综采工作面三机数字孪生及协同建模方法_刘清.pdf

综采工作面三机数字孪生及协同建模方法刘清1，张龙2，李天越1，杜鹏飞3（1.北京天玛智控科技股份有限公司，北京101399；2.兖矿能源集团股份有限公司，山东邹城273500；3.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116）摘要：针对现有煤矿设备数字孪生建模方法主要侧重对单一设备进行建模，缺少三机耦合协同关系分析的问题，提出了综采工作面三机数字孪生及协同建模方法。采用智能体建模方法构建包含感知单元、控制单元和执行单元的采煤机、液压支架、刮板输送机智能体模型，依据三维建模流程构建对应的可视化模型，以智能体模型驱动三维模型运动，二者结合构成三机数字孪生模型；采用离散事件建模方法构建涵盖三机数字孪生模型交互过程的协同工艺模型，按照时序梳理三机开采工艺，形成三机协同工艺时序表。数字孪生模型用于描述综采三机的状态与行为，进行个体层面的仿真计算；协同工艺模型用于表征数字孪生模型之间的时序动作转换，实现对三机协同过程整体的推演。采煤机数字孪生模型的摇臂升降仿真实验结果表明，与真实设备测量数据对比，模型误差小，摇臂倾角平均误差为 2.3；液压支架数字孪生模型的连续升柱动作仿真实验结果表明，模型与真实设备的一致性好，与真实设备测量数据对比，角度平均误差为 0.14，行程平均误差为 6.3mm；结合煤矿实际生产日志对构建的三机协同模型进行虚实仿真实验，结果表明，所构建的综采工作面三机数字孪生模型与真实设备实现了相互映射，仿真结果与真实记录接近，三机协同模型可以较为准确地反映协同开采过程。综采工作面三机数字孪生及协同建模方法为综采设备及其协同关系的数字孪生建模提供了新思路。关键词：综采工作面；采煤机；液压支架；刮板输送机；数字孪生；智能体建模；离散事件建模中图分类号：TD67文献标志码：AAthreemachinedigitaltwinandcollaborativemodelingmethodforfullymechanizedworkingfaceLIUQing1,ZHANGLong2,LITianyue1,DUPengfei3(1.CCTEGBeijingTianmaIntelligentControlTechnologyCo.,Ltd.,Beijing101399,China；2.YankuangEnergyGroupCompanyLimited,Zoucheng273500,China；3.SchoolofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)Abstract:The existing coal mine equipment digital twin modeling method mainly focuses on singleequipmentmodeling.Itlacksthreemachinecouplingcollaborativerelationshipanalysis.Inordertosolvetheaboveproblems,thepaperputsforwardthreemachinedigitaltwinandcollaborativemodelingmethodforfullymechanizedworkingface.Byadoptinganintelligentmodelingmethod,themethodconstructsagent-basedmodelsofacoalminingmachine,ahydraulicsupportandascraperconveyorwhichcompriseasensingunit,acontrolunitandanexecutionunit.Themethodconstructscorrespondingvisualmodelsaccordingtoathree-dimensionalmodeling process.The method drives the three-dimensional models to move by the intelligent models.Thecombinationofthetwoformsadigitaltwinmodelofthreemachines.Adiscreteeventmodelingmethodisusedto收稿日期：2022-12-19；修回日期：2023-02-09；责任编辑：张强。基金项目：山东省重点研发计划项目（2020CXGC011501）。作者简介：刘清（1984），男，河北秦皇岛人，副研究员，硕士，现主要从事自动化及无人化开采技术方面的研究工作，E-mail:。引用格式：刘清，张龙，李天越，等.综采工作面三机数字孪生及协同建模方法J.工矿自动化，2023，49（2）：47-55.LIUQing,ZHANGLong,LITianyue,etal.AthreemachinedigitaltwinandcollaborativemodelingmethodforfullymechanizedworkingfaceJ.JournalofMineAutomation，2023，49（2）：47-55.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）02004709DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2022120061constructacollaborativeprocessmodelcoveringtheinteractionprocessofthethreemachinedigitaltwinmodel.The three machine mining process is sorted out according to the time sequence to form a three machinecollaborativeprocesstimesequencetable.Thedigitaltwinmodelisusedtodescribethestateandbehaviorofthethree machines in fully mechanized mining and to simulate the calculation at the individual level.Thecollaborativeprocessmodelisusedtorepresentthesequentialactiontransformationbetweendigitaltwinmodelsandrealizethedeductionofthewholethreemachinecollaborativeprocess.Thesimulationofrockerliftingandloweringforthedigitaltwinmodelofthesheareriscarriedout.Thesimulationresultsshowthatcomparedwiththemeasureddataofrealequipment,themodelerrorissmall,anaverageerrorofrockerarmdipangleis2.3.Thesimulationofcontinuouscolumnliftingactionforthedigitaltwinmodelofhydraulicsupportiscarriedout.The simulation results show good consistency between the model and real equipment.Compared with themeasureddataoftherealequipment,theaverageangleerroris0.14andtheaveragestrokeerroris6.3mm.Combinedwiththeactualproductionlogofthecoalmine,thevirtualandrealsimulationexperimentofthethreemachinecollaborativemodeliscarriedout.Theresultsshowthatthethreemachinedigitaltwinmodelofthefullymechanizedworkingfaceandrealequipmentrealizemutualmapping.Thesimulationresultsareclosetotherealrecords.The three machine collaborative model can accurately reflect the collaborative mining process.Themethodofthreemachinedigitaltwinandcollaborativemodelingforfullymechanizedworkingfaceprovidesanew idea for the digital twin modeling of fully mechanized coal mining equipment and its collaborativerelationship.Key words:fully mechanized working face;shearer;hydraulic support;scraper conveyor;digital twin;agent-basedmodeling;discreteeventmodeling 0引言2020 年 3 月，由国家发展改革委、国家能源局等八部委联合发布的关于加快煤矿智能化发展的指导意见，树立了煤矿智能化发展阶段性目标，加快了煤矿智能化体系建设1。基于数字化矿山基础，应用新一代信息技术、智能制造技术、人工智能技术和数字孪生技术建设智能化矿山，实现煤炭安全、智能、高效、绿色开采和清洁利用，成为现代煤矿发展的必由之路2-4。数字孪生技术是以数字化方法创建物理实体的虚拟模型，并实现物理世界及数字世界之间双向映射、动态交互、实时连接的关键技术，可将物理实体的属性、结构、状态、性能、功能和行为映射到数字世界5，形成高保真的动态多维、多尺度、多物理量模型6，从而为物理实体提供更加实时、高效、智能的运行或操作服务。数字孪生技术在煤炭行业已有相关研究。葛世荣等7采用基于仿真的数字孪生建模方法提出了综采工作面数字孪生系统架构，系统虚拟实体包括机理模型和行为模型，机理模型、行为模型与其控制系统组合的离线运行模式形成综采工作面计算实验系统，为综采工作面智能控制系统真正的自主决策复杂算法开发提供了测试平台。王宏伟等8提出了一种液压支架数字孪生体联合建模方法，利用SolidWorks 软件建立液压支架机械系统和液压系统的三维实体模型，将三维实体模型生成.sldasm 格式文件导入 MapleSim 软件中，使用运动副连接机械部分，液压元件连接液压部分，建立液压支架机械系统孪生模型和液压系统孪生模型，二者联合，与物理体通过数据库进行数据交互及模型优化，并进行了虚实一致性实验。孙继平9、谢嘉成10通过构建数字孪生模型对综采工作面环境和三机状态进行实时监测。葛世荣等11、洪飞12使用Unity3D 等软件建立了智采工作面模型，完成了在虚拟环境下综采工作面的支护监测与动态规划。以上研究方法虽然利用数字孪生技术将物理对象进行了数字化表达，但侧重对单一设备进行建模，缺少三机耦合协同关系分析。针对上述问题，本文基于数字孪生技术，提出了综采工作面三机数字孪生及协同建模方法。对采煤机、液压支架和刮板输送机进行数字孪生建模