CN109214076A - 一种支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法 - Google Patents

Abstract

一种支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法，所述虚拟规划方法是根据不同采煤地理环境及装备条件，利用三机选型设计与方法模块在综采装备选型数据库中选出三机具体型号输入装备模块，构建模拟三机真实行为的数字化三机装备；利用数字化煤层在虚拟环境下生成虚拟煤层模型，提取煤层曲面特征数据，转化为装备运行截割路径；将数字化装备模型导入软件中，利用采煤参数模型进行虚拟仿真并实时记录规划数据，完成性能参数优化，达到指导生产的目的。本方法解决了企业迫切需求快速选择配套装备、以及对预选装备方案的工作状况进行可视化预演与规划，达到了综采虚拟仿真的全生命周期的多样性设计和最优设计。

Description

一种支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法

技术领域

本发明涉及一种在虚拟环境下建立数字化综采工作面的实现方法，尤其是一种在虚拟现实仿真引擎Unity3d下建立一种与真实综采工作面装备及地理环境完全一致的综采选型与预演规划方法与系统。

背景技术

数字双胞胎模型（Digital Twin）指的是以数字化方式在虚拟空间呈现物理对象，即以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，模拟其在现实环境中的行为特征，从而反映相对应实体装备的全生命周期过程。通俗来说，指的是以数字化方式拷贝一个物理对象，模拟对象在现实环境中的行为，实现整个过程的虚拟化和数字化，从而解决过去的问题或精准预测未来。

西门子公司具体将该理论应用在无人化工厂上，将实际加工生产过程的所有元素全部数字化。之后在数字化层面，再将生产过程中所有的环节全部通过模拟仿真分析出来，还可预测实际投入生产后将会发生什么，从而防止在实际生产或投产过程中发生诸多问题后所造成的投资损失。目前，煤矿装备领域VR研究的数字化设计能力还比较低，VR技术还不能对综采工作面进行全面虚拟规划。

在综采项目的选型设计阶段往往需要综合考虑地质地形和煤炭赋存条件、工作面参数和设备配套以及布置要求等众多的限制因素，因此综采装备选型周期长、难度大，煤矿企业迫切需求快速选择配套装备、以及对预选装备方案的工作状况进行预演与规划，提前发现装备运行中可能出现的各种问题，在众多方案中选择最优。

因此，将所有的综采装备元素全部数字化，然后在数字化层面，将生产过程中所有的环节全部都模拟仿真并且分析出来，预测实际装备投入生产后将会发生什么，可以防止在实际生产发生诸多问题后所造成的损失。在设计选型阶段就可以看到整个生产过程，规划操作细节和策略，提高效率，预测可能出现的问题，对整个系统进行优化，一开始就尽可能的检验一切，在虚拟环境中仿真和验证整个生产过程，将选型设计与工艺规划集成到一起，进行在线评估和数字化规划。在此综采装备主要是指“综采工作面三机”，即采煤机、刮板输送机和液压支架。

现有技术中，申请号为201510774205.X的“一种基于地理信息系统的综采设备数字样机分析系统与方法”，该发明包括地质数据库、开采方案构建模块、地质环境分析模块、数字样机分析模块以及设备性能评估模块；还包括一种利用该系统分析方法：根据地质数据库建立矿区地理信息系统；将各煤层开采方案转换为地质环境中综采设备的推进路径及坐标数据，将截割工艺方案转换为综采设备运行参数，并将所述综采设备运行参数与推进路径及坐标关联；沿着推进路径提取局部地理环境信息及关联的设备运行参数，转换为载荷及边界条件施加于综采设备的数字三维模型进行运行仿真及性能分析，进行综合性能评估；该发明能根据复杂的地质环境对综采设备的性能进行全面可靠、有效的分析并对综采设备进行性能评估及预警。

申请号为201711010586.X的“一种基于透明工作面的采煤方法和系统”，该发明提供一种基于透明工作面的采煤方法，通过煤层震波CT检测、巷探、钻探等技术手段，构建工作面智能化开采模型；在采煤机机身安装高精度惯性导航系统获得采煤机的三维空间绝对定位和行进轨迹，结合工作面光纤微震信号和采煤机微震信息，拟合修正三维信息系统；实现采煤机滚筒基于截割模板的智能化控制和液压支架的智能化直线度控制；通过三维虚拟现实系统将工作面的情况实时反映到地面调度指挥中心，实现工作面少人或无人化开采，提高煤矿的智能化开采水平。

博士论文“VR环境下综采工作面三机监测与动态规划方法”中，提出了一种基于综采“三机”协同数学模型和MAS理论，在Unity3d仿真引擎下，提出了一种基于MAS的VR协同规划方法，并建立原型系统（FMUnitySim）。根据工作面多变的环境、设备、工艺等自身的动态特性，采用多因子从多维度设计了“三机”协同运行VR系统，分析了影响“三机”协调运行的多种因素；通过数学建模，研究了采煤机、刮板输送机、群液压支架、供液系统和动态井下环境等多个Agent之间的通讯方式、协调、冲突消解、冗余处理感知等问题，并以此为依据在Unity3d下建立了“三机”协同规划系统，可对“三机”关键参数进行在线规划并调控。

但是上述方法的缺陷在于：1）缺少对装备以及开采地理环境多样性的选择与分析，包括对各种装备的对不同地理环境下的适应性无法做到准确模拟；2）没有完整设备与地理环境在虚拟现实环境下的表达方法；3）并没有一个完整的并且能在一个虚拟环境下完成在真实与模拟地理环境下的虚拟仿真方法。

发明内容

本发明要解决的具体技术问题是煤矿企业或煤机装备生产企业迫切需求快速选择配套装备、以及对预选的装备方案的工作状况进行可视化预演与规划，提前发现装备运行中可能出现的各种问题，在众多方案中选择最优，达到综采虚拟仿真的全生命周期的多样性设计和最优设计，并针对煤矿井下综采工作面采煤机的采煤过程，提供一种支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法。

本发明所采取的技术措施方案如下。

一种支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法是根据不同用户提出采煤地理环境条件和装备条件需要，利用三机选型设计与方法模块在综采装备选型数据库中选出三机具体型号，输入数字化装备模块，进而关联三机特征尺寸数据库和三机性能参数库中的特征参数，并将参数传递进入三机特征化仿真脚本库和三机特征零部件参数化模型库，进而生成三机特征零部件参数化模型，并通过三机整机装配模型库生成整机装配模型，构建完全可以模拟三机真实行为的数字化三机装备。接着数字化煤层模块在虚拟环境下Unity3d中利用xml文件与lineRender和Mesh等命令生成虚拟煤层模型，并可提取煤层曲面的特征数据，转化为装备可以运行截割的路径。将数字化装备模型导入Unity3d软件中，利用底层嵌入的多种采煤关键参数模型进行虚拟仿真，并实时记录规划数据。最后在后处理模块，完成性能、参数等优化，进而达到指导生产的目的。

所述三机选型设计与方法模块是对于用户提供的各种参数，利用机器学习等人工智能方法综合选择三机装备，在众多的SQL SERVER综采装备选型数据库选择合适的采煤机、刮板输送机和液压支架方案。

所述综采装备选型数据库是指通过《中国煤炭机械工业协会》各种综采选型装备手册以及各煤机装备生产企业的产品列表中选出各种产品型号，输入SQL SERVER数据库，进而构建SQL SERVER综采装备选型数据库。

所述数字化装备模块是利用选择好的三机装备具体型号，进行此型号三机数字模型的建立和能够驱动此型号三机数字模型进行与实际装备完全一致的运动的行为，进而建立数字化装备。主要包括三机特征尺寸库、三机性能参数库、三机特征零部件参数化模型库、三机整机装配模型库和三机特征化仿真脚本库。

所述数字化装备模块的建立流程是利用三机选型设计与方法模块选择好的“三机”型号，查找三机特征尺寸库和三机性能参数库中的数据，联机进入三机特征零部件参数化模型库，利用WebGL建立参数化综采三机特征零部件，并能实时查找特征点，将参数化生成的特征零部件模型装配成为三机整机装配模型库，在系统中生成fbx格式模型，进而导入Unity3d软件中，自动按照规则建立零部件父子层级关系，使虚拟采煤机、虚拟刮板输送机和虚拟液压支架分别从三机特征化仿真脚本库中分别对应添加虚拟采煤机、虚拟刮板输送机和虚拟液压支架控制脚本，脚本中预留特征数据接口，正好对应选中的三机特征尺寸库和三机性能参数库中的数据，进而虚拟采煤机、虚拟刮板输送机和虚拟液压支架具备模拟真实采煤机、真实刮板输送机和真实液压支架的能力，因而建立了数字化三机模型。

所述三机特征尺寸库是根据三机说明书查找“三机”特征尺寸，并计算“三机”虚拟运动参数，建立“三机”运动参数库，并与综采装备选型数据库中的产品型号保持一一对应关系。针对不同类型和型号的三机的特征尺寸，有了这些尺寸，就可建立满足采煤机、刮板输送机和液压支架虚拟仿真要求的外观运动学模型，将各类型和型号的特征零部件参数化模型参数化成某特定型号采煤机、刮板输送机和液压支架的零部件，并可以将三机特征化仿真脚本指定为特定型号的三机虚拟控制脚本。

所述三机性能参数库的数据主要用来控制三机运行的速度参数，是指可以反映三机运行真实动作的速度，比如采煤机虚拟运行牵引速度，摇臂调高动作速度等、刮板输送机虚拟运煤、虚拟负载，液压支架移架、推溜、伸收护帮板等动作，通过电机参数、液压系统等参数。例如通过采煤机油泵参数以及摇臂参数、调高油缸参数就可确定采煤机进行摇臂调高动作的速度。

所述三机特征零部件参数化模型库是指在WebGL软件中已经被参数化了的三机特征零部件模型，并在各关键位置旋转点配置运动销轴，并留有数据接口，可以接受三机选型与方法模块选定的三机型号对应到的三机特征尺寸库中的特征数据。

所述三机整机装配模型库是提取已经被三机特征尺寸库数据参数化生成的特征零部件模型中的特征点，并利用定义的装配规则，生成三机整机装配模型。

三机特征化仿真脚本库是将建立的“三机”模型导入Unity 3d虚拟现实软件中，将已有的可以控制虚拟“三机”运行的C#脚本程序进行脚本多样化改进，提取各虚拟模型的特征变量建立接口，以实现不同种类“三机”的运动仿真，并将各个虚拟预设变量与已选定的三机特征尺寸库数据和三机性能参数库并中的数据一一对应，并分别与三机整机装配模型进行关联，因而虚拟三机就具备了三机选型设计与方法模块选出的三机型号模块所具有的虚拟行为。

所述数字化煤层模块是在unity3d中构建的虚拟煤层模型，依据煤层地质模型资料（震波CT、煤层揭露情况、钻孔探测情况、回采工作面边界曲线）信息进行提取，在ArcGIS软件中建立模型，提取每一个关键数据点，存入xml文件中，Unity3d程序读取xml点，并进行相关，利用lineRender渲染器进行截割循环横向和纵向连线。再利用Mesh网络指令Meshrender和Meshfilter建立曲面，分别建立顶板和底板曲面，建立了基于数据驱动的虚拟的煤层曲面。再提取曲面的特征数据（法向量等），将虚拟煤层转化为可以供开采的截割与路径信息。

所述虚拟仿真模块是利用规划好的参数进行仿真，虚拟场景设置和底层运行计算模型。

所述虚拟场景设置界面，主要完成规划参数的设置，以便在不同的初始条件下进行规划，主要分“地质地形参数”、“顶底板参数”、“采煤方法与工艺参数”、“采煤机参数”、“刮板输送机参数”和“液压支架和液压系统参数”六个模块。上述底层运行计算模型主要包括“三机”协同数学模型和“三机”Agent模型构建，具体涉及采煤机牵引速度与刮板输送机运量耦合模型、采煤机牵引速度、调高动作与煤岩环境耦合模型、液压支架跟机控制与采煤机速度耦合策略、液压支架跟机与顶底板条件耦合策略、刮板输送机形状与液压支架推移油缸耦合模型。“三机”Agent模型包括采煤机Agent、液压支架Agent、刮板输送机Agent、液压系统Agent和环境Agent。

后处理模块是利用xml文件记录数据，并进行分析。包括结果记录模块、优化分析模块。进行最佳参数匹配的试验，试验中的决策行为包括采煤机牵引速度、液压支架跟机移架速度和刮板输送机负载等参数。完成参数的优化和匹配。比如机头向机尾正常割煤采煤机牵引速度与液压支架跟机距离规划图和采煤机前滚筒瞬时割煤、后滚筒瞬时割煤和刮板输送机瞬时运出煤关系。试验结果主要通过时间速度指标、安全效率（平均跟机距离）、最大空顶距离和生产煤的质量等四个指标来确定最佳参数匹配。

本发明上述所提供一种支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法的技术方案，与现有技术相比，具有如下的有益效果。

（1）项目初期实现整个装备运行过程；煤机企业，可以选用配套装备及地理环境进行煤机设计过程中在不同地理环境下的运行情况的测试；煤矿单位在项目开始前可建立一个完整的综采工作面，进行分析和测试，在投入生产后也可虚拟开采与真实开采同时进行，并进行相关修正；提前发现装备运行中可能出现的各种问题，在众多方案中选择最优；科普应用，更加了解煤矿井下的采煤过程，煤机工作过程等。

（2）完成了整个数字化综采装备的整机及特征零部件的参数化，提高了综采装备的数字化设计水平。

（3）借助运动规划，亦可在VR环境下快速预演三机动作轨迹、动作顺序，实现虚拟设备操作及作业过程全程模拟，做到过程拟实性及运动可视化，最终真实再现整个作业过程，达到快速选型、亲历体验、模拟运行和互动感受等多途通一的目的。

（4）生产过程中所有的环节全部都模拟仿真分析；在设计选型阶段就可以看到整个生产过程；规划操作细节和策略，提高效率；预测可能出现的问题，对整个系统进行优化；一开始就尽可能的检验一切；选型设计与工艺规划集成。

（5）对工作面环境信息、选型设计、装备配套、装备自动化水平、装备性能指标、装备任务模型与任务协调、采煤工艺设计和全景三维可视化快速规划预演；完整真实地再现了整个工作面的运行状态，从而帮助煤炭企业在实际生产之前即能在虚拟环境中优化、仿真和测试，在综采运行生产过程中也可同步优化整个生产流程，最终实现安全高效可靠的生产。

附图说明

图1 是本发明与系统的组成部分与实现方法。

图2 是本发明数字化模型模块的数据传递过程。

图3是本发明数字采煤机特征零部件、特征约束、特征尺寸和性能指标。

图4是本发明数字刮板输送机特征零部件、特征约束、特征尺寸和性能指标。

图5是本发明数字液压支架特征零部件、特征约束、特征尺寸和性能指标。

图6 是本发明液压支架各零部件父子关系结构图。

图7 是本发明液压支架各零部件父子关系结构图。

图8 是本发明虚拟规划结果机头向机尾正常割煤采煤机牵引速度与液压支架跟机距离规划图。

图9 是本发明虚拟规划结果采煤机前滚筒瞬时割煤、后滚筒瞬时割煤和刮板输送机瞬时运出煤关系。

图10 本发明虚拟三机规划试验方案。

图11 是本发明虚拟三机规划试验结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做出进一步的说明。

如附图1和附图2所示，实施本发明上述所提供的一种支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法是根据不同用户提出采煤地理环境条件和装备条件需要，利用三机选型设计与方法模块在综采装备选型数据库中选出三机具体型号，进而关联三机特征尺寸数据库和三机性能参数库中的特征参数，并将参数传递进入三机特征化仿真脚本库和三机特征零部件参数化模型库，进而生成三机特征零部件参数化模型，并通过三机整机装配模型库生成整机装配模型，构建完全可以模拟三机真实行为的的数字化三机装备；在虚拟环境下Unity3d中利用xml文件与lineRender和Mesh等命令生产数字化煤层模型，并可提取曲面的特征数据，转化为装备可以运行截割的路径。将数字化装备模型导入，利用底层嵌入的多种采煤关键参数模型进行虚拟仿真，并实时记录规划数据；最后在后处理模块，完成性能、参数等优化，进而达到指导生产的目的。本方法可以解决煤矿企业或煤机装备生产企业迫切需求快速选择配套装备、以及对预选的装备方案的工作状况进行可视化预演与规划，提前发现装备运行中可能出现的各种问题，在众多方案中选择最优，达到了综采虚拟仿真的全生命周期的多样性设计和最优设计。

下面通过实施例对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

以煤矿企业用户为例进行说明：

首先用户输入条件到三机选型设计与方法模块：某综采工作面煤层结构简单，倾角4°-8°，平均6°，厚度平均2.9米，3407工作面走向长（运巷1219米，材巷1256米），倾向宽170米、62.4米，面积为153640.92㎡，该工作面地质构造简单,基本为一单斜构造，及次一级的褶皱构造。

三机选型设计与方法模块在SQL SERVER选型数据库中输出优选结果为采煤机型号：MGTY250/600；液压支架型号：ZZ4000/18/38；刮板输送机型号：SGZ764/630。

如附图3、附图4和附图5所示，进入数字化装备模块，分别将ZZ4000/18/38型液压支架与其三机特征尺寸库中的液压支架部分相关联，查找到该型号液压支架的特征尺寸，包括推移机构安装尺寸、前后连杆安装尺寸、立柱安装尺寸、前后连杆尺寸、掩护梁尺寸、顶梁安装尺寸、顶梁立柱安装尺寸、顶梁尺寸、护帮板尺寸、伸缩梁尺寸、推移油缸尺寸等特征尺寸的具体数值，将这些数值传递给三机特征零部件参数化模型库和三机特征化仿真脚本库中的液压支架部分，控制液压支架零部件参数化模型以及仿真脚本中与真实此型号液压支架的尺寸和性能保持一致；SGZ764/630型刮板输送机与MGTY250/600型采煤机也同理。

分别将ZZ4000/18/38型液压支架与其三机性能参数库相关联，查找到该型号液压支架的性能参数的具体数值，主要包括液压系统配置、乳化液泵流量、液压系统压力、支架数量、立柱和推移油缸油缸结构参数等特征性能参数的具体数值，将这些数值传递给三机特征化仿真脚本库中的液压支架部分；控制液压支架仿真脚本中与真实此型号液压支架性能保持一致；比如：立柱无杆腔直径为200mm，有杆腔直径为85mm，前后立柱总数量为4，降柱高度为200mm。无杆腔速度为：

V ₁ =Q ₁ /A= 125×10³/((3.14×0.1²×10⁴)×4)= 99.52(cm/min)=1.66cm/s

伸长时间200mm/16.6mm/s×1.2=14.46s

假设升柱过程中，顶梁上升200mm，对应的后立柱上升201.834mm，计算可得，升柱过程时间为14.46s，所以每帧增量为201.834/(14.46×3)=4.65mm；后立柱倾角由86.8度变到86.6度，然后通过循环实现油缸伸长，其它油缸伸出时间也同理；SGZ764/630型刮板输送机与MGTY250/600型采煤机的性能参数计算部分也同理。

如附图6和附图7所示，将ZZ4000/18/38型液压支架的特征尺寸提取出来，输入三机特征零部件参数化模型库，在WebGL中分别建立底座、前连杆、后连杆、掩护梁、顶梁、伸缩梁、护帮板、各油缸的参数化模型，并在每一个的运动关键点建立销轴，来标记各运动和装配关键点，包括底座前销轴、底座后销轴、前立柱体销轴、后立柱体销轴、后连杆掩护梁销轴、掩护梁顶梁销轴、前连杆掩护梁销轴、顶梁前梁销轴、后立柱杆销轴、前立柱杆销轴和伸缩梁护帮板销轴。WebGL可以导出stl、fbx等多种类型格式交换文件，在其软件底层编写脚本控制生成fbx脚本，并可自动导入Unity3d软件中。

将参数化好的各零部件点击导出按钮自动在Unity3d中建立三机整机装配模型库，针对运动关系的旋转中心点，利用已经建立好的各销轴，以此对运动和装配中心点进行标记。并在Hierarchy视图中建立层级关系。此时就将液压支架各零部件进行装配好生成了三机整机装配模型。SGZ764/630型刮板输送机也同理。

以往的虚拟采煤机的层级关系图建立均使用采煤机机身作为最高层级物体，而此处MGTY250/600型采煤机采用了较特殊的层级建立关系，以左滑靴销轴为最高级去控制左支撑滑靴和采煤机机身，采煤机机身再去控制左油缸体销轴、右摇臂销轴、右油缸体销轴、左摇臂销轴和右滑靴销轴，进而在控制每个物体的子物体。表示采煤机定位以左滑靴销轴为关键定位点。在此需要注意。

三机特征化仿真脚本库是将建立的“三机”模型导入unity 3d虚拟现实软件中，消化已有的“三机”C#脚本程序，并进行多样化改进，以实现不同种类“三机”的运动仿真，并将各虚拟模型的特征变量建立接口，用于接收三机特征尺寸库相关联中该型号液压支架的特征尺寸数据和三机性能参数库中该型号液压支架的性能参数数据。此时液压支架控制脚本ZzyyControl.cs，赋给液压支架装配模型中层级关系最高的部分底座，C#对部件进行定义部件变量并将这些变量与部件建立一一对应关系，同理，ZZ4000/18/38型数字化液压支架、MGTY250/600型数字化采煤机和SGZ764/630型数字化刮板输送机就建立了。

接下来建立三维煤层模型在unity3d中构建的虚拟煤层模型，依据煤层地质模型资料（震波CT、煤层揭露情况、钻孔探测情况、回采工作面边界曲线）信息进行提取，在ArcGIS软件中建立模型，提取每一个关键数据点，存入xml文件中，Unity3d程序读取xml点，并进行相关，利用lineRender渲染器进行截割循环横向和纵向连线。再利用Mesh网络指令Meshrender和Meshfilter建立曲面，分别建立顶板和底板曲面，建立了基于数据驱动的虚拟的煤层曲面。再提取曲面的特征数据（法向量等），将虚拟煤层转化为可以供开采的截割与路径信息。

将项目发布成为PC端可执行程序。点击运行PC端程序，进入参数设置界面，首先选择采煤方法为“端部斜切进刀双向割煤工艺”，设置采煤工艺参数，包括规则一为3架，规则二为7架，规则三为2架；安全距离为2-8架。完成“三机”配套参数，包括液压支架动作速度参数、采煤机牵引速度参数等设置；井下环境参数设置前提为中等稳定煤岩，在此情况下允许间隔交错移架方式。

点击“开始”按钮，可以看到采煤机左滚筒上升，右滚筒下降，然后向机尾部进行牵引。当采煤机运行至激活对应位置的液压支架n动作，由于采煤机牵引速度大于液压支架移架速度，在位置信息已经激活n+1架动作时，由于第n架还没进行完移架动作，所以n+1架还不能动作，当V _y <V _c <2V _y 时，激活间隔交错移架方式，使支架快速进行移架动作进而追击采煤机。

接着液压支架动作慢慢落后于采煤机动作达到一定限度后，采煤机开始自行减速，液压支架开始追击，直到液压支架移架架数追上采煤机并接近安全距离时，采煤机牵引速度才又会自行增加。推溜动作进行时，可以看到S形的生成以及S形的传递。

完成第一次仿真，打开记录文件的xml相关文件，进行数据整理。

如附图8所示机头向机尾正常割煤采煤机牵引速度与液压支架跟机距离规划图，其中：

A点表示采煤机运行L _wan 长度后，采煤机前滚筒开始割煤的位置。此时，采煤机牵引速度增加到10.2m/min，开始激活液压支架跟机移架动作;

B点表示采煤机牵引速度达到预设的最大值20m/min；

C点表示刮板输送机运量发生了突变。刮板输送机负载在图6-11中增加了2t左右，主要因为跟机距离D _follow 大于10架，煤壁发生突然垮落。在这种情况下，液压支架将由顺序移架方式切换为间隔交错移架方式；

D点表示跟机距离达到最大的12.8架，液压支架已经跟不上采煤机的牵引速度，并超过了最大安全距离，很可能会发生冒顶的危险；采煤机牵引速度会快速下降，使液压支架移架速度逐渐跟上采煤机牵引速度；

E点表示刮板输送机负载出现降低，E点所对应的采煤机牵引速度(11.63m/min)正好可与刮板输送机瞬时速度(1.18m/s)进行复杂匹配。需要注意的是，此时的液压支架跟机已追赶采煤机至3架，小于安全距离，可能会造成采煤机与支架干涉，于是采煤机牵引速度会再次出现快速增长，并与刮板输送机负荷再次进行匹配。整个过程将经历5次牵引速度增加和降低的过程；

F点表示采煤机牵引速度再次上升，直到达到刮板输送机的最大负载；

F点-G点之间的曲线表示刮板输送机达到最大负载后，采煤机牵引速度第二次出现较小的回落；

G点-H点的变化同上；

H点之后，刮板输送机负载只在一定负载内小范围波动，当采煤机前滚筒和后滚筒割煤量与刮板输送机瞬时运出煤量相等，刮板输送机负载趋于稳定状态。

如附图9所示为瞬时采煤机前滚筒割煤、瞬时后滚筒割煤和刮板输送机瞬时运出煤关系，前滚筒首先开始割煤，随后刮板输送机开始运出煤，接着后滚筒也进入开始割煤，利用梯形法进行计算。前后滚筒割煤均随着采煤机牵引速度的变化而变化，而瞬时刮板输送机运出煤量始终保持不变。最终达到瞬时前后滚筒割煤的总量等于瞬时刮板输送机运出煤量。

如附图10所示，接下来调整参数，进行最佳参数匹配的试验，试验中的决策行为包括采煤机牵引速度、液压支架跟机移架速度和刮板输送机负载等参数。试验结果主要通过时间速度指标、安全效率（平均跟机距离）、最大空顶距离和生产煤的质量等四个指标来确定最佳参数匹配。

如附图11所示，按照以上方案每组均进行10次仿真试验每组平均结果如图所示。从仿真结果可以看出：

（1）2和1相比，在考虑煤壁垮落时，系统的安全效率有所下降，其他性能基本不变；

（2）2、3、4、5组试验说明，在与液压支架移架速度匹配（顺序移架和交错移架）时，采煤机的最大牵引速度设置>匹配速度时，采煤机的最大牵引速度设置越大，速度越快，但安全效率逐渐变差，刮板输送机负载也就越大。但是提升最大牵引速度，平均牵引速度并未显著增加，而安全系数增加很明显，因此采煤机的牵引速度最大值应该选用与液压支架匹配的速度，而不可因短暂的效率提高而选择较大的牵引速度。

5、6组试验说明，采煤机的最大牵引速度设置<匹配速度时，采煤机的平均牵引速度、采煤效率均出现很明显的下降，安全系数却只有小范围提高。所以采煤机的最大牵引速度不应小于与液压支架移架速度匹配的数值。

（3）而2和7进行对比，得出反向运煤牵引速度有所降低，但安全距离有相应明显提高，因此在反向运煤时，可以加快采煤机的牵引速度。

接下来煤矿企业用户可以针对以上提出的意见和建议，优化目标，改进生产工艺，装备型号等，以求获得最佳仿真规划结果。

以煤机企业用户选择过程与煤矿企业用户选型过程大体相同，只不过关注的重点不同，煤机企业更关心自己生产的设备的表现和运行效果如何，而煤矿企业更加关注整个采煤过程和装备的适应性情况。

Claims (10)

1.一种支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法，其特征在于：所述虚拟规划方法是根据采煤地理环境及装备条件，利用三机选型设计与方法模块在综采装备选型数据库中选出三机型号，输入数字化装备模块，将特征参数传入三机特征化仿真脚本库和三机特征零部件参数化模型库，生成三机特征零部件参数化模型，通过三机整机装配模型库生成整机装配模型，构建模拟三机真实行为的数字化三机装备；数字化煤层模块在虚拟环境下Unity3d中，利用xml文件、lineRender及Mesh命令生成虚拟煤层模型，提取煤层曲面的特征数据并转化为装备运行截割路径，将数字化装备模型导入Unity3d软件中，利用底层多种采煤参数模型进行虚拟仿真，实时记录规划数据，在后处理模块中完成性能参数优化，实现指导生产的目的。

2.如权利要求1所述的支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法，其特征在于：所述三机选型设计与方法模块是对于用户提供的各种参数利用机器学习人工智能方法综合选择三机装备，在SQL SERVER综采装备选型数据库中选择相应的采煤机、刮板输送机和液压支架；所述数字化装备模块是利用已选三机装备型号，建立三机数字模型及能够驱动此型号的三机数字模型进行与实际装备完全一致的运动行为，建立数字化装备，包括三机特征尺寸库、三机性能参数库、三机特征零部件参数化模型库、三机整机装配模型库和三机特征化仿真脚本库；

所述数字化装备模块的建立方法是利用三机选型设计与方法模块，选择好三机型号，查找三机特征尺寸库和三机性能参数库中的数据，联机进入三机特征零部件参数化模型库；利用WebGL建立参数化综采三机特征零部件，并能实时查找特征点，将参数化生成的特征零部件模型装配为三机整机装配模型库，在系统中生成fbx格式模型，导入Unity3d软件中，按照规则建立零部件父子层级关系，使虚拟采煤机、虚拟刮板输送机和虚拟液压支架分别从三机特征化仿真脚本库中分别对应添加虚拟采煤机、虚拟刮板输送机和虚拟液压支架控制脚本，脚本中预留特征数据接口，对应选择的三机特征尺寸库和三机性能参数库中的数据，虚拟采煤机、刮板输送机和液压支架具备模拟真实采煤机、刮板输送机和液压支架的能力，建立数字化三机模型。

3.如权利要求2所述的支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法，其特征在于：所述三机特征尺寸库是根据三机说明书查找三机特征尺寸，计算三机拟运动参数，建立三机运动参数库，并与综采装备选型数据库中的产品型号一一对应，针对不同类型和型号的三机特征尺寸，建立相应的采煤机、刮板输送机和液压支架虚拟仿真要求的外观运动学模型，将各类型和型号的特征零部件参数化模型参数化成某特定型号的采煤机、刮板输送机和液压支架的零部件，并将三机特征化仿真脚本指定为特定型号的三机虚拟控制脚本。

4.如权利要求2所述的支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法，其特征在于：所述三机性能参数库的数据是控制三机运行的速度参数，包括采煤机的虚拟运行牵引速度，摇臂调高动作速度；刮板输送机的虚拟运煤和虚拟负载，液压支架的移架、推溜及伸收护帮板动作，通过电机参数、液压系统参数定采煤机进行摇臂调高动作的速度。

5.如权利要求2所述的支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法，其特征在于：所述三机特征零部件参数化模型库是在WebGL软件中已被参数化的三机特征零部件模型，并在各位置旋转点配置运动销轴，留有数据接口，接受三机选型与方法模块选定的三机型号对应到的三机特征尺寸库中的特征数据。

6.如权利要求2所述的支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法，其特征在于：所述三机整机装配模型库是提取已经被三机特征尺寸库数据参数化生成的特征零部件模型中的特征点，并利用定义的装配规则，生成三机整机装配模型。

7.如权利要求2所述的支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法，其特征在于：所述三机特征化仿真脚本库是将建立的三机模型导入Unity 3d虚拟现实软件中，将已有的可以控制虚拟三机运行的C#脚本程序进行脚本多样化改进，提取各虚拟模型的特征变量建立接口，以实现不同种类的三机运动仿真，并将各个虚拟预设变量与已选定的三机特征尺寸库数据和三机性能参数库并中的数据一一对应，分别与三机整机装配模型进行关联，因而虚拟三机具备三机选型设计与方法模块选出的三机型号模块所具有的虚拟行为。

8.如权利要求1所述的支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法，其特征在于：所述数字化煤层模块是在unity3d中构建的虚拟煤层模型，依据煤层地质模型资料信息进行提取，包括震波CT、煤层揭露情况、钻孔探测情况、回采工作面边界曲线在ArcGIS软件中建立模型，提取每个数据点，存入xml文件中，Unity3d程序读取xml点，并进行相关，利用lineRender渲染器进行截割循环横向和纵向连线；再利用Mesh网络指令Meshrender和Meshfilter建立曲面，分别建立顶板和底板曲面，建立基于数据驱动的虚拟煤层曲面；再提取曲面的特征数据，将虚拟煤层转化为供开采的截割与路径信息。

9.如权利要求1所述的支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法，其特征在于：所述虚拟规划方法的虚拟仿真模块是利用规划好的参数进行仿真、虚拟场景设置和底层运行计算模型；

所述虚拟场景设置是完成规划参数的设置，以便在不同初始条件下进行规划，包括地质地形参数、顶底板参数、采煤方法与工艺参数、采煤机参数、刮板输送机参数和液压支架和液压系统参数六个模块；所述底层运行计算模型包括三机协同数学模型和三机Agent模型构建，涉及采煤机牵引速度与刮板输送机运量耦合模型、采煤机牵引速度、调高动作与煤岩环境耦合模型、液压支架跟机控制与采煤机速度耦合策略、液压支架跟机与顶底板条件耦合策略、刮板输送机形状与液压支架推移油缸耦合模型；三机Agent模型包括采煤机Agent、液压支架Agent、刮板输送机Agent、液压系统Agent和环境Agent。

10.如权利要求1所述的支撑综采工作面地理环境及装备的虚拟规划方法，其特征在于：所述后处理模块是利用xml文件记录数据，并进行分析，包括结果记录模块、优化分析模块，进行最佳参数匹配试验，试验中的决策行为包括采煤机牵引速度、液压支架跟机移架速度和刮板输送机负载参数；完成参数的优化和匹配；包括机头向机尾正常割煤采煤机牵引速度与液压支架跟机距离规划图和采煤机前滚筒瞬时割煤、后滚筒瞬时割煤和刮板输送机瞬时运出煤关系；试验结果通过时间速度指标、安全效率、最大空顶距离和生产煤的质量四个指标来确定最佳参数匹配。