“矿山数字孪生与无人驾驶”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“矿山数字孪生与无人驾驶”专题

新一代信息技术与煤炭开采技术深度融合，为智能矿山技术发展提供关键技术支撑，将促进煤炭工业创新、绿色、安全、高效发展。数字孪生作为煤矿智能化无人开采的核心技术，是人工智能理论方法与数字化技术的有机结合，有望解决煤矿智能化无人开采中物理世界和信息世界交互与共智的关键技术难题，对推动矿山全生命周期智能化建设和煤炭工业高质量发展具有重要意义。

井下操作环境差和技术保障手段缺乏导致轨道机车运输事故频发，井下机车的无人驾驶不仅可以减人增效，同时由于减少井下人员的数量，从而减少各种矿井事故导致的人员伤亡，具有巨大的经济效益和社会效益。因此，作为煤矿智能化的组成部分，矿井机车无人驾驶系统的研发和使用，正受到高度关注。

为便于大家了解“矿山数字孪生与无人驾驶”领域的最新科技成果，小编按照见刊时间倒序，整理了该领域近几年在《煤炭学报》已刊发的论文，一起来看看吧！

行业视野: 智能化
类别; 77个
关键词; 96位
专家; 16篇
论文; 18999IP
点击量; 23861次
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矿山信息化发展及以数字孪生为核心的智慧矿山关键技术

作者(Author)：丁恩杰, 俞啸, 夏冰, 赵小虎, 张达, 刘统玉, 王卫东

摘要：矿山信息化建设在经历了单机自动化、综合自动化、数字矿山几个阶段之后，在物联网、人工智能、大数据技术的推动下，正朝着矿山智能化和智慧矿山的方向发展。以数字孪生技术为核心，围绕矿山生产场景和智能装备的知识服务体系是智慧矿山下一步需要重点研究的方向。首先回顾了矿山信息化技术的发展，然后分析了智慧矿山的核心关键技术，从智能感知与智能装备、边缘计算与网络服务、数字孪生知识建模、平台与应用系统4个方面进行阐述。智能传感装置和智能装备的不断涌现，为智慧矿山前端感知和执行提供了基础，而即时的感知、分析和决策是智能装备自治、自主工作的前提；随着边缘网关计算能力的提升，需要设计面向应用场景的轻量级算法模型和高效云边协同机制，以满足智能装备即时服务的需求，同时，围绕5G的通信技术在矿山的应用，将进一步提升知识服务的快速响应能力；矿山运行机理、经验知识、大数据分析与数字孪生建模技术融合的矿山生产场景可信数字孪生模型，将成为智慧矿山知识服务的核心；面向大数据和知识模型的平台技术是矿山数字孪生和智能化服务的载体，大数据高效存取、分析和利用能够有效的促进矿山智能化应用服务的融合。矿山数字孪生及相关智能化技术的突破，将实现对矿山物理世界实时可测、可观、准确控制、精确管理和科学决策，从而建立少人化或无人化的矿山生产模式，为智慧矿山的发展奠定基础。

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煤炭学报

2022年第01期

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数字孪生驱动的掘进工作面出风口风流智能调控系统

作者(Author)：龚晓燕, 雷可凡, 吴群英, 崔小强, 吴悦, 朱斌, 杨富强, 张红兵, 刘辉

摘要：为满足掘进工作面通风系统智能化的发展需求，针对传统局部通风系统无法实时监测及智能调控风筒出风口风流状态而导致风速场分配不合理，死角区瓦斯积聚严重和粉尘污染等安全隐患问题，提出一种基于数字孪生技术的掘进工作面出风口风流智能调控系统，优化风流场分布。分析建立了系统实现的整体框架、运行流程及关键技术，利用Zigbee自组网功能进行巷道风速、瓦斯体积分数及粉尘质量浓度等实时数据的监测采集，通过ARIMA时间序列预测模型对下一时刻瓦斯体积分数及粉尘质量浓度进行智能预测分析，并引入小生境四段式编码遗传算法提取相应出风口风流智能调控规则，结合GPRS无线传输技术实现出风口风流状态的智能调控，在此基础上，运用Unity3D构建系统虚拟模型并实现了物理实体与虚拟孪生体的映射交互。通过设计搭建的数字孪生系统实验测试平台，验证了系统实时监测、决策评价、智能调控、虚实融合等关键功能技术可行性，并结合具体案例对系统智能调控效果进行了对比分析，结果表明:调控后司机位置处风速明显上升，上隅角瓦斯体积分数由0.623%降低为0.306%，降低率达50.8%;司机位置粉尘质量浓度值由1 180 mg/m3降低到695 mg/m3，单点降尘率达41.1%，回风侧行人高度沿程粉尘质量浓度由430 mg/m3降低为150 mg/m3，降尘率达65%，进一步优化了掘进工作面巷道风速、瓦斯及粉尘场的运移分布。

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煤炭学报

2021年第04期

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采煤机自主导航截割原理及关键技术

作者(Author)：葛世荣, 郝雪弟, 田凯, 高传, 勒立坤

摘要：深部煤层构造较为复杂，实现采煤机无人驾驶开采更加困难。在总结采煤机结构和截割调控技术演变历程基础上，提出了采煤机截割调控技术在经历了人工目测截割、机载探测截割、示教记忆截割三个发展阶段后，已经进入到自主导航截的第四阶段,并提出了适用于深部煤层采煤机自动驾驶的导航截割理论与技术框架，包括导航地图、位姿感知、路径规划、姿态控制4项技术内涵，和精细化煤层截割定位地图、精准化煤层截割导航地图、动态化煤层截割导控地图、采煤机融合定位方法、定位精度提升、智采机组全位姿参数矩阵建立、物理-虚拟模型驱动与交互、无人驾驶防冲撞路径规划、截割作业智能调高调直九项关键技术。系统阐述了采煤机自主导航截割技术相关核心技术基本原理：首先，构建煤层智能化开采导航地图，从精细化煤层截割定位、精准化煤层截割导航和动态化煤层截割导控3个关键步骤实现地图构建及更新；其次，通过融合定位和定位精度提升方法，完成了采煤机位姿精确感知；再次，创建智采机组全位姿参数矩阵，并结合物理-虚拟模型驱动与交互技术构建出导航截割数字孪生系统；最后，基于实时综采装备位姿状态和煤层导航地图信息，实现了无人驾驶防干涉防冲撞路径规划、截割滚筒自适应调高控制以及行走路径自动调直控制。从而实现了深部煤层采煤机智能导航截割控制，为智采工作面实现无人作业提供了新的理论技术支撑。

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煤炭学报

2021年第03期

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数字孪生智采工作面技术架构研究

作者(Author)：葛世荣, 张帆, 王世博, 王忠宾

摘要：为了进一步提高煤矿井下智能化采煤工作面系统自主运行和人机交互能力,达到真正的无人化开采境界,提出数字孪生智采工作面系统(Digital Twin Smart Mining Workface)的概念、架构及构建方法,融合应用 5G 通信技术、物联网技术和仿生智能技术,从而搭建一个智采工作面的数字孪生远程操作平台。首次定义数字孪生智采工作面是一个数据可视化、人机强交互、工艺自优化的高逼真采煤工作面三维镜像场景,它由物理工作面、数字工作面和数据信息 3 个部分组成。介绍了DTSMW 系统涉及的物理工作面、虚拟工作面、孪生数据、信息交互、模型驱动、边缘计算、沉浸式体验、云端服务、信息物理系统、智能终端等 10 项关键技术。新的 DTSMW 系统具有开采过程仿真、优化和监控功能,可以实现开采工艺数字孪生、开采过程数字孪生、设备性能数字孪生、生产管理数字孪生和生产安控数字孪生。研究了智采工作面的仿生智能特性,阐述了物理模块(躯干)、信息模块(大脑)、通信模块(神经)、控制模块(脑肌)、孪生模块(映像)的基本功能特征,特别描述了采煤机、液压支架和刮板输送机的仿生智能要素。针对DTSMW 系统数据的高度依赖性,首次将智采工作面复杂信息归纳为 3 条信息流,用于描述采煤过程的环境、控制和能量状态。环境信息流和控制信息流来自煤岩体对采煤机、液压支架、煤流运输机组的输入信息及其调控信息,能量信息流来自开采装备对煤层、岩层变量调控所产生的能量交换状态信息。针对智采工作面的巨大信息流量,提出了管理 DTSMW 信息流的数据主线(Digital Thread)方法,将信息流的数据分为周期性数据、随机性数据和突发性数据进行建模处理,以确保数字孪生智采工作面的数据驱动及稳定运行。通过对比分析,DTSMW 系统比现有远程集控中心的智能性提高了一个层次,可为中级智采工作面实现无人化运行提供新的监控系统架构。

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煤炭学报

2020年第06期

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智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术

作者(Author)：王学文 , 谢嘉成 , 郝尚清 , 李娟莉, 杨兆建, 任芳, 暴庆保

摘要：针对数字化综采工作面的场景构建、虚实交互通道和虚拟模型驱动三大基础问题，提出一种面向智能化综采工作面的实时虚拟监测方法，对高可信度煤层装备联合虚拟仿真与协同规划、实时可靠信息获取与“虚实融合”通道构建技术和虚实融合与感知一致性呈现等方法进行研究，具体包括:① 基于 Unity3D 开发特点和模型所需特性，分别完成了三机装备数字模型和煤层顶底板模型的构建，将虚拟装备布置在虚拟煤层中，实现各装备之间的虚拟协同以及装备与煤层之间的关系构建，完成了虚拟煤层环境下的装备协同推进仿真并对装备群协同运行进行虚拟规划，实现了高仿真度综采虚拟场景的构建;② 在装备反映位姿信息的关键位置上布置传感器，通过一系列接口和通道，构建 Unity3D 与组态软件、数据库和计算软件之间的信息交互。采用分布式协同的驱动模式，优化了数据的传输处理，最终将综采装备的实时运行数据导入虚拟平台，驱动虚拟设备运行，实现了稳定可靠的传感信息协同与调度;③ 构架了复杂综采虚拟场景实时驱动框架，研究了基于底层模型驱动虚拟单机关键技术，提出了采运装备协同仿真与实时数据驱动的方法、采煤机自动调高方法、刮板输送机和支架协同仿真与实时数据驱动方法、虚拟液压支架群的虚拟驱动方法以及动态透明工作面时空运动学实时分析方法，接着进行了虚拟监测界面设计，实现了传感数据与虚拟仿真运行信息高精度融合。最后在实验室综采成套试验系统和样机试验平台上分别完成了相关试验，验证了三大模块联合运行的正确性和可靠性。试验表明，VR 监测系统运行清晰流畅，虚实映射状态同步，可切换性好，呈现信息准确，后台数据库压力也较小，可以完成预期目标。在仿真运行中可实时提取出各装备与煤层运行的相关参数，完成高可靠性虚拟规划。

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煤炭学报

2020年第06期

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煤矿井下机车无人驾驶系统关键技术

作者(Author)：韩江洪, 卫星, 陆阳, 魏臻, 程磊

摘要：煤矿井下机车无人驾驶系统的研发和运行,有助于降低因调度、操作失误而发生运输事故的概率并且能够从根本上减少井下作业人员的数量。与技术日趋成熟的地面汽车无人驾驶、铁路无人驾驶不同,在井下环境实施机车无人驾驶存在诸多新的挑战:例如运输大巷人车共用、巷道狭窄、光照条件不均匀,无法利用卫星定位系统,缺乏有效的通信手段等。从实现井下无人驾驶机车系统的关键问题分析入手,综述了其技术研究进展。 ① 提出了基于信息网络与控制网络无缝结合的井下无人驾驶机车系统架构,以确保列车调度智能化、机车操控与状态采集自动化、运输监控中心与调度中心一体化,并且兼容远程遥控、自主运行等无人驾驶模式;② 给出智能调度的概念,即无人驾驶系统应当在运输调度智能化的基础上实现,有效促进两个系统间的资源共享、功能协同;③ 详细比较分析了井下封闭环境定位技术,指出超宽带(UWB)能够有效应对亚米级的机车高精度无线定位且鲁棒性和稳定性方面性能优良,能够满足井下机车无人驾驶对定位精度的要求;④阐述了适用于井下无人驾驶的数据通信网络覆盖,重点根据实际的工程经验给出接入 WLAN 网络需要满足的性能指标,分析了 5G 新型通信网络即将带来的井下无人驾驶应用突破;⑤ 在机器视觉用于路况分析方面,探讨了基于轨道模型和基于图像特征的轨道线检测算法、基于深度学习神经网络的目标检测算法、基于双目测量和单目测量的目标距离估计算法、深度学习网络的轻量化技术。最后,展望该领域的技术发展与应用前景。

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煤炭学报

2020年第06期

2203

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基于3D LiDAR的矿山无人驾驶车行驶边界检测

作者(Author)：陈龙, 司译文, 田滨, 檀祖冰, 王永涛

摘要：路沿检测是矿区无人驾驶的关键技术之一，所得路沿信息可用于辅助无人矿车的感知、规划和定位。准确的路沿检测与路沿图构建同时也是高精地图构建中的首要步骤，通过机器学的方法可以在现有路沿点的基础上初步构建道路结构拓扑。与传统的卡尔曼框架下的路沿跟踪所不同的是，本文提出了基于占用栅格思想的路沿跟踪方案。所谓占用栅格，即根据传感器感知到的障碍物信息来对全局范围内的场景进行构建的一种方法。由于矿区环境下的路沿具有高度不确定性，所以需要用一种由包含概率信息的模型找出最高可能性是路沿的位置，而基于八叉树的结构正好可以满足这一需求。本文通过将每一帧点云实时栅格化来筛选路面候选栅格，然后以环压缩为主进行多特征的路沿检测，其中栅格是一种应用已经非常广泛的点云结构，根据矿山道路本身具有的粗粒度特性，将特征检测扩展到以每一个扇形单元格为不可分割的基本单元，在提高了检测效率的同时，也避免了很多路面凹凸所带来的干扰。路沿的跟踪策略采用基于八叉树的三维占用栅格，融合多帧检测结果，建立全局路沿地图，将传统的二维的占用栅格图的概念扩展到了三维的仅包含路沿属性的全局障碍物图。实际矿区道路检测结果表明，本文提出的针对矿山非结构化道路的路沿检测算法可以准确地实现对矿山道路边界的检测，并可以满足无人矿车驾驶的实时性。

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煤炭学报

2020年第06期

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基于NMPC的地下无人铲运机反应式导航系统

作者(Author)：罗维东, 马宝全, 孟宇, 刘立, 顾青, 白国星, 甘鑫

摘要：针对地下无人铲运机反应式导航存在的转向与回正滞后、对宽度变化的弯道适应性较差等问题，提出了基于非线性模型预测控制(NMPC)的反应式导航系统，其中设计了基于NMPC算法的反应式导航运动控制器，并针对NMPC控制器所需要的局部参考路径，提出了一种分段式局部路径决策策略与之相匹配。NMPC控制器的设计包括采用欧拉法推导地下铰接式铲运机的非线性预测模型，然后设立基于铲运机约束条件的优化目标函数进行最优控制序列求解。分段式局部路径决策策略则是将地下巷道拟合分为多种典型作业环境并分别在不同环境下提出相应的决策策略，在铲运机行驶中根据预测时域内的巷道环境信息实时调整局部参考路径，然后将局部参考路径信息提供给NMPC控制器并进行跟踪。通过仿真实验设置不同仿真环境对本文提出的反应式导航系统进行验证并与基于线性时变模型预测控制(LTV-MPC)的反应式导航系统进行对比，仿真效果表明，本文提出的地下无人铲运机反应式导航系统能够在较窄的巷道内实现自主导航，并且能够适应宽度变化的巷道，在多种仿真巷道环境中铲运机与巷道壁的距离最小值为0.73m，且航向误差能够在5s内由0.89rad收敛至稳定状态，稳态误差趋向于0.001rad，铰接角输出较为平顺，提高了地下巷道弯道处参考路径的安全通过性和铲运机对宽度变化的巷道的适应性。

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煤炭学报

2020年第04期

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