综采跟机工艺数字孪生系统架构与关键技术_崔耀.pdf

综采跟机工艺数字孪生系统架构与关键技术崔耀，李天越，叶壮，刘军伟（北京天玛智控科技股份有限公司，北京101399）摘要：针对综采自动化跟机工艺设计和参数调试成本高、周期长、过程繁琐的问题，提出了综采跟机工艺数字孪生系统架构，从物理设备、虚实交互、孪生数据、机理模型、仿真算法和工艺应用等层面进行分析，并对跟机工艺数据传输和存储、跟机工艺历史回放、实时跟机工艺孪生演绎、跟机工艺预演仿真、跟机工艺指令调度等关键技术进行了详细描述。提出了综采跟机工艺数字孪生系统技术路线：通过万兆光纤环网+5G 通信将采煤机工艺动作数据汇集到采煤机主机，将串行支架控制器发出的支架工艺动作数据汇集到电液控主机，对工艺数据按动作时序进行收集、归类、编码，作为工艺过程回放的数据源；同时，主机将实时上报的跟机工艺数据转发给三维数字孪生系统，在三维虚拟场景中孪生演绎跟机过程；在人机交互界面完成跟机工艺参数配置后，可在三维场景中预演综采跟机工艺过程；在实时开采过程中，汇集各类传感数据，结合预演无误的跟机工艺，系统统筹下发工艺调度指令，将支架控制器从决策者转变为执行者，克服因井下空间不足导致控制器算力有限的局限性。现场应用结果表明，综采跟机工艺数字孪生系统可为综采跟机工艺设计、参数配置、仿真测试提供技术参考，使跟机工艺开发周期由 14d 缩短至 1d，跟机工艺设计修改更加便捷，综采工作面跟机自动化率提高到 90%以上。关键词：综采工作面；跟机工艺；数字孪生；虚实交互；孪生演绎；预演仿真；指令调度中图分类号：TD67文献标志码：ADigitaltwinsystemarchitectureandkeytechnologyoffollowingprocessforfullymechanizedminingCUIYao,LITianyue,YEZhuang,LIUJunwei(BeijingTianmaIntelligentControlTechnologyCo.,Ltd.,Beijing101399,China)Abstract:The process design and parameter debugging of automatic following machine forfullymechanizedminingarecostly,time-consumingandcumbersome.Inordertosolvetheaboveproblems,thedigitaltwinsystemarchitectureoffollowingprocessforfullymechanizedminingisproposed.Thestudyanalyzestheaspectsofphysicalequipment,virtualandrealinteraction,twindata,mechanismmodel,simulationalgorithmandprocessapplication.Thekeytechnologiessuchasthetransmissionandstorageofthefollowingprocessdata,theplaybackofthefollowingprocesshistory,thereal-timefollowingprocesstwindeduction,therehearsalsimulationoffollowingprocess,andtheinstructionschedulingoffollowingprocessaredescribedindetail.Thepaperputsforwardthetechnicalroadmapofthedigitaltwinsystemoffollowingprocessforfullymechanizedmachining.Through10Gigabitopticalfiberringnetwork+5Gcommunication,theshearerprocessactiondataiscollectedtothe shearer host.The support process action data sent by the serial support controller is collected to theelectrohydrauliccontrolhost.Theprocessdataiscollected,classifiedandcodedaccordingtotheactionsequenceasthedatasourcefortheplaybackoftheprocess.Atthesametime,thehostcomputerforwardsthereal-timereportedfollowingprocessdatatothe3Ddigitaltwinsystem.Thetwinsystemdeducesthefollowingprocessinthe3Dvirtualscene.Afterthefollowingprocessparametersareconfiguredonthehuman-computerinterface,thefollowingprocessforfullymechanizedminingcanbepreviewedinthe3Dscene.Duringthereal-timemining收稿日期：2022-12-06；修回日期：2023-02-03；责任编辑：胡娴。基金项目：天地科技股份有限公司科研项目（2021-TD-QN005）；国能神东煤炭集团科研项目（GJNY-20-212）。作者简介：崔耀（1983），男，山东泰安人，高级工程师，硕士，研究方向为煤矿智能化开采技术，E-mail：。引用格式：崔耀，李天越，叶壮，等.综采跟机工艺数字孪生系统架构与关键技术J.工矿自动化，2023，49（2）：56-62,76.CUI Yao,LI Tianyue,YE Zhuang,et al.Digital twin system architecture and key technology of following process for fullymechanizedminingJ.JournalofMineAutomation，2023，49（2）：56-62,76.第49卷第2期工矿自动化Vol.49No.22023年2月JournalofMineAutomationFeb.2023文章编号：1671251X（2023）02005608DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.18055process,thesystemwillcollectallkindsofsensordataandissueprocessschedulinginstructionsincombinationwiththerehearsaloferror-freefollowingprocess.Thesupportcontrollerischangedfromadecision-makertoanexecutor to overcome the limitation of the limited computing power of the controller due to the lack ofundergroundspace.Thefieldapplicationresultsshowthatthedigitaltwinsystemcanprovidetechnicalreferencefortheprocessdesign,parameterconfigurationandsimulationtestoffollowingprocessforfullymechanizedmining.Thesystemcanshortenthedevelopmentcycleofthefollowingprocessfrom14daysto1day,makingthemodificationofthefollowingprocessdesignmoreconvenient.Thesystemimprovesthefollowingautomationrateinworkingfacetomorethan90%.Key words:fullymechanizedminingface;followingprocess;digitaltwin;virtualandrealinteraction;twindeduction;rehearsalsimulation;instructionscheduling 0引言煤炭是我国能源行业压舱石，2021 年我国煤炭消费占能源消费总量的 56.0%1。目前，国内外大多煤矿综采工作面已广泛应用自动化技术，通过使用自动化开采、支护设备，极大降低了工人劳动强度，提高了安全生产系数2。在综采工作面跟机自动化方面，已有广泛研究：刘清等3提出了一种综采工作面采煤机和液压支架协同控制技术；高卫勇等4对综采工作面液压支架跟机自动化工艺进行了研究；王虹等5基于遗传算法和 BP 神经网络对液压支架跟机自动化进行研究，实现了液压支架自身演化；李骏等6提出并验证了跟机自动化中采煤机的自动控制方法；付翔等7以液压支架适应采煤机速度、液压系统压力稳定为多目标导控，设计了液压支架群组跟机推进行为智能决策模型。上述研究均基于目前广泛采用的控制器分布式架构，每台液压支架对应 1 个电液控制器，以接入的各类传感器数据为依据，以采煤机位置支架号为主变量，通过控制器中固定的程序逻辑和配置参数执行跟机过程。这种跟机控制技术在不同煤矿综采工作面应用时，因地质赋存条件不同，在跟机工艺设计阶段就需要因地制宜，根据现场情况调整工艺参数，通过试机开采、观察支架跟机过程，判断跟机工艺及参数是否符合实际要求，经过反复测试验证，达到理想的跟机效果。当跟机工艺需求发生较大变化时，例如由双向跟机改为单向跟机、由正常开采工艺改为调斜工艺时，仅修改工艺参数是无法实现的，需要修改控制器中的固定程序逻辑，开启新一轮的跟机工艺设计、程序开发、试验验证、参数调整周期。因此，基于分布式控制器的跟机工艺及参数调试方法成本高、周期长、过程繁琐，尤其是柔性化、智能化不足，无法根据地质与开采条件及时快速调整跟机工艺。此外，以采煤机位置为牵引的跟机工艺中，采煤机与液压支架各自执行记忆截割、控制器跟机拉架等工艺动作，液压支架与采煤机互动性、耦合性、协同性不足，不能形成良好的反馈与闭环控制。针对以上问题，新兴的数字孪生技术提供了一条解决思路。数字孪生概念最早由密歇根大学M.Grieves 教授于 2002 年提出8，目前广为接受的定义是 NASA 于 2010 年提出的，即“数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程”9。目前，针对应用于矿山的数字孪生技术、体系结构已有相关研究10：文献11-13提出数字孪生智采工作面系统概念、架构及构建方法；文献14-17建立了工作面“三机”（采煤机、刮板输送机及液压支架）的协同数学模型和虚拟现实模型，对基于数字孪生的综采工作面生产系统与运行模式进行了研究；文献18提出了一种基于数字孪生的煤矿井下智能掘进机器人监控技术；文献19-20提出了数字孪生驱动掘进装备远程智能控制技术构架，通过数字孪生技术将掘进工作面人员、设备、环境等相关信息呈现到数字空间，虚实融合，共智互驱，解决了掘进施工中人机环共生安全难题；文献21提出了一种数字孪生与深度学习融合的采煤机健康状态预测方法，实现了采煤机实时状态可视化与关键零部件剩余寿命预测。上述研究提出了数字孪生在煤矿行业应用的总体架构、关键技术，但在综采跟机工艺方面尚未有相关研究。