任文濤,朱禮建,梁志斌,郭存遠

(1.山東唐口煤業(yè)有限公司, 山東 濟寧市 272055;2.北京東方國信科技股份有限公司, 北京 100102)

0 引言

煤炭行業(yè)當前具有生產(chǎn)風(fēng)險高、污染大、井下設(shè)備龐雜等特點。在淘汰落后產(chǎn)能的大背景下,亟需對現(xiàn)有礦井進行智能化轉(zhuǎn)型。這既是對現(xiàn)有作業(yè)方式和條件的改變,也是煤炭企業(yè)未來發(fā)展的必然要求[1]。

山東唐口煤業(yè)原有部署的10304綜掘工作面礦井掘進監(jiān)控系統(tǒng)基于組態(tài)軟件技術(shù)實現(xiàn)。系統(tǒng)存在監(jiān)控延遲高、系統(tǒng)故障多、智能化水平較低等問題。視頻監(jiān)控系統(tǒng)受粉塵、振動等因素影響,畫面質(zhì)量低、信號延時長,難以直觀、準確反映掘進工作面的實時環(huán)境、人員安全及設(shè)備運行狀態(tài)。同時,系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備數(shù)據(jù)孤立分散,造成大量數(shù)據(jù)資源流失。復(fù)雜的工作面環(huán)境加上無法有效監(jiān)管,既不利于生產(chǎn)效率的提高,也存在極大的人員安全隱患,嚴重制約了唐口煤業(yè)未來的發(fā)展。

目前,以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)的煤礦智能掘進系統(tǒng)研究還處于初級階段,諸多國內(nèi)學(xué)者也致力于該課題的深入探索。中國工程院院士、北京礦業(yè)大學(xué)葛世榮教授提出了煤礦數(shù)字孿生綜采工作面技術(shù)架構(gòu)[2]。西安科技大學(xué)張旭輝博士將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于采掘裝備遠程智能控制,提出了設(shè)備群控的新思路[3]。張帆等學(xué)者提出了煤礦數(shù)字孿生“數(shù)據(jù)信息流”和智采工作面概念[4]。王佳奇等研究學(xué)者構(gòu)建了煤礦瓦斯事故孿生模型,實現(xiàn)井下災(zāi)害的超前預(yù)警和應(yīng)急管理[5]。

唐口綜掘數(shù)字孿生系統(tǒng)基于之前學(xué)者的研究思路,結(jié)合自身技術(shù)優(yōu)勢和現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境,開展了多項創(chuàng)新性研究,減輕了10304綜掘工作面人員的勞動強度,降低了安全隱患。設(shè)計功能和指標符合驗收辦法,符合國家“少人則安、無人則安”的煤礦安全建設(shè)理念。本系統(tǒng)還可應(yīng)用于其他煤礦連采、掘錨場景,乃至于隧道盾構(gòu)施工等場景中,具有廣闊的市場前景和競爭力。

1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)基于數(shù)字孿生實現(xiàn)了掘進工作面三維模型與現(xiàn)場實體的同步動作展示。通過激光測距、慣性導(dǎo)航及AI圖像識別,完成了對截割臂、截割頭及液壓支撐部位置的位姿檢測。系統(tǒng)采用PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,對掘進機相對巷道的橫滾角、俯仰角、偏航角、前進距離進行解算并確定掘進機自主導(dǎo)航優(yōu)化控制策略,結(jié)合巷道斷面及底板起伏等地質(zhì)條件,實現(xiàn)自主導(dǎo)航和自主截割。系統(tǒng)還初步實現(xiàn)掘進工作面三維地質(zhì)模型動態(tài)修正及模型結(jié)構(gòu)的精確表達,內(nèi)容包括掘進巷道煤層頂?shù)装宸纸?、煤層夾矸、巷道斷面成型質(zhì)量及支護方式、水文地質(zhì)異常區(qū)等地質(zhì)環(huán)境,并依托建立的三維地質(zhì)模型實現(xiàn)掘進業(yè)務(wù)的決策輔助。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 掘錨一體機位姿檢測

位姿檢測的本質(zhì)是巷道坐標系和機身坐標系的關(guān)聯(lián),難點在于基準信息和機身信息的交匯。激光測距方法測量精度高、長期穩(wěn)定性好,但也存在工作面粉塵影響照射距離、隨著工作面推進激光測距精度降低等局限。通過激光測距與慣性導(dǎo)航的組合方案,使測量系統(tǒng)具有魯棒性高、抗干擾能力強、動態(tài)性能強等優(yōu)勢。經(jīng)現(xiàn)場試驗,組合測量系統(tǒng)應(yīng)用到掘錨一體機位姿檢測,可以獲得較好的效果。

2.2 綜掘機自主截割成型控制

自主截割成型控制是對綜掘機截割臂的運動進行控制,規(guī)劃截割頭的軌跡,實現(xiàn)巷道斷面準確成型的技術(shù)。通過分析截割臂、截割滾筒與斷面尺寸之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,建立幾何學(xué)模型,通過在機身上部署的傳感器及廠商開放的接口數(shù)據(jù),采集截割臂垂直及水平傾角信號,經(jīng)過設(shè)計程序計算下發(fā)至PLC控制器,PLC處理后發(fā)出控制信號,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器驅(qū)動比例放大器控制截割臂及截割滾筒沿計算軌跡運動,實現(xiàn)成巷質(zhì)量提升的目的。程序執(zhí)行流程如圖1所示。

圖1 程序執(zhí)行流程

2.3 數(shù)據(jù)的存儲與集成技術(shù)

隨著礦井部署系統(tǒng)的增加,數(shù)據(jù)量劇增。煤礦過去采用實時表和歷史表的方法對安全監(jiān)測、人員定位、機電設(shè)備管理等實時數(shù)據(jù)進行存儲和管理的方式就凸顯局限性[6]。針對唐口煤業(yè)掘進工作面現(xiàn)有部署的監(jiān)測系統(tǒng)實際情況及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)屬性,采用BEH大規(guī)模并行處理數(shù)據(jù)庫存儲主要設(shè)備電氣參數(shù)、部分環(huán)境參數(shù),以及數(shù)字孿生三維模型的材質(zhì)、屬性等數(shù)據(jù),完成海量數(shù)據(jù)的加工與統(tǒng)計,對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)實現(xiàn)高吞吐量、高性能的即時數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

對于一些工業(yè)控制數(shù)據(jù),采用Cirro Data-Ti meS時序數(shù)據(jù)庫,完成秒級頻率的大數(shù)據(jù)量的高并發(fā)寫入與查詢?；跁r序場景的計算能力,實現(xiàn)煤礦自動化系統(tǒng)時序數(shù)據(jù)的采集、存儲、分發(fā)和計算。

3 數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺的構(gòu)建

雖然在數(shù)字孿生技術(shù)與煤礦應(yīng)用領(lǐng)域深度融合方面,不同機構(gòu)在某些方面存在不同見解,尚未達成統(tǒng)一共識。但均不脫離物理實體、數(shù)字模型、數(shù)據(jù)、連接、服務(wù)等核心要素。

系統(tǒng)設(shè)計遵循國家指導(dǎo)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”層級架構(gòu),結(jié)合MDTM(Mine Digital Twin Modeling)的5層結(jié)構(gòu),自下而上逐步構(gòu)建礦山全要素物理實體、礦山信息物理融合層、礦山數(shù)字孿生模型層、礦山孿生數(shù)據(jù)交互層、礦山智能應(yīng)用服務(wù)層,如圖2所示。

圖2 礦山數(shù)字孿生平臺與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)對應(yīng)關(guān)系

系統(tǒng)按照“云＋邊＋端”結(jié)構(gòu),基于Cloudiip工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,聚焦唐口煤業(yè)日常掘進業(yè)務(wù)需求進行設(shè)計開發(fā)。系統(tǒng)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫、時序數(shù)據(jù)庫和分布式數(shù)據(jù)存儲的混搭架構(gòu),不同數(shù)據(jù)類型及不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分開存儲。對于高價值的整合數(shù)據(jù)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(如Mysql)技術(shù);對于內(nèi)容識別、批量計算、數(shù)據(jù)挖掘類的海量數(shù)據(jù)計算,采用Hadoop生態(tài)體系 技 術(shù),使 用 包 括MAP/REDUCE、Spark、Hbase、HIVE等工具實現(xiàn);對于實時性要求很高的數(shù)據(jù)處理將采用時序數(shù)據(jù)庫以及Spark Streaming流式計算引擎技術(shù)實現(xiàn);數(shù)據(jù)導(dǎo)入和抽取則采用MQTT、kaf ka、ETL技術(shù),實現(xiàn)把海量數(shù)據(jù)高效地輸送到存儲系統(tǒng)中。基于Zookeeper和YARN技術(shù),為數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的各類應(yīng)用程序進行資源管理和調(diào)度。

4 數(shù)字孿生模型的仿真

數(shù)字孿生模型是數(shù)字孿生系統(tǒng)的關(guān)鍵,也是跨層級、跨尺度表征現(xiàn)實世界物體最重要的橋梁。通過使用Creo軟件,結(jié)合模型材質(zhì)、粒子效果進行制作設(shè)計,對掘進機、后配套設(shè)施(轉(zhuǎn)載機、皮帶輸送機等)、巷道工程設(shè)施(如巷道、風(fēng)筒、風(fēng)水管路、金屬網(wǎng)、鋼帶、錨桿、錨索等)進行三維建模并利用Blender軟件進行輕量化處理。利用采集井下的實體裝備的運行數(shù)據(jù),利用Unity3D引擎對數(shù)字孿生模型進行運動規(guī)律、物理特性等參數(shù)的配置,并進行虛擬設(shè)備仿真,建立了數(shù)字孿生模型庫,如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生模型庫

數(shù)字孿生除了對設(shè)備表征物理實體的狀態(tài),還應(yīng)對工藝進行仿真。該模塊在3D場景中按照從“掘錨一體機—轉(zhuǎn)載機—皮帶輸送機”的實際工藝流水線仿真展示生產(chǎn)的整體流程,并提供UI按鍵進行流程動畫的播放。用戶可以根據(jù)需求選擇對應(yīng)的按鍵觀看生產(chǎn)流程。通過各傳感器、高清視頻等實時獲取掘進設(shè)備以及配套設(shè)備的運行監(jiān)測數(shù)據(jù),驅(qū)動三維模型與現(xiàn)場實體的同步動作展示。可視化展示關(guān)鍵設(shè)備動畫動作、煤炭流向、生產(chǎn)流程流暢程度等,幫助生產(chǎn)管理者及時了解生產(chǎn)過程及資源調(diào)度。

5 結(jié)語

唐口煤業(yè)綜掘數(shù)字孿生系統(tǒng)是復(fù)雜地質(zhì)條件下,對掘進業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)孿生、實時反饋、交互映射智能控制的一次重要實踐,結(jié)合10304工作面現(xiàn)場情況,提出了系統(tǒng)的總體架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu),驗證并應(yīng)用了數(shù)字孿生、先進控制、大數(shù)據(jù)技術(shù)等多項先進關(guān)鍵技術(shù)。當前,煤礦智能化建設(shè)正在各地如火如荼地開展,并取得了一定的階段性成果,但以“云大物智移”為代表的新型信息技術(shù)與煤礦業(yè)務(wù)融合還較為初級。隨著未來新技術(shù)的不斷發(fā)展,系統(tǒng)也將不斷迭代升級,為唐口煤業(yè)智能化建設(shè)進一步賦能。