫傾角、底座傾角、掩護(hù)梁傾角、頂梁傾角、前后連桿傾角、支架高度等，采用時(shí)序存儲(chǔ)方法，即按照一定的時(shí)間間隔順序存儲(chǔ)支架當(dāng)前記錄時(shí)刻的全部狀態(tài)數(shù)據(jù)與動(dòng)作數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔越短，數(shù)據(jù)精度越高，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量越大。以時(shí)間作為關(guān)鍵索引，組合采煤機(jī)狀態(tài)切片表與支架動(dòng)作狀態(tài)表，可形成時(shí)序存儲(chǔ)的完整開(kāi)采跟機(jī)工藝過(guò)程記錄。

圖3 采煤機(jī)時(shí)序狀態(tài)切片F(xiàn)ig. 3 Sequential state slice of shearer

工藝數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議一般采用xml、json 格式。Protocol Buffer 是一種基于二進(jìn)制的數(shù)據(jù)傳輸格式，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中可高效地壓縮數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸量，同時(shí)提高數(shù)據(jù)壓縮速率，從而進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸效率。因此，本文采用Protocol Buffer 格式傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，提高實(shí)時(shí)性。

2.2 跟機(jī)工藝歷史回放技術(shù)

跟機(jī)工藝歷史回放技術(shù)是指在人機(jī)交互界面選取任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)切入，以三維孿生的形式回放綜采工作面跟機(jī)生產(chǎn)過(guò)程。跟機(jī)工藝歷史回放技術(shù)具有2 個(gè)方面意義：① 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)跟機(jī)全過(guò)程進(jìn)行回放，可分析和借鑒人工操作跟機(jī)工藝，從而建立更智能的自動(dòng)跟機(jī)工藝模型。② 對(duì)按照預(yù)先設(shè)定跟機(jī)工藝的跟機(jī)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行回放，分析工作面跟機(jī)過(guò)程是否按照設(shè)定的跟機(jī)工藝執(zhí)行，從而指導(dǎo)跟機(jī)工藝設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

選取跟機(jī)工藝歷史回放切入點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)標(biāo)志了采煤機(jī)運(yùn)行到機(jī)頭和機(jī)尾的時(shí)刻，以便于回放完整一刀煤截割過(guò)程，同時(shí)支持倍速回放。跟機(jī)工藝歷史時(shí)間節(jié)點(diǎn)可任意選擇，要求跟機(jī)工藝歷史數(shù)據(jù)庫(kù)具備快速查找與讀取數(shù)據(jù)的功能。系統(tǒng)錄入跟機(jī)工藝數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)采煤機(jī)位置，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行到機(jī)頭和機(jī)尾時(shí)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中插入標(biāo)志。倍速回放功能是指對(duì)回放過(guò)程進(jìn)行加速或減速播放：加速播放時(shí)，對(duì)歷史工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行抽幀讀取，即按照加速倍率跳躍式讀取歷史數(shù)據(jù)；減速播放時(shí)，對(duì)歷史工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行插值讀取，即按照減速倍率取相鄰切片狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。

2.3 實(shí)時(shí)跟機(jī)工藝演繹技術(shù)

實(shí)時(shí)跟機(jī)工藝演繹技術(shù)是指在虛擬環(huán)境中構(gòu)建綜采工作面孿生場(chǎng)景，通過(guò)訂閱采煤機(jī)主機(jī)與電液控主機(jī)跟機(jī)工藝數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)孿生模型實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射，同時(shí)在虛擬孿生場(chǎng)景中動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)滾筒與支架護(hù)幫頂梁相對(duì)空間位置關(guān)系。

綜采工作面孿生場(chǎng)景構(gòu)建包括采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)數(shù)字孿生建模。采煤機(jī)孿生建模：構(gòu)建截割部、牽引部、電氣系統(tǒng)及輔助裝置的幾何模型，對(duì)采高范圍、截深、適應(yīng)工作面傾角、裝機(jī)功率、截割功率、牽引功率、滾筒轉(zhuǎn)速、牽引速率等屬性進(jìn)行定義，對(duì)采煤機(jī)左右滾筒、搖臂增加關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)約束，以實(shí)現(xiàn)搖臂升降和滾筒啟停動(dòng)作。液壓支架孿生建模：構(gòu)建底座、前后連桿、掩護(hù)梁、頂梁、立柱、平衡千斤頂、推移千斤頂、推移桿等部件的幾何模型，對(duì)高度變化范圍、工作阻力、支護(hù)強(qiáng)度、中心距、推溜力、移架力、質(zhì)量等屬性進(jìn)行定義，通過(guò)部件骨架連接與層級(jí)約束，實(shí)現(xiàn)以油缸和立柱帶動(dòng)支架機(jī)械運(yùn)動(dòng)。刮板輸送機(jī)孿生建模：除了幾何模型與屬性定義，其單塊刮板與相鄰刮板的物理鉸接及作為受力對(duì)象與支架推移桿通過(guò)銷軸連接的約束關(guān)系對(duì)于刮板輸送機(jī)蛇形段仿真的實(shí)現(xiàn)也至關(guān)重要。通過(guò)構(gòu)建綜采工作面孿生場(chǎng)景，可以實(shí)時(shí)演繹工作面“三機(jī)”位姿，實(shí)現(xiàn)工作面直線度監(jiān)測(cè)。

孿生場(chǎng)景中的干涉預(yù)警功能包括采煤機(jī)滾筒與支架護(hù)幫頂梁干涉預(yù)警、人員定位預(yù)警。基于支架護(hù)幫傾角數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)支架孿生模型對(duì)護(hù)幫組件的伸收映射仿真，根據(jù)支架高度、頂梁傾角、前后連桿傾角等數(shù)據(jù)確定液壓支架自身姿態(tài)，結(jié)合采煤機(jī)滾筒高度、位置架數(shù)據(jù)、采煤機(jī)行走輪與刮板輸送機(jī)的齒軌嚙合約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)在孿生空間中對(duì)采煤機(jī)滾筒與支架護(hù)幫頂梁相對(duì)距離的實(shí)時(shí)測(cè)算，當(dāng)采煤機(jī)滾筒與支架護(hù)幫頂梁相對(duì)距離小于設(shè)定危險(xiǎn)閾值時(shí)，認(rèn)為可能會(huì)出現(xiàn)干涉碰撞故障，發(fā)出干涉預(yù)警信號(hào)，如圖4 所示。孿生系統(tǒng)接入人員定位數(shù)據(jù)后，在孿生空間中實(shí)時(shí)更新人員位置，當(dāng)檢測(cè)到人員出現(xiàn)在動(dòng)作支架下方或刮板輸送機(jī)附近等危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，發(fā)出人員定位預(yù)警信息。

圖4 采煤機(jī)滾筒與支架護(hù)幫頂梁干涉預(yù)警Fig. 4 Early warning of interference between shearer drum and support top beam

2.4 跟機(jī)工藝預(yù)演仿真技術(shù)

跟機(jī)工藝預(yù)演仿真技術(shù)是基于采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)數(shù)字孿生模型，仿真預(yù)演采煤機(jī)采高規(guī)劃與支架跟機(jī)工藝，在此過(guò)程中將跟機(jī)工藝數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，作為生產(chǎn)過(guò)程中指令調(diào)度的依據(jù)，同時(shí)便于仿真過(guò)程回放。

跟機(jī)工藝預(yù)演仿真可將人工設(shè)定或系統(tǒng)智能決策生成的“三機(jī)”位置、姿態(tài)信息作用于仿真模型上，在模型上對(duì)跟機(jī)工藝過(guò)程進(jìn)行預(yù)演，以檢驗(yàn)即將下發(fā)的工藝指令是否能滿足實(shí)際跟機(jī)要求，可以在跟機(jī)工藝預(yù)演過(guò)程中對(duì)跟機(jī)工藝進(jìn)行修改來(lái)滿足跟機(jī)要求。同時(shí)，可通過(guò)人機(jī)交互操控?cái)?shù)字孿生模型進(jìn)行跟機(jī)預(yù)演仿真，在經(jīng)過(guò)人工剪輯編譯后，可訓(xùn)練、形成、存儲(chǔ)不同的跟機(jī)工藝模型，以適應(yīng)不同工藝及環(huán)境需求。

2.5 跟機(jī)工藝指令調(diào)度技術(shù)

跟機(jī)工藝指令調(diào)度技術(shù)是指讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄的工藝數(shù)據(jù)，將其按時(shí)序轉(zhuǎn)換為控制器可執(zhí)行的工藝指令并顯示在人機(jī)交互界面，同時(shí)通過(guò)萬(wàn)兆光纖環(huán)網(wǎng)下發(fā)給井下支架控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面跟機(jī)工藝的實(shí)時(shí)調(diào)度。

跟機(jī)工藝數(shù)據(jù)來(lái)源：① 根據(jù)實(shí)際跟機(jī)操作預(yù)演優(yōu)化后形成的跟機(jī)工藝模型。② 通過(guò)人機(jī)交互操控?cái)?shù)字孿生模型仿真訓(xùn)練形成的跟機(jī)工藝模型。③ 直接輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中的跟機(jī)工藝數(shù)據(jù)。通過(guò)跟機(jī)工藝指令調(diào)度，根據(jù)不同要求選擇適合的跟機(jī)工藝數(shù)據(jù)下發(fā)給“三機(jī)”執(zhí)行。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

綜采跟機(jī)工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)在國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司上灣煤礦12403 綜采工作面和保德煤礦81309 綜放工作面進(jìn)行了適配應(yīng)用，綜采現(xiàn)場(chǎng)及對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 綜采跟機(jī)工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig. 5 Field application of digital twin system of following process for fully mechanized mining

綜采跟機(jī)工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)適配應(yīng)用后，礦井工作人員可以使用數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行跟機(jī)工藝設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與下發(fā)，綜采跟機(jī)工藝設(shè)計(jì)孿生仿真界面如圖6 所示。

圖6 綜采跟機(jī)工藝設(shè)計(jì)孿生仿真界面Fig. 6 Twin simulation interface for design of following process for fully mechanized mining

調(diào)取工作面統(tǒng)計(jì)中心數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使用綜采跟機(jī)工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)后，跟機(jī)工藝開(kāi)發(fā)周期由14 d 縮減至1 d，跟機(jī)工藝設(shè)計(jì)修改更加便捷，工作面跟機(jī)自動(dòng)化率提高到90%以上，驗(yàn)證了綜采跟機(jī)工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)用性和可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

提出了綜采跟機(jī)工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)，包括物理設(shè)備層、虛實(shí)交互層、孿生數(shù)據(jù)層、機(jī)理模型層、仿真算法層和工藝應(yīng)用層。對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了綜采跟機(jī)工藝數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)序存儲(chǔ)、歷史回放、孿生演繹、預(yù)演仿真、指令調(diào)度等全流程。從技術(shù)路線層面探討了將支架控制器從決策者轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行者的可行方案，解決了當(dāng)前綜采自動(dòng)化跟機(jī)工藝設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)試方法成本高、周期長(zhǎng)、過(guò)程繁瑣的問(wèn)題。該數(shù)字孿生系統(tǒng)在上灣煤礦12403 綜采工作面和保德煤礦81309 綜放工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了其實(shí)用性和可行性。綜采跟機(jī)工藝數(shù)字孿生系統(tǒng)為智能綜采提供了安全、簡(jiǎn)捷、高效的技術(shù)保障，促進(jìn)了綜采工作面的智能化進(jìn)程。