基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦掘進(jìn)機(jī)自動截割方法研究

張鐵聰，陳華州，趙俊杰，王利景，賈冬冬

(1. 國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司金鳳煤礦，寧夏回族自治區(qū)吳忠市，751504；2. 北京龍軟科技股份有限公司，北京市海淀區(qū)，100190)

0 引言

隨著礦井智能化采掘技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的掘進(jìn)方式已無法滿足綜采工作面進(jìn)度的要求，發(fā)展掘進(jìn)裝備智能化是實現(xiàn)掘進(jìn)減人增效的關(guān)鍵。井下掘進(jìn)工作面巷道結(jié)構(gòu)特殊，高粉塵、高瓦斯、低光照等因素導(dǎo)致掘進(jìn)工作面整體協(xié)同作業(yè)方式落后，影響掘進(jìn)速度和巷道成型質(zhì)量。煤礦掘進(jìn)工作面自動化是當(dāng)前煤礦智能化建設(shè)的核心難題之一，需要多種關(guān)鍵技術(shù)的支撐和共同作用[1-3]。

目前，煤礦掘進(jìn)機(jī)主要采用人工現(xiàn)場視距遙控的方式實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制截割，或者遠(yuǎn)端利用視頻圖像輔助遙控操作機(jī)器割煤和牽引轉(zhuǎn)向等。人工現(xiàn)場視距遙控的控制方式存在安全隱患大、勞動強(qiáng)度大、視線易受阻和截割精度低等缺點；基于視頻輔助的遠(yuǎn)程控制截割方式存在效率低、成型效果差、人工重復(fù)勞動繁重、巷道需反復(fù)修復(fù)等缺點。以上兩種控制方式均無法實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動化精準(zhǔn)截割[4-6]。掘進(jìn)自動化控制系統(tǒng)多采用組態(tài)軟件開發(fā)，通過平面示意的方式表達(dá)設(shè)備運行狀態(tài)、二維姿態(tài)、故障報警等信息，不能精準(zhǔn)表達(dá)三維巷道和設(shè)備空間位置關(guān)系，缺少高可視度的三維空間信息融合功能，無法實現(xiàn)對掘進(jìn)工作面的精準(zhǔn)控制。

針對以上問題，筆者提出一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦掘進(jìn)機(jī)自動截割方法，通過三維數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建統(tǒng)一大地坐標(biāo)的高精度巷道和掘進(jìn)機(jī)孿生模型，利用掘進(jìn)機(jī)位姿、大地坐標(biāo)位置、航向等信息驅(qū)動孿生設(shè)備模型與巷道模型的融合，生成掘進(jìn)機(jī)自動截割的截割模板，從而可在自動化程度高、地質(zhì)條件簡單的掘進(jìn)工作面實現(xiàn)單個或多個作業(yè)循環(huán)的自動截割，提高煤礦掘進(jìn)生產(chǎn)效率和安全水平。

1 煤礦掘進(jìn)機(jī)數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生(Digital Twin)[7-8]是指通過數(shù)字化技術(shù)拷貝物理對象，在虛擬空間中完成映射，模擬現(xiàn)實環(huán)境中的行為，基于數(shù)字化模型對實體物體進(jìn)行虛擬仿真、分析和優(yōu)化等，可對物理實體的運行和改進(jìn)提供更精確的決策分析支持。數(shù)字孿生技術(shù)主要包括模型構(gòu)建層、數(shù)據(jù)互動層和仿真分析層[9-10]。其主要組成要素包括物理實體、孿生實體、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)與功能、鏈接。掘進(jìn)工作面數(shù)字孿生組成要素包括數(shù)字化巷道建模、數(shù)字化設(shè)備建模、機(jī)器數(shù)據(jù)及工藝建模、人機(jī)交互功能和鏈接等。

掘進(jìn)機(jī)是數(shù)字孿生感知環(huán)境和實際執(zhí)行命令的物理實體，需要滿足控制、傳感器、數(shù)據(jù)接口與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備3個方面的要求。煤礦掘進(jìn)機(jī)的數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)如圖1所示，數(shù)字孿生掘進(jìn)包括智能化掘進(jìn)物理實體、感知與控制、數(shù)字孿生掘進(jìn)和用戶4層，其中數(shù)字孿生掘進(jìn)又包括建模管理、仿真服務(wù)、孿生共智、數(shù)字孿生組件等模塊。掘進(jìn)機(jī)數(shù)字孿生模型(孿生實體)包括幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型，這些模型能從多時間尺度和多空間尺度對物理實體進(jìn)行精準(zhǔn)的刻畫和描述；孿生數(shù)據(jù)匯聚了采集讀取的掘進(jìn)機(jī)所有運行數(shù)據(jù)，是驅(qū)動物理實體、孿生實體和服務(wù)運行的核心要素；服務(wù)與功能包括可視化、控制和健康診斷等；鏈接交互是輔助孿生實體實現(xiàn)以虛映實、以虛控實和虛實共生的重要維度。

圖1 煤礦掘進(jìn)機(jī)的數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)

2 數(shù)字化巷道和掘進(jìn)機(jī)模型構(gòu)建

煤礦數(shù)字孿生掘進(jìn)需要構(gòu)建高精度的數(shù)字化巷道模型和掘進(jìn)機(jī)三維數(shù)字模型，數(shù)字化巷道的構(gòu)建方法需要綜合應(yīng)用2種建模方法：實測法數(shù)字巷道建模，即利用全站儀測量和煤礦專用地理信息系統(tǒng)(GIS)構(gòu)建巷道模型；激光掃描法數(shù)字巷道建模，即利用三維激光掃描技術(shù)動態(tài)掃描構(gòu)建巷道模型。

2.1 數(shù)字巷道建模方法

2.1.1 實測法數(shù)字巷道建模

實測法數(shù)字巷道建模是利用井下全站儀測量獲取巷道控制點(導(dǎo)線點)，結(jié)合煤礦專用地理信息系統(tǒng)(GIS)融合已揭露巷道的控制點坐標(biāo)、鉆孔柱狀圖、煤巖層位信息，建立二、三維數(shù)字化巷道模型[11-13]。該方法具有建模速度快、操作便捷等優(yōu)點，缺點是受巷道控制點(導(dǎo)線點)數(shù)量少等因素影響，巷道建模精度低，無法實現(xiàn)巷道形變監(jiān)測等分析應(yīng)用。

煤礦專用地理信息系統(tǒng)(GIS)繪制煤層鉆孔柱狀圖、勘探線剖面圖、地形地質(zhì)圖、采掘工程平面圖、水文地質(zhì)圖等專題圖形，結(jié)合工作面鉆探、物探資料，建立反映掘進(jìn)工作面附近區(qū)域地質(zhì)空間形態(tài)和拓?fù)潢P(guān)系的三維數(shù)字孿生地質(zhì)和巷道模型；工作面掘進(jìn)過程中，利用超前探測和不斷揭露的地質(zhì)數(shù)據(jù)動態(tài)修正模型，實現(xiàn)巷道的三維數(shù)字孿生精細(xì)化建模，模型表達(dá)的內(nèi)容包括掘進(jìn)巷道煤層頂?shù)装宸纸纭⒚簩訆A矸、巷道斷面成型質(zhì)量及支護(hù)方式、水文地質(zhì)異常區(qū)及瓦斯賦存富集區(qū)等地質(zhì)環(huán)境。利用煤礦專用地理信息系統(tǒng)(GIS)的數(shù)字化巷道建模如圖2所示，模型能夠反映設(shè)計巷道的斷面形狀、支護(hù)參數(shù)、煤巖層頂?shù)装逦恢眉昂穸?、巷道起伏及方位角等信息?/p>

圖2 煤礦掘進(jìn)巷道GIS三維建模

2.1.2 激光掃描法數(shù)字巷道建模

激光掃描法數(shù)字巷道建模是利用井下激光點云儀器掃描形成巷道空間點云數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場拍攝照片貼合紋理，構(gòu)建巷道數(shù)字化模型[14-15]。該方法的優(yōu)點是巷道表面建模精度高，可為專業(yè)功能提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；缺點是不能構(gòu)建巷道圍巖內(nèi)部模型，不能表達(dá)巷道頂?shù)装鍘r性和地質(zhì)構(gòu)造信息。

三維激光掃描技術(shù)(點云技術(shù))是一種新型測繪技術(shù)，具有數(shù)據(jù)獲取自動化、快速、高密度、表面建模精度高等特點，點云數(shù)據(jù)包含測點三維坐標(biāo)(X、Y、Z)、激光反射強(qiáng)度、物體表面RGB值、法向量等信息[16]。通過三維激光掃描儀進(jìn)行巷道測量，獲取巷道表面海量數(shù)據(jù)點信息，可生成真實巷道表面模型，用于巷道超挖欠挖、成型質(zhì)量、收斂變形分析等[17-19]，三維激光掃描能夠反映巷道表面位移變化情況。利用三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)的巷道建模效果如圖3所示。一方面通過微觀視角真實還原掘進(jìn)工作面巷道斷面及頂?shù)装迤鸱螒B(tài)，同時準(zhǔn)確表達(dá)巷道內(nèi)的設(shè)備設(shè)施與巷道斷面之間的空間位置關(guān)系，可以任意測量巷道支護(hù)參數(shù)與設(shè)計參數(shù)，另一方面通過宏觀視角準(zhǔn)確表達(dá)巷道分支方向和方位角等空間信息。

圖3 煤礦掘進(jìn)巷道三維激光掃描建模

筆者所提出的三維數(shù)字孿生巷道建模方法綜合應(yīng)用了以上2種建模方法：三維激光點云技術(shù)用于快速構(gòu)建宏觀巷道三維實體模型，GIS融合巷道施工期間測量和揭露的地質(zhì)構(gòu)造信息構(gòu)建頂?shù)装迥Ｐ?，點云數(shù)據(jù)展現(xiàn)真實巷道表面真實形狀信息，包括巷道斷面形狀、起伏、支護(hù)參數(shù)、設(shè)備位置等信息；GIS模型能夠表達(dá)煤層頂?shù)装鍘r性及厚度，以直觀反映巷道的整體地質(zhì)情況。融合建模效果如圖4所示。

圖4 融合數(shù)字化巷道模型

2.2 掘進(jìn)機(jī)數(shù)字化建模

掘進(jìn)機(jī)數(shù)字化建模采用通用BIM(Building Information Modeling)模型構(gòu)建方法，BIM建模方法主要為線框建模、實體建模、面片建模以及參數(shù)化建模等[20]。筆者提出的掘進(jìn)機(jī)數(shù)字建模方法綜合應(yīng)用了面片建模和參數(shù)化建模方法。面片建模是一種曲面建模方式，用戶只需要比較少的控制點，就可以控制整個模型，常規(guī)的CAD建模技術(shù)采用的是三角面片法。使用面片建?？梢怨?jié)約系統(tǒng)資源，加快電腦運行速度；參數(shù)化建模是用專業(yè)知識和規(guī)則來確定參數(shù)和約束的一種建模方法。參數(shù)化建模的對象具有專業(yè)性或行業(yè)性特點，而不是純粹的幾何圖元；參數(shù)化建模對象的參數(shù)是由行業(yè)知識來驅(qū)動；模型的智能化程度取決于參數(shù)的數(shù)量。

掘進(jìn)機(jī)數(shù)字建模方法綜合應(yīng)用了面片建模和參數(shù)化建模方法，利用設(shè)備建模軟件(如3D Max)的面片建模和參數(shù)化建模方法結(jié)合設(shè)備外形尺寸構(gòu)建1∶1設(shè)備模型，針對模型運動部位，如懸臂、履帶、前后支撐、星輪、運轉(zhuǎn)等部位按照機(jī)械限位精細(xì)建模，模型貼圖采用的是與物理實體一致的圖案。掘進(jìn)機(jī)孿生模型和物理實體的運動限位和尺寸嚴(yán)格一致。建立完成的掘進(jìn)機(jī)模型導(dǎo)入到數(shù)字化巷道模型中，形成初始的數(shù)字化巷道模型，掘進(jìn)機(jī)孿生模型通過獲取物理實體傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動部件動作，從而實現(xiàn)數(shù)字孿生模型和物理實體的一致性運動表達(dá)。

2.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動邏輯

為了數(shù)字孿生場景與掘進(jìn)機(jī)及其配套設(shè)備在物理空間的狀態(tài)同步，需要從物理系統(tǒng)中獲取大量驅(qū)動信號，以對數(shù)字孿生場景中各個層級的模型進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)驅(qū)動。而數(shù)字孿生場景的數(shù)據(jù)組織方式與物理空間的設(shè)備數(shù)據(jù)不一樣，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化處理。

2.3.1 驅(qū)動數(shù)據(jù)分類

驅(qū)動數(shù)據(jù)大體可分為以下4類。

(1)運動驅(qū)動數(shù)據(jù)。如設(shè)備坐標(biāo)位置、設(shè)備組件的位移與旋轉(zhuǎn)等，這類數(shù)據(jù)可以直接利用業(yè)務(wù)系統(tǒng)對應(yīng)的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動。

(2)動作信號。如機(jī)器開機(jī)、電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)信號等。動作信號在數(shù)據(jù)變化至特定值時觸發(fā)虛擬世界相應(yīng)的回應(yīng)，這里的布爾(Bool)類型信號在物理世界中通常為脈沖或高低電平狀態(tài)信號2種形式，通過腳本程序?qū)π盘柫康淖兓M(jìn)行捕捉，在對應(yīng)的時刻觸發(fā)對應(yīng)的動作。

(3)狀態(tài)數(shù)據(jù)。狀態(tài)信號對應(yīng)著設(shè)備、環(huán)境等狀態(tài)信息。例如，仿真空間需要通過設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與業(yè)務(wù)分析。

(4)指令數(shù)據(jù)。包括各系統(tǒng)和模塊的業(yè)務(wù)控制指令。數(shù)字空間需要根據(jù)指令含義進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)化，控制數(shù)字空間的運行。根據(jù)數(shù)字空間的層次結(jié)構(gòu)和驅(qū)動數(shù)據(jù)分類，數(shù)字空間內(nèi)部的各種算法、腳本和設(shè)備的運行是多線程并行方式，以對離散事件進(jìn)行并行處理。

2.3.2 數(shù)字空間運行過程分層

數(shù)字空間的運行過程分為如下幾層：

數(shù)學(xué)學(xué)科知識與數(shù)學(xué)綜合素養(yǎng)并重的教學(xué)方式不僅能夠在教學(xué)之中快速地取得較好的教學(xué)效果，同時也能夠使學(xué)生在未來的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過程中走得更加順利。總之，在初中數(shù)學(xué)教學(xué)中，我們需要遵循著理論與實踐相聯(lián)系的原則，采取多樣化的教學(xué)手段，加強(qiáng)學(xué)生對數(shù)學(xué)史的了解，并以評價來充分激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體作用，從多個方面促進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)綜合素養(yǎng)的提升。

(1)初始化。由于系統(tǒng)啟動時間的不確定性，掘進(jìn)工作面孿生模型在系統(tǒng)運行時首先需要從多個維度進(jìn)行初始化，與掘進(jìn)工作面內(nèi)的實體空間狀態(tài)進(jìn)行匹配。其中包括設(shè)備初始位置的初始化、設(shè)備運動位姿的初始化，設(shè)備運動位置應(yīng)在啟動時迅速與物理實體達(dá)成一致，以及掘進(jìn)工作面環(huán)境狀態(tài)的初始化等。

(2)實時映射。數(shù)字空間同步初始化后，根據(jù)驅(qū)動數(shù)據(jù)對設(shè)備、環(huán)境和業(yè)務(wù)過程進(jìn)行多維的實時映射。主要顯示在各種設(shè)備的活動與狀態(tài)。

(3)數(shù)據(jù)處理。在實時映射的過程中，對數(shù)字空間的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，并對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行集成分析，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)監(jiān)控異常的報警，這些分析報警數(shù)據(jù)可以作為物理系統(tǒng)的有效管控依據(jù)。

3 掘進(jìn)機(jī)自動截割控制方法

基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦掘進(jìn)機(jī)自動截割控制邏輯和框架如圖5所示，框架包含軟件平臺端、網(wǎng)絡(luò)及傳輸端、設(shè)備端3部分，其中，設(shè)備端包括監(jiān)控主機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等物理設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)及傳輸端包括從掘進(jìn)機(jī)到監(jiān)控主機(jī)之間的有線或無線網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備監(jiān)控接口和通訊協(xié)議等；軟件平臺端包括巷道及地質(zhì)模型、設(shè)備模型、三維可視化腳本、三維UI界面、SCADA組件、實時歷史數(shù)據(jù)庫、消息隊列服務(wù)等。

圖5 掘進(jìn)機(jī)控制邏輯流程

基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦掘進(jìn)機(jī)自動截割方法包括基于統(tǒng)一大地坐標(biāo)系的掘進(jìn)機(jī)定位、定姿，數(shù)據(jù)采集和發(fā)布及數(shù)字模型的驅(qū)動和可視化，截割模板自動生成，成型質(zhì)量和動態(tài)變形監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 基于統(tǒng)一大地坐標(biāo)系的掘進(jìn)機(jī)定位、定姿

為了實現(xiàn)煤礦掘進(jìn)工作面的數(shù)字化設(shè)備和巷道、地質(zhì)模型空間信息的精確融合，數(shù)字化巷道模型應(yīng)具備統(tǒng)一大地坐標(biāo)系(如CGCS2000坐標(biāo)系)基礎(chǔ)，設(shè)備具有基于統(tǒng)一大地坐標(biāo)系的精確定位功能，才能將兩者的模型在統(tǒng)一大地坐標(biāo)系內(nèi)實現(xiàn)高精度的空間信息耦合和孿生展現(xiàn)。

筆者所提出的自動截割控制方法是依靠設(shè)備端的慣導(dǎo)和全自動全站儀實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的基于統(tǒng)一大地坐標(biāo)系的精確定位，具體方法如下所述。

在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身安裝慣導(dǎo)裝置，獲得掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的空間位置信息。掘進(jìn)機(jī)慣導(dǎo)是基于慣性導(dǎo)航器件設(shè)計的應(yīng)用于煤礦掘進(jìn)工作面高精度測量掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)角的精密測量設(shè)備，它采用高精度光纖陀螺儀和石英加速度計為主要慣性元件，可實時提供高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性的速度、姿態(tài)等信息。慣導(dǎo)與掘進(jìn)機(jī)機(jī)身剛性連接，實時輸出采煤機(jī)的航向角H、俯仰角P、橫滾角R，并對外發(fā)布實時數(shù)據(jù)。

全自動全站儀固定安裝在掘進(jìn)工作面集控倉頂部，跟隨自移機(jī)尾同步移動和實時測量；全自動全站儀后視工作面巷道頂板的一個導(dǎo)線控制點棱鏡并測角測距，計算設(shè)站點大地坐標(biāo)，前視搜索并鎖定追蹤掘進(jìn)機(jī)機(jī)身固定位置安裝的棱鏡，實時動態(tài)跟蹤測量掘進(jìn)機(jī)三維坐標(biāo)(X、Y、Z)。掘進(jìn)過程中提供掘進(jìn)機(jī)在巷道中的位置、航向角與巷道中線偏向，超過預(yù)設(shè)角度報警并提醒糾偏?；趹T導(dǎo)和全站儀的組合導(dǎo)航定位技術(shù)實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)在巷道中的定姿、定位和定向原理如圖6所示。

圖6 基于慣導(dǎo)和全自動全站儀的掘進(jìn)機(jī)定向定姿定位原理

3.2 數(shù)據(jù)采集和發(fā)布及數(shù)字模型的驅(qū)動和可視化

SCADA組件基于OPC、Modbus、Socket、Http等公有通訊協(xié)議及特定私有通訊協(xié)議，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)的運行數(shù)據(jù)采集與控制；利用工業(yè)以太網(wǎng)，使用可視化腳本編程方法實現(xiàn)對孿生設(shè)備的可視化展示以及基于三維組態(tài)的自動控制；數(shù)據(jù)采集與控制由消息隊列服務(wù)提供UI和SCADA的業(yè)務(wù)交互，SCADA將采集的掘進(jìn)機(jī)的運行數(shù)據(jù)通過MQTT消息隊列服務(wù)發(fā)布，三維UI和可視化腳本通過MQTT方式訂閱消息并驅(qū)動孿生設(shè)備模型動作；三維UI界面是人機(jī)交互的主要窗口，操作人員通過界面控制設(shè)備；三維UI和三維可視化腳本也可通過消息隊列服務(wù)下發(fā)參數(shù)設(shè)置和控制指令，控制掘進(jìn)機(jī)按照預(yù)定規(guī)則動作。

軟件平臺端通過三維可視化編程腳本方法實現(xiàn)孿生設(shè)備的部件驅(qū)動，利用掘進(jìn)機(jī)物理實體傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動孿生模型，傳感器數(shù)據(jù)包括掘進(jìn)機(jī)滾筒的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和速度、滾筒的中心點坐標(biāo)、滾筒距離煤壁距離、履帶行走狀態(tài)和方向、星輪正反轉(zhuǎn)狀態(tài)、機(jī)身到巷道兩幫的距離、機(jī)身俯仰角和橫滾角、機(jī)身中線航向、機(jī)身中線與巷道中線偏差、機(jī)身中心點坐標(biāo)等。

三維UI可視化組件用于展示掘進(jìn)工作面巷道布置、生產(chǎn)工藝、裝備配套及設(shè)備運行和報警等信息。巷道布置包括巷道數(shù)字化模型和設(shè)備數(shù)字化模型，設(shè)備包括掘進(jìn)機(jī)、支護(hù)錨固設(shè)備、運輸設(shè)備、破碎設(shè)備、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)、通風(fēng)設(shè)施、排水設(shè)施、供電設(shè)施等；生產(chǎn)工藝包括掘、支、錨、運等關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)；設(shè)備運行和報警信息包括掘進(jìn)設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)(如設(shè)備位姿、運行狀態(tài)、設(shè)備與巷道位置關(guān)系)和故障報警信息等。

3.3 截割模板自動生成

數(shù)字化巷道模型按照掘進(jìn)機(jī)循環(huán)作業(yè)步距(如1 m)自動剖切斷面(剖面1、剖面2和剖面3)形成截割模板，如圖7所示。假設(shè)巷道掘進(jìn)工藝為沿煤層頂板掘進(jìn)，數(shù)字化巷道模型根據(jù)掘進(jìn)機(jī)炮頭實時位置循環(huán)剖切，獲取煤層頂板邊界控制點坐標(biāo)(x3，y3，z3)、(x4，y4，z4)、(x5，y5，z5)、(x6，y6，z6)、(x7，y7，z7)、(x8，y8，z8)，圖7中紅色虛線為煤層頂板中線，掘進(jìn)機(jī)機(jī)身中線應(yīng)與煤層頂板中線平行；通過剖面頂?shù)卓刂泣c坐標(biāo)計算得到掘進(jìn)機(jī)下個作業(yè)循環(huán)的滾筒偏移量Δh1和機(jī)身俯仰調(diào)整角α，掘進(jìn)機(jī)下一個循環(huán)作業(yè)按照Δh1和俯仰調(diào)整角α執(zhí)行截割動作。

圖7 巷道模型剖切生成截割模板

截割模板自動生成的步驟如下所述。

(1)由全自動全站儀和慣導(dǎo)實時提供掘進(jìn)機(jī)及截割頭的精確大地坐標(biāo)和掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)。垂直掘進(jìn)方向上按截深剖切地層模型，獲得掘進(jìn)工作面前方多個地層剖面，所切剖面包括煤厚、煤層頂板中心點坐標(biāo)、中心點連線俯仰角及橫滾角、矩形斷面坐標(biāo)、剖面法向方位角等信息，并基于地層剖面計算生成截割模板。

(2)上位機(jī)基于截割模板所規(guī)劃的截割深度、進(jìn)刀次數(shù)、掃底、掃幫次數(shù)，巷道的高度和寬度，以及頂部變化角度來控制掘進(jìn)機(jī)截割，并實時記錄煤層起伏、厚度等相關(guān)信息，結(jié)合大地坐標(biāo)系統(tǒng)生成實際截割斷面。

(3)將截割模板與實際截割斷面進(jìn)行對比，修正下一個循環(huán)的截割模板并重新設(shè)定定位截割(人工、自動2種方式)。在下一個循環(huán)作業(yè)時同樣記錄運行數(shù)據(jù)和實際截割軌跡，生成實際截割斷面，與截割模板對比，以優(yōu)化下一個循環(huán)的截割模板。

3.4 成型質(zhì)量和動態(tài)變形監(jiān)測

利用激光點云掃描系統(tǒng)，對巷道變形進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)字化巷道模型應(yīng)以掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合滾筒實時位置(x，y，z)和姿態(tài)，推算出截割滾筒的實時位置坐標(biāo)，包括掘進(jìn)機(jī)割頂、割底的邊界坐標(biāo)、巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷妮喞€、實時動態(tài)描繪輪廓，實現(xiàn)巷道成型質(zhì)量的動態(tài)監(jiān)測；通過頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)以及激光點云掃描系統(tǒng)，對巷道變形進(jìn)行監(jiān)測，基于歷史數(shù)據(jù)對變化規(guī)律進(jìn)行三維空間對比展示，融合礦壓監(jiān)測和頂板離層等數(shù)據(jù)，為掘進(jìn)工作面支護(hù)工藝等監(jiān)測提供決策依據(jù)。

綜上所述，基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦掘進(jìn)機(jī)自動截割方法需建立在統(tǒng)一大地坐標(biāo)設(shè)備定位和高精度巷道數(shù)字化模型基礎(chǔ)上，包括自動化截割工藝和人機(jī)交互截割工藝2種截割控制工藝。

(1)自動化截割工藝。針對簡單地質(zhì)條件的掘進(jìn)工作面，掘進(jìn)機(jī)控制器接收巷道剖面輸出的下一個循環(huán)邊界坐標(biāo)參數(shù)和調(diào)整量(Δh和α)，結(jié)合截割頭當(dāng)前實時位置、機(jī)身姿態(tài)和截割軌跡，實現(xiàn)掘進(jìn)工作面的單個或多個作業(yè)循環(huán)的自動截割。

(2)人機(jī)交互截割工藝。針對復(fù)雜地質(zhì)條件的掘進(jìn)工作面，通過人工操縱三維UI可視化界面的按鈕或遠(yuǎn)程控制面板，參考三維UI可視化界面中的待截割斷面形狀，操控掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)距離截割，這種控制方法相比自動化截割工藝更加靈活，適用于地質(zhì)條件相對較差的掘進(jìn)工作面。

以上工藝均不受掘進(jìn)工作面現(xiàn)場粉塵、水霧等環(huán)境影響，通過數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)巷道和掘進(jìn)機(jī)的空間信息融合，提高了截割精度和巷道成型質(zhì)量，減少了人員現(xiàn)場作業(yè)安全風(fēng)險和勞動強(qiáng)度，可替代傳統(tǒng)的基于視頻圖像輔助截割方法，系統(tǒng)效果如圖8所示。

4 基于數(shù)字孿生技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)自動截割實際應(yīng)用

基于數(shù)字孿生技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)自動截割技術(shù)在國能集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司金鳳煤礦得到應(yīng)用，金鳳煤礦位于鹽池縣馬家灘礦區(qū)中部，011817掘進(jìn)工作面位于18號煤層一采區(qū)，011817工作面為矩形巷道，掘進(jìn)寬度5.4 m，掘進(jìn)高度4.2 m，掘金斷面22.68 m2?；谕该鞯刭|(zhì)三維模型的自主規(guī)劃截割，解決人員遠(yuǎn)程干預(yù)頻繁問題，提高智能掘進(jìn)效率。通過精準(zhǔn)地質(zhì)模型與精準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行融合，將截割滾筒的實時坐標(biāo)與地質(zhì)模型坐標(biāo)配合和耦合，自動生成截割模板并下發(fā)，生成的截割模板精度保持在-10～+10 cm，提高了作業(yè)效率，保障了掘進(jìn)作業(yè)的安全性。

5 結(jié)論

(1)基于統(tǒng)一大地坐標(biāo)系，實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)備和巷道、地質(zhì)模型的空間信息融合，基于慣導(dǎo)和全站儀的組合導(dǎo)航定位技術(shù)實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)在巷道中的高精度定姿、定位和定向，實現(xiàn)設(shè)備模型與巷道數(shù)字模型的高精度孿生展現(xiàn)。

(2)以基于統(tǒng)一大地坐標(biāo)系的高精度數(shù)字化設(shè)備和巷道地質(zhì)模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過三維可視化UI控制界面直觀展示掘進(jìn)機(jī)和巷道兩幫、掘金工作面、頂板的空間位置關(guān)系，解決了掘進(jìn)機(jī)截割過程中現(xiàn)場揚塵嚴(yán)重、工作人員無法通過肉眼或攝像儀可視化的難題。

(3)提出的掘進(jìn)機(jī)自動截割方法能夠自動生成截割模版，通過遠(yuǎn)程操作替代傳統(tǒng)就地操控方式，提高掘進(jìn)機(jī)截割自動化水平，將現(xiàn)場操作人員撤離到離掘進(jìn)面較遠(yuǎn)的安全區(qū)域，避免作業(yè)過程中冒頂、垮幫等災(zāi)害造成的人員傷亡，降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了整體自動化水平。通過在金鳳煤礦的應(yīng)用試驗表明，優(yōu)化截割方案能有效的輔助工作面智能生產(chǎn)，形成無人(少人)化開采決策和技術(shù)支撐，對于保障作業(yè)安全、改善作業(yè)環(huán)境具有重要意義。