煤矿智能化是实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，煤炭资源的“智能、安全、绿色、高效”开 采是我国煤炭行业的发展战略和必由之路。煤矿掘 进工作面在“机械化换人、自动化少人和智能化无人” 理念的指导下，“采掘失衡”问题逐步缓解。但是大多数的煤矿掘进工作面巷道掘进工作仍需工人在井下进行手动操作，低照度、高粉尘井下作业环境，以及 视线遮挡等因素极易造成巷道的超挖、欠挖，影响巷道断面成形质量，且存在安全隐患。巷道成形截割控制自动化、智能化是解决以上问题的关键，也是目前 行业协同攻关的热点。

近年来，数字孪生 (Digital Twin, DT) 技术在煤矿 智能化建设过程中已引起了广泛关注。数字孪生是 物理对象的数字化模型，该模型接收来自物理对象的 数据，并与来自物理对象的数据交互而实时演化，进 而与物理对象在全生命周期保持一致。基于数字孪生可进行分析、仿真、预测等，并将仿真结果反馈给物理实体，帮助对物理对象进行优化、决策，其中连接与交互是实现数字孪生动态运行和虚拟空间高效融合的关键。煤矿智能化生产中融合数字孪生、虚拟现实等技术，应对煤矿掘进工作面智能化改造与建设中的复杂要求，正迅速推动着掘进装备智能化技术的发展。

王苏彧等通过分析掘进工作面人工截割与自动截割所面临的问题，提出了一种新的控制手段—— 记忆截割，并从理论与控制层面对其进行了阐述，但 只适用于巷道围岩稳定的情况下。张超等针对目前掘进机远程截割控制中存在视频和二维平面监控 不直观以及断面成形质量依赖人工操作经验的问题， 对数字孪生驱动的掘进机自动截割控制技术进行了研究。张旭辉等对井下掘进工作面掘进效率低、 掘进设备决策能力不高等问题，提出了一种数字孪生驱动的掘进机器人虚拟操控与决策控制方法。吴淼等对目前掘进工作面“串行工艺”流程中，存在的制 约煤矿安全、高效生产的问题，构建了数字孪生驱动 的综掘巷道并行工艺技术系统，对实现掘进机器人障 碍物感知、自主纠偏以及自动截割等智能化革新技术 进行了阐述。杨健健等通过对实现煤矿掘进工作面智能化的关键技术进行分析，搭建了智能化快速掘 进技术体系。以上研究表明，当前基于数字孪生技术 的掘进设备自动截割研究已有一定进展，提升了掘进 效率、断面成形质量，但对于地质条件较为复杂的煤 矿，其适应性、灵活性及应用效果尚待提高。本课题 组前期提出“示教+再现”轨迹规划新模式，破解实际生产中掘进机轨迹规划难题，针对纵轴掘进机、横 轴掘进机 2 种形式进行研究，特别是悬臂式纵轴掘进 机轨迹涉及机身运动轨迹、截割臂运动轨迹的规划， 还要考虑截割头形状和位姿，加之煤矿现场可能还有 特殊截割工艺要求，技术层面实现的难度非常大。通过掘进机司机“示教”一个截割断面施工过程，记忆示 教过程的机身移动轨迹、截割臂运动轨迹相关位姿数 据;自动截割时通过回放记忆的数据“再现”操作工作 巷道成形截割过程，以基于机身和截割臂位姿数据构 建的轨迹伺服跟踪模型保证自动化截割的过程控制。 该方法目前已经通过实验室测试，在井下初步进行了验证。但是，该方法中“示教”依靠在掘进工作面司机的人为控制，很难保证轨迹的优化和合理性，借助前 期数字孪生驱动的虚拟边界碰撞检测、异常预警和人 工示教轨迹规划等研究基础，研究虚拟空间智能交互 的示教方式，实现完成掘进机记忆截割轨迹规划，此 方法可以结合理论规划、井下人工示教和虚拟示教的优势，对促进智能截割技术发展具有重要意义。 因此，笔者结合数字孪生、虚拟现实和机器人控制等技术，提出了数字孪生驱动的悬臂式掘进机记忆截割控制系统体系框架，在虚拟空间搭建虚拟掘进工作面，研究用于煤矿掘进工作面巷道断面成形截割的 “虚拟示教”策略，获得理想截割轨迹，通过建立悬臂式掘进机截割部运动控制模型，研究迭代学习与滑模 控制相结合的“记忆截割”轨迹跟踪控制方法，并搭建悬臂式掘进机虚拟示教记忆截割仿真控制平台对系统各项功能以及性能进行验证。