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综采工作面三机数字孪生及协同建模方法

刘清 张龙 李天越 杜鹏飞

刘清,张龙,李天越,等. 综采工作面三机数字孪生及协同建模方法[J]. 工矿自动化,2023,49(2):47-55.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120061
引用本文: 刘清,张龙,李天越,等. 综采工作面三机数字孪生及协同建模方法[J]. 工矿自动化,2023,49(2):47-55.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120061
LIU Qing, ZHANG Long, LI Tianyue, et al. A three machine digital twin and collaborative modeling method for fully mechanized working face[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(2):47-55.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120061
Citation: LIU Qing, ZHANG Long, LI Tianyue, et al. A three machine digital twin and collaborative modeling method for fully mechanized working face[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(2):47-55.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120061

综采工作面三机数字孪生及协同建模方法

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120061
基金项目: 山东省重点研发计划项目(2020CXGC011501)。
详细信息
    作者简介:

    刘清(1984—),男,河北秦皇岛人,副研究员,硕士,现主要从事自动化及无人化开采技术方面的研究工作,E-mail:liuqing@tdmarco.com

  • 中图分类号: TD67

A three machine digital twin and collaborative modeling method for fully mechanized working face

  • 摘要: 针对现有煤矿设备数字孪生建模方法主要侧重对单一设备进行建模,缺少三机耦合协同关系分析的问题,提出了综采工作面三机数字孪生及协同建模方法。采用智能体建模方法构建包含感知单元、控制单元和执行单元的采煤机、液压支架、刮板输送机智能体模型,依据三维建模流程构建对应的可视化模型,以智能体模型驱动三维模型运动,二者结合构成三机数字孪生模型;采用离散事件建模方法构建涵盖三机数字孪生模型交互过程的协同工艺模型,按照时序梳理三机开采工艺,形成三机协同工艺时序表。数字孪生模型用于描述综采三机的状态与行为,进行个体层面的仿真计算;协同工艺模型用于表征数字孪生模型之间的时序动作转换,实现对三机协同过程整体的推演。采煤机数字孪生模型的摇臂升降仿真实验结果表明,与真实设备测量数据对比,模型误差小,摇臂倾角平均误差为2.3°;液压支架数字孪生模型的连续升柱动作仿真实验结果表明,模型与真实设备的一致性好,与真实设备测量数据对比,角度平均误差为0.14°,行程平均误差为6.3 mm;结合煤矿实际生产日志对构建的三机协同模型进行虚实仿真实验,结果表明,所构建的综采工作面三机数字孪生模型与真实设备实现了相互映射,仿真结果与真实记录接近,三机协同模型可以较为准确地反映协同开采过程。综采工作面三机数字孪生及协同建模方法为综采设备及其协同关系的数字孪生建模提供了新思路。

     

  • 图  1  数字孪生模型、智能体模型与三维模型的关系

    Figure  1.  Relation among digital twin model, agent model and 3D model

    图  2  智能体模型组成

    Figure  2.  The agent model components

    图  3  三维模型建模流程

    Figure  3.  3D model modeling flow

    图  4  真实采煤机与三维模型对比

    Figure  4.  Comparison of real shearer and 3D model

    图  5  采煤机左侧摇臂倾角数字孪生数据与真实数据对比曲线

    Figure  5.  Comparison curves between digital twin data and real data of dip angle of shearer left rocker arm

    图  6  简化的液压支架杆系结构

    Figure  6.  Simplified structure of hydraulic support rod system

    图  7  真实液压支架与三维模型对比

    Figure  7.  Comparison of real equipment and 3D model of hydraulic support

    图  8  液压支架姿态各变量连续变化曲线

    Figure  8.  Continuous change curves of various variables of hydraulic support attitude

    图  9  真实刮板输送机与三维模型对比

    Figure  9.  Comparison of real equipment and 3D model of scraper conveyor

    图  10  三机协同三维模型

    Figure  10.  Three machine collaborative 3D model

    图  11  三机协同时序仿真

    Figure  11.  Time sequence simulation of three machine collaboration

    表  1  采煤机关键感知数据项

    Table  1.   Key perception data items of shearer

    数据类型及传感器关键感知数据项
    结构尺寸滚筒:直径、截深
    摇臂:长度、旋转锚点
    机身:长度、宽度、厚度
    倾角传感器左右摇臂升降角度
    行程传感器左右滚筒采高卧底
    测速传感器采煤机行进速度
    编码器/红外发射器采煤机位置
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    表  2  液压支架运动仿真结果

    Table  2.   Hydraulic support motion simulation reaults

    项目后连杆
    角度/(°)
    前连杆
    角度/(°)
    立柱杆
    角度/(°)
    平衡杆
    角度/(°)
    掩护梁
    角度/(°)
    顶梁
    角度/(°)
    立柱
    长度/ mm
    平衡杆
    长度/ mm
    支护
    高度/mm
    初始值100.00100.0080.0020.0020.0003000.001000.003800.00
    最终值107.17122.8977.6232.5040.8503163.701137.403800.00
    测量值107.02123.0377.5132.2140.750.053158.591130.213793.39
    误差0.150.140.110.290.100.055.117.196.61
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    表  3  部分三机协同工艺时序表数据

    Table  3.   Partial three machine collaborative process schedule data

    事件名称动作执行
    对象
    指令持续
    时间/s
    动作
    指令
    采煤机开始
    位置/架
    采煤机结束
    位置/架
    割底煤采煤机5牵启170170
    3左降170170
    4右牵170168
    4加速168150
    机尾顺序移架175号支架3降柱165164
    4移架164163
    4升柱163162
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-19
  • 修回日期:  2023-02-09
  • 网络出版日期:  2023-02-27

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