基于数字孪生和数据驱动的新型煤矿智能支护监控系统设计

洪 飞

（长治市煤炭安全信息调度中心，山西 长治 046000）

0 引言

随着智能制造的出现，煤矿产业的数字化转型是当今工业4.0框架下经济发展的重要方向之一[1]。所谓的数字化转型意味着一些传统的煤矿产业将逐步走向智能化企业的建设道路上。在此背景下，以高自动化集成的机器人和自主管控技术为代表的新型技术逐步走向企业一线，目的是在尽可能降低人力的基础上，提供更高效、更安全的生产系统[2]。目前，煤矿开采地点通常特点是运输和社会基础设施不发达（缺乏高素质的工程技术人才），气候条件恶劣。并且加之很多地区的煤矿有特殊的地形地质特点，进一步影响了生产劳动安全、盈利能力和竞争力，从而使生产管理过程变得更为复杂化[3]。近年来，许多学者和机构对煤矿开采过程结合先进的数字孪生应用进行了研究，并实现了有意义的见解[4-7]。鉴于此，将数字孪生模型用于当代煤矿开采，并进一步推动煤矿在采掘过程中的广泛智能分析和控制功能的仿真和优化成为当下研究的热点方向[6-7]。特别地，液压支架作为综采工作面围岩控制的核心部件，其对围岩的自适应调节能力直接决定着综采工作面智能控制的效果。本文基于数字孪生和数字驱动技术，通过考虑环境技术因素，构建了新型煤矿智能支护监控系统。进一步地，在此基础上，将“A N SY S”与“Unity3D”2种软件进行有效耦合，提出了数字孪生和数据驱动耦合的液压支架智适应调整方案，来最大可能的对液压支架进行姿态调整与演算，并实现煤矿支护系统智能化管控与安全监控。

1 系统总体方案

支护系统是煤矿安全生产的重要组成，针对本文所构建的煤矿智能支护监控系统，其中，包含的数字孪生部分可以被理解为一个煤矿中真实液压支架（物理对象）的动态虚拟反射，它也可以是一个单独的支架变换过程或整个支护系统。因此，为了确保数字孪生提供的解决方案的可靠性，有必要对最终建模对象有一个明确的说明，并有最完整和可靠的模型来表示它，因此需要依靠有限元分析的方法来完成对液压支架的有效建模，模型所计算结果可以作为数据驱动的重要指标。如图1所示是该新型煤矿智能支护监控系统的框架图，该系统与工业4.0的其他技术密切相关，具体包括：有限元分析，虚拟现实技术，工业物联网等，主要思路为：由工业互联网传感器阵列通过无线传感的方式将收集的环境数据统一传送至有限元软件之中，通过有限元方法分析生成关键节点数据集，并在虚拟场景中对液压支架的虚拟样机进行必要的智能化演算，最后再通过电脑控制中心远程控制液压支架进行调整。

图1 基于数字孪生和数据驱动的新型煤矿智能支护监控系统

2 基于有限元方法对液压支架进行虚拟全模型建立

根据常村煤矿实际支护工程设计，搭建等比例ZY7600/22/45D液压支架、煤矿岩层和采空区三者相互作用的数值模型，利用Analyse建立支护分析模型。顶梁、掩护支架、各个部件连接销孔、底座、掩护支架连接销、底座连接销、顶梁连接销和液压柱等各部件按照工程尺寸进行建模，以长治常村煤矿为例，由工程图纸确定等比例ZY7600/22/45D液压支架建模尺寸，利用三维建模软件可以得到图2所示的等比例液压支架全尺寸虚拟物理模型。

图2 等比例ZY7600/22/45D液压支架全尺寸虚拟标准物理模型

然后，如图3所示，建立并装配其数值模型，根据常村煤矿实际矿井的地质/岩性数据，对盾构周围的岩石和煤层进行建模（网格划分）。之后，利用Analyse软件对矿井巷道中的支架与周围岩层相互作用力进行详细的分析。主要提取的参数特征为：支架的疲劳分析、载荷分布曲线、循环载荷、损伤区域、结构各部件的最小使用寿命和安全系数。利用有限元Analyse软件中的API模组可以轻松获得该系列参数，本文着重强调获得这些参数后的新型系统运行原理，参数的具体获取过程不再熬述。

图3 有限元方法对液压支架进行虚拟建模与分析方法流程

3 信息数据库的建立

随着煤矿开采深度的增加，开采过程中遇到了越来越复杂的地质环境，在本系统中，利用数字孪生对液压支架进行状态监测的主要难点在于：建立支护系统与煤层环境之间的动态交互作用。完成数字孪生的首要条件是，拥有液压支护系统的整个生命周期的可靠数据，我们首先构建了一个完整的信息数据仓库，以便为支护系统在不同阶段（从设计阶段到对象的生命结束）的性能指标优化设置提供参考。

针对本文所构建的煤矿智能支护系统，采用“对同一类型的代理进行分组的多代理方案”，确定了3组数据集主体：

主体1：根据有限元分析的结果，可以得到液压支架及其控制机构物理信息，包括：支架的疲劳位置、载荷分布曲线、循环载荷、损伤区域、结构各部件的最小使用寿命和安全系数。

主体2：煤矿环境要素。包括，道路、地质构造因子（描述地质构造的块体元素，例如岩体压力等）。

主体3：开采进度及相关元数据流。根据数据生命周期和决策时间(处理/执行命令)确定信息空间（数据流和数据本身）的控制、调整方案。

4 数字孪生和数据驱动的液压支架智适应调整

所谓实现数字孪生，即在一个虚拟平台上实现液压支架的准确调整，并依托有限元的分析可靠分析结果，最终实现井下实际支护过程的有效调整。通过对液压支架模型的有限元运动学分析，建立等比例ZY7600/22/45D液压支架与煤层环境的动态耦合模型，从而得出液压支架对煤层环境的最优支护姿态。信息虚拟空间中的液压支架可以为物理空间中的液压支架支护姿态提供参考，如图4所示。

图4 数字孪生和数据驱动的液压支架智适应调整方案

针对图4所提出的液压支架智适应调整方法，具体的操作思路如下：

以常村煤矿的实际工程案例为例，主要操作思路大致可分为3个部分：第一个部分是在虚拟环境中，基于A N SY S软件建立等比例ZY7600/22/45D液压支架的运动模型并模拟其运动过程，得到所需的动力学数据参数；第二个部分是随着现代通信技术的发展，基于Unity3D软件，将等比例ZY7600/22/45D液压支架导入到Unity3D中建立液压支架虚拟样机模型，利用无线传输技术获取液压支架的重要传感器数据。将液压支架的运动参数传输到Unity3D软件中，确定液压支架运动状态的虚拟监测。在实际的运行过程中，井下复杂地质环境对液压支架支护姿态调整的要求很高，主要的在于液压柱的调整。Unity3D软件对液压柱的虚拟仿真主要体现在：抬升高度以及顶梁的仰角这2个参数，Unity3D软件自带的API程序会根据A N SY S软件的运算建议，得到最优姿态下的液压的高度和液压支架顶梁的仰角。并且在虚拟样机运算过程中会产生非常庞大的数据集，冗余数据的存在不仅淹没了有意义的信息，而且消耗了大量的存储空间，根据上述信息数据库的建立，采用“对同一类型的代理进行分组的多代理方案”可以有效的对所的得到的有效数据进行分类，进一步降低运算难度；第三个部分是基于Unity3D软件的虚拟样机优化结果建立相应数据库，根据常村煤矿地质信息系统的档案数据和遥测数据，在此基础上形成了主要的地质构造因子。并对数据库中的典型运算结果在煤矿安全管控中心屏幕上进行可视化显示，并给出液压支架的安全演化结果与调整建议，通过电脑端对液压支架进行远程的操控。我们在长治常村煤矿进行了数据采集与演化，也验证新型煤矿智能支护监控系统的可操作性。

从一方面来说，本文所提出的数字孪生和数据驱动的液压支架智适应调整方案是一种虚拟现实技术在煤矿机械中的具体示范应用，可以指导完成在虚拟环境下综采工作面支护监测与动态规划；另外一方面，数字孪生和数据驱动的液压支架智适应调整方案是一种“A N SY S+Unity3D”软件耦合的液压支架无缝联动方法，为液压支架的联动仿真和虚拟状态监测与控制提供了理论支持和应用实践。数据集成过程是使用Unity3D可视化建模工具环境进行的，在今天看来，在保证虚拟环境中物理交互方面，Unity3D是最好的解决方案。选择Unity3D作为主要平台实现环境是由几个因素决定的：①通过开放工作代码和对象编辑器灵活定制；②包含强大的物理和数学核心，可以编译自己的API模组，允许与第三方系统的交互，提供建模和可视化过程的灵活调优。这为支持多种不同的A N SY S模型之间的灵活切换提供了强大的基础；③能够轻松集成第三方代码，特别是Python和c#代码，实现了单独的平台计算算法。

5 结论

综上所述，本文基于“数字孪生”与“数据驱动"的理念，利用“A N SY S+Unity3D”软件耦合所提供的液压支架无缝联动方法，构建了一种新型煤矿智能支护监控系统。该系统与传统的系统主要区别在于：根据真实物理场景所提供的环境数据，在计算机虚拟空间中对支架的调整进行事先演化，并根据演化结果对真实的工厂场景予以指导，这极大的避免了支架调整过程中所可能造成的不良效果。该技术为智能化煤矿的建设提供了一条切实可行的新思路。