煤矿虚拟工作面构建与综采设备操控技术研究及应用

完成单位：西安科技大学、西安煤矿机械有限公司

完成人：张旭辉、马宏伟、毛清华、赵友军、王川伟、樊红卫、刘志明、姜俊英、杜昱阳

奖励类别：2018年度陕西省科学技术二等奖

项目简介：

一、立项背景

未来较长一段时期内，煤炭依然是我国的主体能源。煤矿生产的自动化、信息化和智能化是煤矿安全绿色生产的必由之路，自动截割技术及装备来实现少人甚至无人生产的关键。近年来采用记忆截割控制+视频人工异常干预策略有力推进了井下自动化进程。随着大采高、极薄煤层等极端条件煤层开采的增多，雾尘环境视频图像不清楚、用于人工干预决策的设备位姿数据不足、工作面视频表达复杂环境效果欠佳，严重制约了综采工作面自动化的发展。因此，借助虚拟现实（Vitual Reality，VR）技术具有融合人的感觉、知觉和多种数字信息的能力，构建“人、机、环”有机交互的综采工作面多维空间模型，实现煤矿井下复杂危险作业环境的综采设备远程智能操控，是目前国内外智能开采研究的重要内容和重点攻关内容。

二、项目创新点:

经过近10年的技术攻关和实践，该项目在数字工作面构建及综采设备远程智能操控方面取得了重大创新与突破，攻克了煤矿精准开采中多维数据整合方面系列难题，构建了“虚实同步、数据驱动、远程干预、人机协作”煤矿综采设备远程智能控制体系，见图1，对解决目前煤矿井下工作面煤岩界面识别、少人或无人自动截割控制、设备群间异常检测等问题意义重大。主要创新点如下：

1.基于煤矿地质数据和VR技术的虚拟工作面模型构建方法 运用煤矿地质数据和虚拟现实技术，建立了工作面煤层、设备及场景深度优化模型，实现了虚拟模型的高执行效率和高显示质量；研发综采工作面设备虚拟现实操控系统，实现了采煤工艺自由组合和自动控制和工作面设备远程操控。

2.数据驱动的采煤机截割轨迹预测与工作面模型动态修正 研究了基于滑窗与灰色马尔科夫链的采煤机调高轨迹预测方法，解决了滑动窗口的宽度选择问题，实现了采煤机截割轨迹精确预测；研发数据驱动的采煤机调高轨迹预测与虚拟工作面动态修正系统，实现了工作面设备远程虚实同步控制。

3.基于VR的工作面设备群间防碰撞检测和三维可视化远程干预控制 建立了基于包围盒的工作面设备群操控及运动响应虚拟模型，实现了综采工作面设备间防碰撞预警，利用设备虚拟样机间的碰撞检测，实现设备间碰撞预警，人机协同实现综采工作面设备群远程自动作业流程监测，在自动碰撞预警或人工观测工作面异常时，人为进行作业干预，保证综采工作面远程控制安全性，实现了基于虚拟工作面的截割轨迹预测和三机“虚实同步、数据驱动、远程干预、人机协作”的自动控制策略。

 

取得专利24项、软件著作权14项；发表论文40篇，其中SCI、EI收录10余篇；获陕西省、中国煤炭工业协会等省部级二等奖2项。

三、经济、社会效益及对推动行业科技进步的作用

成果中的设备操控系统及配套技术用于工作面设备远程控制，为人为干预提供直观的多维可视化数据支撑和碰撞自动预警服务，目前已应用在该公司生产的多个高端机型上，有效地提升了产品的技术水平。

该成果技术先进，达到国际先进水平，填补了煤矿井下虚拟操控技术应用的国内空白，在自动截割控制等关键技术方面取得突破。该技术的进一步推广应用，将会有力促进我国煤矿综采工作面的智能化水平，也可应用到行业技术人才培训，可显著降低煤矿企业的培训成本，缩短培训周期和提高培训效率，产生良好的经济效益和社会效益。

负责人简介：

张旭辉，西安科技大学教授，博士，博士生导师，陕西省中青年科技创新领军人才。现任西安科技大学机械工程学院院长、陕西省煤矿机电设备智能检测与控制重点科技创新团队带头人，煤矿机电设备智能检测与健康维护陕西省重点实验室常务副主任。现为IEEE会员、教育部学位与研究生教育发展中心论文评价同行专家、中国工程机械学会煤矿机械分会副秘书长，陕西机器人技术创新战略联盟常务理事，陕西省振动工程学会常务理事，中国力学学会高级会员。

长期从事煤矿机电设备智能检测与控制方面的理论及应用研究工作，在综采工作面自动截割技术、设备运行状态监测与故障诊断、工业系统虚拟仿真与远程控制等方面成果显著。主持承担国家绿色制造系统集成项目、国家自然科学基金、教育部科学技术重点项目、中国博士后基金等省部级项目近20项，企业合作项目30余项。七项科技成果省级鉴定结论为“国际先进”，先后获陕西省科学技术进步一、二、三等奖各1项，中国煤炭工业协会科学技术二等奖2项、三等奖3项，西安市科学技术二等奖1项，陕西高等学校科学技术奖励二等奖2项。参编规划教材5部，获陕西省优秀教材二等奖3项。获得软件著作权14项，授权国家专利80余项，其中发明专利40多项，发表学术论文130余篇。