唐口煤業(yè)10304綜掘工作面數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任文濤,朱禮建,梁志斌,郭存遠(yuǎn)

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

0 引言

煤炭行業(yè)當(dāng)前具有生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)高、污染大、井下設(shè)備龐雜等特點(diǎn)。在淘汰落后產(chǎn)能的大背景下,亟需對(duì)現(xiàn)有礦井進(jìn)行智能化轉(zhuǎn)型。這既是對(duì)現(xiàn)有作業(yè)方式和條件的改變,也是煤炭企業(yè)未來(lái)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(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)基于組態(tài)軟件技術(shù)實(shí)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(dòng)等因素影響,畫面質(zhì)量低、信號(hào)延時(shí)長(zhǎng),難以直觀、準(zhǔn)確反映掘進(jìn)工作面的實(shí)時(shí)環(huán)境、人員安全及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí),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(wú)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(yán)重制約了唐口煤業(yè)未來(lái)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(jìn)系統(tǒng)研究還處于初級(jí)階段,諸多國(guó)內(nèi)學(xué)者也致力于該課題的深入探索。中國(guó)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(yuǎn)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(shí)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(shì)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境,開展了多項(xiàng)創(chuàng)新性研究,減輕了10304綜掘工作面人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,降低了安全隱患。設(shè)計(jì)功能和指標(biāo)符合驗(yàn)收辦法,符合國(guó)家“少人則安、無(wú)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(chǎng)景,乃至于隧道盾構(gòu)施工等場(chǎng)景中,具有廣闊的市場(chǎng)前景和競(jìng)爭(zhēng)力。

1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)基于數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面三維模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體的同步動(dòng)作展示。通過(guò)激光測(cè)距、慣性導(dǎo)航及AI圖像識(shí)別,完成了對(duì)截割臂、截割頭及液壓支撐部位置的位姿檢測(cè)。系統(tǒng)采用PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,對(duì)掘進(jìn)機(jī)相對(duì)巷道的橫滾角、俯仰角、偏航角、前進(jìn)距離進(jìn)行解算并確定掘進(jìn)機(jī)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(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和自主截割。系統(tǒng)還初步實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面三維地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)修正及模型結(jié)構(gòu)的精確表達(dá),內(nèi)容包括掘進(jìn)巷道煤層頂?shù)装宸纸纭⒚簩訆A矸、巷道斷面成型質(zhì)量及支護(hù)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(shí)現(xiàn)掘進(jìn)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(jī)位姿檢測(cè)

位姿檢測(cè)的本質(zhì)是巷道坐標(biāo)系和機(jī)身坐標(biāo)系的關(guān)聯(lián),難點(diǎn)在于基準(zhǔn)信息和機(jī)身信息的交匯。激光測(cè)距方法測(cè)量精度高、長(zhǎng)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(jìn)激光測(cè)距精度降低等局限。通過(guò)激光測(cè)距與慣性導(dǎo)航的組合方案,使測(cè)量系統(tǒng)具有魯棒性高、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),組合測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用到掘錨一體機(jī)位姿檢測(cè),可以獲得較好的效果。

2.2 綜掘機(jī)自主截割成型控制

自主截割成型控制是對(duì)綜掘機(jī)截割臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制,規(guī)劃截割頭的軌跡,實(shí)現(xiàn)巷道斷面準(zhǔn)確成型的技術(shù)。通過(guò)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(guò)在機(jī)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(hào),經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)程序計(jì)算下發(fā)至PLC控制器,PLC處理后發(fā)出控制信號(hào),經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)比例放大器控制截割臂及截割滾筒沿計(jì)算軌跡運(yùn)動(dòng),實(shí)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(chǔ)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(guò)去采用實(shí)時(shí)表和歷史表的方法對(duì)安全監(jiān)測(cè)、人員定位、機(jī)電設(shè)備管理等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理的方式就凸顯局限性[6]。針對(duì)唐口煤業(yè)掘進(jìn)工作面現(xiàn)有部署的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)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(kù)存儲(chǔ)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(jì),對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高吞吐量、高性能的即時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

對(duì)于一些工業(yè)控制數(shù)據(jù),采用Cirro Data-Ti meS時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù),完成秒級(jí)頻率的大數(shù)據(jù)量的高并發(fā)寫入與查詢?；跁r(shí)序場(chǎng)景的計(jì)算能力,實(shí)現(xiàn)煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)序數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分發(fā)和計(jì)算。

3 數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái)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(jī)構(gòu)在某些方面存在不同見解,尚未達(dá)成統(tǒng)一共識(shí)。但均不脫離物理實(shí)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(jì)遵循國(guó)家指導(dǎo)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”層級(jí)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(shí)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(tái)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)對(duì)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(tái),聚焦唐口煤業(yè)日常掘進(jìn)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。系統(tǒng)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)和分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)。對(duì)于高價(jià)值的整合數(shù)據(jù)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)(如Mysql)技術(shù);對(duì)于內(nèi)容識(shí)別、批量計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘類的海量數(shù)據(jù)計(jì)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(shí)現(xiàn);對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高的數(shù)據(jù)處理將采用時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)以及Spark Streaming流式計(jì)算引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn);數(shù)據(jù)導(dǎo)入和抽取則采用MQTT、kaf ka、ETL技術(shù),實(shí)現(xiàn)把海量數(shù)據(jù)高效地輸送到存儲(chǔ)系統(tǒng)中?；赯ookeeper和YARN技術(shù),為數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的各類應(yīng)用程序進(jìn)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(jí)、跨尺度表征現(xiàn)實(shí)世界物體最重要的橋梁。通過(guò)使用Creo軟件,結(jié)合模型材質(zhì)、粒子效果進(jìn)行制作設(shè)計(jì),對(duì)掘進(jìn)機(jī)、后配套設(shè)施(轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶輸送機(jī)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(jìn)行三維建模并利用Blender軟件進(jìn)行輕量化處理。利用采集井下的實(shí)體裝備的運(yùn)行數(shù)據(jù),利用Unity3D引擎對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)律、物理特性等參數(shù)的配置,并進(jìn)行虛擬設(shè)備仿真,建立了數(shù)字孿生模型庫(kù),如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生模型庫(kù)

數(shù)字孿生除了對(duì)設(shè)備表征物理實(shí)體的狀態(tài),還應(yīng)對(duì)工藝進(jìn)行仿真。該模塊在3D場(chǎng)景中按照從“掘錨一體機(jī)—轉(zhuǎn)載機(jī)—皮帶輸送機(jī)”的實(shí)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(jìn)行流程動(dòng)畫的播放。用戶可以根據(jù)需求選擇對(duì)應(yīng)的按鍵觀看生產(chǎn)流程。通過(guò)各傳感器、高清視頻等實(shí)時(shí)獲取掘進(jìn)設(shè)備以及配套設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),驅(qū)動(dòng)三維模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體的同步動(dòng)作展示?？梢暬故娟P(guān)鍵設(shè)備動(dòng)畫動(dòng)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(shí)了解生產(chǎn)過(guò)程及資源調(diào)度。

5 結(jié)語(yǔ)

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(duì)掘進(jìn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)孿生、實(shí)時(shí)反饋、交互映射智能控制的一次重要實(shí)踐,結(jié)合10304工作面現(xiàn)場(chǎng)情況,提出了系統(tǒng)的總體架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu),驗(yàn)證并應(yīng)用了數(shù)字孿生、先進(jìn)控制、大數(shù)據(jù)技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)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(jí)。隨著未來(lái)新技術(shù)的不斷發(fā)展,系統(tǒng)也將不斷迭代升級(jí),為唐口煤業(yè)智能化建設(shè)進(jìn)一步賦能。