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    • 論文
    主辦單位:煤炭科學研究總院有限公司、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

    西科大張旭輝團隊總結遠程智能掘進關鍵技術研究進展

    2022-01-19

    拓展閱讀:

    “煤礦快速智能掘進理論與技術”專題(《煤炭學報》)

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    “煤礦智能快速掘進技術與裝備”專題(《智能礦山》)


    截至2021年底,我國智能化采掘工作面已達687個,其中智能化采煤工作面431個,智能化掘進工作面256個。煤礦遠程智能掘進是實現少人甚至無人化掘進作業的根本目標和遠景,但在相關基礎理論、設備定位、定向導航與糾偏、成形截割、協同控制等方面還存在不足。

      

      針對巷道近程或地面遠程智能掘進場景控制需求,西安科技大學張旭輝教授團隊聯合西安煤礦機械等單位科研人員構建了數字孿生驅動下的掘進裝備遠程智能控制模型及技術體系,詳細介紹了遠程虛擬呈現、精確位姿感知、孿生數據共享、虛實同步驅動、工藝記憶截割、設備群碰撞預警等方面的研究進展。相關研究成果以《煤礦遠程智能掘進面臨的挑戰與研究進展》(點擊閱讀全文)為題于1月11日在《煤炭學報》進行了網絡首發。薛旭升博士為論文第一作者。

      

      遠程掘進應該包含本地控制和遠程控制內容。本地控制的實質是將掘進設備作為“移動機器人+串聯機械手”組合體,利用機器人正、逆運動學求解,以設計路徑參數為目標,以實時測量數據為反饋,達到伺服控制,軌跡跟蹤的結果,形成要求的形狀和尺寸的高質量巷道。解決了上述井下問題,在掘進面遠端或地面遠程控制時,除了關注井下工作面設備工況和控制狀態,需要解決數據直觀呈現的問題,為監控人員提供更多決策信息能夠在自動作業過程中對異常狀態進行人為干預,達到“人機協同”遠程掘進控制的目的。

      

      因此,以機器人技術、數字工作面、精確定位、自主導航、定形截割構建本地控制理論和技術基礎,解決遠程控制中的多維數據呈現、設備群碰撞、掘進工藝建模和人機協同機制問題,是遠程智能掘進的關鍵。

      

      研究人員提出了數字孿生驅動掘進裝備遠程智能控制技術構架,通過構建掘進工作面數字孿生體,將井下人員、設備、環境相關信息呈現到數字空間,虛實融合,共智互驅,達到數字掘進與物理掘進智能協同的目標,破解掘進施工中人-機-環共生安全難題。

      

    圖3.jpg

      數字孿生驅動掘進裝備遠程智能控制模型及技術體系


    圖4.jpg  

      遠程智能掘進總體控制架構


      該遠程控制系統主要功能如下:

      

     ?。?)基于激光點-線特征的掘進機機身和截割臂視覺測量,獲得井下巷道掘進設備移動中的精確位姿(包括位置和姿態)和截割臂實時位姿數據,結合掘進機參數解算出截割頭的運動軌跡;

      

     ?。?)利用(1)的結果,實現人工示教軌跡規劃,破解復雜工況和環境下的掘進機軌跡規劃難題,即熟練司機操作機身和截割臂完成一個截割循環,實時記錄位姿信息數據,下一個截割循環采用記憶數據控制掘進全過程中的機身和截割臂運動,實現自動化截割、自動刷幫等工藝環節。

      

     ?。?)以巷道、掘-支-運設備群等靜態信息,加上掘進中的巷道動態變化和設備實時位姿等數據,建立設備位姿顯示、運動學、協調控制、自主決策等方面的數學模型,構建掘進工作面人-機-環數字孿生體;

      

     ?。?)掘進監控中,以物理世界——井下掘進工作面設備群實時數據,驅動虛擬世界——掘進工作面孿生體,實現虛實同步運動和虛擬設備群位姿實時修正,從而保證虛擬空間呈現場景可以作為遠程控制的決策依據;

      

     ?。?)在虛擬空間可以借助力學碰撞原理,實現無傳感器數據的設備群全方位碰撞檢測和預警(通過幾何膨脹或閾值設定),與有人值守的遠程控制端人工決策有機結合,可以大大提高遠程掘進異常干預的自主性和智能化,為遠程掘進常態化提供技術支撐。


      研究從“DT+VR”(數字孿生+虛擬現實)井下巷道人-機-環智能管控技術、煤礦井下掘進機位姿精準測量理論、定向導航與糾偏技術、掘進機智能截割控制技術、掘進工作面群組協同與數字孿生驅動技術、“DT+VR”遠程智能掘進技術、遠程網絡控制系統實時性七方面,詳細介紹了遠程智能掘進關鍵技術研究進展。

      

      最后,研究人員指出:

      

     ?。?)“DT+VR”遠程決策方案已經在綜采工作面建設中得到重視和一定程度應用,掘進工作面掘-支-運并行作業設備群協同難,遠程控制數據繁雜,難以滿足人為干預決策方面需求等問題,更適合構建掘進工作面數字孿生體,將井下人員、設備、環境相關信息呈現到數字空間,實現虛實融合,共智互驅,達到數字掘進與物理掘進智能協同的目標,破解掘進施工中人-機-環共生安全難題。

      

     ?。?)無論“慣導+”“視覺+”位姿測量,都是目前解決煤礦狹長巷道長距離定位的手段,以非接觸式視覺測量手段,作為視覺里程計與慣導配合,或者單獨使用激光點、線特征實現巷道移動設備定位測量,通過解決礦用相機畸變校正、振動去模糊等技術后,具有高性價比、簡單實用的特點,具有良好的應用前景。

      

     ?。?)建立在掘進機定位數據基礎上的“人工示教”記憶截割是解決目前底板不穩定、掘進軌跡規劃難的有效途徑,基于視覺位姿實時測量的掘進機機身和截割臂姿態伺服控制,可以解決懸臂式掘進機巷道斷面成形截割中的軌跡規劃和跟蹤控制難題。此方法也適合全斷面類掘進設備的智能化。

      

     ?。?)掘進工作面設備群協同控制中的各設備位姿測量是目前普遍存在的難題,基于激光合作標靶的方法能有效獲得設備間位置和姿態數據,相比單一測距傳感器具有很大優勢。另外,借助虛擬場景中設備牛頓力學碰撞等方法,利用“虛擬設備”實現無傳感器的碰撞檢測與預警具有重要價值。

      

     ?。?)煤礦遠程控制中的通信網絡實時性是系統控制性能的保證,不同工業控制網絡協議的網絡時延具有時變性,具體在設計控制系統時,有必要考慮控制器、傳感器和執行器網絡時延對網絡控制系統的影響,合理確定采樣速率和信息傳遞的時間間隔,以保證網絡控制系統的性能和效率。

      

      這項研究得到了國家自然科學基金、陜煤聯合基金的資金支持。

      

    引用格式:張旭輝,楊文娟,薛旭升,等.煤礦遠程智能掘進面臨的挑戰與研究進展[J/OL].煤炭學報:1-15[2022-01-12].DOI:10.13225/j.cnki.jccs.YG21.1941.


    圖8.jpg

    引入玻璃折射的礦用相機建模與畸變校正


    圖10.jpg

    基于激光點-線特征的懸臂式掘進機定位系統


    圖17.jpg

    懸臂式掘進機記憶截割控制原理圖


    圖22.jpg

    懸臂式掘進機遠程虛擬操控系統人機界面


    圖23.jpg

    煤礦智能掘進機器人數字孿生遠程控制界面


    論文鏈接
      責任編輯:宮在芹
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