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综采工作面XR技术发展综述:从虚拟3D可视化到数字孪生的演化
摘要
近年来,随着3D可视化、虚拟现实、增强现实、数字孪生、信息物理系统( CPS) 等数字技术与物理综采工作面深度集成,形成了一种虚实结合的综采工作面智能操作模式。基于“人”、“机”、 “环”和“法”4个要素,分析了综采工作面XR技术的发展过程,分为4个阶段:XR1.0 阶段——由物理到虚拟的单向虚拟仿真、XR2.0阶段——离线工业数据驱动的虚拟规划与调试、XR 3.0阶段——实时数据驱动的虚拟监测、XR4.0阶段——双向数据驱动的虚拟反向控制。
分析了各阶段的虚拟系统与真实物理系统的连接、数据的使用、不同对象的特征、支持技术和典型应用等5个方面。在1.0阶段,利用三维建模信息和专家知识建立虚拟工作面,并通过人机交互技术对采矿人员进行模拟操作和培训。在2.0阶段,实际的离线数据驱动虚拟场景用于虚拟规划和虚拟调试。在第3.0阶段,建立了一个包含虚拟监控和预测功能的数字虚拟工作面。在第4.0阶段,物理系统和虚拟系统已经实现同步运行,并采用虚拟决策的最优策略来实时控制真实的物理过程。最后,总结了XR四个阶段的关系,并展望了当前技术发展中存在的问题,需要突破的关键技术,以及下一步继续促进虚拟开发和实际开发的集成的方式。
引言
结论
部分图表
图 1 工作面元素构成
图 2 综采工作面与 XR 技术的关系
图 3 4 阶段演化发展过程与主要特征
图 4 XR 1.0 阶段的特征
图 5 XR 2.0 阶段的特征
图 6 XR 3.0 阶段的特征
王学文(1979—),男,工学博士,力学博士后,太原理工大学教授,博士生导师,煤矿综采装备山西省重点实验室主任。中国煤炭工业协会煤矿智能化与新技术专委会委员,中国煤炭工业协会信息化分会理事,中国煤炭学会煤矿机电一体化专委会委员,中国机械工程学会成组与智能集成技术分会委员,《绿色矿山》编委。山西省“三晋英才”,山西省优秀青年学术带头人,山西省131优秀中青年拔尖创新人才等。
研究方向
煤机装备设计理论与信息化技术
主要成果
将数字孪生、虚拟现实、互联网+等新一代信息技术与综采装备基础理论及关键技术研究深度融合,提出了面向综采装备的虚拟智能监测理论框架,开发了应用系统;提出了面向产品全生命周期的“CAD+VR”虚拟装配与仿真方法,设计开发了面向煤机装备的虚拟现实装配技术与系统,为煤机装备协同设计资源实时互动与有效配置提供了解决方案;针对煤岩散料与煤机装备间的耦合行为,提出了刚散耦合力学模型建立方法和耦合效应分析路径,为煤机装备刚散耦合接触件结构设计与优化提供了理论依据。