智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术.pdf

第 45 卷第 6 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 6 2020 年6 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJun. 2020 移动阅读 王学文,谢嘉成,郝尚清,等. 智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术[J]. 煤炭学报,2020,456 1984-1996. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0342 WANG Xuewen,XIE Jiacheng,HAO Shangqing,et al. Key technologies of real-time virtual monitoring for an intelligent fully mechanized coal-mining face[J]. Journal of China Coal Society,2020,4561984-1996. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0342 智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术 王学文1,2,4,谢嘉成1,2,3,郝尚清2,3,4,李娟莉1,2,杨兆建1,2,任 芳1,2,暴庆保2,3,4 1. 太原理工大学 机械与运载工程学院,山西 太原 030024; 2. 煤矿综采装备山西省重点实验室,山西 太原 030024; 3. 太重煤机有限公司 博 士后科研工作站,山西 太原 030032; 4. 矿山采掘装备及智能制造国家重点实验室,山西 太原 030024 摘 要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。 关键词综采工作面;虚拟监测;智能开采;实时运行数据驱动;虚实融合 中图分类号TD67;TD823． 97 文献标志码A 文章编号0253-9993202006-1984-13 收稿日期2020-03-09 修回日期2020-05-13 责任编辑郭晓炜 基金项目中国博士后科学基金资助项目2019M651081;山西省重点研发计划资助项目201903D121141;山西省应用基础研究计划资助 项目201901D211022 作者简介王学文1979,男,山西长治人,教授,博士生导师,博士。 E-mailwxuew163． com 通讯作者谢嘉成1989,男,山西晋城人,讲师,博士。 E-mailxiejiacheng tyut． edu． cn Key technologies of real-time virtual monitoring for an intelligent fully mechanized coal-mining face WANG Xuewen1,2,4,XIE Jiacheng1,2,3,HAO Shangqing2,3,4,LI Juanli1,2,YANG Zhaojian1,2, REN Fang1,2,BAO Qingbao2,3,4 1. College of Mechanical and Vehicle Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2. Shanxi Key Laboratory of Fully Mechanized Coal Mining Equipment,Taiyuan 030024,China; 3. Post-doctoral Research Workstation,Taizhong Coal Machinery Co. ,Ltd. ,Taiyuan 030032,China; 4. State Key Laboratory of Mining Equipment and Intelligent Manufacturing,Taiyuan 030024,China AbstractTo solve the three basic problems of constructing digital fully mechanized coal mining face,i. e. ,scene con- 第 6 期王学文等智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术 struction,virtual real interaction channel and virtual model driven,a real-time virtual monitoring for the pro- duction system of a fully mechanized coal face was proposed. Some s were studied,mainly including the joint virtual simulation and collaborative planning of coal seam and equipment with high reliability,the acquisition of real- time reliable ination and the channel construction technology of “virtual reality fusion”,the consistency presenta- tion of virtual reality fusion and perception,etc. Firstly,based on the characteristics of Unity3D development and model requirements,the digital model of three machines equipment and the models of roof and floor of coal seam were con- structed respectively. Also,the virtual equipment was arranged in virtual coal seam,then the virtual cooperation be- tween each equipment was realized and the relationship between equipment and coal seam was built. The simulation of equipment co-propulsion in virtual coal seam was completed and the virtual planning of equipment group co-operation was carried out. The construction of fully mechanized mining virtual scene with high fidelity was realized. Secondly, many sensors were arranged on the key positions which can reflect the position and attitude ination of equipment. Through a series of interfaces and channels,the ination interaction between Unity3D and configuration software, database and computing software was constructed. The data transmission processing was optimized by using distributed collaborative driven mode,and the real-time operation date of fully mechanized mining equipment could be finally im- ported into the virtual plat to drive the virtual equipment,and the cooperation and dispatch of stable and reliable sensor ination was realized. Thirdly,the real-time driving frame of complex fully mechanized mining virtual scene was constructed. The key technology of driving virtual single machine based on bottom model was studied. The s of cooperative simulation and real-time data drive of mining and transportation equipment,automatic height adjustment of shearer,collaborative simulation and real-time data drive of scraper conveyor and hydraulic supports,virtual driving of virtual hydraulic support groups and real-time analysis of space-time kinematics of dynamic trans- parent working face were put forward. Then virtual monitoring interface was designed,and the high accuracy fusion of sensing data and virtual simulation operation ination was realized. Finally,the related tests were completed on the fully mechanized coal mining test system and the prototype test plat respectively,which verified the correctness and reliability of the joint operation of the three modules. Experiments showed that the VR monitoring system run clearly and smoothly,the virtual reality mapping state was synchronized,the switch ability was good,the presentation ination was accurate,and the background database pressure was also small,which can meet the expected goal. In the simulation operation,the relevant parameters of each equipment and coal seam operation can be extracted in real time to complete the high reliability virtual planning. Key wordsfully mechanized coal-mining face;virtual monitoring;intelligent mining;real-time running data driven;fu- sion of virtual and reality 智能化开采是推动煤炭产业高质量发展的主要 内容[1]。 互联网[2]、大数据、虚拟现实等先进信息 技术的创新发展以及 5G 等先进通讯技术的逐步工 业应用,开启了煤炭行业智能化新时代[3],目前正处 于透明工作面的研发过程中[4]。 传统的煤矿井下主要以视频监控和二维组态软 件监控为主,其不足主要表现为直观性与可分析能力 差、传输数据量和占用带宽大、环境恶劣导致效果不 佳。 虚拟现实VR,Virtual Reality技术在各工业领 域已经全面应用,为工业过程的仿真模拟和可视化监 测提供了强大支撑工具[5]。 国内外煤机装备都推出 了基于 VR 的虚拟场景解决方案来提高综采监测手 段,实现工作面的透明化[6-7]。 利用 VR 技术接入实 时运行数据进而构建综采工作面生产系统的实时虚 拟镜像,实现综采装备的动态配套关系、作业过程、运 行态势和真实煤层的虚拟模型构建与实时修正等准 确呈现[8-9]。 关于综采虚拟监测方面的研究动态,李昊等[10] 对综采工作面虚拟现实监测系统的总体框架进行设 计,指出该系统须具有采集、传输、显示、预警和反向 控制的功能。 张登攀等[11]研究了虚拟监测中模型的 驱动、数据采集和数据通信的关键问题。 ZHANG[12] 将多智能体MAS,Multi-Agent System技术、云技术 等融入综采虚拟监测系统中。 谢嘉成[13]提出了 VR 环境下综采工作面“三机”虚拟现实技术与系统,并 在实验室条件下进行了验证。 孙君令[14]提出了一种 优先对姿态数据进行处理进而再驱动液压支架运动 状态的监测系统架构。 5891 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 要确定装备运行状态,必须首先建立三维煤层模 型[15],煤层应分为以地质探测信息为数据基础的静 态煤层和在回采过程中获得的相关实时动态截割、支 护、煤层揭露数据为基础驱动的动态实时修正煤 层[16],最终以一种透明化的方式把装备与煤层之间 的相互作用以及形态全部呈现出来[17]。 由以上分析可知,当前的综采生产系统虚拟监测 大多仍停留在理论探索或者实验室试验的阶段,要想 构建高精度实时运行虚拟场景,主要存在以下瓶颈问 题还未解决 1虚拟仿真可信度低。 构建的虚拟场景与真 实综采工作面相比,“形似”和“神似” 均较差。 且 大部分均为水平理想底板条件下的仿真,煤层与装 备分离,两者结合起来运行依然没有较好的解决方 案。 2原始稳定可靠的感知信息的获得与利用存 在问题。 “虚”和“实”交互通道已基本建立,5G 等技 术的逐步应用更为信息交互提供技术支撑。 但在井 下特殊条件下,需解决信息处理各个环节的延迟性、 实时性与准确性问题,以提供给虚拟系统准确可靠的 底层基础数据。 3实时驱动虚拟模型运行的虚实映射方法还 不清楚。 在实际条件下,传感信息的数量不足以全面 呈现所有装备的位姿运行状态。 通过直接驱动虚拟 模型运行的方法并不可行。 利用虚拟仿真的一些信 息正好可以弥补感知信息少的问题,所以还需研究感 知数据与仿真信息的虚实融合策略和虚实装备运行 状态的一致性呈现方法。 因此,针对以上问题,笔者首先将综采虚拟监测 与“工业 4． 0”中最重要的数字化工厂虚拟监测进行 对比,试图找出一些共性和关键技术解决方案,同时 也通过这两者在设备布置、运动关系等多个方面的特 点对比,提出井下智能化综采工作面虚拟监测所面临 的挑战。 接着逐一对各个挑战可能的关键技术与解 决方案进行探讨。 1 智能化综采工作面实时虚拟监测总体架构 数字孪生技术Digital Twin等概念逐渐被融入 数字化工厂的建设中。 近年来,也逐步与综采生产系 统进行融合,依托传感器、大数据和物联网等技术,期 望实现综采机组在复杂多变的煤层环境下的自主运 行采煤[18],且运行过程完全透明可见。 但综采工作 面运行具有以下特点① 装备群在煤层赋存条件、顶 底板起伏不平环境下实时动态运行采煤;② 封闭空 间内,装备连接运动关系复杂,除采煤机外,其他装备 全部准确定位定姿难度和成本较大;③ 精准实时呈 现工作面生产系统运行状态,达到“所看即实际”的 效果,难度大。 可以看出,面对以上挑战,需从高可信度煤层装 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 呈现方法等方面进行研究 1高可信度煤层装备联合虚拟仿真与协同规 划方面要实现虚拟监测,首先需要完成煤层和装备 等必要元素的配置,进而建立高仿真度的与工作面实 际运行状态一致的虚拟场景,最终可实现装备群协同 运行的虚拟规划。 2实时可靠信息获取与“虚实融合”通道构建 技术方面利用 VR 软件平台的接口进行数据的通 讯,需研究在装备机身振动大等恶劣工况条件下对通 道数据的延迟性、实时性、准确性等问题以及在井下 防爆电脑配置受限情况下如何进行稳定监测的解决 方案。 3虚实融合与感知一致性呈现方法方面在 工作面使用的各个传感器易失效进而造成干扰, 比如采煤机定位精度存在问题或者信息传输不 稳定,如果利用传感器信息直接驱动虚拟采煤机, 在传感器失效或者发生异常时势必会造成虚拟监 测画面的不严谨性,例如采煤机直接飞离出去。 为了避免相关问题,首先在虚拟综采装备之间必 须建立稳定可靠的连接关系,再通过实时传感信 息进行解析重构。 2 高可信度煤层装备联合虚拟仿真与协同规 划 2． 1 装备及煤层建模 图 1 为装备与煤层的配置方案。 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,又不会对计算机渲染画面造成过多压力。 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[17]。 6891 第 6 期王学文等智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术 图 1 煤层装备配置方案 Fig． 1 Configuration plan of coal seam and equipment 在虚拟煤层建立方面煤层模型与装备模型 之间相互作用、相互制约,基于 Unity3D 开发特点 与模型所需特性,提出了一种虚拟煤层顶底板构 建方法[17] 1通过 Kriging 法对初始的地质探测数据进行 插值处理,得到建立三维煤层模型所需的基础数据; 2对插值后的数据进行 Delaunay 三角剖分,利 用 C脚本与 Unity3D 中 mesh 组件建立 TIN 网并进 行渲染; 3根据煤层分块建模的思路以及实时地质探 测技术和采煤机截割顶底板轨迹的综合运算,对虚拟 煤层顶底板模型进行更新,完成动态煤层的实时更新 与动态变化; 4利用平面函数切割顶板 TIN 模型,获得可直 接指导装备运行的当前工作面顶底板曲线。 2． 2 生产系统场景建立与管理 基于煤层装备虚拟接触模型[17],将装备与煤层 分别添加物理引擎碰撞组件,使装备能够按照配套关 系、运行约束条件等布置到虚拟煤层中,建立静态工 作面装备与煤层参数化模型图 2。 整体虚拟场景按照层级高低进行管理。 在单机 层面,各装备需按照有限状态机理论建立运行过程, 并定义相关变量接口[13]。 在装备群协同运行层面, 需完成刮板输送机与虚拟底板耦合分析方法、采煤机 和刮板输送机虚拟定位定姿方法、液压支架与刮板输 送机中部槽浮动连接虚拟运行方法和基于煤层顶底 板曲线的液压支架群定位定姿方法等。 在综采生产系统层面,将装备群协同方面的各虚 拟仿真方法进行集成,同时需将采煤机规划截割顶底 板曲线与煤层模型实时动态更新建立关系,将刮板输 送机和液压支架群与煤层底板紧密接触确定精准位 姿关系,将液压支架群与煤层顶板进行耦合确定支护 关键信息,最终完成虚拟煤层环境下的装备协同推进 仿真。 2． 3 装备群协同运行虚拟规划 未来的无人采矿装备群必须具备高级自我调控 的能力,包括复杂动态周围环境感知、协同交互与控 制,能够自组织协同完成采煤任务,当前正在攻坚过 程中。 而在 VR 环境下,可以首先构建采矿装备群的 虚拟数字孪生体,进行相关测试,以实现虚拟装备的 “机器人化”与“无人开采”,进而指导采矿机器人的 设计过程。 具体方法是将各装备分别作为一个 Agent 进行 运转,对装备协同运行相互影响因素进行分析[19]。 图 2 为各 Agent 之间的约束与逻辑运行关系条件。 建立了装备协同底层模型,包括采煤机牵引调高运行 与煤岩环境耦合模型、采煤机牵引速度与刮板输送机 运量耦合模型、液压支架跟机控制与采煤机速度耦合 策略、刮板输送机形态与液压支架推移油缸耦合模型 和液压支架跟机与顶底板条件耦合策略。 研究装备 群、煤层和动态井下环境等多个 Agent 之间的通讯方 式、协调、冲突消解、冗余处理感知等问题。 并以此为 依据在 Unity3D 中建立了“三机”协同规划系统,可对 “三机”关键参数进行在线规划并调控。 7891 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 2 装备群协同运行虚拟规划框架 Fig． 2 Virtual planning framework for collaborative operation of equipment group agent theory 3 实时可靠信息获取与“虚实融合”通道技 术 3． 1 传感器布置与感知信息获取 虚拟监测需要相当多的传感信息来实时驱动虚 拟装备同步运行,以此来提高构造的虚拟工作面的真 实性。 与此同时,传感器的安装配置问题也成为了综 采虚拟监测工业化应用的一大阻碍。 如果为了虚拟 监测而额外地在运行良好的工作面各装备上布置更 多的传感器,势必会使整个生产系统变得更加复杂, 不仅带来成本的急剧增加,更重要的是监测点的增多 导致工作面运行和维护成本过高,系统正常运行的可 靠性也会降低。 如果传感器出现故障造成整个工作 面停机检修,则更是得不偿失。 同时,也需要一线操 作工人和巡检人员有更高的专业素质。 因此,虚拟监测系统必须在现有电液控系统和较 为成熟的配置方案上增加最小数量的传感器,进而达 到 VR 监测的目的。 各装备具体的传感器构成、信息 传输和集成方式如图 3 所示。 图 3 综采装备传感器构成、信息传输和集成示意 Fig． 3 Sensor composition,ination transmission and integration of mining equipment 1采煤机的位置和姿态是关键监测点,需要进 行多源信息融合。 需将惯导系统行走部轴编码器 8891 第 6 期王学文等智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术 进行复合定位[20],实现在起伏等工况条件下的精确 定位。 考虑到采煤机在工作过程中的振动特性,应选 用抗振性好、可靠性高的倾角传感器对采煤机姿态进 行测量。 将各传感信号线接入采煤机机载控制系统 中,基于无线接口,通过机载无线基站,传输回集控中 心监控主机中。 2液压支架除了在电液控制系统布置立柱压 力传感器和推移行程传感器外,还需监测液压支架的 实时运行姿态,需在底座、四连杆机构和顶梁上布置 相关的倾角传感器。 由于支架运动特性较慢,大部分 时间处于静止状态,工作面支架群的数量也较多,因 此综合考虑选择经济性较好的倾角传感器即可。 每 台支架的传感信息进行集成后,集成到支架电液控制 系统中,可实现支架间的互联互通并将信息传输回集 控中心。 3刮板输送机的三维形态需在每节中部槽上 安装倾角传感器。 但是,此种传感器布置较为困难, 易被破碎掉落下来的煤砸坏,可靠性较低。 因此,基 于采煤机与刮板输送机两者之间的连接运行关系,可 通过采煤机机身搭载的相关传感信息获得的位姿数 据进行反演来获得刮板输送机实时三维形态。 3． 2 实时交互通道接口关键技术 实时采集综采装备的在线运行数据,经过一系列 通道进入虚拟监测软件。 其中,Unity3D 作为软件平 台,与组态软件、数据库、计算软件进行实时信息的交 互[13],进而驱动虚拟场景进行实时同步,可直观监测 整个工作面运行状态。 数据库存储数据,后台可作为 大数据进行监测分析,包括采煤机高效虚拟记忆截 割、液压支架群记忆姿态[21]和刮板输送机形态预 测[22]等方法,将数据与运算结果在云端进行传输与 存储。 以捷联惯导装置信号接入虚拟软件为例来进 行分析,其流程如图 4 所示。 图 4 捷联惯导信号的实时传入过程 Fig． 4 Real time process of sins signal 利用 MTi-300→单片机→组态王→Unity3D 实时 通信,实现将惯导装置的横滚角 roll、俯仰角 pitch、偏 航角 yaw 值实时上传到上位机,上位机软件组态王与 Unity3D 实验仿真平台通过 SQLSEVER 数据库实现 实时的数据交互,最终实现在 Unity3D 平台上的真实 虚拟设备与物理设备的实时交互与控制。 数据传输方式包括 RS-232 硬件协议和 Xsens 公司的 Xbus 软件协议。 利用单片机串口技术,对惯 导发送的 Xbus 数据包信息进行接收,提取需要的欧 拉角数据信息;然后利用另一个串口,实现与上位机 组态王实时通信,将数据上传给组态王。 组态王对数 据进行处理,将数据预存到 SQLSEVER 数据库。 最 后,利用 Unity3D 编写 C脚本,将预存在数据库的数 据读取出来,实时的映射到虚拟数字模型。 3． 3 传感信息数据的二次融合和修正 工作面装备数量过多,总会有一部分传感器发生 问题。 因此,在对工作面整体监测的过程中,利用数 据直接驱动虚拟装备运行时,数据跳动或错误数据等 都会导致虚拟装备运行状态出现突变,降低 VR 监测 的可靠性。 因此,虚拟监测系统必须具备实时判断的 能力,只有确定性判断的数据才可以显示到虚拟监测 画面上去。 为了解决数据的不稳定性问题,必须对二次信息 进行处理和融合。 措施如下 1选用传感器时,在成本允许的情况下,使用 内部抗振性能好,可以对噪声进行滤波的传感器,以 减小数据信号的波动; 2加装边缘计算装置,进行多源信息融合,将 二次融合数据进行传递,既减小了中央计算机的压 力,又保证了在数据波动的情况下的监测问题;由于 中心处理压力过大,必须通过边缘计算进行,采用 Zigbee 无线传输方法,布置大量的边缘计算节点,对 采集的数据进行融合处理; 3将数据库里存放的前几个时刻的值进行融 合,防止跳动; 4在虚拟现实软件底层,编写相关程序和代 码,避免传感器的波动。 3． 4 分布式协同的驱动模式 当前,在井下集控中心配备的先进的防爆电脑配 置有限,监测装备以及监测点众多,利用单台的虚拟 监测主机对所有装备进行数据处理会导致卡顿、帧率 下降等问题,严重影响监测效率。 为缓解单台主机的压力,需进行多台监测主机分 布式的网络协同监测分布式地处理获得的各装备实 时运行的状态数据,各监测主机可实时分享和同步运 行,减小网络压力,加快数据处理速度。 在 Unity3D 软件中建立分布式的虚拟现实监测 体系,建立多个子系统,编写子系统之间的同步通信 程序并对同步方式进行研究。 Unity3D 实时读取数 9891 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 据库中的数据,并用数据库中的数据驱动虚拟监测画 面中的模型发生动作;使用多台监测主机,搭建分布 式的虚拟现实监测平台。 经过试验,单台主机与多台 协同对比结果如图 5 所示,使用多台协同方式帧率大 幅度下降,信息传输更加稳定可靠流畅,计算机占用 内存也较小。 图 5 分布式与集中式协同绘制帧率与占用内存对比 Fig． 5 Frame rate and memory consumption of distributed and centralized collaborative rendering 4 虚实融合与感知一致性呈现方法 4． 1 复杂综采虚拟场景实时驱动框架 采用基于传感信息与仿真信息融合驱动的虚拟 监测方法,根据融合结果进而同步预测装备运行状 态,并进行实时虚拟呈现,用来提高监测的可靠性和 准确性,并具备自修正功能。 需要进行不同层级的驱 动方法研究。 1单一要素驱动。 采煤机、刮板输送机、液压支架单机与动态煤层 是基础,实时信息驱动虚拟单机方法必须首先完成。 需注意实际传感信息数量与虚拟装备自由度的关系, 在这一层级,可通过 3． 3 节获得的二次信息再次经过 处理后直接驱动,详见 4． 2 节。 2协同配套驱动方法。 根据装备之间的配套连接关系和配套运行仿真 结果,并将其作为实时数据驱动的指导工程融合到虚 拟场景中。 煤层随着装备截割运行状态的变化时刻 动态变化,煤层变化又逐渐影响装备运行姿态。 其中采煤机作为引领装备,前后滚筒轨迹决定 了后方液压支架群和刮板输送机的运行状态。 煤层 顶板底板的准确确定以及相关由煤层推算的方法决 定了刮板输送机和液压支架的运行状态。 底板又决 定了装备位置姿态的整体信息,需要循序“先底板后 顶板”的设计原则,分清层次进行分析。 因而,需首 先分析与底板紧密接触的刮板输送机和液压支架群 的状态。 3虚拟数据接口选择。 由于一些传感器布置困难且不能在装备上安装 过多,相比虚拟场景装备自由度,传感信息数据减少。 因此根据虚拟接触模型,可大规模地确定装备虚拟运 行数据。 但是虚拟仿真确定的装备运行状态有时与 实时传感信息存在矛盾,如何复合融合驱动解决这一 矛盾也是一大关键问题。 4． 2 基于底层模型驱动虚拟单机关键技术 传感信息数据不能直接驱动虚拟模型来实时地 反映其所对应状态。 原因是虚拟现实场景中装备是 存在父子关系的,父物体运动会影响子物体,而子物 体跟随父物体运动。 以装备倾角为例进行说明各部 件所能驱动的角度信息应该是相对于上一级父物体 之间发生的相对变化的数值。 而传感器的数值是相 对于时间坐标系的真实值,必须经过角度转化才能进 行驱动虚拟物体运行。 因此,要对采煤机滚筒高度进 行监测,必须将摇臂上布置的倾角传感器的数值与机 身的三维姿态角进行运算,才能求解出来摇臂真实的 转角。 液压支架也必须以底座的角度为基础,将四连 杆机构、掩护梁等进行实时的转换,才能获得准确姿 态。 并与装备虚拟仿真数据进行融合处理,提升虚拟 呈现的精度,如图 6 所示。 图 6 驱动液压支架运行关键技术 Fig． 6 Key technologies of driving virtual hydraulic support 4． 3 采运装备协同仿真与实时数据驱动 刮板输送机铺设在煤层底板上,呈现出三维形 态,采煤机以刮板输送机为轨道进行牵引和截割。 首 先应解决采运装备仿真的问题图 7。 主要有 2 种 方法① 利用解析法进行采运装备的位姿实时求解; ② 利用物理碰撞法进行求解[17]。 为了避免不严谨 性,必须遵守的原则是虚拟采煤机和刮板输送机不能 彼此分离,这 2 种方法对比见表 1。 0991 第 6 期王学文等智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术 图 7 采煤机和刮板输送机协同运行关系 Fig． 7 Cooperative operation diagram of shearer and scraper conveyor 表 1 2 种方法的对比 Table 1 Comparison of these two s 方法解析法物理碰撞法 虚拟采煤机的可驱 动性 较难较容易 刮板输送机三维形 态与煤层接触呈现 出的真实形态接近 性 难,较差容易,较为接近 采煤机和刮板输送 机形态拟合程度 较好,依赖于数学 模型的准确性与 模型之间的对准 任何形态,只要设 置好参数,采煤机 自行适应运行 刮板输送机三维形 态参数化控制 较难控制、控制精 度较好 较容易控制,但控 制精度较差 采煤机解析方法 较准确,会出现频 繁对准问题 可以精准确定 计算机运算压力压力较大需用物理引擎 由表 1 可知,2 种方法各有利弊。 解决方案先 按照刮板输送机与底板接触的碰撞特性确定刮板输 送机形态,然后提取各中部槽相关角度数据,此时去 掉物理引擎,采煤机和刮板输送机之间仍然采用物理 引擎驱动方法。 接入实时数据,驱动方法为采煤机位姿信息反 演。 存在采煤机定位精度问题或者不稳定造成实时 反演的刮板输送机在复杂煤层环境下三维形态不准 确。 如果利用传感器信息直接驱动,传感器在失效或 者异常的条件下,会造成采煤机与刮板输送机的分离 进而飞离出去的问题。 尽管进行了二次传感信息融 合,势必会造成虚拟监测画面的不严谨性,为了避免 相关问题,首先虚拟综采装备之间必须建立稳定可靠 的连接关系,再通过实时传感信息进行解析重构。 具体为由于刮板输送机之间的连接特点,采煤 机的虚拟行走路径实际上是一条由各节中部槽销轴 连接而成的三维折线,控制采煤机的两组滑靴沿着此 折线移动即可实现采煤机贴合刮板输送机的虚拟行 走。 在 Untiy3D 内置的物理引擎中,关节组件能够模 拟物体之间以关节形式连接的