基于数字孪生的综采工作面-《数字孪生技术与应用》

6.1.1　基于数字孪生的综采工作面生产系统设计与运行模式的总体模型与运行流程

6.1.1.1　总体模型

如图6-1所示，基于数字孪生的综采工作面生产系统（digital twin fully mechanized coal mining face，DTFM）主要由物理综采工作面（physical fully mechanized coal mining face，PFM）、虚拟综采工作面（virtual fully mechanized coal mining face，VFM）、综采设计与监控服务系统（fully mechanized coal mining face design and monitoring system，FMDMS）和综采孪生数据（fully mechanized coal mining face digital twin data，FMDTD）组成。其具体关系为：基于FMDMS的设计模块和监控模块提供的设计理论方法和监测监控底层运行模型，通过PFM和VFM在要素级、单一系统级和生产系统级的双向真实映射与实时交互，以及FMDTD提供的知识库、历史数据和装备实时运行数据等的实时更新，实现PFM，VFM，FMDMS的全要素、全流程、全数据集成和融合。在FMDTD的驱动下，实现综采工作面生产要素管理、生产过程预仿真与实时控制等在PFM，VFM，FMDMS的迭代运行，从而在满足特定地质条件的约束前提下，达到综采工作面生产系统配置和装备协同安全高效开采的目的。

6.1.1.2　运行流程

运行流程如图6-2所示。

（1）阶段①是对工作面要素管理的迭代优化过程，反映了DTFM中PFM和FMDMS的交互过程，其中FMDMS起主导作用。当DTFM接到一个生产任务（主要是煤层探测数据以及相关条件和参数等输入）时，FMDMS中的设计模块在对应的综采煤层和装备选型数据库中的历史数据及其他关联数据的驱动下，对生产要素进行分析、评估和预测，得到设备选型配套及布置、采煤工艺与流程等初始配置方案，指导PFM进行设计。PFM将各工作面要素实际布置过程中的实时数据发送给FMDMS继续进行模型推理、实例推理和优化，并指导工作面要素进行相应修正。反复迭代后，获得工作面要素的最优配置。

图6-1　总体模型

（2）阶段②是对生产计划的迭代优化过程，反映了DTFM中FMDMS与VFM的交互过程，其中VFM起主导作用。VFM接收阶段①生成的初始的最优工作面要素的配置，生成与PFM完全一致的虚拟工作面，建立设备、煤层等虚拟模型，并将设备布置在虚拟煤层中，赋予其对应的运行行为，在FMDTD中的历史仿真数据、模拟实时数据以及其他关联数据的驱动下，基于各种要素、行为及规则模型等，并模拟实际运行中遇到的各种干扰和问题，对综采生产计划进行仿真、分析和优化。仿真分析结果传送至FMDMS，并对生产计划做出修正及优化，最后返回至VFM。反复迭代后，获得最优的生产计划，生成生产过程运行指令。

（3）阶段③是对生产过程的实时迭代优化过程，反映了DTFM中PFM与VFM的交互过程，其中PFM起主导作用。PFM按照阶段②生成的生产过程运行指令进行实际生产，并将实时数据传输到VFM，VFM将实际运行数据与预定义的生产计划数据进行对比，输入实际扰动因素继续进行虚拟仿真，对生产过程进行评估、优化及预测等，发现运行中可能出现的问题，将生产运行优化指令以程序的形式输入到集中控制系统中，以实时调控指令的形式作用于PFM，对生产过程进行优化控制。如此反复迭代，直至实现生产过程最优。

图6-2　数字孪生综采工作面运作流程

6.1.2　数字孪生综采工作面关键技术

6.1.2.1　第一阶段：综采工作面生产系统设计理论与方法

（1）进行综采装备产品全生命周期的设计综采装备设计需参照通用机械产品的设计过程，大幅度提高产品的数字化设计水平，建立贯穿全生命周期适用于各个生产阶段的数字样机，与虚拟样机进行协同设计。在设计过程中，还需结合产品在井下的实际运行工况，对综采装备的一些特殊需求进行特异性的设计。具体过程为建立系列化综采装备产品，将互联网、数据库与现代设计理论方法相结合，实现综采装备产品的概念设计、参数化建模、虚拟装配、计算机辅助工程（computer aided engineering，CAE）分析、优化设计、可靠性设计、知识管理等过程的数字化、网络化、智能化与集成协同化。建立综采装备产品知识库，包括实例库、零件库、材料库、CAE分析知识库等，运用混合知识表示模型，实现设计实例、规则和设计过程的表示和封装，有效管理综采装备产品的设计知识。突破综采装备设计制造的共性关键技术，包括网络环境下各商业设计软件（MATLAB，ANSYS，UG，ADAMS）的协同调用技术，整机和关键零部件的虚拟样机建模技术，动力学、静力学、刚柔混合动力学分析技术，结构强度、优化设计、结构模态和疲劳寿命分析技术。最终实现综采装备的设计数字化、资源集成化、运行网络化、管理信息化、服务智能化、过程自动化，进而缩短产品研发周期、降低产品研发成本，提高产品质量、提升产品市场竞争力。

（2）进行煤矿企业选型配置设计在综采装备产品设计的基础上，进行综采生产系统的选型配置设计。主要包括：

①建立常见的综采装备型谱，建立一系列生产过程的虚拟模型及其行为库，包括装备特征尺寸数据库、装备性能参数库、装备特征化仿真脚本库、装备特征零部件参数化模型库、装备整机装配模型库，构建完全可以模拟装备真实行为的数字化虚拟装备。

②构建综采生产系统多层次知识模型，建立工作面关键要素的知识库，以更好地服务综采的设计过程。建立的对象主要包括“人—机—环境”等，其中：“人”是指能对设备发生控制指令的操作物体，是一个狭义的概念，需要考虑控制系统的自动化水平以及操作工人的主观能动性；“机”主要指综采装备，包括“三机”（采煤机、刮板输送机、液压支架）、液压系统等相关综采装备及其行为；　“环境”包括煤层、围岩、矿压、顶板破碎和各种灾害（水、火、瓦斯等）。

③依据数据构建虚拟煤层，全部由地质真实数据实时驱动生成，并可提取煤层曲面的特征数据，转化为装备可以运行截割的路径。

④以上述三者为基础，构建智能综采跨领域设计、仿真一体化软件工具，高效、快速地实现工作面要素的最优配置。

6.1.2.2　第二阶段：虚拟综采仿真分析

（1）综采工作面元素布局及虚拟仿真运行一体化软件开发。

①首先将综采装备快速布置到虚拟煤层中。需要根据装备配套、运动约束关系和极限姿态条件，建立装备工作空间的参数化模型，进而研究虚拟环境下装备定位及运行方法，包括采煤机和刮板输送机联合定位定姿虚拟方法、刮板输送机与虚拟底板耦合分析方法、基于顶底板曲线与地理环境的液压支架定位定姿方法、液压支架与刮板输送机中部槽浮动连接虚拟方法等，将以上方法进行集成设计，以达到虚拟环境下装备协同推进仿真的目的。

②综采装备运行规律模型研究。该模型是指在井下各种可能出现的驱动及扰动作用下，对装备行为顺序性、随机性、并发性、联动性等特征进行刻画的行为模型。其中：驱动主要是指预先制订好的生产计划和规划；扰动包括地质信息探测不准确，或者机载传感器探测失效造成的问题，主要包括采煤机自动调高存在误差率导致滚筒截割岩石的问题、刮板输送机超载的问题、液压支架姿态的问题（倾倒、矿压、顶板破碎等）、直线度问题（主要是“三直一平”，煤壁直、液压支架直、刮板输送机直，截割顶、底板平等）。规则包括根据综采工作面的运行及演化规律建立的评估、优化、预测等规则模型。

③仿真的方法主要为半实物仿真和离线仿真。能够提供分布式仿真系统的运行支撑环境；能够实现综采装备在地理环境下协同的三维可视化环境仿真演示；综采工作面生产系统离线仿真包括综采装备截割路径自主规划，煤壁模型实时修正；虚拟行为编译，动态运行配套，动态参数实时可变的动力学、有限元分析，与工程分析软件进行及时的协同与融合，以及材料、疲劳等综采装备虚拟状态监控参数是否全面，是否能实时记录仿真数据等。

（2）仿真可信度评估新方法。仿真方法解决后，需要对仿真系统仿真结果的可信度进行评估，采用新型融合虚拟现实（VR）架构下组合模型可信度智能评估的新方法，支持具有“动态演化、可重用、可扩展”等特征的复杂仿真系统可信度评估。

（3）无人综采装备体系建模与仿真协同智能演进方法在取得足够信任的仿真结果后，即可在仿真系统中将装备作为“机器人”进行运转，建立全方位自主运行仿真无人综采工作面。在此基础上，研究虚拟环境下无人综采装备集群的动态复杂环境感知、协同控制、通信交互等建模仿真方法和自组织协同规划方法，为无人综采装备体系的设计、评估提供理论基础。(www.chuimin.cn)

（4）基于数字孪生的真实煤层运行模拟仿真技术突破、基于真实煤层运行模拟仿真虚实映射快速建模、基于孪生数据仿真的模拟仿真预测与工艺优化、模拟仿真过程的在线补偿与精准控制等关键技术，研制智能综采模拟仿真优化原型系统，实现综采装备与煤层联合虚拟仿真运行过程的实时智能闭环控制，达到安全高效开采的目的。

6.1.2.3　第三阶段：综采生产系统在线虚拟监测与控制

（1）虚拟监测，包括运行监测、协同监测、分布式的网络协同监测和动力学监测。

①运行监测。实时采集综采装备运行在线数据，驱动虚拟场景进行同步，从而直观监测整个工作面运行状态。

②协同监测。在监测软件后台，利用半监督理论模型，建立协同运行数学模型并进行实时测算，进行基于数据驱动和模型融合的虚拟监测，同步预测装备运行状态，从而提高监测的可靠性和准确性，并具备自修正功能。

③分布式的网络协同监测。利用局域网协同技术，分布式地处理获得的各装备实时运行的状态数据，各监测主机实时分享和同步状态，减小网络压力，加快数据处理速度。

④动力学监测。虚拟现实监测软件进行二次开发，找到各工程分析软件接口，与MATLAB，ADAMS，ANSYS，AMESim等工程分析软件进行实时交互，获取动作数据和状态。比如：采煤机实时受力状态通过截割阻力、截割电机温度、电流数据传回监测主机，并通过接口进入ADAMS进行动力学分析，然后进行采煤机摇臂等关键部件的ANSYS受力分析，依次完成采煤机整机ADAMS动力学分析、采煤机摇臂等关键部件的ANSYS受力分析和采煤机调高液压系统的AMESim分析，并将实时运行分析结果返回虚拟监测软件，进行实时呈现。

（2）对底层实时数据进行仿真运算，构建大数据驱动的综采生产系统过程数字孪生仿真平台，实现智能综采工作面在线实时虚拟运行、智能综采离线和在线仿真与优化等功能，形成智能综采虚拟重构解决方案。

（3）虚拟反向控制。将智能综采虚拟仿真实时优化控制结果输入到实际综采装备控制系统中，实现物理系统运行控制的最优化。建立基于数据驱动的数字模型与物理工作面控制系统同步运行验证机制，实现智能综采的虚拟验证与同步运行。

（4）综采机器人自主完成采煤任务，即所谓的“无人开采”。将智能化综采装备升级为综采多智能体系统，在复杂未知地质环境或部分已知但缺少足以提供截割信息精度的地质环境下，集成综采多智能体协同感知、规划与控制各环节，基于全局正常或局部失效或完全失效情况下的多智能体任务建模与分配模型、智能体间信息交互与共享机制，运用动态自组织理论与方法，实现复杂环境下的综采多智能系统自主协同，实现综采多机器人系统协同群集运动控制。

6.1.3　案例

在本实验室条件下，初步实现了数字孪生综采的一个设计原型系统，三个阶段可以分别完成综采装备的数字化设计、综采生产系统的虚拟仿真与优化和综采生产系统的实时虚拟监测与控制等功能。

（1）第一阶段建立了综采装备数字化设计系统，设计原理图如图6-3所示，由概念设计子系统、CAD参数化建模子系统、虚拟装配子系统、CAE分析子系统、设计服务子系统、知识管理子系统、文献与培训子系统、其他辅助功能子系统8个子系统组成，并建立了实例库、材料库、零件库、知识库和模型库，各环节数据可以相互传递，从而完成从综采装备的前期概念选型设计阶段到建立真实条件下的产品数字化样机整个装备全生命周期设计流程（见图6-4）。

图6-3　原型系统第一阶段数字孪生设计对应图

各装备设计完成后，利用建立的综采数字模型和煤矿综采成套实验系统，完成相关配套预算工作，在Unity3d软件中进行装备虚拟配套，并设置相关采煤工艺参数进行仿真。具体过程为：首先根据采煤地理环境条件和装备条件的需要，利用装备选型设计与方法模块从综采装备选型数据库中选出装备具体型号，输入数字化装备模块，进而关联装备特征尺寸数据库和装备性能参数库中的特征参数，并将参数传递进入装备特征化仿真脚本库和装备特征零部件参数化模型库，进而生成装配特征零部件参数化模型，并通过装配模型库生成整机模型，构建可以完全模拟装备真实行为的数字化装备。模型的建立需要进行轻量化设计，去除复杂的内部传动结构，在外形上要与实际装备模型一致，使得在虚拟仿真中对服务器软硬件资源开销最小，关键零部件配合及整机模型可实现数据参数化驱动，并能完整地表达装备配套运行关系；然后在Unity3d软件中构建虚拟煤层模型，全部由地质真实数据实时驱动生成，同时提取煤层曲面的特征数据，转化为装备可以运行截割的路径，从而完成综采工作面要素的配置。

图6-4　综采装备数字化设计系统及相关功能

图6-5　原型系统第二阶段数字孪生设计对应图

（2）第二阶段数字孪生设计原理图如图6-5所示。将第一阶段建立的数字化装备模型导入Unity3d软件中，将数字化装备按照井下实际排布规则布置在虚拟煤层中，利用底层嵌入的多种采煤关键参数模型和实时运行记录下来的数据，按照方案设计输入不同的规划条件进行虚拟仿真，并实时记录采煤机牵引速度、刮板输送机负载和液压支架跟机等关键参数规划数据。利用不同方案虚拟仿真结果的对比，处理模块完成性能参数、工艺参数等优化问题，进而按照优化结果进行运行，从而达到指导生产的目的。

这解决了煤炭生产企业快速选择配套装备以及针对特定井下地质地形条件对预选装备方案的提前测试问题，提前发现装备运行中可能出现的各种问题，在众多方案中选择最优方案，达到综采虚拟仿真的全生命周期的最优设计。

（3）第三阶段综采虚拟监测监控设计原理图如图6-6所示。本实验室拥有煤矿综采成套试验系统，已完成智能化改造；加装集中控制中心；配备液压支架电液控制系统、工作面智能控制系统和视频监控系统。具备模拟井下实际工况条件下的综采装备运动学能力，可以实现远程自动化采煤。在全套设备以及人造顶、底板环境上布置相关传感器，实时采集数据，并通过高速通信网络传回顺槽集中控制中心、远程调度中心和VR实验室。将编译的各装备VR系统进行整合和汇总，编译完成综采装备VR系统；然后提取装备数字化模型各变量，建立数据接口，接入实时传感信息进行实时数据采集。实时数据驱动虚拟综采工作面，分别在三个平台进行VR监测。操作人员可以利用“虚拟画面+视频+数据”在模拟的顺槽集中控制中心操作面板上，按下按钮，对设备运行进行远程人工干预；也可在VR实验室，利用多种虚拟现实人机交互手段与虚拟人机交互界面进行虚拟操作，VR硬件与软件对操作人员位置、姿态和动作进行捕捉，将虚拟操作转化为现实指令并接入集中控制中心进行真实设备的操作，指引相对应操作的设备完成调整工作，进而完成远程人工干预和巡检任务，并对真实的综采工作面实时运行工况进行真实呈现，从而达到监控的目的。在远离生产现场安全的地方直接对运行异常的设备进行远程人工干预，且支持多人进行协同和同时巡检工作。

图6-6　原型系统第三阶段数字孪生设计对应图