基于數字孿生技術的煤礦掘進機自動截割方法研究

張鐵聰，陳華州，趙俊杰，王利景，賈冬冬

(1. 國家能源集團寧夏煤業有限責任公司金鳳煤礦，寧夏回族自治區吳忠市，751504；2. 北京龍軟科技股份有限公司，北京市海淀區，100190)

0 引言

隨著礦井智能化采掘技術的發展，傳統的掘進方式已無法滿足綜采工作面進度的要求，發展掘進裝備智能化是實現掘進減人增效的關鍵。井下掘進工作面巷道結構特殊，高粉塵、高瓦斯、低光照等因素導致掘進工作面整體協同作業方式落后，影響掘進速度和巷道成型質量。煤礦掘進工作面自動化是當前煤礦智能化建設的核心難題之一，需要多種關鍵技術的支撐和共同作用[1-3]。

目前，煤礦掘進機主要采用人工現場視距遙控的方式實現對掘進機的遠程控制截割，或者遠端利用視頻圖像輔助遙控操作機器割煤和牽引轉向等。人工現場視距遙控的控制方式存在安全隱患大、勞動強度大、視線易受阻和截割精度低等缺點；基于視頻輔助的遠程控制截割方式存在效率低、成型效果差、人工重復勞動繁重、巷道需反復修復等缺點。以上兩種控制方式均無法實現掘進機自動化精準截割[4-6]。掘進自動化控制系統多采用組態軟件開發，通過平面示意的方式表達設備運行狀態、二維姿態、故障報警等信息，不能精準表達三維巷道和設備空間位置關系，缺少高可視度的三維空間信息融合功能，無法實現對掘進工作面的精準控制。

針對以上問題，筆者提出一種基于數字孿生技術的煤礦掘進機自動截割方法，通過三維數字孿生技術構建統一大地坐標的高精度巷道和掘進機孿生模型，利用掘進機位姿、大地坐標位置、航向等信息驅動孿生設備模型與巷道模型的融合，生成掘進機自動截割的截割模板，從而可在自動化程度高、地質條件簡單的掘進工作面實現單個或多個作業循環的自動截割，提高煤礦掘進生產效率和安全水平。

1 煤礦掘進機數字孿生技術

數字孿生(Digital Twin)[7-8]是指通過數字化技術拷貝物理對象，在虛擬空間中完成映射，模擬現實環境中的行為，基于數字化模型對實體物體進行虛擬仿真、分析和優化等，可對物理實體的運行和改進提供更精確的決策分析支持。數字孿生技術主要包括模型構建層、數據互動層和仿真分析層[9-10]。其主要組成要素包括物理實體、孿生實體、孿生數據、服務與功能、鏈接。掘進工作面數字孿生組成要素包括數字化巷道建模、數字化設備建模、機器數據及工藝建模、人機交互功能和鏈接等。

掘進機是數字孿生感知環境和實際執行命令的物理實體，需要滿足控制、傳感器、數據接口與網絡設備3個方面的要求。煤礦掘進機的數字孿生技術架構如圖1所示，數字孿生掘進包括智能化掘進物理實體、感知與控制、數字孿生掘進和用戶4層，其中數字孿生掘進又包括建模管理、仿真服務、孿生共智、數字孿生組件等模塊。掘進機數字孿生模型(孿生實體)包括幾何模型、物理模型、行為模型和規則模型，這些模型能從多時間尺度和多空間尺度對物理實體進行精準的刻畫和描述；孿生數據匯聚了采集讀取的掘進機所有運行數據，是驅動物理實體、孿生實體和服務運行的核心要素；服務與功能包括可視化、控制和健康診斷等；鏈接交互是輔助孿生實體實現以虛映實、以虛控實和虛實共生的重要維度。

圖1 煤礦掘進機的數字孿生技術架構

2 數字化巷道和掘進機模型構建

煤礦數字孿生掘進需要構建高精度的數字化巷道模型和掘進機三維數字模型，數字化巷道的構建方法需要綜合應用2種建模方法：實測法數字巷道建模，即利用全站儀測量和煤礦專用地理信息系統(GIS)構建巷道模型；激光掃描法數字巷道建模，即利用三維激光掃描技術動態掃描構建巷道模型。

2.1 數字巷道建模方法

2.1.1 實測法數字巷道建模

實測法數字巷道建模是利用井下全站儀測量獲取巷道控制點(導線點)，結合煤礦專用地理信息系統(GIS)融合已揭露巷道的控制點坐標、鉆孔柱狀圖、煤巖層位信息，建立二、三維數字化巷道模型[11-13]。該方法具有建模速度快、操作便捷等優點，缺點是受巷道控制點(導線點)數量少等因素影響，巷道建模精度低，無法實現巷道形變監測等分析應用。

煤礦專用地理信息系統(GIS)繪制煤層鉆孔柱狀圖、勘探線剖面圖、地形地質圖、采掘工程平面圖、水文地質圖等專題圖形，結合工作面鉆探、物探資料，建立反映掘進工作面附近區域地質空間形態和拓撲關系的三維數字孿生地質和巷道模型；工作面掘進過程中，利用超前探測和不斷揭露的地質數據動態修正模型，實現巷道的三維數字孿生精細化建模，模型表達的內容包括掘進巷道煤層頂底板分界、煤層夾矸、巷道斷面成型質量及支護方式、水文地質異常區及瓦斯賦存富集區等地質環境。利用煤礦專用地理信息系統(GIS)的數字化巷道建模如圖2所示，模型能夠反映設計巷道的斷面形狀、支護參數、煤巖層頂底板位置及厚度、巷道起伏及方位角等信息。

圖2 煤礦掘進巷道GIS三維建模

2.1.2 激光掃描法數字巷道建模

激光掃描法數字巷道建模是利用井下激光點云儀器掃描形成巷道空間點云數據，結合現場拍攝照片貼合紋理，構建巷道數字化模型[14-15]。該方法的優點是巷道表面建模精度高，可為專業功能提供可靠的基礎數據；缺點是不能構建巷道圍巖內部模型，不能表達巷道頂底板巖性和地質構造信息。

三維激光掃描技術(點云技術)是一種新型測繪技術，具有數據獲取自動化、快速、高密度、表面建模精度高等特點，點云數據包含測點三維坐標(X、Y、Z)、激光反射強度、物體表面RGB值、法向量等信息[16]。通過三維激光掃描儀進行巷道測量，獲取巷道表面海量數據點信息，可生成真實巷道表面模型，用于巷道超挖欠挖、成型質量、收斂變形分析等[17-19]，三維激光掃描能夠反映巷道表面位移變化情況。利用三維激光掃描技術實現的巷道建模效果如圖3所示。一方面通過微觀視角真實還原掘進工作面巷道斷面及頂底板起伏形態，同時準確表達巷道內的設備設施與巷道斷面之間的空間位置關系，可以任意測量巷道支護參數與設計參數，另一方面通過宏觀視角準確表達巷道分支方向和方位角等空間信息。

圖3 煤礦掘進巷道三維激光掃描建模

筆者所提出的三維數字孿生巷道建模方法綜合應用了以上2種建模方法：三維激光點云技術用于快速構建宏觀巷道三維實體模型，GIS融合巷道施工期間測量和揭露的地質構造信息構建頂底板模型，點云數據展現真實巷道表面真實形狀信息，包括巷道斷面形狀、起伏、支護參數、設備位置等信息；GIS模型能夠表達煤層頂底板巖性及厚度，以直觀反映巷道的整體地質情況。融合建模效果如圖4所示。

圖4 融合數字化巷道模型

2.2 掘進機數字化建模

掘進機數字化建模采用通用BIM(Building Information Modeling)模型構建方法，BIM建模方法主要為線框建模、實體建模、面片建模以及參數化建模等[20]。筆者提出的掘進機數字建模方法綜合應用了面片建模和參數化建模方法。面片建模是一種曲面建模方式，用戶只需要比較少的控制點，就可以控制整個模型，常規的CAD建模技術采用的是三角面片法。使用面片建?？梢怨澕s系統資源，加快電腦運行速度；參數化建模是用專業知識和規則來確定參數和約束的一種建模方法。參數化建模的對象具有專業性或行業性特點，而不是純粹的幾何圖元；參數化建模對象的參數是由行業知識來驅動；模型的智能化程度取決于參數的數量。

掘進機數字建模方法綜合應用了面片建模和參數化建模方法，利用設備建模軟件(如3D Max)的面片建模和參數化建模方法結合設備外形尺寸構建1∶1設備模型，針對模型運動部位，如懸臂、履帶、前后支撐、星輪、運轉等部位按照機械限位精細建模，模型貼圖采用的是與物理實體一致的圖案。掘進機孿生模型和物理實體的運動限位和尺寸嚴格一致。建立完成的掘進機模型導入到數字化巷道模型中，形成初始的數字化巷道模型，掘進機孿生模型通過獲取物理實體傳感器數據驅動部件動作，從而實現數字孿生模型和物理實體的一致性運動表達。

2.3 數據驅動邏輯

為了數字孿生場景與掘進機及其配套設備在物理空間的狀態同步，需要從物理系統中獲取大量驅動信號，以對數字孿生場景中各個層級的模型進行有效的數據驅動。而數字孿生場景的數據組織方式與物理空間的設備數據不一樣，必須進行數據的轉化處理。

2.3.1 驅動數據分類

驅動數據大體可分為以下4類。

(1)運動驅動數據。如設備坐標位置、設備組件的位移與旋轉等，這類數據可以直接利用業務系統對應的實時數據進行驅動。

(2)動作信號。如機器開機、電機正向旋轉信號等。動作信號在數據變化至特定值時觸發虛擬世界相應的回應，這里的布爾(Bool)類型信號在物理世界中通常為脈沖或高低電平狀態信號2種形式，通過腳本程序對信號量的變化進行捕捉，在對應的時刻觸發對應的動作。

(3)狀態數據。狀態信號對應著設備、環境等狀態信息。例如，仿真空間需要通過設備狀態信息進行數據統計與業務分析。

(4)指令數據。包括各系統和模塊的業務控制指令。數字空間需要根據指令含義進行解析和轉化，控制數字空間的運行。根據數字空間的層次結構和驅動數據分類，數字空間內部的各種算法、腳本和設備的運行是多線程并行方式，以對離散事件進行并行處理。

2.3.2 數字空間運行過程分層

數字空間的運行過程分為如下幾層：

數學學科知識與數學綜合素養并重的教學方式不僅能夠在教學之中快速地取得較好的教學效果，同時也能夠使學生在未來的數學學習過程中走得更加順利?？傊?，在初中數學教學中，我們需要遵循著理論與實踐相聯系的原則，采取多樣化的教學手段，加強學生對數學史的了解，并以評價來充分激發學生在學習過程中的主體作用，從多個方面促進學生數學綜合素養的提升。

(1)初始化。由于系統啟動時間的不確定性，掘進工作面孿生模型在系統運行時首先需要從多個維度進行初始化，與掘進工作面內的實體空間狀態進行匹配。其中包括設備初始位置的初始化、設備運動位姿的初始化，設備運動位置應在啟動時迅速與物理實體達成一致，以及掘進工作面環境狀態的初始化等。

(2)實時映射。數字空間同步初始化后，根據驅動數據對設備、環境和業務過程進行多維的實時映射。主要顯示在各種設備的活動與狀態。

(3)數據處理。在實時映射的過程中，對數字空間的運行數據進行統計，并對各種數據進行集成分析，實現對業務監控異常的報警，這些分析報警數據可以作為物理系統的有效管控依據。

3 掘進機自動截割控制方法

基于數字孿生技術的煤礦掘進機自動截割控制邏輯和框架如圖5所示，框架包含軟件平臺端、網絡及傳輸端、設備端3部分，其中，設備端包括監控主機、掘進機等物理設備；網絡及傳輸端包括從掘進機到監控主機之間的有線或無線網絡、設備監控接口和通訊協議等；軟件平臺端包括巷道及地質模型、設備模型、三維可視化腳本、三維UI界面、SCADA組件、實時歷史數據庫、消息隊列服務等。

圖5 掘進機控制邏輯流程

基于數字孿生技術的煤礦掘進機自動截割方法包括基于統一大地坐標系的掘進機定位、定姿，數據采集和發布及數字模型的驅動和可視化，截割模板自動生成，成型質量和動態變形監測等關鍵技術。

3.1 基于統一大地坐標系的掘進機定位、定姿

為了實現煤礦掘進工作面的數字化設備和巷道、地質模型空間信息的精確融合，數字化巷道模型應具備統一大地坐標系(如CGCS2000坐標系)基礎，設備具有基于統一大地坐標系的精確定位功能，才能將兩者的模型在統一大地坐標系內實現高精度的空間信息耦合和孿生展現。

筆者所提出的自動截割控制方法是依靠設備端的慣導和全自動全站儀實現掘進機的基于統一大地坐標系的精確定位，具體方法如下所述。

在掘進機機身安裝慣導裝置，獲得掘進機機身的空間位置信息。掘進機慣導是基于慣性導航器件設計的應用于煤礦掘進工作面高精度測量掘進機姿態角的精密測量設備，它采用高精度光纖陀螺儀和石英加速度計為主要慣性元件，可實時提供高精度、高穩定性、高可靠性的速度、姿態等信息。慣導與掘進機機身剛性連接，實時輸出采煤機的航向角H、俯仰角P、橫滾角R，并對外發布實時數據。

全自動全站儀固定安裝在掘進工作面集控倉頂部，跟隨自移機尾同步移動和實時測量；全自動全站儀后視工作面巷道頂板的一個導線控制點棱鏡并測角測距，計算設站點大地坐標，前視搜索并鎖定追蹤掘進機機身固定位置安裝的棱鏡，實時動態跟蹤測量掘進機三維坐標(X、Y、Z)。掘進過程中提供掘進機在巷道中的位置、航向角與巷道中線偏向，超過預設角度報警并提醒糾偏?；趹T導和全站儀的組合導航定位技術實現掘進機在巷道中的定姿、定位和定向原理如圖6所示。

圖6 基于慣導和全自動全站儀的掘進機定向定姿定位原理

3.2 數據采集和發布及數字模型的驅動和可視化

SCADA組件基于OPC、Modbus、Socket、Http等公有通訊協議及特定私有通訊協議，實現對掘進機的運行數據采集與控制；利用工業以太網，使用可視化腳本編程方法實現對孿生設備的可視化展示以及基于三維組態的自動控制；數據采集與控制由消息隊列服務提供UI和SCADA的業務交互，SCADA將采集的掘進機的運行數據通過MQTT消息隊列服務發布，三維UI和可視化腳本通過MQTT方式訂閱消息并驅動孿生設備模型動作；三維UI界面是人機交互的主要窗口，操作人員通過界面控制設備；三維UI和三維可視化腳本也可通過消息隊列服務下發參數設置和控制指令，控制掘進機按照預定規則動作。

軟件平臺端通過三維可視化編程腳本方法實現孿生設備的部件驅動，利用掘進機物理實體傳感器數據驅動孿生模型，傳感器數據包括掘進機滾筒的旋轉狀態和速度、滾筒的中心點坐標、滾筒距離煤壁距離、履帶行走狀態和方向、星輪正反轉狀態、機身到巷道兩幫的距離、機身俯仰角和橫滾角、機身中線航向、機身中線與巷道中線偏差、機身中心點坐標等。

三維UI可視化組件用于展示掘進工作面巷道布置、生產工藝、裝備配套及設備運行和報警等信息。巷道布置包括巷道數字化模型和設備數字化模型，設備包括掘進機、支護錨固設備、運輸設備、破碎設備、橋式轉載機、帶式輸送機、通風設施、排水設施、供電設施等；生產工藝包括掘、支、錨、運等關鍵作業環節；設備運行和報警信息包括掘進設備傳感器數據(如設備位姿、運行狀態、設備與巷道位置關系)和故障報警信息等。

3.3 截割模板自動生成

數字化巷道模型按照掘進機循環作業步距(如1 m)自動剖切斷面(剖面1、剖面2和剖面3)形成截割模板，如圖7所示。假設巷道掘進工藝為沿煤層頂板掘進，數字化巷道模型根據掘進機炮頭實時位置循環剖切，獲取煤層頂板邊界控制點坐標(x3，y3，z3)、(x4，y4，z4)、(x5，y5，z5)、(x6，y6，z6)、(x7，y7，z7)、(x8，y8，z8)，圖7中紅色虛線為煤層頂板中線，掘進機機身中線應與煤層頂板中線平行；通過剖面頂底控制點坐標計算得到掘進機下個作業循環的滾筒偏移量Δh1和機身俯仰調整角α，掘進機下一個循環作業按照Δh1和俯仰調整角α執行截割動作。

圖7 巷道模型剖切生成截割模板

截割模板自動生成的步驟如下所述。

(1)由全自動全站儀和慣導實時提供掘進機及截割頭的精確大地坐標和掘進機的姿態。垂直掘進方向上按截深剖切地層模型，獲得掘進工作面前方多個地層剖面，所切剖面包括煤厚、煤層頂板中心點坐標、中心點連線俯仰角及橫滾角、矩形斷面坐標、剖面法向方位角等信息，并基于地層剖面計算生成截割模板。

(2)上位機基于截割模板所規劃的截割深度、進刀次數、掃底、掃幫次數，巷道的高度和寬度，以及頂部變化角度來控制掘進機截割，并實時記錄煤層起伏、厚度等相關信息，結合大地坐標系統生成實際截割斷面。

(3)將截割模板與實際截割斷面進行對比，修正下一個循環的截割模板并重新設定定位截割(人工、自動2種方式)。在下一個循環作業時同樣記錄運行數據和實際截割軌跡，生成實際截割斷面，與截割模板對比，以優化下一個循環的截割模板。

3.4 成型質量和動態變形監測

利用激光點云掃描系統，對巷道變形進行監測，數字化巷道模型應以掘進機導航定位數據為基礎，結合滾筒實時位置(x，y，z)和姿態，推算出截割滾筒的實時位置坐標，包括掘進機割頂、割底的邊界坐標、巷道頂底板和兩幫的輪廓曲線、實時動態描繪輪廓，實現巷道成型質量的動態監測；通過頂板離層監測系統以及激光點云掃描系統，對巷道變形進行監測，基于歷史數據對變化規律進行三維空間對比展示，融合礦壓監測和頂板離層等數據，為掘進工作面支護工藝等監測提供決策依據。

綜上所述，基于數字孿生技術的煤礦掘進機自動截割方法需建立在統一大地坐標設備定位和高精度巷道數字化模型基礎上，包括自動化截割工藝和人機交互截割工藝2種截割控制工藝。

(1)自動化截割工藝。針對簡單地質條件的掘進工作面，掘進機控制器接收巷道剖面輸出的下一個循環邊界坐標參數和調整量(Δh和α)，結合截割頭當前實時位置、機身姿態和截割軌跡，實現掘進工作面的單個或多個作業循環的自動截割。

(2)人機交互截割工藝。針對復雜地質條件的掘進工作面，通過人工操縱三維UI可視化界面的按鈕或遠程控制面板，參考三維UI可視化界面中的待截割斷面形狀，操控掘進機遠距離截割，這種控制方法相比自動化截割工藝更加靈活，適用于地質條件相對較差的掘進工作面。

以上工藝均不受掘進工作面現場粉塵、水霧等環境影響，通過數字孿生技術實現巷道和掘進機的空間信息融合，提高了截割精度和巷道成型質量，減少了人員現場作業安全風險和勞動強度，可替代傳統的基于視頻圖像輔助截割方法，系統效果如圖8所示。

4 基于數字孿生技術的掘進機自動截割實際應用

基于數字孿生技術的掘進機自動截割技術在國能集團寧夏煤業有限責任公司金鳳煤礦得到應用，金鳳煤礦位于鹽池縣馬家灘礦區中部，011817掘進工作面位于18號煤層一采區，011817工作面為矩形巷道，掘進寬度5.4 m，掘進高度4.2 m，掘金斷面22.68 m2?；谕该鞯刭|三維模型的自主規劃截割，解決人員遠程干預頻繁問題，提高智能掘進效率。通過精準地質模型與精準導航系統進行融合，將截割滾筒的實時坐標與地質模型坐標配合和耦合，自動生成截割模板并下發，生成的截割模板精度保持在-10～+10 cm，提高了作業效率，保障了掘進作業的安全性。

5 結論

(1)基于統一大地坐標系，實現數字化設備和巷道、地質模型的空間信息融合，基于慣導和全站儀的組合導航定位技術實現掘進機在巷道中的高精度定姿、定位和定向，實現設備模型與巷道數字模型的高精度孿生展現。

(2)以基于統一大地坐標系的高精度數字化設備和巷道地質模型為數據基礎，通過三維可視化UI控制界面直觀展示掘進機和巷道兩幫、掘金工作面、頂板的空間位置關系，解決了掘進機截割過程中現場揚塵嚴重、工作人員無法通過肉眼或攝像儀可視化的難題。

(3)提出的掘進機自動截割方法能夠自動生成截割模版，通過遠程操作替代傳統就地操控方式，提高掘進機截割自動化水平，將現場操作人員撤離到離掘進面較遠的安全區域，避免作業過程中冒頂、垮幫等災害造成的人員傷亡，降低了工人的勞動強度，提高了整體自動化水平。通過在金鳳煤礦的應用試驗表明，優化截割方案能有效的輔助工作面智能生產，形成無人(少人)化開采決策和技術支撐，對于保障作業安全、改善作業環境具有重要意義。