基于数字孪生的综采工作面工业虚拟服务系统

李娟莉，沈宏达，谢嘉成,3，李梦辉，姜 朔

(1.太原理工大学 机械与运载工程学院，山西 太原 030024；2.太原理工大学 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)

0 引言

作为主导能源，煤炭在未来相当长的时间内依然占据我国能源消费的主体地位[1]。经过40多年的发展，全国范围内已经基本实现了煤矿机械化和综合机械化[2-3]，在新一代信息技术推动下，煤矿综采技术正朝智能化开采方向发展[4-6]。随着可视化远程干预智能化采煤技术的推广应用[7-8]，经过近10年的发展，全国已有超过200个采煤工作面实现了“有人巡视、远程干预”的可视化远程干预型智能化采煤模式[9]，但在综采生产中还存在如下问题：

(1)缺少系统、有效、全面的虚拟综采场景构建方法。现有的虚拟装备模型和综采场景在仿真度和可靠性方面有待提高，虚拟装备模型的种类不够全面、模型精度和渲染实时性差、虚拟综采场景开发周期较长。

(2)对综采工作面截割路径的研究主要基于传统记忆截割等技术[10-11]，而对采煤机引领整个装备群的整体路径规划方法的研究较少。

(3)在综采装备姿态监测方面，目前主流工作面视频监控方法易受环境影响，综采装备的某些关键位置无法布置视频监测，导致装备监测不全面[12]。同时，对工作面进行多装备监测时，数据量过大增加了主机硬件和数据传输网络的压力，易造成监测画面卡顿。这些问题制约着综采智能化技术的进一步发展，数字孪生技术的出现，为解决上述问题提供了新的思路。

近年来，数字孪生技术[13-15]受到广泛关注，其以物理实体为基础，在虚拟环境中构建高保真、高精度、高可靠度的数字模型，借助虚实交互技术驱动物理实体与虚拟模型的双向动态演化，实现产品生产过程的全生命周期迭代优化，被广泛应用于探索智能制造[16-17]新模式中。刘志峰等[18]基于数字孪生技术构建并设计了零件智能制造车间的调度云平台框架模型及其调度流程模式，搭建了零件产品的全生命周期监控系统；丁凯等[19]结合数字孪生技术的实现逻辑，研究了智能制造空间的虚实映射建模方法以及复杂多维时空域下的智能制造过程和数据建模方法，为实现智能制造空间多要素、多业务、多流程的实时同步仿真与虚实联动控制提供了支撑。随着数字孪生相关技术研究的深入，一些学者将其引入综采工作面生产系统中，并提出相应的技术架构。谢嘉成等[20]提出一种基于数字孪生的综采工作面生产系统设计与运行模式，实现了获取工作面生产要素的最优管理配置，以及生产过程的预仿真和实时监控等功能，达到综采装备协同安全高效开采的目的；葛世荣等[21]针对数字孪生智采工作面技术架构进行研究，为实现中级智采工作面的无人化运行提供了新的监控系统架构。数字孪生技术通过数据和模型交互融合，驱动物理实体和虚拟模型迭代优化，使解决相关领域的设计制造问题，实现服务的创新优化成为可能。

本文基于数字孪生、虚拟现实等关键技术，重点对虚拟综采工作面构建、虚拟采煤工艺仿真、虚实交互装备姿态监测、分布式动态协同监测等技术进行研究，结合综采工作面的特点和运行规律，探讨数字孪生技术应用于智能综采中的优势，以期对相关技术领域的研究和实践提供思路与启发。

1 系统框架

本文借鉴数字孪生五维模型[22]的概念和结构，设计了基于数字孪生的综采工作面生产系统框架，该框架包括物理综采工作面、虚拟综采工作面、综采虚拟软件服务系统和综采孪生数据系统4个主体部分，如图1所示。

(1)物理综采工作面 数字孪生综采工作面生产系统的物理实体由采煤机、刮板输送机、液压支架和煤层构成，此外还应包括各装备的型号参数、实时运行数据和煤层数据。装备实时运行数据主要由布置在综采装备上的各种传感器获取，煤层数据包括初始地质探测数据和开采暴露数据。物理综采工作面将真实环境下的装备和地质数据经过综采孪生数据系统分析处理后发送给虚拟综采工作面系统。

(2)虚拟综采工作面 作为物理综采工作面的数字化镜像，虚拟综采工作面以物理综采工作面为参考，借助CAD，UG，Unity 3D等软件工具和虚拟场景构建技术，建立忠实反映物理综采工作面的虚拟三维综采装备模型和煤层模型。虚拟综采装备除反映真实装备的几何外形、运行规则等特征外，还具有同步真实装备运行状态的功能；虚拟煤层根据初始地质探测数据构建，其融合装备实时运行数据和地质开采暴露数据后可实时进行动态更新。

(3)综采虚拟软件服务系统 针对综采生产系统运行过程中的工艺规划、装备监测等问题，结合数字孪生概念设计了综采虚拟软件服务系统。该服务系统包括虚拟工作面离线仿真系统、综采装备在线监测系统和分布式协同监测系统3个子系统。虚拟工作面离线仿真系统可针对综采工作面的设计要求对综采工艺方案进行预演和评价；综采装备在线监测系统可在虚拟环境中实时监测物理综采装备的姿态；分布式协同监测系统可动态分配上位机的监测任务，实时、流畅地监测综采工作面的运行状态。

(4)综采孪生数据系统 物理综采工作面、虚拟综采工作面、综采虚拟软件服务系统三者通过综采孪生数据系统进行数据交互。综采孪生数据系统对物理综采工作面的装备参数、煤层数据和工作面实时运行状态等数据，虚拟综采工作面的实时仿真运行状态、三机虚拟协同运行规则等数据，以及综采虚拟软件服务系统的仿真数据和监测数据等进行收集及融合分析，进而驱动各综采孪生子系统迭代运行，优化综采生产系统的运行过程。

2 虚拟综采工作面元素的构建

随着虚拟现实技术与煤炭开采领域的深度融合，传统虚拟综采工作面中模型数字化程度低、未结合真实地质地形、截割自动化程度低的问题越来越明显。本文根据井下煤层的地质特点和综采装备运行规律，提出基于Unity 3D的虚拟综采工作面各元素构建方法，包括建立多种类虚拟煤层(厚度、倾角、稳定性等)和综采装备(采煤机、刮板输送机、液压支架等)。

2.1 虚拟煤层模型的构建

由于煤层模型对模型界面的精度要求较高，对比几种建模方法后，本文选择不规则三角网(Triangulated Irregular Network, TIN)模型对其进行构建，该模型根据区域内的有限点集将区域划分为相连的三角面网络，在数据冗余和计算效率方面具有较高的均衡性，可有效表达煤层表面高低起伏的状态。煤层模型数据可根据来源分为初始地质探测数据和开采暴露数据。在确定煤层模型类型和模型数据来源后，基于Unity 3D开发引擎，本文提出一种可实时修正的三维煤层精细建模方法。

煤层模型建模路线如图2所示，主要步骤如下：①通过Kriging法对初始地质探测数据进行插值处理，得到更加丰富的煤层模型数据；②对插值后的数据进行Delaunay三角剖分，在Unity 3D中利用C#脚本建立TIN网并进行渲染；③在得到开采暴露数据后，根据煤层分块建模的思路更新修正模型，不断提升模型精度；④采用平面函数切割模型方法提取当前工作面的煤层顶底板曲线。

2.2 综采装备建模

综采工作面装备的类型和数量较多，而且由于型号不同，装备外形尺寸和运动动作也各不相同。对综采工作面进行虚拟仿真研究除了建立精确的煤层模型外，还要构建准确反映真实物理装备几何外形和动作规律的虚拟装备模型。通过分析各综采装备的运行规律，确定构建装备虚拟模型的步骤如下：

(1)根据实际装备型号在UG中进行建模，将完成的UG模型以stl格式导出，借助3ds MAX将模型由stl格式转换为fbx格式。

(2)将fbx模型导入Unity中，根据运动规律建立父子关系并编写单机动作控制脚本。

(3)采用Unity物理引擎对综采装备进行模型修补，在装备模型的关键结构处添加碰撞体和刚体组件，为煤层装备的联合仿真运行做准备。

对综采装备建立虚拟模型，关键是对不同类型综采装备的运行规律进行解析并编写动作控制脚本。其中，采煤机、刮板输送机、液压支架完成工作面采、装、运煤生产任务和顶板支护等工作，是工作面的重要设备。采煤机的主要仿真动作和功能为：左右滚筒旋转、左右摇臂升降调节、采煤机沿工作面方向在刮板输送机上行走等动作，以及左右滚筒截割轨迹可视化功能；刮板输送机的主要仿真功能为：适应虚拟煤层底板模型起伏不平的状态进行排布，以及在液压支架推移作用下形成S状的弯曲段；液压支架的主要仿真动作为：升柱、降柱、移架、推溜、收缩护帮板、伸出护帮板。

在井下实际生产过程中，采煤机以刮板输送机为轨道，沿着综采工作面煤壁往复运行完成割煤工作，刮板输送机装入落煤并将其运出。因此，刮板输送机同时起着运煤和作为采煤机运行轨道的作用，并在完成一刀割煤后，在液压支架推移机构的作用下随工作面的推进向前移动。以刮板输送机为例，综采装备虚拟模型的构建过程如图3所示。

采煤机、液压支架等其他综采装备的建模过程与刮板输送机类似，但是需要注意采煤机摇臂部分的动作解析和液压支架四连杆联动解析。在采煤机滑靴和液压支架底座的相应位置添加刚体和碰撞体组件后，完成综采三机建模，虚拟三机模型如图4所示。

2.3 搭建虚拟综采工作面场景

构建综采各类型煤层和装备模型后，按照实际工作面情况选择对应类型和型号的虚拟综采模型元素，将各元素导入至Unity环境，参照真实综采工作面煤层装备布置规律和配套规则搭建虚拟综采工作面场景，效果如图5所示。

3 离线仿真与路径规划

数字孪生技术能够构建和真实场景完全一样的虚拟场景，其应用领域越来越多。在智能矿山建设中，利用数字孪生技术进行煤矿虚拟工艺规划、虚拟生产过程监测和虚拟场景仿真非常重要。在虚拟环境中构建综采工作面，对采煤机的多种截割方案进行预演，可以有效提高设计效率，确定最优方案，并为综采工作面的开采提供建设性意见。所开发的虚拟离线仿真系统、采煤机路径规划和离线仿真路线如图6所示。

3.1 虚拟综采工作面离线仿真系统的开发

(1)目标截割路径的提取方法 该方法借助物探、钻探等技术初步探测煤岩分界线，通过插值处理得到丰富的煤层数据点，获得初始三维煤层模型并在虚拟环境中搭建煤层模型的虚拟映射体；构建虚拟煤层模型后，根据模型实时提取其特征数据，并将特征数据存入xml文件；在虚拟环境中应用LineRender组件对特征数据进行连续化处理，形成目标截割路径。通过对三维煤层模型进行数据化处理得到采煤机目标截割路径，该目标截割路径为采煤机运行时调节滚筒截割高度提供依据。

(2)采煤机截割路径规划方法 该方法是仿真系统中的重要环节，其在构建虚拟综采工作面的基础上，以最大割煤率和最小割岩率为目标设计采煤机滚筒自动调高策略，从而较好地跟踪煤层顶底板轨迹；构建采煤机进刀方式模型、推溜工艺模型等跟机自动化模型，使采煤机在虚拟煤层模型上连续推进截割路径。采煤机截割路径规划方法包括采煤机摇臂自动调高解析、采煤机拥有重力属性时在刮板输送机上行走、水平底板上采煤机自动调高、复杂地形下采煤机自动调高等方法。

(3)动态三维煤层模型的构建方法 根据初始地质探测数据构建的初始虚拟煤层模型只能完成采煤机最初几刀的截割运动仿真，随着综采生产活动的持续，沿工作面推进方向需要不断生成新的煤层模型，才能形成综采工艺及截割方案的完整仿真。针对该问题，本文基于采煤机截割路径，利用Unity 3D中的Mesh技术，提出一种动态三维煤层模型的构建方法。该方法通过实时记录采煤机滚筒截割轨迹并对数据进行处理，借助Unity 3D中的Mesh组件将处理后的数据实时转化为三维曲面，在完成一刀截割运动后沿工作面推进方向生成下一刀虚拟煤层顶底板模型，从而对初始三维煤层模型进行更新。

(4)虚拟综采工作面仿真系统的建立 构建初始三维煤层模型，并在虚拟环境中设计综采装备的初始排布空间，按照综采装备的原始尺寸和配合关系，在虚拟环境中建立和真实模型完全一样的虚拟综采装备，然后在虚拟煤层等综采装备上添加Mesh碰撞体、Box Collider碰撞体和物理碰撞体，将综采装备布置在规划好的排布空间中，研究综采装备之间及其与煤层之间的模型运动耦合规律，包括刮板输送机和液压支架在煤层底板上的排布规律、采煤机和刮板输送机之间的定位定姿方法、液压支架和刮板输送机之间的浮动连接方法、液压支架工作时的姿态确定方法、采煤机的自动调高方法、综采装备协同推进方法等，并将上述方法融入仿真系统运算方法，以模拟仿真煤层环境下的综采装备协同推进为目的，搭建虚拟综采工作面离线仿真系统。

3.2 综采工作面的离线仿真与仿真结果分析

按照真实地质数据和综采装备的真实尺寸搭建与真实情况完全一样的虚拟综采工作面场景，提取目标截割曲线，设定采煤机的截割方案，控制综采装备按照真实采煤工艺进行离线仿真；然后分析综采装备可能出现事故的位置，记录采煤机的截割路径，并实时生成基于采煤机截割路径的动态三维煤层模型；待完成整个回采工作面的采煤工作后，在逆向软件中分别重构出初始三维地质模型和动态三维地质模型，对两者进行bool运算，解算出留煤量和割岩量，再对截割方案进行多次仿真，从而确定最优截割方案。

4 虚实映射与实时监测

4.1 综采装备在线监测系统

实时和准确获取综采工作面各装备的运行姿态是实现工作面安全高效生产、推进综采技术智能化的基础和关键。本文针对当前煤矿井下主流视频监测方法存在的画面清晰度不高、监测设备布置困难等问题，基于所构建的虚拟综采装备模型和相关传感器开发了综采装备在线监测系统。综采装备运行姿态的在线监测过程如下：

(1)根据监测数据的需要在综采装备的关键部位安装传感器，以获取装备运行的实时姿态数据。

(2)在每台综采装备上安装采集模块，负责采集单台装备的信息，多台装备之间通过基于485总线的采集模块级联进行信息汇总。

藏羊血食用蛋白粉：蛋白质资源紧缺是一个世界性的问题，我国由于人口众多，资源有限，短缺尤为严重。随着人口的增长和人民生活水平的不断提高，蛋白质的需要量越来越大。如何提高现有蛋白质资源的利用率，积极寻找新的蛋白源，是缓解我国蛋白质资源短缺的有效途径。藏羊血中含有丰富的蛋白，青海省可以利用这一优势，以藏羊血为原料，利用先进的生产技术，生产实用性的蛋白粉。蛋白粉可以再被广泛用于食品、医药、保健品等行业进行生产加工，通过其产品进行更健康方式的蛋白质摄取。

(3)通过局域网将装备的监测数据传输至工控机，并在工控机中进行数据整合、存储和二维显示。

(4)为方便姿态监测数据的存储、分析和管理等操作，将工控机中的数据实时写入数据库，实现历史数据的存储；另外，通过对数据库进行相关操作，可实现获取装备最新姿态监测数据、分析装备历史姿态监测数据等功能。

(5)在Unity 3D中利用ADO.NET技术通过预留的数据接口不断读取数据库中特定表格的数据，并对这些数据进行数值转换以提高精度，再将处理后的装备运行姿态数据赋值给虚拟模型相应的变量，驱动虚拟综采装备实时动作。图7所示为以液压支架为例的综采装备虚拟监测路线。

4.2 分布式协同监测系统

4.2.1 分布式局域网协同模型

通过单台主机监测所有运行装备的实时姿态时，因为主机硬件和数据传输网络压力过大会造成卡顿，所以本文在综采装备在线监测系统的基础上，提出一种客户机/服务器(Client/Server, C/S)模式下基于可识别数据交互器的分布式局域网协同模型，构建过程如下：

(1)搭建网络环境 利用实验室已有的局域网环境，结合Unity 3D中的程序命令，搭建基于C/S模式的授权服务器局域网。

(2)数据同步 将一个空物体作为网络同步的载体，借助远程过程调用(Remote Procedure Calls，RPC)函数和序列化反序列化过程，将综采装备关键姿态参数在局域网中的多台主机之间传递。

(3)判断数据交互器的归属 在分布式系统中，每当有新的主机加入，都会生成新的数据交互器，并将该交互器投影到所有服务器和客户端中。在一台主机中，多个节点基于网络标识来判断归属，从而将属于主机自身的节点和镜像节点区分开来。在此基础上，进一步按节点功能进行分工，属于主机自身的节点可以读取数据库中的数据，其他多个镜像节点只负责接收从其余主机通过局域网发送来的数据。

4.2.2 监测任务动态分配模型

在实际监测过程中，由于工况的复杂程度、监测需求和主机负载状况等因素影响，多台主机执行监测任务时容易出现资源浪费、系统负载不均衡等现象，本文基于一致性哈希算法提出一种任务动态分配模型，可对每台主机监测任务进行实时动态调整。

主机的负载状况由多个影响因素共同决定，包括主机的CPU占用率Lcpu(i)、内存占用率Lmem(i)、监测画面的帧率Lfps(i)和该主机的任务量Ltask(i)等。在进行动态分配之前，需要建立多因素评价方法。一是建立基于式(1)的单台主机状况评价方法，二是在获取单台主机运行状况的前提下，建立基于标准差的系统负载均衡评价方法，如式(2)所示。

P(i)={α1,α2,α3,α4}

(1)

(2)

利用一致性哈希算法动态分配任务，首先进行二级映射，将综采工作装备的唯一标示映射到哈希环上，考虑到可能会出现哈希偏斜问题，此处引入虚拟节点，将一个物理节点拆分为多个虚拟节点，然后在哈希环上进行任务分配。

当主机在运行过程中出现负载失衡时，负载状况评价参数会发生相应的变化，此时系统会自动调整每台主机的虚拟节点个数，通过有意改变节点的比例来动态调整监测任务、均衡系统负载。

5 功能与测试

5.1 虚拟综采工作面元素测试

在虚拟场景中对所建立的综采工作面各虚拟模型元素进行准确性和可靠度测试：

(1)针对不同类型的虚拟煤层模型，在虚拟场景中观测其轮廓走势、倾角、厚度等特征，经测试验证，虚拟煤层模型和真实煤层数据的相关特征相同。

(2)观测不同类型虚拟综采装备模型的几何结构和外形尺寸，仿真运行验证其动作等。经测试证明，虚拟装备模型和真实装备尺寸的比例为1∶1；虚拟环境中具有配合关系的装备，其各装配部位连接准确；虚拟环境下，装备模型的仿真动作可流畅、准确地执行。

(3)对所建立的虚拟综采工作面进行仿真正确性、可靠性和实时性测试。经测试证明，虚拟综采工作面场景中，各装备和煤层模型的相对尺寸与真实工作面相同；装备在煤层上的排布位置合理，装备间的几何配套尺寸正确；虚拟场景下，各装备运行时的动作准确、可靠；虚拟综采工作面的场景画面可实时更新，各装备尺寸数据实时显示。

综上所述，所构建的虚拟综采工作面可忠实反映真实综采生产场景，能够为后续虚拟服务系统提供可靠的数字模型平台。

5.2 虚拟综采工作面离线仿真系统应用测试

在本实验室条件下，对基于数字孪生的虚拟综采工作面离线仿真系统进行应用测试，设置相应的采煤工艺参数后系统开始仿真运行。以采煤机为引领装备沿目标轨迹进行割煤，液压支架和刮板输送机随采煤机的运行协同推进。

本系统对采煤机记忆截割、人工干预的采煤机记忆截割和采煤机自动截割3种方案进行了预仿真，实时记录采煤机的轨迹并构建了基于采煤机截割路径的动态三维地质模型，采煤机截割方案如图8所示。由图8可知，采煤机记忆截割无法适应复杂地形，人工干预的采煤机记忆截割方案和采煤机自主截割方案可以在一定程度上解决该问题，但是会存在一定截割误差。本系统分别以初始三维地质模型和动态三维地质模型为基准，构建不同截割方案截割完成后其对应的割岩量和留煤量，其中人工干预的采煤机记忆截割方案的割岩量和留煤量如图9所示，表1所示为对3种方案截割结果的评价。因为煤层顶板和煤层底板的截割结果评价方法一样，所以本方法仅对煤层顶板进行分析。由表1可知，在3种方案中，采煤机自主截割方案的割岩量和留煤量均最小，分别为29 534.01 dm3和34 762.41 dm3，即该方案截割到的岩石较少且具有较高的回采效率，属于最优截割方案。

表1 截割结果评价 dm3

5.3 在线监测及分布式协同监测系统测试

5.3.1 综采装备在线监测系统测试

在实验室条件下，以液压支架为研究对象对综采装备在线监测系统进行测试。液压支架的虚拟监测中主要使用倾角传感器和行程传感器获取相关部件的实时角度、距离等姿态数据。实验前，在支架护帮板、顶梁、前连杆和底座上布置倾角传感器，在支架推移杆上布置行程传感器，以获取支架顶梁和底座的俯仰角、护帮板及前连杆倾角，以及底座推移杆的推移距离。综采装备在线监测系统与传统视频监控的对比如表2所示。

表2 装备在线监测系统与视频监测对比

5.3.2 分布式协同监测系统测试

将Unity3D中建立的分布式协同监测系统以可执行程序的形式发布，并将发布后的程序在3台主机中运行，3台主机的显示画面如图10所示。

记录单台主机监测与分布式协同监测时主机的各项指标，如表3所示。

表3 分布式协同监测与单台主机监测对比

测试表明，在3台主机监测下，整个系统运行良好，在进行大量数据监测时，未出现明显的卡顿现象，分布式虚拟监测系统达到了预期的效果。

6 结束语

本文将数字孪生和虚拟现实技术引入综采工作面运行中，针对综采数字模型构建、工艺规划、装备姿态监测等问题，探索以设计虚拟服务系统的方式优化综采活动中的设计、生产、结果评价等环节，并将数字孪生的应用成果以软件形式直观展示，进一步推动数字孪生技术在综采生产活动中的应用落地，本文的主要研究如下：

(1)结合综采工作面元素类型特点及各建模方法的优势，基于虚拟场景构建技术建立准确、可靠的虚拟综采工作面各元素模型，为探索综采虚实融合方法、设计相关综采服务系统提供基础。

(2)相比传统综采工艺规划周期长、验证成本高等问题，本文基于三维建模技术和虚拟现实技术构建的虚拟综采工作面离线仿真系统，可以实现既定综采工艺的虚拟仿真运行和仿真结果评价，大大缩短了工艺规划周期，同时可以直观地观测工艺运行结果。

(3)针对当前综采装备监测困难的问题，本文研究了基于虚拟现实技术的综采装备姿态监测方法，实现了综采装备运行姿态在虚拟环境中的实时监测；同时，针对综采工作面装备数量众多带来的监测数据庞大的问题，研究设计了分布式协同监测系统，实现了上位机监测任务的动态规划。

本文研究尚处于起步阶段，下一步研究主要集中在以下方面：①优化提高物理综采工作面与虚拟综采工作面信息交互的实时性；②探索虚拟环境中采煤机在复杂煤层底板条件下滚筒实时截割轨迹的准确提取方法；③开发更多综采虚拟服务软件，以解决实际综采生产过程中的相关问题。