, 姜朔1,2, 谢嘉成1,2,3, 孙梦祯1,2 1. 太原理工大学 机械与运载工程学院, 山西 太原 030024;
2. 煤矿综采装备山西省重点实验室, 山西 太原 030024;
3. 太重煤机有限公司 博士后科研工作站, 山西 太原 030024
收稿日期：2020-09-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(52004174)；山西省应用基础研究计划青年基金资助项目(201901D211022)；山西省工业研发计划项目(201903D121141)。
作者简介：李娟莉(1979-)，女，山西寿阳人，太原理工大学教授。
摘要：针对虚拟综采工作面难以构建实时动态煤层的问题, 提出了一种根据采煤机行走轨迹构建三维地质模型的方法.建立了初始三维地质模型和动态三维地质模型, 并提取了目标煤层的轨迹曲线, 为采煤机提供了目标截割路径; 基于当前工作面采煤机的实际截割情况及未来发展趋势提出了三种采煤机截割方案, 分别是采煤机记忆截割、人工干预的采煤机记忆截割和采煤机自主截割; 建立了真实的虚拟综采工作面, 构建了三种方案的实际煤层形态, 并进行了仿真对比实验.结果表明: 通过采煤机自主截割方案构建的实际煤层的总体平均误差为15.73 mm, 能够实现较小的割岩量和较高的回采效率.
关键词：三维地质模型虚拟综采工作面截割方案数字孪生Unity3d
Construction Method of the Dynamic 3-D Geological Model Based on Shearer Cutting Path
LI Juan-li1,2
, JIANG Shuo1,2, XIE Jia-cheng1,2,3, SUN Meng-zhen1,2 1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;
2. Shanxi Key Laboratory of Fully Mechanized Coal Mining Equipment, Taiyuan 030024, China;
3. Post Doctoral Scientific Research Station, Taiyuan Heavy Industry Co., Taiyuan 030024, China
Corresponding author: LI Juan-li, E-mail: lijuanli@tyut.edu.cn.
Abstract: Given that it is difficult to construct a real-time dynamic coal seam in a virtual fully mechanized coal mining face, a method of constructing the 3-D geological model based on the walking trajectory of the shearer is proposed. The initial 3-D geological model and dynamic 3-D geological model are established, and the trajectory curve of the target coal seam is extracted, which provides the target cutting path for the shearer. Based on the actual cutting situation and future development trend of the shearer, three kinds of shearer cutting schemes are put forward, which are memory cutting, memory cutting with manual intervention and autonomous cutting. The real virtual fully mechanized coal mining face is established, the actual coal seam morphology of three schemes is constructed, and the simulation contrast experiment is carried out. The results show that the overall average error of the actual coal seam constructed by the shearer's autonomous cutting scheme is 15.73 mm, which can achieve smaller rock cutting amount and higher mining efficiency.
Key words: 3-D geological modelvirtual fully mechanized coal mining facecutting plandigital twinUnity3d
煤炭作为能源的主要来源, 在国家的工业发展中扮演着重要的角色.目前, 传统的采矿技术已经不能适应现代的生产需求, 伴随着工业互联网、数字孪生等新兴技术的出现, 采矿业向着数字矿山、透明矿山和智慧矿山的方向发展.这就需要寻求一种新的智能化开采方法, 并开发一种透明综采工作面运行系统, 从而为实现智慧矿山提供指导方向[1-2].
利用数字孪生技术能够构建和真实场景完全一致的虚拟场景, 从而为实际开采提供一些建设性的意见[3-5].谢嘉成等提出了一种基于数字孪生的综采工作面生产系统, 为实现智能化开采提供了核心技术和平台依托[6-10]; Bednarz等[11]利用沉浸式虚拟现实技术建立了人机交互实验的框架.构建虚拟综采工作面离不开三维地质模型的建立.Shi等[12]根据采煤机工作状态和煤层的关系, 提出了一种符合工作面的三维数学模型.贾庆仁等[13]运用克里金法对数据进行了插值处理并构建了三维地质模型.Zhao等[14]采用PSO-BP空间插值方法对数据进行了插值, 实现了煤层三维可视化模型.刘万里等[15]提出了一种煤层三维模型的动态精细修正技术, 提升了煤层三维模型的局部精度.上述研究提出了三维地质模型构建的不同方法, 为本课题的研究提供了很好的参考, 但存在无法构建实时更新的煤层模型, 导致在虚拟环境中无法在综采工作面的推进方向对综采装备和三维地质模型的时空运动学关系进行研究.针对该问题, 亟需研发一种动态三维地质模型实时构建的新方法.因此, 本文提出了一种基于采煤机截割路径的动态三维地质模型的构建方法, 本方法能够对采煤机多种截割策略进行预演, 从而为采煤机最优截割方案的选择提供理论依据.
1 总体研究架构Unity3d作为一款强大的虚拟现实软件, 具有强大的可视化展示功能, 渲染的场景具有逼真的效果, 可以搭建更加真实的虚拟场景, 是搭建基于数字孪生技术的虚拟场景的优秀工作平台.数字孪生是一种集多物理、多尺度、多学科等于一体的综合技术, 具有实时同步、忠实映射、高保真度等特性, 能够将现实世界与虚拟世界进行融合, 并能够在虚拟环境中创建物理实体的数字化虚拟模型[16-18].基于“数字孪生”的思想, 在虚拟现实引擎Unity3d中构造和真实综采工作面完全一致的虚拟综采工作面, 对采煤机的不同截割方案进行仿真并构建基于采煤机路径的动态三维地质模型, 通过对动态三维地质模型的分析选出最优截割方案, 从而对实际工作进行指导, 总体研究架构如图 1所示.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 总体研究架构Fig.1 Overall research framework |
1) 构建初始三维地质模型.利用逆向重构技术对三维点云进行曲面拟合建立CAD模型, 对模型进行渲染, 从而在Unity3d中构建三维初始地质模型.
2) 构建动态三维地质模型.实时记录采煤机的截割路径, 通过对数据进行处理, 利用Mesh技术和Collider技术实时构建动态三维地质模型.
3) 构建采煤机规划截割方案.构建了采煤机记忆截割、人工干预的采煤机记忆截割和采煤机自主截割三种方案.
4) 构建虚拟综采工作面并进行仿真实验.开发原型系统, 设置不同的采煤机截割方案, 根据采煤机的路径构建不同截割方案的动态三维地质模型, 并对不同的动态三维地质模型进行对比和误差分析.
本文建立的虚拟综采工作面仿真系统, 能在综采工作面推进方向对采煤机的多循环截割方案进行仿真, 也能依据采煤机路径实时构建动态三维地质模型, 为评价采煤机截割方案的优劣提供了理论依据, 并为研究在综采工作面推进方向上煤层和综采装备的耦合关系提供了煤层方面的技术支撑.
2 三维地质模型的构建方法三维地质模型主要包括初始三维地质模型和动态三维地质模型两部分.初始三维地质模型对综采装备的初始姿态有着巨大的影响, 主要是在煤矿设计之初对回采工作面进行布局和规划; 动态三维地质模型是在综采工作面的推进过程中逐步构建的, 决定着综采装备的运行姿态, 对于回采效率的提高有着重要作用.
2.1 初始三维地质模型的构建建立初始三维地质模型是建立动态三维地质模型的基础, 是构建虚拟综采工作面的关键步骤.本文以某煤矿的三维地质模型的走势为依据来建立初始三维地质模型, 构建过程如下:
1) 建立三维地质模型数字化模型, 并对模型进行数据化处理得到一系列连续、规则的三维数据点.
2) 运用UG对数据点进行拟合处理, 设置最优参数, 从而得到误差较小的最优拟合曲面, 并将模型输出为stl格式的文件.
3) 在中间软件3dsmax中将单位设置为m, 导入stl格式的三维地质模型文件, 对模型进行渲染, 并将模型输出为fbx格式文件.
4) 将fbx格式文件导入到Unity3d中, 调整物体的空间三维坐标.初始三维地质模型如图 2所示.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 初始三维地质模型Fig.2 Initial 3-D geological model (a)—采空区煤层顶底板；(b)—待开采区目标煤层顶底板. |
构建的初始三维地质模型主要包括采空区煤层顶底板(图 2a)和待开采区目标煤层顶底板(图 2b).采空区煤层底板是综采装备的承载体, 反映着综采装备的姿态, 煤层顶板决定着液压支架的支护姿态; 待开采区的煤层目标顶底板是采煤机的截割目标, 从中提取出每循环的煤层轨迹路径作为采煤机的截割目标路径; 初始三维地质模型对综采装备的整体布局有着巨大的作用, 综采装备的整体布局方式影响着采煤机的截割效率.构建了初始三维地质模型后, 给初始三维地质模型添加Mesh Collider碰撞体, 从而使初始三维地质模型拥有和综采装备真实接触的功能.
2.2 动态三维地质模型的构建在综采工作面采煤过程中, 随着综采工作面的推进, 会逐渐暴露出新的地质条件, 如何将新揭露的地质信息表达在虚拟综采工作面中是实时体现综采装备姿态的前提.采煤机的截割路径体现着煤层顶底板的平整度, 而新揭露的地质信息又反作用于综采装备, 影响着下一循环的采煤机的运行姿态, 因此在虚拟综采工作面中构建动态三维地质模型是搭建虚拟综采工作面过程中必不可少的环节.随着综采工作面的逐渐推进, 逐步记录采煤机的运行轨迹, 通过对数据进行处理, 将采煤机的实际运行轨迹在虚拟环境中进行准确表达, 从而在虚拟综采工作面推进方向构建实时更新的三维地质模型, 最终建立随采随构建的动态三维地质模型的数字孪生体.
虚拟现实引擎Unity3d提供了强大的Mesh技术, Mesh技术由一系列的三角形网格组成, 通过用三角形进行拼接, 几乎可以形成任何复杂的形状, 也是构建复杂动态三维地质模型的最佳方法.动态三维地质模型的构建主要是利用Unity3d中的Mesh技术, 通过控制顶点数组和三角形数组的映射关系, 并据此构建动态三维地质模型, 其中Mesh Filter主要负责对网格数据的存储, Mesh Renderer主要负责对网格的渲染.单循环动态三维地质模型的构建流程如图 3所示.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 单循环动态三维地质模型构建流程Fig.3 Construction process of single cycle dynamic3-D geological model |
1) 搭建初始三维地质模型, 控制采煤机沿着目标煤层曲线进行截割, 每间隔一段距离记录采煤机前后滚筒的轨迹, 并将数据存入xml中间文件.
2) 在一个循环的截割完成后, 读取数据点, 通过顶点数组来实现对关键数据点的存储; 通过三角形数组来对数据点进行连接, 并控制三角形数组中的元素和顶点数组中的元素一一对应, 从而生成三角面, 最终形成一个循环的动态三维地质模型的三角网格.
顶点数组为
 | (1) |
 | (2) |
对于顶点数组的连接方式有顺时针和逆时针之分, 分别对应着正面可见和反面可见两种情况.本文采用逆时针连接的方式, 在生成一个采煤机截割深度的动态煤层顶底板三角网格模型之后, 对三角网格加以渲染, 形成单循环动态煤层顶底板模型, 再通过给动态煤层加上Mesh Collider碰撞体使综采装备完全贴合煤层, 最终实现虚拟综采装备和虚拟煤层真实接触的效果.动态三维地质模型构建过程如图 4所示.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 动态三维地质模型Fig.4 Dynamic 3-D geological model (a)—第一工作循环；(b)—第二工作循环；(c)—第三工作循环；(d)—第四工作循环. |
3 采煤机虚拟规划截割方法基于数字孪生技术, 在虚拟环境中构建和真实综采工作面完全一致的虚拟综采工作面数字孪生体, 预先设定多种采煤机的截割方案并在虚拟环境中对采煤机截割方法进行预仿真, 通过对采煤机多种截割方案的误差进行分析, 选取出最优的采煤机截割方案.在虚拟环境中对综采装备多循环的协同推进运动的时空运动学关系进行预仿真, 可以达到预防重大事故发生的目的, 以此来对真实的采煤过程进行指导.
3.1 采煤机记忆截割采煤机记忆截割是目前应用最为广泛的采煤方法, 往往都是在采煤前期, 采煤机司机控制采煤机沿煤岩分界线进行割煤, 并将一个工作循环的采煤机滚筒的高度和摇臂的姿态等信息存入系统中, 在之后的每个工作循环中实时读取预存的数据来实现采煤机的记忆割煤.为实现采煤机记忆截割方式的预演, 在Unity3d中预先设置采煤机的初始行走路径, 在后面的工作循环中, 以采煤机的初始路径为依据实现虚拟综采工作面的整体协同推进.
3.2 人工干预的采煤机记忆截割采煤机记忆截割的方式只适用于条件良好的煤矿, 若煤层带有褶皱、断层等复杂地质条件, 按照采煤机记忆截割的方式开采, 则会出现留煤过多或采煤机截割到大量岩石的情况.为了避免此类事情的发生, 往往需要采煤机司机根据自己的判断对采煤机的滚筒高度进行调节, 该方式能够在一定程度上避免记忆截割的缺陷.为实现对于人工干预的记忆截割方式的预演, 在Unity3d中预先设置采煤机的初始路径, 然后根据实际开采过程中采煤机司机的操作误差在初始路径的基础上运用随机数来进行模拟, 在综采工作面推进的过程中每次对随机数进行更新, 从而实现在人工干预的记忆截割方式下的虚拟综采工作面的整体协同推进.
3.3 采煤机自主截割采煤机滚筒的调整高度主要根据调高油缸和采煤机速度来确定, 目前采煤机自主截割主要通过控制采煤机的行走速度来调整滚筒的运动方向, 从而使滚筒朝着预定方向截割[19], 但该方法对于如何调整采煤机的速度具有盲目性, 再加上复杂的地形环境影响, 很难确定合适的采煤机速度.为此, 本文将对调高油缸伸长量的控制融入到采煤机规划截割方法中, 在一定程度上对采煤机的速度调节提供了依据.
在复杂地形下的采煤机运动学分析如下.
设采煤机调高油缸的初始速度为v油缸, 运行时间为t, 则摇臂转角为
 | (3) |
 | (4) |
 | (5) |
 | (6) |
 | (7) |
 | (8) |
 | (9) |
自动调高策略过程:
1) 待采煤机到达了关键截割点Pi, 记录此时采煤机的中心坐标(Xa1, Ya1, Za1), 并读取下一关键截割点Pi+1的坐标(Xb1, Yb1, Zb1).
2) 计算煤层高度的补偿值:
 | (10) |
3) 计算两个关键截割点之间采煤机摇臂需要转动的角度:
 | (11) |
 | (12) |
 | (13) |
4 仿真实验4.1 采煤机目标路径的设定对离散的煤层数据点进行连续化处理之后, 将煤层顶底板数据存入xml文件, 构建真实三维地质模型在虚拟环境中的映射体, 利用Unity3d中C#程序实现对数据的读取和数据点在虚拟环境中的生成, 并使用LineRender技术对数据点进行连接, 进而提取出采煤机的目标截割路径.
4.2 实验方案设计本文以真实煤矿中三维地质环境的走势为依据, 利用三维建模软件建立目标煤层顶底板的三维地质模型, 将三维地质模型导入到虚拟环境中, 对数字化模型进行数据量化处理, 进而得到了煤层的目标路径高度, 并进一步拟合出采煤机的顶底板目标截割曲线, 其中表 1为某一循环的目标路径数据.依据真实的综采装备建立等比例的采煤机、液压支架和刮板输送机的三维模型, 并通过中间软件3dsmax进行格式转换、单位转换和渲染, 将2.1节的煤层建模技术构建的三维初始地质模型导入Unity3d中, 再通过添加碰撞体和物理引擎并设置相应的参数, 最终在Unity3d中构建真实的虚拟综采工作面, 其中虚拟综采工作面如图 5所示.
表 1(Table 1)
 表 1 目标路径和采煤机路径数据Table 1 Target path and shearer path data
| 表 1 目标路径和采煤机路径数据 Table 1 Target path and shearer path data |
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 虚拟综采工作面Fig.5 Virtual fully mechanized coal mining face |
在综采工作面工作过程中, 采煤机的截割方式一般有记忆截割、人工干预的记忆截割和采煤机自动截割三种截割方式.本仿真实验设置了三种采煤机截割方案, 以推进方向10个截割循环为例, 依据真实数据设置了目标煤层顶底板, 在采煤机截割之后, 每间隔一段距离对采煤机截割的关键点进行记录, 然后对关键点进行处理, 生成动态煤层顶底板, 依据采煤机的三种截割方式分别在回采工作面构建三种不同的动态三维地质模型.
4.3 仿真结果分析在构建了虚拟综采工作面之后, 控制采煤机按照设定的三种虚拟截割方案进行截割, 采煤机作为引领装备, 液压支架和刮板输送机在采煤机的引领下实现协同推进.本实验以虚拟综采工作面推进方向工作10个循环为例, 分别构建了三种不同截割方案的动态三维地质模型, 为了更好地观察采煤机截割过后形成的动态三维地质模型, 在综采装备工作10个循环之后将综采装备进行隐藏, 从而构建了三种截割方案的动态三维地质模型.三种截割方案的动态三维地质模型示意对比图如图 6所示.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 动态三维地质模型示意对比图Fig.6 Dynamic 3-D geological model comparison diagram (a)—采煤机记忆截割；(b)—人工干预的采煤机记忆截割；(c)—采煤机自主截割. |
由于采煤机截割顶板和底板的分析方法是一样的, 所以本文以煤层顶板为例进行误差分析.对于采煤机的截割误差用平均绝对误差(MAE)来表示, Yi表示的是采煤机的截割路径关键点的高度, yi表示目标路径的高度.三种方案的误差对比如表 2所示.
 | (14) |
表 2 三种方案的误差对比Table 2 Error comparison of three schemesmm
| 表 2 三种方案的误差对比 Table 2 Error comparison of three schemesmm |
由图 6可知, 采煤机记忆截割方案(图 6a)很难适应带有褶皱等复杂地形的三维地质模型, 往往会出现留煤过多或截割到大量岩石的情况发生; 人工干预的采煤机记忆截割方案(图 6b)虽然可以在一定程度上缓解记忆截割方案的弊端, 但具有很大的盲目性, 主要根据采煤机司机的经验来指导截割, 相对于采煤机自主截割方案(图 6c)有较大的误差.在上述三种采煤机截割方案中, 通过采煤机自主截割方案所构建的动态三维地质模型的误差最小.
每间隔一段距离对煤层的高程数据和采煤机滚筒高度数据进行记录, 从而用45个关键信息点对煤层和采煤机的轨迹进行描述, 表 1中的数据是采煤机截割轨迹和煤层的关键点高程数值, 表 2是三种采煤机截割方案的误差对比.由表 2可知, 采煤机三种截割方案的精度依次为: 方案三>方案二>方案一.通过采煤机自主截割方案构建的动态三维地质模型的总体平均误差为15.73 mm, 最大平均误差为17.12 mm, 最小平均误差为14.51 mm, 其模型总体平均误差较小, 能够减少割岩量和提高回采效率.本方法可以对采煤机不同的截割方案在虚拟环境中进行预演和仿真, 并构建不同的动态三维地质模型, 从而选择出最优的截割方案.
5 结论1) 在虚拟现实引擎Unity3d中利用物理引擎构建了更加符合真实情况的虚拟综采工作面, 实现了综采装备和煤层真实紧密的贴合, 为虚拟环境下综采工作面的仿真提供了理论支持.
2) 通过虚拟现实引擎Unity3d构建了初始三维地质模型和动态三维地质模型, 为构建虚拟综采工作面提供了煤层方面的技术支撑.
3) 对采煤机的不同截割方案进行仿真, 构建了不同的动态三维地质模型.结果表明: 通过采煤机自主截割方案构建的动态三维地质模型的总体平均误差为15.73 mm, 能够实现较小的割岩量和较高的回采效率.本方法为确定最优的采煤机截割方案提供了理论依据.
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