毛善君 ，魯守明，李存祿，陳華州，張鵬鵬，范吉宏，李鑫超，陳金川

(1.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871;2.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 臨沂 276017;3.北京龍軟科技股份有限公司，北京 100190)

近年來(lái)，通過(guò)國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目、礦業(yè)集團(tuán)自主研發(fā)項(xiàng)目等科技專項(xiàng)的實(shí)施，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了煤礦綜采工作面“裝備智能化，分析在線化，控制協(xié)同化”軟硬件系統(tǒng)的科技攻關(guān)，在“產(chǎn)、學(xué)、研、用”等方面取得了顯著成果，形成了黃陵礦業(yè)一號(hào)煤礦、國(guó)家能源集團(tuán)上灣煤礦、榆家梁煤礦、中煤新集口孜東礦等應(yīng)用工程，煤機(jī)生產(chǎn)廠商也研發(fā)了具有工況自適應(yīng)智能控制功能的高速高可靠性電牽引采煤機(jī)、兩柱超強(qiáng)力放頂煤液壓支架、高可靠性回采巷道帶式輸送機(jī)等一批自動(dòng)化、智能化開(kāi)采裝備；相關(guān)科研院所研發(fā)了智能工作面開(kāi)采信息多參量精準(zhǔn)感知與安全決策關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)、融合視覺(jué)的工作面綜采裝備群全位姿多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)和虛擬仿真控制技術(shù)等。裝備和技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了我國(guó)煤炭工業(yè)智能化建設(shè)的快速發(fā)展。

在國(guó)外，基于簡(jiǎn)單地質(zhì)條件煤層，采用人工遠(yuǎn)程干預(yù)的智能控制模式也已取得了進(jìn)展，如澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的工作面自動(dòng)化LASC系統(tǒng)。LASC系統(tǒng)包含慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“慣導(dǎo)”)和工作面自動(dòng)控制算法等多項(xiàng)核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單地質(zhì)條件工作面的自動(dòng)化開(kāi)采。同時(shí)，我國(guó)也引進(jìn)了LASC系統(tǒng)，并在國(guó)家能源集團(tuán)和山東能源集團(tuán)等單位得到了應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外智能開(kāi)采研究在地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的綜采工作面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展和階段性成果，但存在的問(wèn)題也不少，歸納如下：

(1)煤礦信息屬于空間信息，綜采工作面的全業(yè)務(wù)流程都與三維空間有關(guān)，但缺乏與空間位置大地坐標(biāo)的一體化、常態(tài)化實(shí)時(shí)自動(dòng)融合。目前國(guó)內(nèi)外綜采智能工作面都缺乏基于精密測(cè)量?jī)x器的統(tǒng)一大地坐標(biāo)實(shí)時(shí)自動(dòng)傳導(dǎo)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)基于坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)的采煤過(guò)程。此外，LASC等系統(tǒng)雖然得到了應(yīng)用，但由于慣導(dǎo)長(zhǎng)航時(shí)漂移以及生產(chǎn)環(huán)境震動(dòng)大、工作環(huán)境溫度變化大等原因造成慣導(dǎo)和編碼器的組合定位系統(tǒng)無(wú)法保證長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定的高精度定位，還需要對(duì)慣導(dǎo)和編碼器的組合定位系統(tǒng)進(jìn)行定期校正，使用過(guò)程較為復(fù)雜。

(2)“一鍵啟停、記憶割煤”的采煤模式，存在工作面生產(chǎn)環(huán)境狀態(tài)不透明、成套裝備與煤層動(dòng)態(tài)信息關(guān)聯(lián)性弱等問(wèn)題，信息化、智能化的集成度低，在煤層空間形態(tài)與上一刀相比發(fā)生變化時(shí)，需要人工交互干預(yù)采煤機(jī)重新學(xué)習(xí)記憶，缺乏路徑自動(dòng)規(guī)劃功能，難以應(yīng)對(duì)煤層起伏變化，不能常態(tài)化自適應(yīng)割煤，其實(shí)用性受到很大的影響。

(3)煤層空間信息不精準(zhǔn)。通過(guò)勘探階段鉆孔、三維地震和生產(chǎn)階段巷道素描等數(shù)據(jù)源構(gòu)建的煤層三維模型精度有限，特別是煤層空間形態(tài)起伏變化較大或很大時(shí)更是如此，無(wú)法為采煤機(jī)提供高精度的割煤線數(shù)據(jù)。

(4)工業(yè)控制與地理時(shí)空信息脫離，缺乏實(shí)用化的基于地理信息的數(shù)字孿生系統(tǒng)，不能可視化交互式精準(zhǔn)控制設(shè)備動(dòng)作。

(5)無(wú)線通信技術(shù)和設(shè)備不能完全滿足綜采工作面自適應(yīng)割煤多參數(shù)(包括視頻、慣導(dǎo)、測(cè)量機(jī)器人、煤巖層識(shí)別等)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳輸?shù)膶?shí)際需求。

智能開(kāi)采的目的是減員增效，最終實(shí)現(xiàn)少人或無(wú)人開(kāi)采。實(shí)現(xiàn)少人或無(wú)人開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)之一就是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠(yuǎn)程可視化管控，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生可視化環(huán)境和高精度地質(zhì)模型指導(dǎo)的工作面設(shè)備規(guī)劃自適應(yīng)控制截割，最終實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自適應(yīng)智能開(kāi)采。針對(duì)綜采工作面智能化割煤技術(shù)和裝備存在的問(wèn)題，項(xiàng)目和技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過(guò)多年的技術(shù)積累和研發(fā)，形成了工作面自適應(yīng)智能開(kāi)采成套技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了“基于大地坐標(biāo)的自適應(yīng)智能采煤”，而且透明化工作面構(gòu)建核心技術(shù)和主要平臺(tái)全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，為煤礦工人變?yōu)椴傻V員，最終實(shí)現(xiàn)少人或無(wú)人采煤進(jìn)行了有益的探索。

筆者將結(jié)合臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電郭屯煤礦3301，2305兩個(gè)工作面的具體情況加以闡述。

1 透明化智能綜采工作面自適應(yīng)割煤關(guān)鍵技術(shù)研究和實(shí)現(xiàn)

1.1 綜采工作面精確定位技術(shù)

為實(shí)時(shí)獲取采煤機(jī)的姿態(tài)和位置坐標(biāo)，采用滿足精度要求的高精度國(guó)產(chǎn)捷聯(lián)式光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在三維空間中的定姿、定位；研發(fā)測(cè)量機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)，自動(dòng)讀取回采巷道導(dǎo)線點(diǎn)絕對(duì)大地坐標(biāo)，自動(dòng)追蹤采煤機(jī)機(jī)身棱鏡，動(dòng)態(tài)修正慣導(dǎo)系統(tǒng)的測(cè)量誤差，并最終形成基于“慣導(dǎo)+編碼器+測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)”組合而成的精確定位導(dǎo)航技術(shù)。

光纖慣導(dǎo)提供采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置、方位、水平姿態(tài)以及水平加速度等信息；高精度編碼器提供采煤機(jī)里程信息()；慣導(dǎo)和編碼器組合定位系統(tǒng)最終輸出采煤機(jī)的(，，)三維坐標(biāo)、航向角()、俯仰角()、橫滾角()。

測(cè)量機(jī)器人是一種精密定向、定位設(shè)備，它由陀螺尋北儀和全站儀組成，陀螺尋北儀可自動(dòng)確定目標(biāo)相對(duì)于北向的精確方位角，全站儀自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)跟蹤測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)三維(，，)大地坐標(biāo)。其主要特點(diǎn)是定位精度高、定位速度快、自動(dòng)化程度高。

測(cè)量機(jī)器人的測(cè)量精度等價(jià)于傳統(tǒng)地測(cè)部門(mén)的導(dǎo)線測(cè)量精度，在綜采工作面理想環(huán)境下可以達(dá)到毫米級(jí)，一般情況下達(dá)厘米級(jí)，完全滿足智能開(kāi)采工作面的設(shè)備定位精度要求。具體技術(shù)和工程實(shí)踐如下：

(1)慣導(dǎo)。安裝在采煤機(jī)機(jī)身并與其剛性連接的合適位置。

(2)編碼器。編碼器安裝在采煤機(jī)的行走輪上。

(3)測(cè)量機(jī)器人安裝在礦井綜采工作面與控制點(diǎn)棱鏡能夠通視、相對(duì)穩(wěn)定的機(jī)頭或者機(jī)尾液壓支架頂梁上合適位置。

(4)控制點(diǎn)棱鏡?？刂泣c(diǎn)棱鏡安裝在回采巷道的煤壁上(每間隔米安裝1個(gè))，且預(yù)先通過(guò)人工采用導(dǎo)線測(cè)量等測(cè)量方式確定其大地坐標(biāo)。

(5)采煤機(jī)棱鏡。采煤機(jī)棱鏡安裝在采煤機(jī)機(jī)身靠近測(cè)量機(jī)器人一側(cè)且和采煤機(jī)剛性連接的合適位置。

若測(cè)量機(jī)器人和采煤機(jī)棱鏡通視，則追蹤鎖定采煤機(jī)棱鏡，測(cè)量采煤機(jī)的三維大地坐標(biāo)作為采煤機(jī)的定位坐標(biāo)，并根據(jù)該三維大地坐標(biāo)校正慣導(dǎo)和編碼器組合定位系統(tǒng)的三維坐標(biāo)；若測(cè)量機(jī)器人和采煤機(jī)棱鏡無(wú)法通視，則通過(guò)慣導(dǎo)和編碼器組合定位系統(tǒng)測(cè)量采煤機(jī)的三維大地坐標(biāo)作為采煤機(jī)的定位坐標(biāo)。這樣就實(shí)現(xiàn)了慣導(dǎo)、編碼器、測(cè)量機(jī)器人組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)給采煤機(jī)提供精確大地坐標(biāo)并實(shí)現(xiàn)精確定位的目的，徹底解決了慣導(dǎo)、編碼器長(zhǎng)航時(shí)運(yùn)行漂移的缺陷。在機(jī)頭或機(jī)尾，如果采用后方距離交會(huì)法，測(cè)量機(jī)器人可無(wú)需陀螺尋北儀，直接后視2個(gè)巷道控制點(diǎn)測(cè)量?jī)A角斜距，通過(guò)距離交會(huì)算法計(jì)算測(cè)量機(jī)器人設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)。組合精確定位導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 慣導(dǎo)+編碼器+測(cè)量機(jī)器人的組合精確定位系統(tǒng)工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of working principle of INS + encoder + measuring robot integrated precise positioning system

1.2 透明化綜采工作面構(gòu)建技術(shù)

利用GIS+BIM技術(shù)構(gòu)建透明化工作面高精度三維地測(cè)模型、設(shè)備模型和開(kāi)采環(huán)境。通過(guò)當(dāng)前回采工作面及周邊一定范圍內(nèi)的鉆探、物探、巷道素描等煤層和構(gòu)造數(shù)據(jù)構(gòu)建初始高精度三維地質(zhì)模型；設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備和開(kāi)采環(huán)境模型的技術(shù)規(guī)范、編碼標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，在同一體系框架下實(shí)現(xiàn)井下機(jī)電設(shè)備精細(xì)模型、工作面采掘工程精細(xì)場(chǎng)景模型等各類模型的構(gòu)建；將三維模型與井下設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控信息相關(guān)聯(lián)，融合設(shè)備位置和姿態(tài)、環(huán)境狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享與更新，與空間物理狀態(tài)保持一致，形成高精度、透明化、基于統(tǒng)一大地坐標(biāo)系的綜采工作面三維空間系統(tǒng)(圖2)。構(gòu)建透明化工作面涉及的具體技術(shù)如下：

(1)高精度地質(zhì)體建模。采集礦井所能提供的綜采工作面外擴(kuò)多邊形范圍內(nèi)所有能控制煤層和構(gòu)造三維形態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，如：地面勘探鉆孔、井下鉆孔、巷道素描圖、勘探線和預(yù)想剖面圖、三維地震等通過(guò)鉆探或物探手段獲取的煤層頂?shù)装鍞?shù)據(jù)、煤厚數(shù)據(jù)和構(gòu)造數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，盡量高密度采集煤層特征點(diǎn)(如拐點(diǎn))數(shù)據(jù)，以提高工作面煤層三維地質(zhì)模型的精度。煤層特征點(diǎn)指能夠控制煤層形態(tài)的特殊點(diǎn)，如起伏時(shí)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，若以剖面線表達(dá)煤層起伏狀態(tài)，可將剖面線的拐點(diǎn)稱為特征點(diǎn)。此外，巷道素描圖中以1 m或2 m為間隔距離提取煤層底板數(shù)據(jù)和煤厚數(shù)據(jù)。高精度地質(zhì)體建模主要采用TIN，ARTP技術(shù)，以自動(dòng)生成三維模型。

圖2 透明化工作面的構(gòu)建Fig.2 Construction of transparent working face

(2)巷道幾何建模。巷道斷面形態(tài)控制巷道的幾何形態(tài)，巷道中心線控制巷道的空間位置。算法主要原理是：每條巷道中心線的結(jié)點(diǎn)和中間點(diǎn)加載斷面，計(jì)算出斷面上控制點(diǎn)坐標(biāo)，將這些控制點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)連接起來(lái)，形成規(guī)則巷道的三角面片。

(3)設(shè)備建模。設(shè)備建模采用BIM模型加PBR工作流的方式，BIM保證設(shè)備模型準(zhǔn)確性，PRB保證設(shè)備模型真實(shí)的可視化效果。以BIM模型為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)翻模、UV拆分、烘圖、繪圖幾步產(chǎn)生適用于PBR工作流的貼圖，最終將模型和貼圖導(dǎo)入到平臺(tái)中進(jìn)行渲染，建模流程如圖3所示。

圖3 設(shè)備模型建模流程Fig.3 Equipment modeling process

設(shè)備BIM模型中包含幾何形狀信息和屬性信息，并以幾何形狀信息為基礎(chǔ)模型進(jìn)行翻模工作，屬性信息如采煤機(jī)生產(chǎn)廠家、型號(hào)等可直接導(dǎo)入平臺(tái)使用。翻模是將基礎(chǔ)模型同時(shí)制作成高精度模型和低精度模型，這里的精度主要是指模型面數(shù)的多少。高模一般面數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細(xì)節(jié)表現(xiàn)豐富，低模一般面數(shù)少、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、細(xì)節(jié)較少。同時(shí)制作高模和低模的原因是高低模對(duì)烘，將高模烘出的貼圖放到低模上，使低模表達(dá)更豐富的細(xì)節(jié)效果。UV拆分是對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行UV紋理坐標(biāo)的劃分，UV拉伸影響最終展示效果，一般使用均勻平鋪UV的方式。烘圖是使用設(shè)備高模進(jìn)行AO(Ambient Occlusion)圖、法線圖、置換圖、高度圖等的烘焙。繪圖為繪制設(shè)備的基礎(chǔ)顏色圖、金屬度圖、粗糙度圖、臟跡貼圖等。

目前主流的PBR工作流有金屬度/粗糙度工作流和鏡面反射/光滑度工作流2種，筆者使用金屬度/粗糙度工作流。通過(guò)上述烘圖、繪圖2步產(chǎn)生適用于金屬度/粗糙度工作流的貼圖，將所有的模型和貼圖導(dǎo)入到平臺(tái)中進(jìn)行渲染便可產(chǎn)生類真實(shí)設(shè)備效果的模型。

綜合考量設(shè)備模型的渲染效率、渲染效果及PBR工作流技術(shù)要求，提出了設(shè)備建模基本要求和規(guī)范。設(shè)備模型應(yīng)遵循設(shè)計(jì)原則，以設(shè)計(jì)專題圖形或BIM模型為依據(jù)，按照1∶1的比例進(jìn)行設(shè)備建模(圖4)，能夠清晰表達(dá)外型輪廓以及重點(diǎn)部位組件形態(tài)。具體要求為：① 模型復(fù)用。結(jié)構(gòu)相同的設(shè)備、設(shè)備組件要采用復(fù)用的方式，減少不必要的工作量；② 材質(zhì)紋理復(fù)用。材質(zhì)、紋理盡量能夠復(fù)用，紋理的大小在不失真的前提下盡量減??；③ 模型面數(shù)精簡(jiǎn)。在保證模

圖4 設(shè)備建模Fig.4 Equipment modeling

型逼真度的前提下，使用盡量少的面數(shù)構(gòu)建模型；④ 模型組件拆分。采煤機(jī)的滾筒、搖臂，液壓支架護(hù)幫板、油缸等需聯(lián)動(dòng)的結(jié)構(gòu)都要獨(dú)立出來(lái)，各組件的坐標(biāo)軸需要按照實(shí)際原理，放置到相應(yīng)位置，為后續(xù)的腳本描述、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)做好鋪墊工作。

(4)腳本描述。腳本描述即用腳本語(yǔ)言對(duì)設(shè)備進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)。設(shè)備模型制作完成后，需要對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行腳本描述，對(duì)模型的動(dòng)作、模型展現(xiàn)效果等進(jìn)行定制化功能開(kāi)發(fā)。腳本描述內(nèi)容較多，包括：① 模型可視化效果的描述，如顏色、粗糙度、反光程度等；② 模型動(dòng)作的描述，如采煤機(jī)牽引、液壓支架升降立柱、刮板鏈運(yùn)動(dòng)等；③ 模型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的描述，如采煤機(jī)左右搖臂實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)、液壓支架頂梁俯仰角數(shù)據(jù)、瓦斯傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等；④ 模型特效的描述，如液壓支架噴霧效果、采煤機(jī)割煤落煤效果等。下面主要對(duì)模型動(dòng)作的腳本描述進(jìn)行闡述。

設(shè)備動(dòng)作腳本描述是對(duì)設(shè)備單個(gè)部件動(dòng)作進(jìn)行逐級(jí)封裝，達(dá)到局部動(dòng)作和整體動(dòng)作都方便調(diào)用的目的。局部動(dòng)作即為設(shè)備單個(gè)部件或多個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)，如采煤機(jī)搖臂升降，整體動(dòng)作即為整個(gè)設(shè)備的動(dòng)作，如采煤機(jī)左右牽引等。設(shè)備動(dòng)作描述一般分為設(shè)備動(dòng)作拆解、單個(gè)動(dòng)作描述、組合動(dòng)作描述3個(gè)步驟：① 設(shè)備動(dòng)作拆解依據(jù)業(yè)務(wù)層面對(duì)設(shè)備動(dòng)作的要求和設(shè)備自身機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作分解。設(shè)備由多個(gè)零部件組成，如果按設(shè)備自身運(yùn)動(dòng)能力拆分將得到成百上千個(gè)分解動(dòng)作，所以實(shí)際制作中按業(yè)務(wù)層面對(duì)設(shè)備動(dòng)作需求制作，如變電設(shè)備業(yè)務(wù)層面只需展示液晶面板監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和打開(kāi)前門(mén)，則只需要描述模型中液晶面板動(dòng)作和開(kāi)前門(mén)動(dòng)作即可。② 單個(gè)動(dòng)作描述是對(duì)分解動(dòng)作進(jìn)行封裝、實(shí)現(xiàn)。單個(gè)動(dòng)作描述分為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和仿真模擬2類，類型不同設(shè)定的參數(shù)不同。一般來(lái)講數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)動(dòng)作參數(shù)為部件的最終參數(shù)，而仿真模擬動(dòng)作參數(shù)為部件變化特性參數(shù)，如變電設(shè)備前門(mén)開(kāi)動(dòng)作采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)時(shí)參數(shù)為前門(mén)相對(duì)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)角度，而采用仿真模擬時(shí)參數(shù)為前門(mén)開(kāi)或關(guān)的動(dòng)作及開(kāi)關(guān)門(mén)總時(shí)間，具體前門(mén)角度依據(jù)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算。③ 組合動(dòng)作描述在單個(gè)動(dòng)作描述的基礎(chǔ)上依據(jù)業(yè)務(wù)需求對(duì)多個(gè)分解動(dòng)作進(jìn)行組合封裝、實(shí)現(xiàn)。組合動(dòng)作描述一般涉及設(shè)備的多個(gè)部件，液壓支架升立柱就屬于組合動(dòng)作，涉及立柱、頂梁、掩護(hù)梁、前連桿、后連桿等多個(gè)部件運(yùn)動(dòng)。組合動(dòng)作也可分為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和仿真模擬2類。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式需要組合動(dòng)作涉及到的所有部件運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，而仿真模擬則可只指定最終部件參數(shù)，其余部件參數(shù)依據(jù)物理關(guān)系自動(dòng)插值，如圖5所示。

圖5 液壓支架推桿移動(dòng)的腳本描述Fig.5 Script description diagram of push rod movement of hydraulic support

(5)設(shè)備模型與場(chǎng)景的耦合。設(shè)備模型與場(chǎng)景耦合在于定坐標(biāo)和定姿態(tài)，地質(zhì)模型由鉆孔等數(shù)據(jù)生成，具有大地坐標(biāo)，而制作的設(shè)備模型沒(méi)有大地坐標(biāo)，設(shè)備模型和地質(zhì)模型及場(chǎng)景通過(guò)大地坐標(biāo)進(jìn)行耦合。

設(shè)備模型與場(chǎng)景模型耦合的過(guò)程分3步，確定坐標(biāo)、確定姿態(tài)、確定約束關(guān)系。坐標(biāo)可通過(guò)慣導(dǎo)、測(cè)量機(jī)器人等多種測(cè)量設(shè)備以及控制點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算獲得；姿態(tài)可通過(guò)慣導(dǎo)、角度傳感器以及設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)等計(jì)算得出；約束關(guān)系主要包括設(shè)備與設(shè)備的約束關(guān)系以及設(shè)備與場(chǎng)景的約束關(guān)系。如通過(guò)測(cè)量機(jī)器人將已知控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)傳導(dǎo)給采煤機(jī)得到采煤機(jī)大地坐標(biāo)；通過(guò)慣導(dǎo)得到采煤機(jī)整體的姿態(tài)，通過(guò)采煤機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)得到采煤機(jī)零部件相對(duì)于整體的姿態(tài)，進(jìn)而得到采煤機(jī)零部件在大地坐標(biāo)系下的姿態(tài)；采煤機(jī)約束關(guān)系包括采煤機(jī)需在刮板輸送機(jī)上運(yùn)行等與設(shè)備之間約束關(guān)系以及采煤機(jī)滾筒高度需在煤層頂?shù)装寰€附近等與環(huán)境的約束關(guān)系。通過(guò)上述步驟就可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與具有大地坐標(biāo)系的三維地質(zhì)模型的耦合。智能工作面包含地質(zhì)模型、設(shè)備模型以及場(chǎng)景等，如圖6所示。

圖6 綜采工作面內(nèi)部設(shè)備布置Fig.6 Layout of internal equipment in fully mechanized coal mining face

1.3 數(shù)字孿生智能綜采工作面構(gòu)建技術(shù)

數(shù)字孿生智能綜采工作面包括物理綜采工作面、孿生綜采工作面和數(shù)據(jù)信息交換3部分，如圖7所示，其具體應(yīng)用和技術(shù)內(nèi)容如下：

(1)物理空間實(shí)際割煤。物理空間中有工作面實(shí)際開(kāi)采環(huán)境，包括頂?shù)装鍘r性、斷層、瓦斯賦存情況等，以及放置在工作面中設(shè)備，包括采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等，每一個(gè)設(shè)備存在其物理特性和機(jī)體結(jié)構(gòu)。下達(dá)采煤任務(wù)后，依據(jù)開(kāi)采工藝和生產(chǎn)管理方案進(jìn)行實(shí)際的采煤，開(kāi)采過(guò)程中有環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及傳感器產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。

(2)通過(guò)數(shù)據(jù)交換部分將采煤任務(wù)、工作面開(kāi)采環(huán)境、工作面設(shè)備機(jī)體結(jié)構(gòu)及物理特性、工作面采煤歷史數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)及傳感器數(shù)據(jù)傳遞到虛擬空間。

圖7 數(shù)字孿生智能綜采工作面構(gòu)建技術(shù)路線Fig.7 Technical roadmap of digital twin intelligent fully mechanized working face

(3)在虛擬空間中建立透明化綜采工作面模型、采煤任務(wù)模型、開(kāi)采工藝模型、生產(chǎn)管理模型以構(gòu)建采煤流程及開(kāi)采環(huán)境數(shù)字孿生。依據(jù)工作面設(shè)備機(jī)體結(jié)構(gòu)及物理特性構(gòu)建工作面設(shè)備數(shù)字孿生，2個(gè)數(shù)字孿生體之間相互共享數(shù)據(jù)并結(jié)合綜采工作面采煤歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建綜采工作面采煤數(shù)字孿生。綜采工作面采煤數(shù)字孿生結(jié)合實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和傳感器數(shù)據(jù)可預(yù)測(cè)后續(xù)采煤過(guò)程中設(shè)備狀態(tài)和開(kāi)采環(huán)境的變化并將預(yù)測(cè)信息返回物理綜采工作面指導(dǎo)生產(chǎn)。

依據(jù)數(shù)字孿生智能綜采工作面技術(shù)體系及技術(shù)原理，在物理智能綜采工作面中安裝大量傳感器，獲取設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)SCADA系統(tǒng)與數(shù)字孿生智能綜采工作面軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互，通過(guò)監(jiān)測(cè)、仿真物理綜采工作面運(yùn)行工況，動(dòng)態(tài)的修正地質(zhì)模型，預(yù)測(cè)未來(lái)刀截割曲線，反饋給采煤機(jī)，指導(dǎo)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)整空間姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)割煤。

1.4 透明化綜采工作面動(dòng)態(tài)修正技術(shù)

由于透明化綜采工作面中的設(shè)備模型是根據(jù)設(shè)計(jì)圖形按1∶1的比例建模而成，所以其模型精度能夠得到保障，只是模型的空間位置和姿態(tài)會(huì)隨著工作面的回采發(fā)生變化。模型位置和姿態(tài)的變化可以根據(jù)傳感器感知、精確測(cè)量等技術(shù)手段得到的結(jié)果加以移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其空間形態(tài)和位置屬于完全已知，屬于透明的范疇。下面主要介紹透明化三維地質(zhì)模型的動(dòng)態(tài)修正。

就目前的勘測(cè)技術(shù)和成本預(yù)算而言，一次性實(shí)現(xiàn)整個(gè)綜采工作面煤層空間形態(tài)和屬性的完全已知和透明既不現(xiàn)實(shí)，也沒(méi)有必要，只要?jiǎng)討B(tài)確保工作面煤壁附近的信息盡量已知和透明即可，即煤層的空間形態(tài)和屬性伴隨著一個(gè)局部修正和精度不斷提高的透明化過(guò)程。

透明化三維地質(zhì)模型必須滿足智能開(kāi)采對(duì)地質(zhì)條件的時(shí)空需求，一方面要確保回采工作面前方煤壁附近未采區(qū)域一定范圍內(nèi)煤層地質(zhì)條件的“透明化”，生成透明化的三維地質(zhì)模型，為生成相對(duì)精準(zhǔn)的預(yù)想截割線提供數(shù)據(jù)支持，另一方面要在采煤機(jī)完成一定回采距離或在檢修班時(shí)，結(jié)合煤巖層位識(shí)別及檢修班人工測(cè)量新獲取的煤層和構(gòu)造及分析成果數(shù)據(jù)，快速完成回采工作面煤層高精度三維地質(zhì)模型的動(dòng)態(tài)修正，以反應(yīng)煤層在三維空間的最新變化，為生產(chǎn)班的自適應(yīng)割煤服務(wù)。三維地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)修正具體流程如下：① 以LongRuanGIS平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)多種數(shù)據(jù)類型的存儲(chǔ)或?qū)搿⑼負(fù)潢P(guān)系分析、空間數(shù)據(jù)插值、平剖對(duì)應(yīng)、膨脹收索、TIN模型構(gòu)建等技術(shù)和算法，構(gòu)建初始三維地質(zhì)模型。② 在已有三維地質(zhì)模型中融合最新獲取的地質(zhì)數(shù)據(jù)，通過(guò)模型自動(dòng)重構(gòu)功能，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型的動(dòng)態(tài)更新；③ 根據(jù)采煤機(jī)運(yùn)行絕對(duì)坐標(biāo)軌跡獲取最新的回采截割位置，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)與未采區(qū)地質(zhì)模型及各自范圍的自動(dòng)更新。

1.5 5G技術(shù)

研究基于5G通信技術(shù)的3301，2305綜采工作面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，通過(guò)MEC，5G CPE和5G模組將智能綜采工作面采煤機(jī)、慣性導(dǎo)航、測(cè)量機(jī)器人、煤巖層識(shí)別、高清視頻等實(shí)時(shí)信息接入5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了高速率、低延時(shí)、大帶寬的信息傳輸，解決移動(dòng)裝備線纜難鋪設(shè)，架間電纜易損傷，WIFI，MESH等傳輸帶寬低、穩(wěn)定性差等難題，為基于TGIS的透明化智能綜采工作面的遠(yuǎn)程可視化自適應(yīng)控制奠定網(wǎng)絡(luò)及通信基礎(chǔ)。如圖8所示，在地面數(shù)據(jù)中心部署一套MEC邊緣計(jì)算服務(wù)器，用于實(shí)現(xiàn)井上下5G網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，同時(shí)MEC和礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)融合形成一套有線+無(wú)線全鏈路融合的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)；在3301，2305工作面部署1套BBU基站處理單元，用于管理鏈路下的3臺(tái)RRU基站；在工作面外集控倉(cāng)處安裝1臺(tái)RRU基站，用于實(shí)現(xiàn)集控倉(cāng)附近5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和集控倉(cāng)設(shè)備通過(guò)5G鏈路與地面控制中心融合通信；在工作面端頭和端尾架分別部署1臺(tái)5GRRU基站，實(shí)現(xiàn)工作面內(nèi)部5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，RRU的上傳和下載帶寬比調(diào)整至3∶1，實(shí)現(xiàn)煤礦井下上傳帶寬需求高的技術(shù)要求，滿足單臺(tái)RRU基站的上傳帶寬不低于800 M。5G系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下：

(1)語(yǔ)音和視頻通話。工作人員通過(guò)5G手機(jī)連接RRU基站發(fā)布的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與井上下5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的移動(dòng)終端的語(yǔ)音和視頻通話。

(2)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸。工作面液壓支架上間隔20架左右安裝1臺(tái)5G CPE無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)RJ45網(wǎng)口接入液壓支架頂部的高清攝像儀和測(cè)量機(jī)器人等設(shè)備，設(shè)備通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)和地面控制中心服務(wù)器通信；工作面采煤機(jī)機(jī)身安裝1臺(tái)5G CPE無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)RJ45網(wǎng)口接入采煤機(jī)機(jī)身慣導(dǎo)、煤巖識(shí)別裝置、采煤機(jī)通信控制模塊等設(shè)備，5G CPE和端頭端尾RRU基站實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)機(jī)身設(shè)備與地面控制中心服務(wù)器通信；安裝在工作面端頭或端尾液壓支架上的測(cè)量機(jī)器人通過(guò)網(wǎng)線連接到液壓支架上的5G CPE無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)與采煤機(jī)機(jī)身慣導(dǎo)互饋聯(lián)動(dòng)。

圖8 3301，2305綜采工作面5G設(shè)備布置Fig.8 Layout of 5G equipment in 3301 and 2305 fully mechanized coal mining face

1.6 生產(chǎn)過(guò)程采煤機(jī)與地質(zhì)模型的耦合技術(shù)

基于精確大地坐標(biāo)的綜采工作面自適應(yīng)開(kāi)采的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)工作面采煤機(jī)和地質(zhì)模型的耦合聯(lián)動(dòng)，采煤機(jī)與地質(zhì)模型耦合技術(shù)流程如圖9所示，主要包括設(shè)備端、服務(wù)端及空間數(shù)據(jù)庫(kù)端3部分。具體實(shí)施路線如下：

(1)設(shè)備端的測(cè)量機(jī)器人和慣導(dǎo)編碼器組合定位裝置精準(zhǔn)測(cè)量采煤機(jī)等設(shè)備大地坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與具有大地坐標(biāo)的三維地質(zhì)模型的空間位置融合。

(2)服務(wù)端的預(yù)測(cè)截割計(jì)算服務(wù)自動(dòng)計(jì)算出未來(lái)刀的采煤截割線和網(wǎng)格Δ(相鄰2刀截割線的同一網(wǎng)格高程差值)，結(jié)合當(dāng)前工作面位置、采煤機(jī)滾筒截割深度、歷史截割軌跡、工作面刮板輸送機(jī)垂直彎曲角度、工作面最大及最小采高等約束條件，計(jì)算出采煤機(jī)2個(gè)滾筒的采高和挖底修正數(shù)據(jù)序列并發(fā)送給地質(zhì)信息傳輸協(xié)議GITP(Geological Information Transmission Protocol)模塊，數(shù)據(jù)序列一般設(shè)置為網(wǎng)格間隔50 cm為1組。

圖9 生產(chǎn)過(guò)程采煤機(jī)與地質(zhì)模型耦合技術(shù)流程Fig.9 Flow chart of coupling technology between shearer and geological model in production

(3)采煤機(jī)接收到修正數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，并反饋數(shù)據(jù)使用狀態(tài)和是否有效，當(dāng)數(shù)據(jù)校驗(yàn)通過(guò)后開(kāi)啟自適應(yīng)割煤，割煤過(guò)程中2個(gè)滾筒根據(jù)修正數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)滾筒高度以適應(yīng)煤層起伏變化。

(4)空間數(shù)據(jù)庫(kù)端提供自適應(yīng)采煤過(guò)程中的測(cè)量控制點(diǎn)、設(shè)備參數(shù)、地質(zhì)模型、截割軌跡、煤巖層界線、預(yù)測(cè)截割線的存儲(chǔ)和查詢功能。

2 基于TGIS的煤礦綜采工作面智能管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)(TGIS)“一張圖”與工業(yè)組態(tài)控制一體化集成，將礦井各類地理信息按時(shí)空數(shù)據(jù)模型的組織方式統(tǒng)一存儲(chǔ)在空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)礦山GIS“一張圖”分布式協(xié)同一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通”等相關(guān)的圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用。同時(shí)，將工業(yè)組態(tài)控制與GIS深度融合，通過(guò)GIS和BIM三維高精度建模以及精確定位等技術(shù)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)和三維地質(zhì)模型的耦合，在TGIS“一張圖”環(huán)境下利用可視化腳本編程功能實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)設(shè)備的數(shù)字孿生可視化管控，實(shí)現(xiàn)在地面調(diào)度室遠(yuǎn)程操控三機(jī)、采煤機(jī)規(guī)劃自適應(yīng)截割、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)等煤礦智能化管控應(yīng)用。

2.1 綜采工作面智能管控TGIS平臺(tái)

面向煤礦綜采工作面智能管控的TGIS平臺(tái)框架如圖10所示，整個(gè)平臺(tái)以“一張圖時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)”為核心，以智能化開(kāi)采運(yùn)行控制為主線，賦予各類煤礦專題數(shù)據(jù)以(,,)，(，，，)的表現(xiàn)形式，通過(guò)開(kāi)發(fā)、適配各類智能化裝備的控制接口，將GIS應(yīng)用領(lǐng)域從以往的空間信息管理拓展到了面向智能化礦山的管理和控制。這里需要說(shuō)明的是，如果TGIS的數(shù)據(jù)源是(，，)，那么相關(guān)的圖形系統(tǒng)還是二維的，只是有時(shí)間軸而已；如果GIS的數(shù)據(jù)源是(，，，)，那么相關(guān)的圖形系統(tǒng)其表現(xiàn)形式是三維的，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管控層面是四維的。

煤礦TGIS“一張圖”智能管控平臺(tái)主要包括面向智能化管理和控制的時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)(TGIS)、“數(shù)據(jù)子系統(tǒng)”(數(shù)據(jù)采集與控制)、“服務(wù)子系統(tǒng)”(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及“一張圖”服務(wù))和“控制子系統(tǒng)”(智能化裝備控制)。

(1)時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)。由于智能開(kāi)采具有自動(dòng)化、協(xié)同化、在線化的特點(diǎn)，時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)不僅能夠兼顧智能化開(kāi)采全過(guò)程要素的空間、時(shí)間、專題屬性3方面特征，能夠表達(dá)和存儲(chǔ)要素狀態(tài)和變化過(guò)程，而且還能夠通過(guò)空間、時(shí)間關(guān)聯(lián)接入開(kāi)采環(huán)節(jié)相關(guān)的各類專題屬性數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等。

(2)數(shù)據(jù)子系統(tǒng)。將采集的智能化設(shè)備數(shù)據(jù)、地質(zhì)解析數(shù)據(jù)、安全生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等統(tǒng)一存儲(chǔ)到一張圖時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)中。一張圖時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)是GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)充和完善，其構(gòu)建是在傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加對(duì)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的支持，實(shí)現(xiàn)礦山“開(kāi)采前、開(kāi)采中、開(kāi)采后”整個(gè)時(shí)空演化過(guò)程的全流程管理和存儲(chǔ)。

系統(tǒng)基于OPC，Modbus，Socket，Http等公有或私有通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，采集完的數(shù)據(jù)通過(guò)消息隊(duì)列系統(tǒng)發(fā)布，供GIS組態(tài)控制系統(tǒng)、三維透明化工作面控制系統(tǒng)、安全生產(chǎn)管控平臺(tái)訂閱使用；同時(shí)系統(tǒng)也訂閱以上系統(tǒng)的控制指令，服務(wù)于對(duì)工作面設(shè)備的集中控制。

圖10 面向煤礦綜采工作面智能管控的TGIS平臺(tái)框架Fig.10 TGIS platform framework for intelligent management and control of coal mine fully mechanized coal mining face

(3)服務(wù)子系統(tǒng)?；谝粡垐D時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，提供工作面基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)發(fā)布及更新服務(wù)，并通過(guò)對(duì)開(kāi)采實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析處理，結(jié)合工作面三維地質(zhì)模型，提供開(kāi)采區(qū)域模型動(dòng)態(tài)更新、實(shí)時(shí)剖切、采煤截割線、俯仰采規(guī)劃線等所有與空間數(shù)據(jù)相關(guān)的服務(wù)接口，是銜接地質(zhì)模型空間場(chǎng)景與智能開(kāi)采設(shè)備場(chǎng)景的中樞環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)模型與開(kāi)采設(shè)備模型的無(wú)縫耦合。

系統(tǒng)采用消息隊(duì)列方式將自動(dòng)化數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布、分發(fā)及存儲(chǔ)。消息隊(duì)列系統(tǒng)是整個(gè)平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸和通信的神經(jīng)中樞，對(duì)外提供消息隊(duì)列發(fā)布訂閱服務(wù)，負(fù)責(zé)平臺(tái)所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及消息的發(fā)布與訂閱，保證各個(gè)系統(tǒng)之間消息、數(shù)據(jù)、指令的即時(shí)傳輸。同時(shí)，消息隊(duì)列系統(tǒng)還為第3方系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口服務(wù)并歸檔存儲(chǔ)變化的歷史數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的歸檔和存儲(chǔ)，為可視化管控系統(tǒng)提供歷史數(shù)據(jù)查詢、分析和數(shù)據(jù)挖掘。

(4)控制子系統(tǒng)。采用TGIS可視化方式，提供多維管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是整個(gè)平臺(tái)所有數(shù)據(jù)可視化管理和遠(yuǎn)程控制的自動(dòng)或人機(jī)交互窗口，通過(guò)與數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)礦井各類信息的融合集成和聯(lián)動(dòng)控制。系統(tǒng)提供了包括地層、巷道、設(shè)備、人員等專題內(nèi)容在內(nèi)的礦井二維及三維地理空間可視化環(huán)境，實(shí)時(shí)獲取消息隊(duì)列系統(tǒng)發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)，以GIS組態(tài)控制、二維平面或三維透明化場(chǎng)景控制、安全生產(chǎn)管控平臺(tái)的方式實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)聯(lián)控分析和自適應(yīng)、交互式管控應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)礦井少人或無(wú)人工作。

2.2 基于TGIS平臺(tái)的組態(tài)控制技術(shù)

智能管控TGIS平臺(tái)提供了對(duì)組態(tài)控制的多種支持，方便對(duì)接和集成現(xiàn)有裝備管控體系，充分發(fā)揮GIS平臺(tái)在空間數(shù)據(jù)管理和“一張圖”一體化集成及關(guān)聯(lián)方面的優(yōu)勢(shì)，將煤礦井下地理信息與智能化設(shè)備運(yùn)行、定位和控制有機(jī)結(jié)合，形成一張高精度的開(kāi)采規(guī)劃地圖，指導(dǎo)采煤機(jī)及成套裝備按照規(guī)劃路徑自適應(yīng)開(kāi)采。

(1)提供對(duì)傳統(tǒng)組態(tài)控制接口的支持。煤礦現(xiàn)有生產(chǎn)裝備和各類輔助子系統(tǒng)通常已經(jīng)建立了組態(tài)控制或綜合自動(dòng)化集控系統(tǒng)，TGIS平臺(tái)可以通過(guò)組件開(kāi)發(fā)和集成，將GIS地圖、透明化礦山場(chǎng)景中的各類設(shè)備與組態(tài)對(duì)象建立關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)在GIS統(tǒng)一平臺(tái)環(huán)境下，對(duì)智能化裝備的遠(yuǎn)程控制，如圖11所示。

(2)提供GIS原生組態(tài)可視化及控制支持?；谧灾鱐GIS平臺(tái)，融合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)，將組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)可視化及控制融入GIS內(nèi)核，在GIS平臺(tái)中增加實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展現(xiàn)、腳本化數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、工業(yè)控制接口集成等功能，充分發(fā)揮GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理支撐，借助高精度空間定位，將真實(shí)一張圖宏觀空間場(chǎng)景與開(kāi)采設(shè)備微觀模型無(wú)縫耦合，實(shí)現(xiàn)基于GIS“一張圖”的工作面智能開(kāi)采控制。

(3)提供工作面設(shè)備驅(qū)動(dòng)支持?；赥GIS平臺(tái)開(kāi)發(fā)了通用Modbus設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊，支持綜采工作面的電液控系統(tǒng)、采煤機(jī)及帶式運(yùn)輸系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)、組合開(kāi)關(guān)、定位導(dǎo)航設(shè)備等通過(guò)Modbus方式的數(shù)據(jù)采集和交互控制，實(shí)現(xiàn)通過(guò)TGIS平臺(tái)與井下設(shè)備之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理和交互控制等。

圖11 GIS平臺(tái)集成組態(tài)控制接口Fig.11 GIS platform integrated configuration control interface

3 智能自適應(yīng)割煤技術(shù)和系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)郭屯煤礦3301，2305工作面的智能化裝備、5G通信(2020-06-18開(kāi)通運(yùn)行)和煤層等數(shù)據(jù)，建立了TGIS智能管控平臺(tái)和相關(guān)集成應(yīng)用系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了較為復(fù)雜地質(zhì)條件下的綜采工作面智能自適應(yīng)割煤，系統(tǒng)部分界面如圖12所示。主要步驟和應(yīng)用如下：

(1)工作面設(shè)備依次開(kāi)啟運(yùn)行后，采煤機(jī)通過(guò)GITP模塊向TGIS智能管控平臺(tái)請(qǐng)求地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，管控平臺(tái)將修正數(shù)據(jù)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至采煤機(jī)，指導(dǎo)采煤機(jī)自適應(yīng)割煤。

(2)自適應(yīng)割煤過(guò)程中，慣導(dǎo)系統(tǒng)連續(xù)測(cè)量采煤機(jī)位姿，測(cè)量機(jī)器人動(dòng)態(tài)修正慣導(dǎo)誤差，管控平臺(tái)實(shí)時(shí)展示采煤機(jī)和三維地質(zhì)模型空間位置信息，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與地質(zhì)模型的耦合。

(3)管控平臺(tái)利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架、三機(jī)及輸送帶系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)還原，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；需要遠(yuǎn)程干預(yù)時(shí)，地面集控員可切換至遠(yuǎn)程干預(yù)模式，對(duì)采煤機(jī)、支架系統(tǒng)、三機(jī)及輸送帶進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)控制；平臺(tái)同步記錄采煤機(jī)、液壓支架循環(huán)作業(yè)數(shù)據(jù)，為工作面大數(shù)據(jù)智能分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖12 煤礦綜采工作面自適應(yīng)采煤系統(tǒng)Fig.12 Adaptive coal mining system for fully mechanized coal mining face

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)+國(guó)產(chǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)，自動(dòng)追蹤巷道導(dǎo)線點(diǎn)三維大地坐標(biāo)和坐標(biāo)中繼傳輸追蹤網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)等固定或移動(dòng)標(biāo)志點(diǎn)大地坐標(biāo)的動(dòng)態(tài)賦值和修正，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與地質(zhì)模型的自適應(yīng)耦合。

(2)透明化綜采工作面的建立和動(dòng)態(tài)更新。通過(guò)鉆探、物探、巷道素描、工作面實(shí)際揭露、煤巖層識(shí)別成果或交接班地層分界測(cè)量數(shù)據(jù)、三維地震動(dòng)態(tài)解譯等數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)修正三維地質(zhì)模型，自動(dòng)剖切地質(zhì)模型生成采煤截割線、俯仰采基線；基于GIS+BIM+VR技術(shù)和統(tǒng)一的大地坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)模型、設(shè)備模型、開(kāi)采環(huán)境、機(jī)電設(shè)備控制與設(shè)備模型之間的拓?fù)浜瓦壿嬯P(guān)系的一體化集成，為遠(yuǎn)程決策和智能自適應(yīng)控制提供可視化地理環(huán)境。

(3)實(shí)現(xiàn)了綜采工作面5G信號(hào)全覆蓋和采煤機(jī)、視頻、慣導(dǎo)、測(cè)量機(jī)器人、地質(zhì)雷達(dá)等信息的傳輸，不僅有效解決了移動(dòng)裝備線纜難鋪設(shè)、架間電纜易損傷、MESH等傳輸帶寬低和穩(wěn)定性差等難題，而且為遠(yuǎn)程可視化自適應(yīng)控制提供可靠、實(shí)時(shí)的信息傳輸。

(4)研發(fā)了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TGIS“一張圖”智能管控平臺(tái)，構(gòu)建了數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制、多專業(yè)專題圖形的分布式協(xié)同和動(dòng)態(tài)修正、智能開(kāi)采大數(shù)據(jù)分析、安全生產(chǎn)全業(yè)務(wù)流程的智能管理和透明化綜采工作面動(dòng)態(tài)修正等功能的集成管理，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面自適應(yīng)截割等遠(yuǎn)程管控。

(5)地面遠(yuǎn)程管控。將集控中心由地下轉(zhuǎn)為地面，實(shí)現(xiàn)在地面調(diào)度室控制三機(jī)、采煤機(jī)規(guī)劃截割等遠(yuǎn)程功能。

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