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截至2021年底，我国智能化采掘工作面已达687个，其中智能化采煤工作面431个，智能化掘进工作面256个。煤矿远程智能掘进是实现少人甚至无人化掘进作业的根本目标和远景，但在相关基础理论、设备定位、定向导航与纠偏、成形截割、协同控制等方面还存在不足。
针对巷道近程或地面远程智能掘进场景控制需求，西安科技大学张旭辉教授团队联合西安煤矿机械等单位科研人员构建了数字孪生驱动下的掘进装备远程智能控制模型及技术体系，详细介绍了远程虚拟呈现、精确位姿感知、孪生数据共享、虚实同步驱动、工艺记忆截割、设备群碰撞预警等方面的研究进展。相关研究成果以《煤矿远程智能掘进面临的挑战与研究进展》（点击阅读全文）为题于1月11日在《煤炭学报》进行了网络首发。薛旭升博士为论文第一作者。
远程掘进应该包含本地控制和远程控制内容。本地控制的实质是将掘进设备作为“移动机器人+串联机械手”组合体，利用机器人正、逆运动学求解，以设计路径参数为目标，以实时测量数据为反馈，达到伺服控制，轨迹跟踪的结果，形成要求的形状和尺寸的高质量巷道。解决了上述井下问题，在掘进面远端或地面远程控制时，除了关注井下工作面设备工况和控制状态，需要解决数据直观呈现的问题，为监控人员提供更多决策信息能够在自动作业过程中对异常状态进行人为干预，达到“人机协同”远程掘进控制的目的。
因此，以机器人技术、数字工作面、精确定位、自主导航、定形截割构建本地控制理论和技术基础，解决远程控制中的多维数据呈现、设备群碰撞、掘进工艺建模和人机协同机制问题，是远程智能掘进的关键。
研究人员提出了数字孪生驱动掘进装备远程智能控制技术构架，通过构建掘进工作面数字孪生体，将井下人员、设备、环境相关信息呈现到数字空间，虚实融合，共智互驱，达到数字掘进与物理掘进智能协同的目标，破解掘进施工中人-机-环共生安全难题。
数字孪生驱动掘进装备远程智能控制模型及技术体系
远程智能掘进总体控制架构
该远程控制系统主要功能如下：
（1）基于激光点-线特征的掘进机机身和截割臂视觉测量，获得井下巷道掘进设备移动中的精确位姿（包括位置和姿态）和截割臂实时位姿数据，结合掘进机参数解算出截割头的运动轨迹；
（2）利用（1）的结果，实现人工示教轨迹规划，破解复杂工况和环境下的掘进机轨迹规划难题，即熟练司机操作机身和截割臂完成一个截割循环，实时记录位姿信息数据，下一个截割循环采用记忆数据控制掘进全过程中的机身和截割臂运动，实现自动化截割、自动刷帮等工艺环节。
（3）以巷道、掘-支-运设备群等静态信息，加上掘进中的巷道动态变化和设备实时位姿等数据，建立设备位姿显示、运动学、协调控制、自主决策等方面的数学模型，构建掘进工作面人-机-环数字孪生体；
（4）掘进监控中，以物理世界——井下掘进工作面设备群实时数据，驱动虚拟世界——掘进工作面孪生体，实现虚实同步运动和虚拟设备群位姿实时修正，从而保证虚拟空间呈现场景可以作为远程控制的决策依据；
（5）在虚拟空间可以借助力学碰撞原理，实现无传感器数据的设备群全方位碰撞检测和预警（通过几何膨胀或阈值设定），与有人值守的远程控制端人工决策有机结合，可以大大提高远程掘进异常干预的自主性和智能化，为远程掘进常态化提供技术支撑。
研究从“DT+VR”（数字孪生+虚拟现实）井下巷道人-机-环智能管控技术、煤矿井下掘进机位姿精准测量理论、定向导航与纠偏技术、掘进机智能截割控制技术、掘进工作面群组协同与数字孪生驱动技术、“DT+VR”远程智能掘进技术、远程网络控制系统实时性七方面，详细介绍了远程智能掘进关键技术研究进展。
最后，研究人员指出：
（1）“DT+VR”远程决策方案已经在综采工作面建设中得到重视和一定程度应用，掘进工作面掘-支-运并行作业设备群协同难，远程控制数据繁杂，难以满足人为干预决策方面需求等问题，更适合构建掘进工作面数字孪生体，将井下人员、设备、环境相关信息呈现到数字空间，实现虚实融合，共智互驱，达到数字掘进与物理掘进智能协同的目标，破解掘进施工中人-机-环共生安全难题。
（2）无论“惯导+”“视觉+”位姿测量，都是目前解决煤矿狭长巷道长距离定位的手段，以非接触式视觉测量手段，作为视觉里程计与惯导配合，或者单独使用激光点、线特征实现巷道移动设备定位测量，通过解决矿用相机畸变校正、振动去模糊等技术后，具有高性价比、简单实用的特点，具有良好的应用前景。
（3）建立在掘进机定位数据基础上的“人工示教”记忆截割是解决目前底板不稳定、掘进轨迹规划难的有效途径，基于视觉位姿实时测量的掘进机机身和截割臂姿态伺服控制，可以解决悬臂式掘进机巷道断面成形截割中的轨迹规划和跟踪控制难题。此方法也适合全断面类掘进设备的智能化。
（4）掘进工作面设备群协同控制中的各设备位姿测量是目前普遍存在的难题，基于激光合作标靶的方法能有效获得设备间位置和姿态数据，相比单一测距传感器具有很大优势。另外，借助虚拟场景中设备牛顿力学碰撞等方法，利用“虚拟设备”实现无传感器的碰撞检测与预警具有重要价值。
（5）煤矿远程控制中的通信网络实时性是系统控制性能的保证，不同工业控制网络协议的网络时延具有时变性，具体在设计控制系统时，有必要考虑控制器、传感器和执行器网络时延对网络控制系统的影响，合理确定采样速率和信息传递的时间间隔，以保证网络控制系统的性能和效率。
这项研究得到了国家自然科学基金、陕煤联合基金的资金支持。
引用格式：张旭辉,杨文娟,薛旭升,等.煤矿远程智能掘进面临的挑战与研究进展[J/OL].煤炭学报:1-15[2022-01-12].DOI:10.13225/j.cnki.jccs.YG21.1941.
引入玻璃折射的矿用相机建模与畸变校正
基于激光点-线特征的悬臂式掘进机定位系统
悬臂式掘进机记忆截割控制原理图
悬臂式掘进机远程虚拟操控系统人机界面
煤矿智能掘进机器人数字孪生远程控制界面
