“智慧矿山数字孪生与虚拟现实技术”专题

来源：工矿自动化

煤炭行业数字化、智能化发展是实现煤炭工业高质量发展的强大动力。然而，传统的数字矿山等概念不足以体现新一代数字技术应用的趋势。当前，数字孪生技术日趋成为工业界的应用热点，被认为是推动企业数字化转型快速有效的通用技术。在矿山领域引入数字孪生技术，能够推动煤炭行业向真正的智能化方向转变，为探索可持续发展的智慧矿山建设提供新的思路。为促进数字孪生与虚拟现实技术在矿山领域的应用研究，《工矿自动化》编辑部于 2023 年第 2 期组织出版“智慧矿山数字孪生与虚拟现实技术”专题。

行业视野: 智能化
类别; 23个
关键词; 20位
专家; 5篇
论文; 835IP
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基于工业互联网的智能矿山灾害数字孪生研究

作者(Author)：邢震, 韩安, 陈晓晶, 陈海舰, 沈毅

摘要：煤矿灾害综合管控是智能矿山建设进程中需要重点解决的难题，借助数字孪生技术实现煤矿灾害的常态化管控是智能矿山建设的必然要求。从数字孪生内涵及本质出发，分析了数字孪生认识规律，并结合煤矿灾害数字孪生数据交互流程，提出了数字孪生技术在煤矿灾害研究中的应用模式：通过煤矿井下灾害监测传感器等设备进行实时监测，将监测数据通过边缘通信模块、云端通信模块上传至云端；数字孪生数值仿真软件部署在云端，利用传感器上传的监测数据作为初始条件参数、边界条件参数、效果验证参数，经过实时仿真分析，通过不断试错，寻求最佳的优化参数及解决方案；当技术手段在孪生世界应用成熟后，可用于对虚拟实体的最佳参数、解决方案等进行分析、判断、决策，并下发决策指令至井下执行器，控制灾害防治装备动作。从灾害监测方案优化、灾害预演及避灾路线精准规划、灾后救援方案制订及事故调查3个方面探讨了数字孪生赋能灾害预测性管控的实际应用。以工业互联网“云-管-边-端”架构为基础，构建了煤矿灾害数字孪生服务体系，并分析了面向矿山灾害的数字孪生关键技术，包括煤矿灾害智能感知和执行装备、煤矿灾害仿真软件、共性支撑技术，以期为数字孪生赋能智能矿山建设提供参考。

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工矿自动化

2023年第02期

170

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基于虚拟现实与数字孪生技术的综采工作面直线度求解

作者(Author)：闫泽文, 谢嘉成, 李素华, 沈卫东, 王怡荣, 王学文

摘要：直线度问题是综采工作面智能化建设的卡脖子问题之一，解决该问题的关键在于刮板输送机或者液压支架群的位姿获取。目前针对综采工作面直线度的研究大多是对液压支架和刮板输送机的直线度分别进行讨论，存在成本高、实现困难等问题。针对该问题，基于虚拟现实（VR）与数字孪生（DT）技术对综采工作面直线度求解方法进行探索，将液压支架、浮动连接机构、刮板输送机看作一个系统来进行整体考虑，搭建了综采工作面直线度求解框架，主要分为机理解析、模型构建、融合推演、重构监测、预测控制5个步骤。指出综采支运装备相对位置关系分析的关键在于连接液压支架底座与刮板输送机的浮动连接机构，根据浮动连接机构的运动特性将其简化为机器人模型，进行正逆向运动解析；依据真实的煤层环境，在Unity3D中建立基于关节的综采支运装备运动仿真模型，构建VR场景，实现虚实映射；通过非接触式视觉传感器、虚拟传感器、虚实融合等技术，融合传感器及点云信息进行支运装备位姿推演；利用虚实交互技术，联合真实物理场景构建DT系统，实现综采工作面虚拟监测；在虚拟场景中对保证直线度所需的推移行程进行预测，并将其反馈至物理场景中进行直线度控制。

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工矿自动化

2023年第02期

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数字孪生在煤矿电网中的应用研究

作者(Author)：赵建文, 孟旭辉

摘要：立足于数字孪生的基本概念和内涵，分析了数字孪生技术在煤矿电网中的应用优势：以同步实体运行状态、数字化模拟运行2种手段来辅助煤矿电网的运行管理，具有数据驱动、实时更新、同步反馈的特点。提出了由煤矿电网物理实体层、煤矿电网数字孪生模型层、用户管理服务层、数据交流层组成的煤矿电网数字孪生体系基本架构，从物理实体、数字孪生模型2个方面探索了煤矿电网数字孪生体系运行模式。介绍了建立煤矿电网数字孪生体系的关键技术：煤矿电网数字孪生模型构建、智能数据采集、基于5G的智能通信、数字孪生智能数据库、数字孪生设备智能管理平台。给出了数字孪生技术在煤矿电网中的具体应用场景，包括煤矿井下电气设备状态评估、煤矿电网故障定位和保护、煤矿电网智能监控、煤矿井下线路智能巡检。将数字孪生技术应用在煤矿电网中，对煤矿电网的状态和运行进行动态仿真建模，一方面可以满足当今规模庞大的煤矿电网相对地面电网更高的运行要求，保障煤矿生产安全性，另一方面可推进煤矿电网的智能化进程，实现数据资源高效合理利用。

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工矿自动化

2023年第02期

158

124
综采工作面三机数字孪生及协同建模方法

作者(Author)：刘清, 张龙, 李天越, 杜鹏飞

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6.3 mm；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。

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工矿自动化

2023年第02期

162

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综采跟机工艺数字孪生系统架构与关键技术

作者(Author)：崔耀, 李天越, 叶壮, 刘军伟

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14 d缩短至1 d，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。

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