遲煥磊，袁 智，曹 琰，胡登高，宋振鐸

(中國(guó)煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司 裝備研究院，北京 100011)

0 引 言

隨著供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革深化推進(jìn)，我國(guó)煤炭工業(yè)已經(jīng)由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段。基于數(shù)字化礦山基礎(chǔ)，應(yīng)用新一代信息技術(shù)、智能制造技術(shù)和人工智能技術(shù)建設(shè)智能化礦山，實(shí)現(xiàn)煤炭安全、智能、高效、綠色開(kāi)采和清潔高效利用，成為現(xiàn)代煤礦發(fā)展的必由之路[1-3]。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things ，IoT)、大數(shù)據(jù)(Big Data ，BD)、人工智能(Artificial Intelligence ，AI)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)快速發(fā)展，通過(guò)信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造物理空間與信息虛擬空間交互共融的信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems，CPS)、數(shù)字孿生(Digital Twin ,DT)技術(shù)等成為智能制造和復(fù)雜系統(tǒng)生產(chǎn)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，生產(chǎn)過(guò)程從傳統(tǒng)制造的“人-物理系統(tǒng)”的二元體系關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苤圃斓摹叭?信息-物理系統(tǒng)”三元體系關(guān)系。[4-7]。國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)正在大力開(kāi)展智能化建設(shè)，順應(yīng)新一代信息技術(shù)與煤炭工業(yè)深度融合的新形勢(shì)和新特征，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能以及數(shù)字孿生技術(shù)提升煤礦智能化開(kāi)采水平，成為推動(dòng)煤礦智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要途徑。

智能煤礦建設(shè)的核心是煤炭智能化開(kāi)采，基本單元是綜采綜掘工作面。其中，智能感知、智能決策和智能控制是煤炭智能開(kāi)采的三要素[2-3]。當(dāng)前煤礦智能化開(kāi)采是在工作面各單機(jī)設(shè)備自動(dòng)化功能的基礎(chǔ)上，以采煤機(jī)自動(dòng)化記憶截割割煤為中心，通過(guò)集中控制系統(tǒng)控制采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等成套設(shè)備協(xié)同聯(lián)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤炭開(kāi)采工藝的程序化自動(dòng)運(yùn)行。由于煤層地質(zhì)復(fù)雜多變，工作面采、支、運(yùn)等設(shè)備眾多，在開(kāi)采過(guò)程中需要實(shí)時(shí)根據(jù)煤層變化、設(shè)備狀態(tài)、故障情況等進(jìn)行設(shè)備自動(dòng)調(diào)整、成套設(shè)備聯(lián)動(dòng)調(diào)整或遠(yuǎn)程人工干預(yù)。全面的環(huán)境工況和設(shè)備狀態(tài)感知是工作面成套設(shè)備協(xié)同控制的基礎(chǔ)，決定了智能化開(kāi)采的適應(yīng)性和可靠性，也是目前制約國(guó)內(nèi)已建成的智能化工作面常態(tài)化生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[6，12]。長(zhǎng)壁綜采工作面存在長(zhǎng)條布置、空間狹小、設(shè)備眾多、光線不足、煤塵大、動(dòng)態(tài)推進(jìn)等特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)已建成的智能化工作面監(jiān)測(cè)方式主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)測(cè)2種[5]，存在以下問(wèn)題：①可見(jiàn)光視頻監(jiān)測(cè)。設(shè)備狀態(tài)、工作面環(huán)境主要采用可見(jiàn)光視頻方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是目前工作面智能化開(kāi)采遠(yuǎn)程干預(yù)最主要的輔助途徑。但工作面工況復(fù)雜多變，環(huán)境惡劣，受環(huán)境低照度、高粉塵以及設(shè)備擁擠、動(dòng)態(tài)移動(dòng)等影響，可見(jiàn)光視頻監(jiān)視及圖像識(shí)別存在監(jiān)控死角、視頻不連續(xù)、視頻質(zhì)量低等問(wèn)題，導(dǎo)致很多時(shí)候處于“盲采”狀態(tài)，嚴(yán)重制約了煤炭智能化開(kāi)采的效率，且存在安全隱患。此外，視頻畫(huà)面不能像數(shù)據(jù)一樣對(duì)環(huán)境情況和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行精確數(shù)學(xué)描述，無(wú)法為遠(yuǎn)程人工干預(yù)調(diào)整提供準(zhǔn)確參考。②傳感器、故障信息和控制等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。傳感器數(shù)據(jù)主要用于控制和設(shè)備的故障保護(hù)，但主要采用參數(shù)集、數(shù)據(jù)圖表或二維組態(tài)的形式進(jìn)行展示，與設(shè)備實(shí)體沒(méi)有深入融合，表現(xiàn)形式單一，不便于現(xiàn)場(chǎng)采煤工人的使用。

基于上述問(wèn)題，多源信息驅(qū)動(dòng)的三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)再現(xiàn)成為煤炭智能開(kāi)采核心技術(shù)的研究方向和熱點(diǎn)，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括裝備的三維及物理仿真、成套裝備的物理與運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系、綜采裝備與圍巖之間的幾何及運(yùn)動(dòng)約束，以及在傳感器等多元信息綜合驅(qū)動(dòng)下的工作面環(huán)境與設(shè)備狀態(tài)的三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)再現(xiàn)等[2，6，8-13]。由于涉及設(shè)備原理、配套設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、三維虛擬展示等跨領(lǐng)域的限制，還存在以下5點(diǎn)問(wèn)題：①三維模型并未建立在以設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建模精度、準(zhǔn)確度不足以支撐對(duì)設(shè)備物理狀態(tài)的全面展示；②設(shè)備基礎(chǔ)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)眾多，僅對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的信息集成，缺乏依據(jù)面向使用對(duì)象的不同而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析；③虛擬場(chǎng)景三維模型與設(shè)備數(shù)據(jù)信息未進(jìn)行動(dòng)態(tài)融合，模型三維可視化與數(shù)據(jù)信息展示多處于割裂狀態(tài)；④數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維模型動(dòng)作是建立在預(yù)設(shè)模型動(dòng)畫(huà)基礎(chǔ)上的三維展示，缺乏從底層機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理層面進(jìn)行設(shè)備動(dòng)作數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；⑤研究主要集中于從物理空間到虛擬空間的單向映射展示，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的反饋沒(méi)有深入開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，缺乏從場(chǎng)景再現(xiàn)、數(shù)據(jù)可視化到?jīng)Q策推演、系統(tǒng)優(yōu)化的閉環(huán)反饋。目前三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)再現(xiàn)技術(shù)在煤炭行業(yè)的應(yīng)用大多局限于地理信息(Geographic Information System，GIS)數(shù)據(jù)三維可視化、采煤工藝三維虛擬仿真培訓(xùn)以及人員設(shè)備定位三維可視化等方面，缺乏與實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)的有效結(jié)合和對(duì)數(shù)據(jù)的管理分析，面向智能化開(kāi)采的應(yīng)用較少[6-9,11]。

數(shù)字孿生技術(shù)(DT)是一種實(shí)現(xiàn)物理空間向信息空間數(shù)字化模型映射的關(guān)鍵技術(shù)，利用布置在物理空間的傳感器數(shù)據(jù)，借助于高速通訊，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的建模、數(shù)據(jù)分析和仿真模擬，并通過(guò)虛實(shí)交互接口為控制系統(tǒng)提供決策支撐[4,14-16]。將數(shù)字孿生技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與工作面智能化開(kāi)采控制相結(jié)合，通過(guò)實(shí)時(shí)交互、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)三維場(chǎng)景再現(xiàn)、數(shù)據(jù)三維融合展示、智能分析、仿真驗(yàn)證等，對(duì)工作面現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備、開(kāi)采工藝流程、生產(chǎn)要素進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確、全面的展示、分析和監(jiān)控，可提高智能化工作面的監(jiān)控質(zhì)量和智能化控制水平[9-11]。

1 基于數(shù)字孿生的工作面多元信息數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)三維監(jiān)控技術(shù)

1.1 工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

基于生產(chǎn)工藝流程數(shù)字孿生技術(shù)，面向工作面煤機(jī)設(shè)備的空間姿態(tài)、生產(chǎn)控制需求，以數(shù)字化方式在虛擬環(huán)境中對(duì)工作面環(huán)境和成套設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確、動(dòng)態(tài)的三維映射和工況數(shù)據(jù)融合展示，為工作面智能化生產(chǎn)提供更直觀、更全面、更精確的可視化監(jiān)控方式。同時(shí)，在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以集成面向生產(chǎn)運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能、基于機(jī)械約束和成套設(shè)備配套關(guān)系約束等的設(shè)備異常狀態(tài)診斷報(bào)警功能，以及基于工作面三維建模和數(shù)字驅(qū)動(dòng)的設(shè)備控制功能和開(kāi)采工藝虛擬仿真測(cè)試功能，提升智能化工作面的監(jiān)測(cè)水平。面向智能化開(kāi)采工作面監(jiān)控需求的數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)思路，如圖1所示。

圖1 工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)思路Fig.1 Definitio design mothod of digital twin smart coal mining face monitoring technology

相較于控制數(shù)據(jù)、設(shè)備工況以及生產(chǎn)管理所采用的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方式，數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作面開(kāi)采過(guò)程數(shù)據(jù)的可視化，更為直觀、形象和高效。相較于視頻監(jiān)測(cè)方式，數(shù)組孿生三維監(jiān)測(cè)技術(shù)以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與虛擬空間三維模型融合的方式進(jìn)行展示，數(shù)據(jù)與物理對(duì)象結(jié)合度更密切、全面和準(zhǔn)確，能夠?yàn)榭刂撇僮魈峁?zhǔn)確的參考依據(jù)。同時(shí)，基于數(shù)字孿生技術(shù)仿真分析概念，工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)技術(shù)可以集成數(shù)據(jù)分析功能，包括統(tǒng)計(jì)分析、傳感器數(shù)據(jù)異常分析、設(shè)備姿態(tài)異常分析、開(kāi)采工藝異常分析以及參數(shù)圖形化展示等。此外，通過(guò)與可見(jiàn)光視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步和位置跟隨展示，可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)異常位置設(shè)備和工況的視頻觀察；通過(guò)與集中控制系統(tǒng)的通訊，將數(shù)據(jù)異常分析結(jié)果告知集控系統(tǒng)，可以為控制調(diào)整決策提供支撐。

1.2 工作面數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

基于數(shù)字孿生技術(shù)的工作面多元信息數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)三維監(jiān)控系統(tǒng)，從工作面設(shè)備、配套傳感器與控制系統(tǒng)獲取基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行建模和分析處理，通過(guò)三維虛擬展示技術(shù)進(jìn)行展示和人機(jī)交互,并將分析結(jié)果反饋給工作面集控系統(tǒng)、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)備控制，形成閉環(huán)系統(tǒng)，組成如圖2所示，主要由4個(gè)部分組成：①物理實(shí)體即工作面成套設(shè)備；②虛擬實(shí)體即虛擬空間工作面成套設(shè)備數(shù)字孿生體；③服務(wù)數(shù)據(jù)即現(xiàn)場(chǎng)信息，包括實(shí)時(shí)的設(shè)備空間姿態(tài)數(shù)據(jù)、運(yùn)行工況數(shù)據(jù)、控制指令數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等；④輔助對(duì)象即控制決策系統(tǒng)，包括智能化工作面集控、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等第三方監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。具體關(guān)系為：工作面成套設(shè)備(物理實(shí)體)是被監(jiān)控的對(duì)象；虛擬實(shí)體是基于物理實(shí)體基礎(chǔ)信息，包括設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工作面成套設(shè)備配套數(shù)據(jù)、工作面地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)等建立的工作面模型，是工作面在三維虛擬空間的映射，即工作面數(shù)字孿生體；服務(wù)數(shù)據(jù)是從工作面設(shè)備傳感器、控制系統(tǒng)控制等獲取的能夠表述設(shè)備姿態(tài)、工況狀態(tài)和工藝動(dòng)作的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬空間三維模型的動(dòng)作驅(qū)動(dòng)和工況數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)展示；輔助對(duì)象是數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象。通過(guò)虛擬交互接口，數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與可見(jiàn)光視頻監(jiān)控系統(tǒng)形成時(shí)間同步的相互驗(yàn)證監(jiān)測(cè)，并將分析結(jié)果和異常報(bào)警信息告知工作面集控系統(tǒng)。

圖2 工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of digital twin smart coal mining face monitoring technology

1.3 工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是工作面數(shù)字孿生體的三維虛擬展示，關(guān)鍵是精準(zhǔn)數(shù)字模型和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。將數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)技術(shù)用于工作面智能化開(kāi)采生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要解決以下6點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)。

1)高仿真度，高保真度的煤機(jī)設(shè)備三維模型是構(gòu)建數(shù)字孿生體的關(guān)鍵。作為工作面成套設(shè)備在虛擬空間的映射，工作面數(shù)字孿生體的設(shè)備模型需要具有高精度、高保真度，要在幾何結(jié)構(gòu)上與設(shè)備實(shí)體一致，同時(shí)能夠模擬設(shè)備的時(shí)空狀態(tài)、動(dòng)作和功能等，從而真實(shí)再現(xiàn)設(shè)備的物理狀態(tài)并進(jìn)行模擬仿真，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)監(jiān)控的要求。

2)全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的工作面和設(shè)備感知數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生動(dòng)態(tài)響應(yīng)模擬的基礎(chǔ)。數(shù)字孿生體的所有功能均基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，包括設(shè)備模型的姿態(tài)描述、動(dòng)作驅(qū)動(dòng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。智能化工作面設(shè)備需要依據(jù)模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)需求和監(jiān)控需求配套相應(yīng)的傳感器，并具備高精度、高可靠性和實(shí)時(shí)性的特征。

3)基于機(jī)械約束的設(shè)備模型動(dòng)作數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法是工作面數(shù)字孿生體的難題。不同于三維模擬的預(yù)設(shè)動(dòng)畫(huà)展示，數(shù)字孿生體所有的設(shè)備及其部件的狀態(tài)和動(dòng)作都是基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。數(shù)字孿生體高保真模型基于機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，模型的動(dòng)作以設(shè)備結(jié)構(gòu)件為單元，而實(shí)際中不可能在所有的煤機(jī)結(jié)構(gòu)件上安裝傳感器，因此數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)需要在必要的傳感器驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)、煤機(jī)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理和控制信息、空間位姿數(shù)據(jù)信息等基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法研究。

4)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與狀態(tài)診斷是數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心功能。工作面設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)眾多，使用數(shù)據(jù)與三維模型融合的監(jiān)測(cè)展示方式需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取、處理，依據(jù)控制需求進(jìn)行篩選和展示；基于設(shè)備機(jī)械約束、成套設(shè)備配套關(guān)系約束、傳感器數(shù)據(jù)正常閾值約束等的設(shè)備狀態(tài)異常診斷也需要結(jié)合設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)、原理、采煤工藝等進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

5)非結(jié)構(gòu)化的工況環(huán)境動(dòng)態(tài)展示是工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)。工作面的煤層情況、頂?shù)装迩闆r、煤壁等隨著開(kāi)采生產(chǎn)始終處于動(dòng)態(tài)變化之中，進(jìn)行工作面生產(chǎn)數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)，需要針對(duì)監(jiān)測(cè)的對(duì)象，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)與環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行推演和簡(jiǎn)化處理，以達(dá)到設(shè)備監(jiān)測(cè)和為控制提供支撐的目的。如采煤機(jī)采高和空間三維姿態(tài)與煤層和俯仰采變化關(guān)系、液壓支架姿態(tài)與煤壁和頂?shù)装宓淖兓P(guān)系等。

6)面向智能化開(kāi)采控制需求的人機(jī)交互設(shè)計(jì)是數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。區(qū)別于傳統(tǒng)開(kāi)采模式下以故障保護(hù)和查詢(xún)?yōu)橹鞯脑O(shè)備監(jiān)控，面向智能化開(kāi)采的工況監(jiān)測(cè)更多的是為智能化開(kāi)采控制、人工遠(yuǎn)程干預(yù)服務(wù)。智能化開(kāi)采控制系統(tǒng)和干預(yù)人員需要對(duì)設(shè)備的姿態(tài)、狀態(tài)和工作面環(huán)境實(shí)時(shí)全面掌控。依據(jù)智能化控制需求，數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)交互設(shè)計(jì)需要同時(shí)兼顧狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)和控制監(jiān)測(cè)等多個(gè)方面。

此外，工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)需要與設(shè)備和控制系統(tǒng)有高實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)交互、高置信度模擬仿真等技術(shù)條件為支撐。

2 智能化工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)智能化采煤機(jī)工作面的監(jiān)控特點(diǎn)和需求，基于生產(chǎn)工藝流程數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合三維虛擬展示技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)以實(shí)現(xiàn)工作面成套設(shè)備實(shí)時(shí)三維展示、工況數(shù)據(jù)三維實(shí)景融合、運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管理、異常狀態(tài)報(bào)警為主要功能的面向智能化開(kāi)采輔助控制的監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)貫穿始終，依據(jù)數(shù)據(jù)從采集到應(yīng)用展示，可設(shè)計(jì)為現(xiàn)場(chǎng)層、邊緣層、平臺(tái)層和應(yīng)用層的4層模型架構(gòu)，依次實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和處理、數(shù)據(jù)分析和功能設(shè)計(jì)、人機(jī)交互等功能[17-18]。工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)Fig.3 Platform architecture of digital twin smart coal mining face monitoring system

2.2 數(shù)據(jù)采集與功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)是鏈接工作面生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體與監(jiān)控系統(tǒng)虛擬空間的橋梁，是數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)平臺(tái)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)設(shè)備上的可靠傳感器和控制系統(tǒng)獲取，由現(xiàn)場(chǎng)層和邊緣層實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備既是數(shù)字孿生體映射的物理實(shí)體和監(jiān)控對(duì)象，同時(shí)又是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源。區(qū)別于現(xiàn)有設(shè)備為控制和保護(hù)需求而配備的各種傳感器，數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備傳感器還需要包括設(shè)備空間姿態(tài)傳感器，為模型在虛擬空間的三維定位、姿態(tài)展示和運(yùn)動(dòng)展示提供驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。工作面設(shè)備眾多，每個(gè)設(shè)備配套的傳感器數(shù)量較多，同時(shí)所有的數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，為減輕系統(tǒng)傳輸和計(jì)算壓力，同時(shí)在硬件實(shí)現(xiàn)上簡(jiǎn)化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)靈活性，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)邊緣節(jié)點(diǎn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚和過(guò)濾，提取有效數(shù)據(jù)傳輸給上層平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。邊緣節(jié)點(diǎn)終端通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等通信方式與各設(shè)備傳感器、控制器、工作面智能化集控系統(tǒng)通信獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和歸檔，并以網(wǎng)絡(luò)通信的方式傳送給數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。

2)三維虛擬展示功能設(shè)計(jì)。三維虛擬展示是數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最主要的展示方式，不同于一般的三維虛擬展示，數(shù)字孿生三維虛擬展示是基于精準(zhǔn)模型和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的對(duì)設(shè)備真實(shí)物理狀態(tài)和動(dòng)作的映射，其動(dòng)作單元以設(shè)備結(jié)構(gòu)件模型為基礎(chǔ)，以機(jī)械約束關(guān)系為紐帶，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)變化為途徑進(jìn)行展示。對(duì)于工作面的智能化設(shè)備，需要從空間物理狀態(tài)和功能信息狀態(tài)2個(gè)維度進(jìn)行模型描述，對(duì)應(yīng)各設(shè)備的展示內(nèi)容分2種，一類(lèi)是空間狀態(tài)的變動(dòng)，一類(lèi)是自動(dòng)化功能的變動(dòng)，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)[19]?？臻g狀態(tài)通過(guò)模型三維動(dòng)作進(jìn)行展示，自動(dòng)化功能通過(guò)聲光電等多種途徑進(jìn)行展示，2種展示內(nèi)容均可采用實(shí)時(shí)參數(shù)與模型融合并以彈窗的方式進(jìn)行詳細(xì)數(shù)據(jù)查詢(xún)。工作面成套設(shè)備主要展示內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 三維可視化監(jiān)測(cè)Table 1 3D visualization monitoring

3)工況監(jiān)測(cè)與異常診斷功能設(shè)計(jì)。數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工作面監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。異常狀態(tài)分析診斷是數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要分析功能，區(qū)別于傳統(tǒng)的工況監(jiān)測(cè)，數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)能夠依據(jù)設(shè)備的機(jī)械約束、配套約束和機(jī)械原理等對(duì)設(shè)備的姿態(tài)異常情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷，為工作面調(diào)整、視頻定位查看提供參考。數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)異常狀態(tài)診斷邏輯示例見(jiàn)表2。

表2 工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)異常狀態(tài)診斷邏輯Table 2 Abnormal state analysis method for digital twin coal mining face monitoring system

2.3 數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)應(yīng)用平臺(tái)開(kāi)發(fā)

數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)應(yīng)用平臺(tái)面向使用者，通過(guò)三維模型展示、數(shù)據(jù)和模型融合展示、參數(shù)監(jiān)控等方式，在虛擬空間中再現(xiàn)工作面設(shè)備的空間姿態(tài)、工況數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，并通過(guò)交互方式為生產(chǎn)人員提供監(jiān)控輔助。應(yīng)用平臺(tái)開(kāi)發(fā)主要包括設(shè)備精準(zhǔn)建模、搭建工作面環(huán)境、設(shè)備數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法開(kāi)發(fā)、UI交互設(shè)計(jì)等3個(gè)方面。

1)煤機(jī)設(shè)備精準(zhǔn)三維建模與工作面數(shù)字孿生體搭建。精準(zhǔn)的數(shù)字模型是數(shù)字孿生的關(guān)鍵。基于數(shù)字孿生的三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，三維模型根據(jù)實(shí)際設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)1∶1制作，并按照工作面實(shí)際配套情況搭建工作面。工作面設(shè)備的初始坐標(biāo)為世界原點(diǎn)，對(duì)應(yīng)工作面設(shè)備開(kāi)切眼處的初始推進(jìn)0點(diǎn)設(shè)置。三維模型依據(jù)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)中部槽及傳動(dòng)部、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、液壓支架等設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，利用Autodesk Inventor、Solidworks、PRO/E等設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維建模?；谡故拘Ч普娑群瓦\(yùn)算需求，需要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，并使用Photoshop、3D MAX等軟件進(jìn)行貼圖制作、展UV貼圖和光影效果烘培處理等，形成可供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維模型，供Unreal Engine、Unity Pro等模型驅(qū)動(dòng)引擎軟件使用，進(jìn)行三維可視化監(jiān)控平臺(tái)開(kāi)發(fā)。工作面數(shù)字孿生體由各單機(jī)設(shè)備模型配套搭建。根據(jù)工作面配套情況，包括刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)“三機(jī)”配套，采煤機(jī)牽與刮板機(jī)配套，液壓支架推移桿與刮板機(jī)連接耳配套，液壓支架端頭架、過(guò)渡支架、中間支架布置方案等，在三維模型驅(qū)動(dòng)引擎軟件中組建工作面，形成可數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)展示的工作面成套設(shè)備數(shù)字孿生體。煤機(jī)設(shè)備建模與工作面數(shù)字孿生體搭建流程如圖4所示。

圖4 設(shè)備機(jī)建模與工作面搭建流程Fig.4 3D modeling design process

2)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法開(kāi)發(fā)。虛擬環(huán)境中所有設(shè)備的姿態(tài)、動(dòng)作、空間定位以及成套設(shè)備的配套情況等基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)獲取解析后，依據(jù)設(shè)備機(jī)械約束、結(jié)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)軌跡、設(shè)備控制指令、運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間等，計(jì)算各個(gè)設(shè)備及結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，形成模型姿態(tài)和動(dòng)作數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)模型在三維空間中的姿態(tài)和動(dòng)作[12,21]。

數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)在驅(qū)動(dòng)模型之前需要進(jìn)行處理，包括對(duì)傳輸不確定性、實(shí)時(shí)性和有效性的分析處理。煤礦井下設(shè)備眾多，工況惡劣，干擾源較多，經(jīng)常存在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)丟失、傳感器故障等情況，導(dǎo)致獲取的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；蝈e(cuò)誤。如果使用這些錯(cuò)誤數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，會(huì)導(dǎo)致模型處于錯(cuò)誤的空間坐標(biāo)和姿態(tài)，使三維展示失敗。因此，數(shù)字孿生三維展示監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型驅(qū)動(dòng)算法需要具有驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)約束算法判斷和預(yù)測(cè)算法。對(duì)于獲取的數(shù)據(jù)，依據(jù)單機(jī)設(shè)備機(jī)械約束關(guān)系、成套設(shè)備配套關(guān)系以及相鄰設(shè)備的相同參數(shù)變化趨勢(shì)、控制工藝等，判斷數(shù)據(jù)是否正常。若數(shù)據(jù)偏離正常值超過(guò)合理閾值，則認(rèn)為是傳感器數(shù)據(jù)異常，模型仍依據(jù)原狀態(tài)進(jìn)行展示，并提示數(shù)據(jù)異常。通常，若當(dāng)前驅(qū)動(dòng)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)無(wú)變化，則認(rèn)為設(shè)備狀態(tài)未發(fā)生變化，不對(duì)數(shù)據(jù)和模型狀態(tài)進(jìn)行更新。這同樣適用于對(duì)數(shù)據(jù)缺失情況的處理，即可采用理想化補(bǔ)全的方式對(duì)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3)面向智能化開(kāi)采的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)。 工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)交互界面UI設(shè)計(jì)，需要根據(jù)工作面智能化開(kāi)采的需求、人員操控習(xí)慣等進(jìn)行設(shè)計(jì)，為生產(chǎn)控制人員提供必要、直觀、快捷的監(jiān)控信息。工作面智能化開(kāi)采，重點(diǎn)是對(duì)采煤機(jī)記憶截割、液壓支架跟機(jī)動(dòng)作、放頂煤液壓支架后部放煤工序、刮板機(jī)成組推溜，以及采煤機(jī)滾筒與支架護(hù)幫板干涉等的監(jiān)測(cè)，相應(yīng)的UI設(shè)計(jì)也需要依據(jù)此進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，包括重點(diǎn)設(shè)備展示、重點(diǎn)區(qū)域展示、工藝監(jiān)測(cè)展示以及工作面采高(煤層曲線)等，并根據(jù)設(shè)備在工作面的定位情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的跟隨視角等。通過(guò)三維可視化相機(jī)交互可以在三維虛擬環(huán)境中對(duì)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)場(chǎng)景和數(shù)據(jù)的展示，包括移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等。面向智能化開(kāi)采的數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面UI設(shè)計(jì)內(nèi)容如圖5所示。

圖5 工作面數(shù)字孿生系統(tǒng)UI設(shè)計(jì)Fig.5 UI design of digital twin smart mining face monitoring system

3 應(yīng)用實(shí)踐

基于數(shù)字孿生的智能化工作面三維可視化監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合智能化采煤機(jī)工作面少人開(kāi)采監(jiān)控需求，以鄂爾多斯地區(qū)中煤集團(tuán)某礦大采高智能化工作面為基礎(chǔ)對(duì)象，開(kāi)發(fā)了智能化綜采工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[21]，監(jiān)測(cè)對(duì)象包括MG900/2550-GWD型采煤機(jī)、ZY15000/27/55D型電液控制成套液壓支架、SGZ1250/3×1000型刮板輸送機(jī)，以及SZZ1350/525轉(zhuǎn)載機(jī)和PCM525破碎機(jī)等工作面生產(chǎn)設(shè)備。工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)字以設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行建模和優(yōu)化處理，并按照工作面設(shè)備實(shí)際配套和布置搭建了工作面數(shù)字孿生體。系統(tǒng)以工作面智能化集控中心為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下大采高工作面成套設(shè)備的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維模型展示監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)內(nèi)嵌了工況數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)，集成了設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運(yùn)行控制數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、工作面頂板壓力數(shù)據(jù)、人員定位數(shù)據(jù)等，通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的整合、分析和三維情景融合，能夠三維展示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、異常情況報(bào)警信息、工作面壓力熱力圖、人員信息，以及生產(chǎn)負(fù)荷、產(chǎn)量等生產(chǎn)數(shù)據(jù)。該三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與工作面視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步，能夠?qū)ぷ髅孢M(jìn)行視頻-三維虛擬輔助監(jiān)測(cè)。CME智能化工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 CME數(shù)字孿生智能化工作面三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.6 CME digital twin smart coal mining workface monitoring system

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備空間姿態(tài)、運(yùn)行工況數(shù)據(jù)、工作面開(kāi)采環(huán)境、生產(chǎn)及人員等的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、全面的數(shù)據(jù)化展示，與視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步配合，有效提高了智能化工作面的監(jiān)測(cè)效果。

4 結(jié) 論

1)數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)技術(shù)為智能化工作面生產(chǎn)監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)測(cè)提供了全新的思路。智能化開(kāi)采是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化控制生產(chǎn)流程，工作面數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)技術(shù)建立在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，能夠?yàn)橹悄芑_(kāi)采控制和人工遠(yuǎn)程干預(yù)提供全流程、全要素的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)信息，同時(shí)能夠解決低照度、煤塵和視頻監(jiān)視死角等問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)透明工作面提供了實(shí)現(xiàn)方法。

2)基于數(shù)字孿生技術(shù)的仿真分析，為設(shè)備異常物理狀態(tài)診斷以及自動(dòng)化工藝仿真提供了方向性和技術(shù)性的思路?；谠O(shè)備的機(jī)械約束、配套關(guān)系、控制邏輯等，可以對(duì)設(shè)備空間姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，診斷設(shè)備姿態(tài)是否處于異常狀態(tài)，為控制調(diào)整提供參考?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，可以對(duì)智能化集控系統(tǒng)的控制工藝進(jìn)行仿真分析，降低調(diào)試成本并提高效率。

3)數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)三維動(dòng)態(tài)虛擬展示、數(shù)據(jù)和模型三維融合展示、曲線圖表等多種途徑，為監(jiān)控人員提供逼真、直觀、全面和高效的監(jiān)控信息。根據(jù)監(jiān)控需求不同，可以針對(duì)性地進(jìn)行UI設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，包括現(xiàn)場(chǎng)控制層、生產(chǎn)管理層等，能夠靈活滿(mǎn)足不同層級(jí)的監(jiān)測(cè)需求。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)，生產(chǎn)控制是數(shù)字孿生的服務(wù)對(duì)象，數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)建立從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、數(shù)字孿生、控制系統(tǒng)最后反饋至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的閉環(huán)系統(tǒng)，才能發(fā)揮價(jià)值。目前，工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)技術(shù)在設(shè)備配套傳感器方面還需要進(jìn)一步完善，對(duì)工作面集控系統(tǒng)的反饋控制方面需要進(jìn)一步的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。煤礦智能化開(kāi)采是一個(gè)不斷發(fā)展的過(guò)程，隨著數(shù)字孿生技術(shù)與智能化開(kāi)采技術(shù)的深入結(jié)合，逐步解決關(guān)鍵技術(shù)瓶頸并發(fā)掘應(yīng)用價(jià)值，數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)煤礦智能化工作面透明開(kāi)采提供有效的手段。