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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“新锐科学家”专题 | 王学文教授:面向多人−多机复杂协作任务的煤矿XR智能运维系统

2024-08-01





创新点
1)针对实际需求对面向多人-多机复杂协作任务的煤矿XR智能运维系统总体架构进行了设计,对系统各部分组成与协同运行关系进行了解释和描述。
2)为系统所涉及的VR运维子系统构建、AR运维子系统构建以及通讯网络构建关键技术给出了相应的解决方案,并进行了系统集成与测试验证。
3)实现了虚拟空间和物理空间的协同感知、决策与控制,为煤矿操作员与煤矿机器人之间的人-人、人-机、机-机交互协作提供了全新的解决方案

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面向多人−多机复杂协作任务的煤矿XR智能运维系统

作者:王学文1, 2, 3 , 刘曙光1, 2 , 王雪松2, 3 , 谢嘉成1, 2, 3 , 刘京铨1, 2 , 王禧龙1, 2
单位:1. 太原理工大学 机械与运载工程学院2. 煤矿综采装备山西省重点实验室3. 智能采矿装备技术全国重点实验室
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 

煤炭是我国能源体系的基石,而煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。煤矿机器人作为煤炭开采技术革命的重要标志,在煤矿智能化建设中发挥着重要作用。2019年,国家煤矿安监局发布《煤矿机器人重点研发目录》。2021年,中国煤炭学会将“煤矿智能化机器人”列为“十四五”期间煤炭十大重点领域之一。2023年,工信部等十七部门联合印发《“机器人+”应用行动实施方案》,指出应深化煤炭领域“机器人+”应用。随着需求迁移与政策推动,煤矿机器人已成为实现煤矿智能化愿景的重要基础,正推动煤矿智能化建设迈向高水平。

随着研发与应用的深入,煤矿机器人已能够提供精准服务,代替煤矿操作员完成部分工作,这使煤矿操作员的劳动强度得到了有效降低。但由于煤矿井下设备众多且关联性强、作业任务复杂,因此即使在煤矿井下减人增效的大背景下,人仍然在煤矿生产系统中扮演重要角色。在面对设备安装、拆除、维护、现场清理、钻孔、封孔等程序冗杂、随机性强的辅助作业任务时,需要人机协作乃至多人−多机协作完成。煤矿机器人可执行一些重复性、危险性或高强度的任务,而煤矿操作员则可专注于更复杂、需要人类智慧和判断的工作。2者协同作业,通过可靠及时的信息共享与意图捕捉,能够将人的智能判断能力与机器人的高效执行能力相结合,实现互补,在提高生产效率的同时降低工作风险。

摘要
 ABSTRACT
随着煤矿智能化的发展与煤矿机器人的研发应用,煤矿操作员与煤矿机器人之间的高效协作对于井下复杂任务起到至关重要的作用。为优化多工种煤矿操作员与多机器人协作的复杂运行关系,基于数字孪生理念与在XR领域的长期实践,开展面向多人−多机复杂协作任务的煤矿XR智能运维系统设计与关键技术研究。
首先,针对复杂任务中2类煤矿操作员(包括集控操作员与就地操作员)与2类煤矿机器人(包括探测机器人与作业机器人)协作的典型场景,设计了系统总体架构,将系统划分为物理子系统、VR运维子系统与AR运维子系统3部分,并对各部分的内容、功能以及3部分之间的协同运行关系进行介绍。
然后,对系统涉及的VR运维子系统构建、AR运维子系统构建以及通讯网络构建等关键技术进行剖析,对各关键技术对应的解决方案进行了探讨,并实现了2类煤矿操作员、2类煤矿机器人与VR/AR运维子系统的集成运行。
最后,在实验室环境下模拟井下复杂环境搭建了试验场地,在试验场地中设定了任务点与具体任务,对系统的可行性与有效性进行测试验证。
试验结果表明,煤矿XR智能运维系统能够在不同复杂任务对应的多人−多机协作情形中发挥作用。通过VR运维子系统与AR运维子系统的协同运行,可实现虚拟空间和物理空间的协同感知、决策与控制,能够在虚拟空间中对物理空间的复杂任务进行迭代、优化和验算,形成了人−人、人−机、机−机交互协作的智能运行模式。
部分图表






 1    系统构成


 2    VR 运维子系统各模块耦合运行关系


 3    系统协同运行关系


 4    人机状态监测界面


 5    整体任务场景的构建过程


 6    基于 5W2H 的人机任务分配


 7    全局与局部导航


 8    AR 对象虚实映射

作者简介


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,煤炭机械工业综采装备数字化工程技术研究中心主任。兼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、《绿色矿山》编委、《煤炭科学技术》青年编委、《International Journal of Coal Science & Technology》学术编辑等。曾获山西省三晋英才、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称号。


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。




来源:

王学文刘曙光王雪松面向多人多机复杂协作任务的煤矿 XR 智能运维系统[J]. 煤炭学报202449(4):2124−2140.


责编:王   凡‍‍‍
编辑:赵泽维
审核:张晓宁


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