智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术

智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术

张 飞

陕煤集团神南产业发展有限公司 陕西神木 719300

摘要：现如今，我国是智能化发展的新时期，针对数字化综采工作面的场景构建、虚实交互通道和虚拟模型驱动三大基础问题，提出一种面向智能化综采工作面的实时虚拟监测方法，对高可信度煤层装备联合虚拟仿真与协同规划、实时可靠信息获取与“虚实融合”通道构建技术和虚实融合与感知一致性呈现等方法进行研究，具体包括：（1）基于Unity3D开发特点和模型所需特性，分别完成了三机装备数字模型和煤层顶底板模型的构建，将虚拟装备布置在虚拟煤层中，实现各装备之间的虚拟协同以及装备与煤层之间的关系构建，完成了虚拟煤层环境下的装备协同推进仿真并对装备群协同运行进行虚拟规划，实现了高仿真度综采虚拟场景的构建；（2）在装备反映位姿信息的关键位置上布置传感器，通过一系列接口和通道，构建Unity3D与组态软件、数据库和计算软件之间的信息交互。采用分布式协同的驱动模式，优化了数据的传输处理，最终将综采装备的实时运行数据导入虚拟平台，驱动虚拟设备运行，实现了稳定可靠的传感信息协同与调度；（3）构架了复杂综采虚拟场景实时驱动框架，研究了基于底层模型驱动虚拟单机关键技术，提出了采运装备协同仿真与实时数据驱动的方法、采煤机自动调高方法、刮板输送机和支架协同仿真与实时数据驱动方法、虚拟液压支架群的虚拟驱动方法以及动态透明工作面时空运动学实时分析方法，接着进行了虚拟监测界面设计，实现了传感数据与虚拟仿真运行信息高精度融合。最后在实验室综采成套试验系统和样机试验平台上分别完成了相关试验，验证了三大模块联合运行的正确性和可靠性。试验表明，VR监测系统运行清晰流畅，虚实映射状态同步，可切换性好，呈现信息准确，后台数据库压力也较小，可以完成预期目标。在仿真运行中可实时提取出各装备与煤层运行的相关参数，完成高可靠性虚拟规划。为智能化综采工作面装备与煤层状态的全面实时精准虚拟呈现提供理论基础和技术支撑。

关键词：综采工作面；虚拟监测；智能开采

引言

传统的煤矿井下监测系统采用传感器来采集井下设备的工作状态参数，然后通过布设大量线缆传输，以数据或线条图表的形式显示给井上的工作人员，工作人员需要自行做出分析来判断设备的运行状况。或者是利用视频监视的方法，把井下工作面的工作状况实时传输到地面显示设备，但这种方法所需要传输的数据量大、而且视频监测的角度固定和有限，在复杂恶劣的井下工作环境中，显示效果并不理想。本文将虚拟现实技术应用到综采工作面三机运动状态监测系统中，在传统综采工作面监测系统基础上，增加对井下开采设备的实时动态仿真。该系统所呈现的三机运动状态实时可靠、形象逼真，工作人员能以多角度观察到三机的运动状态，这将大大提高设备工作的安全性，为煤矿安全生产和综采工作面的无人化和少人化奠定有力的基础。

1综采工作面生产系统基本特征

采煤机是完成破煤、装煤工序的一种机械。当前普遍使用的是可调高的双滚筒采煤机，骑在可弯曲刮板与输送机上沿工作面空梭割煤。可弯曲刮板输送机是完成工作面运煤的机械，同时作为采煤机械的导轨，以及液压支架及推移输送机的支点。液压支架是用于支护和管理顶板的机械设备。支架的升降和前移全采用液压控制或电液自动控制，输送机的推移和支架的前移是由支架底部的推移千斤顶来完成，端头支架是用于加强工作面端部顶板支护的液压支架。排头用于可弯曲刮板输送机机头、机尾放置电动机、减速箱和液力偶合器处支护顶板的液压支架，比工作面基本液压支架滞后一个步距。转载机是20-60米长的刮板输送机，一端与工作面输送机生头相搭接，另一端骑在可伸缩带式输送机的机尾上，其作用是将刮板输送机运出的煤炭转移到带式输送机上，随工作面的推进进行整体移动，转载机经常配置破碎机。可伸缩带式输送机是工作面运输巷中的运煤设备，通过其运输装置，可调节输送机的长度。

2智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术

2.1装备及煤层建模

在装备虚拟模型建立方面：需寻找到在模型精细度和精准表达之间的平衡点。这个平衡点既需要尺寸配套运行状态正常，又对计算机渲染画面不会造成过多压力。因此忽略内部传动结构，外形特征、配套连接尺寸和结构必须和实际一致。对模型进行修补，将螺栓等不规则的多面体结构修补为平面结构。对装备各结构进行结构解析，确定装备的尺寸。在关键运动点修补销轴，用来在虚拟现实软件中标记运动关键点。导入虚拟现实软件中，建立装备的父子关系。在编写的运动脚本中，改变结构尺寸数值，使装备可以参数化驱动。完成单机模型建立后，在水平理想底板上完成三机配套关系的建立，之后完成装备数字模型的构建。

2.2三机的运动仿真

模型在Unity3D中采用的是完全参数驱动的方式来实现运动仿真，场景中的各模型相对独立，组成模型的零部件也是相对独立的，确定了驱动单元后，还需要建立其他零部件与驱动单元之间的运动学方程并求解，将计算值通过脚本赋予对应的零部件达到整体正确、协调运动的效果。采煤机和刮板输送机的运动仿真相对简单，刮板输送机主要实现刮板链沿溜槽的移动以及在液压支架推溜作用下的弯曲，采煤机主要有左右滚筒的旋转、左右摇臂的升降和在刮板输送机上的滑行，在Unity3D中设置好零部件的父子关系后，用JavaScript脚本语言编程即可分别实现其运动仿真。

2.3采煤机与刮板输送机协同

综采工作面中，采煤机沿着刮板输送机运行，同时刮板输送机会根据采煤机的位置进行推溜，故虚拟采煤机在运行过程中需要时刻识别刮板输送机的排布状态，并驱动自身进行运动方向的调整，保证始终沿着刮板输送机运行，而各节中部槽要时刻判断自身与采煤机的距离，确定是否进行推溜。

2.4采煤机实时截割煤层

采煤机工作过程中，截割滚筒以煤岩界面为跟踪目标，往复运行共同完成割煤工作。在得到当前工作面的煤岩界面曲线后，就需要以该曲线为目标对采煤机滚筒的截割轨迹进行路径跟踪。实时解算出融合采煤机牵引速度、调高参数、机身倾角等信息的滚筒运动方向，当采煤机滚筒运行至关键截割点时，首先判断所需的调整动作（上调、下调与不调），确定具体动作后，接着通过调整采煤机牵引速度来改变滚筒运动方向，使之朝向目标位置（下一关键截割点）运动，从而实现自动调高。

结语

本文所研究的基于虚拟现实技术的综采工作面三机运动状态监测系统，实现了对工作面三机的远程可视化监测。该系统能够清晰、多角度地显示三机的真实运动状态，对工作人员观测井下设备的工作状态起到了很大的帮助，这将为保证煤矿井下的安全生产奠定坚实基础。虚拟现实技术作为新兴技术应用到煤矿生产中，必将对我国数字矿山的建设起到更大的作用。

参考文献

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