CN115688514B - 一种综采工作面围岩的数字孪生体构建方法、系统及设备 - Google Patents
一种综采工作面围岩的数字孪生体构建方法、系统及设备 Download PDFInfo
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Abstract
本公开涉及煤矿智能开采技术领域，尤其涉及一种综采工作面围岩的数字孪生体构建方法、系统及设备。该方法包括获取综采工作面处围岩的尺寸信息，建立围岩的几何模型；获取围岩的地质参数和地质参数对应的物理量，基于地质参数和物理量初步优化几何模型；获取综采工作面设备群对围岩的作用力信息，利用作用力信息对初步优化后的几何模型进行二次优化，从而获得围岩的数字孪生模型，数字孪生模型的输入为设备群对围岩的作用力信息，数字孪生模型的输出包括围岩应力和应变；获取设备群对围岩实时的作用力信息，基于数字孪生模型对实际综采工作面围岩进行应力监测。根据本公开的方法能够提高围岩的应力分析的准确性。
Description
技术领域
本公开涉及煤矿智能开采技术领域，尤其涉及一种综采工作面围岩的数字孪生体构建方法、系统及设备。
背景技术
目前市场上已有的综采工作面围岩数字孪生解决方案，在当前煤矿智能化建设的数字孪生体建模方面，已有的对地质条件进行建模的方式，主要是通过测量，进行工作面尺寸、岩层材质方面的建模，而没有对围岩受力状态的实时分析。这样的方式并未建立围岩与液压支架之间的作用关系模型，也没有建立基于岩石力学约束的围岩自身应力应变模型，无法进行围岩结构与状态的仿真分析与预测。因此，现有的综采工作面围岩的数字孪生体建模仅对综采工作面围岩进行了外观建模，并没有考虑围岩受力状态和应变特性进行仿真分析与预测的问题，从而使得围岩的应力分析的准确性也较低。
发明内容
本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本公开的第一个目的在于提出一种综采工作面围岩的数字孪生体构建方法，以提高围岩的应力分析的准确性。
本公开的第二个目的在于提出一种综采工作面围岩的数字孪生体构建系统。
本公开的第三个目的在于提出一种综采工作面围岩的数字孪生体构建设备。
为达上述目的，本公开第一方面实施例提出了一种综采工作面围岩的数字孪生体构建方法，包括：
获取综采工作面处围岩的尺寸信息，建立围岩的几何模型；
获取所述围岩的地质参数和所述地质参数对应的物理量，基于所述地质参数和所述物理量初步优化所述几何模型；
获取综采工作面设备群对围岩的作用力信息，利用所述作用力信息对初步优化后的几何模型进行二次优化，从而获得围岩的数字孪生模型，所述数字孪生模型的输入为设备群对围岩的作用力信息，所述数字孪生模型的输出包括围岩应力和应变；
获取设备群对围岩实时的作用力信息，基于所述数字孪生模型对实际综采工作面围岩进行应力监测。
在本公开的一个实施例中，所述综采工作面设备群对围岩的作用力信息的获取过程，包括：构建综采工作面围岩与设备群的相互作用模型，获取压力传感器数据和支撑力数据，将所述压力传感器数据和支撑力数据输入所述相互作用模型以获得围岩对综采工作面设备群的作用力信息，其中所述围岩对综采工作面设备群的作用力信息即为综采工作面设备群对围岩的作用力信息。
在本公开的一个实施例中，所述设备群包括第一设备和第二设备，所述第一设备与围岩接触面上布置有压力传感器，所述第二设备与围岩接触面上没有布置压力传感器；所述构建综采工作面围岩与设备群的相互作用模型，包括：建立围岩对第一设备的各单个设备的作用模型，获取所述单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据，将所述单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据输入所述作用模型以获得围岩对第一设备的各单个设备的作用力信息；基于所述作用模型建立所述相互作用模型，所述相互作用模型基于第一设备的所有单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据，获得围岩对第一设备的所有单个设备的作用力信息，基于所述围岩对第一设备的所有单个设备的作用力信息，结合作用力平滑变化的原则，计算所述围岩对第二设备的各单个设备的作用力信息，输出所述围岩对综采工作面设备群的作用力信息。
在本公开的一个实施例中，所述围岩的数字孪生模型基于受力平衡方程、几何平衡方程和空间本构方程进行作用力信息的分析计算。
在本公开的一个实施例中，所述地质参数包括岩石成分，所述物理量包括围岩深度信息、厚度信息、弹性模量、变形模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度和抗剪切强度。
为达上述目的，本公开第二方面实施例提出了一种综采工作面围岩的数字孪生体构建系统，包括：
获取模块，用于获取综采工作面处围岩的尺寸信息、获取所述围岩的地质参数和所述地质参数对应的物理量，以及获取综采工作面设备群对围岩的作用力信息；
围岩建模模块，用于基于所述尺寸信息建立围岩的几何模型；利用所述地质参数和所述物理量初步优化所述几何模型；利用所述作用力信息对初步优化后的几何模型进行二次优化，从而获得围岩的数字孪生模型，所述数字孪生模型的输入为设备群对围岩的作用力信息，所述数字孪生模型的输出包括围岩应力和应变；
监测模块，用于获取设备群对围岩实时的作用力信息，基于所述数字孪生模型对实际综采工作面围岩进行应力监测。
在本公开的一个实施例中，所述获取模块包括作用力信息获取单元，所述作用力信息获取单元用于构建综采工作面围岩与设备群的相互作用模型，获取压力传感器数据和支撑力数据，将所述压力传感器数据和支撑力数据输入所述相互作用模型以获得围岩对综采工作面设备群的作用力信息，其中所述围岩对综采工作面设备群的作用力信息即为综采工作面设备群对围岩的作用力信息。
在本公开的一个实施例中，所述设备群包括第一设备和第二设备，所述第一设备与围岩接触面上布置有压力传感器，所述第二设备与围岩接触面上没有布置压力传感器；所述作用力信息获取单元，具体用于：建立围岩对第一设备的各单个设备的作用模型，获取所述单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据，将所述单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据输入所述作用模型以获得围岩对第一设备的各单个设备的作用力信息；基于所述作用模型建立所述相互作用模型，所述相互作用模型基于第一设备的所有单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据，获得围岩对第一设备的所有单个设备的作用力信息，基于所述围岩对第一设备的所有单个设备的作用力信息，结合作用力平滑变化的原则，计算所述围岩对第二设备的各单个设备的作用力信息，输出所述围岩对综采工作面设备群的作用力信息。
在本公开的一个实施例中，所述围岩的数字孪生模型基于受力平衡方程、几何平衡方程和空间本构方程进行作用力信息的分析计算。
为达上述目的，本公开第三方面实施例提出了一种综采工作面围岩的数字孪生体构建设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本公开第一方面实施例的综采工作面围岩的数字孪生体构建方法。
在本公开一个或多个实施例中，获取综采工作面处围岩的尺寸信息，建立围岩的几何模型；获取围岩的地质参数和地质参数对应的物理量，基于地质参数和物理量初步优化几何模型；获取综采工作面设备群对围岩的作用力信息，利用作用力信息对初步优化后的几何模型进行二次优化，从而获得围岩的数字孪生模型，数字孪生模型的输入为设备群对围岩的作用力信息，数字孪生模型的输出包括围岩应力和应变；获取设备群对围岩实时的作用力信息，基于数字孪生模型对实际综采工作面围岩进行应力监测。在这种情况下，综合围岩的尺寸信息、地质参数、物理量和设备群对围岩的作用力信息获得围岩的数字孪生模型，避免像现有技术那样仅对围岩的外观建模，提高了利用数字孪生模型对实际综采工作面围岩进行应力分析时的准确性。
本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。本公开上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本公开实施例所提供的一种综采工作面围岩的数字孪生体构建方法的流程示意图；
图2为本公开实施例提供的围岩对液压支架的作用力的方向的示意图；
图3为本公开实施例所提供的一种综采工作面围岩的数字孪生体构建系统的框图；
图4是用来实现本公开实施例的综采工作面围岩的数字孪生体构建方法的综采工作面围岩的数字孪生体构建设备的框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。还应当理解，本公开中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。
本公开提供了一种综采工作面围岩的数字孪生体构建方法、系统及设备，主要目的在于提高围岩的应力分析的准确性。
在第一个实施例中，图1为本公开实施例所提供的一种综采工作面围岩的数字孪生体构建方法的流程示意图。如图1所示，该综采工作面围岩的数字孪生体构建方法包括以下步骤：
步骤S11，获取综采工作面处围岩的尺寸信息，建立围岩的几何模型。
在步骤S11中，综采工作面处围岩的尺寸信息可以通过在综采工作面上布设的测距设备测量获得，测距设备例如为距离传感器等。
在一些实施例中，步骤S11中考虑到实际综采工作面处围岩的复杂环境，为了提高获取的尺寸信息的准确性，还可以结合人工测量获得信息，对测距设备获得的尺寸信息进行完善和优化。
在步骤S11中，基于获得的尺寸信息初步建立综采工作面围岩空间的几何模型。
在本实施例中，步骤S11中几何模型的初步建立和后续步骤中几何模型的优化处理采用的是数字孪生技术。易于理解地，数字孪生是一种可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统等物理实体的数字映射系统，也即，数字孪生是采用信息技术对物理实体的组成、特征、功能和性能进行数字化定义和建模的过程。
步骤S12，获取围岩的地质参数和地质参数对应的物理量，基于地质参数和物理量初步优化几何模型。
在步骤S12中，在综采工作面处的地表打孔设置勘探设备，利用勘探设备采集地质信息，对地质信息通过高密度电阻率法、井下瞬变电磁法、太赫兹法等方法进行处理分析从而获得围岩的地质参数和地质参数对应的物理量。
在步骤S12中，地质参数包括岩石成分、材质等，物理量包括围岩深度信息、厚度信息、密度、弹性模量、变形模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度和抗剪切强度等。
在步骤S12中，将获取的围岩的地质参数和地质参数对应的物理量，输入至步骤S11初步建立的几何模型中，对几何模型进行初次优化，使的围岩的几何模型具有岩层成分等地质参数和密度、杨氏模量等物理量。
步骤S13，获取综采工作面设备群对围岩的作用力信息，利用作用力信息对初步优化后的几何模型进行二次优化，从而获得围岩的数字孪生模型，数字孪生模型的输入为设备群对围岩的作用力信息，数字孪生模型的输出包括围岩应力和应变。
在步骤S13中，综采工作面设备群包括液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机等设备。
在步骤S13中，综采工作面设备群对围岩的作用力信息的获取过程，包括：构建综采工作面围岩与设备群的相互作用模型，获取压力传感器数据和支撑力数据，将压力传感器数据和支撑力数据输入相互作用模型以获得围岩对综采工作面设备群的作用力信息，其中由于力的作用是相互的，围岩对综采工作面设备群的作用力信息即为综采工作面设备群对围岩的作用力信息。
在步骤S13中，设备群包括第一设备和第二设备，第一设备与围岩接触面上布置有压力传感器，第二设备与围岩接触面上没有布置压力传感器；构建综采工作面围岩与设备群的相互作用模型，包括：建立围岩对第一设备的各单个设备的作用模型，获取单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据，将单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据输入作用模型以获得围岩对第一设备的各单个设备的作用力信息；基于作用模型建立相互作用模型，相互作用模型基于第一设备的所有单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据，获得围岩对第一设备的所有单个设备的作用力信息，基于围岩对第一设备的所有单个设备的作用力信息，结合作用力平滑变化的原则，计算围岩对第二设备的各单个设备的作用力信息，输出围岩对综采工作面设备群的作用力信息。
在一些实施例中，以液压支架群为例，综采工作面液压支架群对围岩的作用力信息的获取过程如下：
首先了解围岩对液压支架的作用力的位置和方向，由于岩层与支架顶梁、护帮板等均为面接触，因此可假设围岩对液压支架的作用力的方向均为沿围岩与液压支架接触面的法线方向，图2为本公开实施例提供的围岩对液压支架的作用力的方向的示意图。如图2所示，A为支架顶梁，B为护帮板，围岩分别与支架顶梁A和护帮板B面接触，围岩对支架顶梁A和护帮板B的作用力作用在对应的接触面上，围岩对支架顶梁A和护帮板B的作用力为箭头所示的接触面的法线方向；
在液压支架群的一些单个液压支架与围岩的接触面上设计均匀排列的作用点阵列，将具有代表性的部分作用点作为测量点陈列，在测量点陈列上布设压力传感器，其中布设压力传感器的单个液压支架可以称为目标液压支架；
针对各目标液压支架，分别建立围岩对各目标液压支架的作用模型，获取各目标液压支架的压力传感器数据以及该目标液压支架的支撑力数据，各作用模型根据动力学方程解算液压支架的运动状态和受力特性，并基于作用力平滑变化的原则，解算得到作用点阵列的各作用点上围岩对目标液压支架的作用力信息；
基于各作用模型建立综采工作面围岩与液压支架群的相互作用模型，相互作用模型的输入为所有目标液压支架的支撑力数据以及压力传感器数据，输出为围岩对综采工作面液压支架群的作用力信息。具体地，相互作用模型基于所有目标液压支架的支撑力数据以及压力传感器数据，获得围岩对所有目标液压支架的作用力信息，相互作用模型结合作用力平滑变化的原则，将所有作用点组织成网格，基于围岩对所有目标液压支架的作用力信息，计算得到围岩对未布设压力传感器的单个液压支架的作用力信息，从而输出围岩对综采工作面液压支架群的作用力信息。在这种情况下，将单个液压支架对应的围岩扩展到整个工作面围岩，实现了综采工作面围岩与液压支架群相互作用模型的构建，能够根据有限个压力传感器解算得到所有作用点处的作用力信息。
在本实施例中，设备群与围岩的相互作用，均通过作用点进行，两者本身互为黑盒，作用点可以根据需要无限细分。
由于力的作用是相互的，在本实施例中，作用点处围岩对综采工作面设备群的作用力信息即为作用点处综采工作面设备群对围岩的作用力信息。利用作用力信息对初步优化后的几何模型进行二次优化，从而获得围岩的数字孪生模型。数字孪生模型的输入为设备群对围岩的作用力信息，数字孪生模型的输出包括围岩应力和应变等岩石力学物理量。其中，围岩应力包括正应力和剪应力，围岩的应变包括正应变和剪应变。
在步骤S13中，围岩的数字孪生模型基于岩石力学方程和有限元分析进行应力应变分析。也即围岩的数字孪生模型基于受力平衡方程、几何平衡方程和空间本构方程进行作用力信息的分析计算，从而解算岩层的受力特性与破断关系。
具体地，在步骤S13中，围岩的数字孪生模型进行作用力信息的分析计算时将围岩根据受力作用点，细分为一个个体积元，分别对每个体积元的进行受力分析，从而获知整个围岩空间的受载特性和破断关系。
在对各体积元进行空间受力时采用的受力平衡方程、几何平衡方程和空间本构方程如下：
其中，受力平衡方程满足：
式中，符号x、y、z分别表示三个方向，Fx、Fy、Fz表示围岩体积元所受的三个方向的外力，σx、σy、σz表示该围岩体积元在三个方向上的正应力，τxy、τyx、τxz、τzx、τyz、τzy表τzy示该围岩体积元在三个方向上的剪应力，其中τxy＝τyx、τxz＝τzx、τyz＝τzy
几何平衡方程包括正应变几何平衡方程和剪应变几何平衡方程，正应变几何平衡方程满足：
式中，u、v、w分别为x、y、z三个方向上的位移分量，εx、εy、εz表示围岩体积元在三个方向的正应变。
剪应变几何平衡方程满足：
式中，γxy、γyz、γxz表示围岩体积元在三个方向的剪应变。
空间本构方程包括正应变空间本构方程和剪应变空间本构方程，正应变空间本构方程满足：
式中，E表示围岩弹性模量，ρ表示围岩泊松比。
剪应变空间本构方程：
在本实施例中，步骤S11至步骤S13可以在实验中完成，在获得所需的围岩的数字孪生模型后实验结束，将获得的围岩的数字孪生模型应用于实际工况中以对实际综采工作面围岩进行实时的应力监测。
步骤S14，获取设备群对围岩实时的作用力信息，基于数字孪生模型对实际综采工作面围岩进行应力监测。
在步骤S14中，实时获取设备群与围岩接触面上的压力传感器采集的压力传感器数据，利用步骤S13中的相互作用模型获得设备群对围岩实时的作用力信息，将设备群对围岩实时的作用力信息输入步骤S13获得的围岩的数字孪生模型，输出围岩应力和应变，从而实现对实际综采工作面围岩的实时应力监测。通过围岩的数字孪生模型与井下实际状态进行同步与解算，分析出常规实验或测量手段无法获取的数据信息，从而使井上对于煤矿井下的控制更加精确合理。
在本公开实施例的综采工作面围岩的数字孪生体构建方法中，获取综采工作面处围岩的尺寸信息，建立围岩的几何模型；获取围岩的地质参数和地质参数对应的物理量，基于地质参数和物理量初步优化几何模型；获取综采工作面设备群对围岩的作用力信息，利用作用力信息对初步优化后的几何模型进行二次优化，从而获得围岩的数字孪生模型，数字孪生模型的输入为设备群对围岩的作用力信息，数字孪生模型的输出包括围岩应力和应变；获取设备群对围岩实时的作用力信息，基于数字孪生模型对实际综采工作面围岩进行应力监测。在这种情况下，综合围岩的尺寸信息、地质参数、物理量和设备群对围岩的作用力信息获得围岩的数字孪生模型，避免像现有技术那样仅对围岩的外观建模，提高了利用数字孪生模型对实际综采工作面围岩进行应力分析时的准确性。具体地，本公开的方法，建立了精细到岩层成分、材质等地质参数和物理性质(即物理量)的围岩数字孪生体(即围岩的数字孪生模型)，同时能够接受实时测量和计算得到的力学输入，且考虑了与液压支架的相互作用，本公开的围岩数字孪生体基于数据驱动，并能够根据岩石力学方程和材质物理特性进行仿真分析，解决了当前煤矿智能化建设中，对综采工作面围岩只进行了外观建模，无法对围岩受力状态和应变特性进行仿真分析与预测的问题，以及未建立围岩与液压支架之间的作用关系模型，也没有建立基于岩石力学约束的围岩自身应力应变模型，无法进行围岩结构与状态的仿真分析与预测的问题。
下述为本公开系统实施例，可以用于执行本公开方法实施例。对于本公开系统实施例中未披露的细节，请参照本公开方法实施例。
请参见图3，图3为本公开实施例所提供的一种综采工作面围岩的数字孪生体构建系统的框图。该综采工作面围岩的数字孪生体构建系统10包括获取模块11、围岩建模模块12和监测装置13，其中：
获取模块11，用于获取综采工作面处围岩的尺寸信息、获取围岩的地质参数和地质参数对应的物理量，以及获取综采工作面设备群对围岩的作用力信息；
围岩建模模块12，用于基于尺寸信息建立围岩的几何模型；利用地质参数和物理量初步优化几何模型；利用作用力信息对初步优化后的几何模型进行二次优化，从而获得围岩的数字孪生模型，数字孪生模型的输入为设备群对围岩的作用力信息，数字孪生模型的输出包括围岩应力和应变；
监测模块13，用于获取设备群对围岩实时的作用力信息，基于数字孪生模型对实际综采工作面围岩进行应力监测。
可选地，获取模块11包括作用力信息获取单元，作用力信息获取单元用于构建综采工作面围岩与设备群的相互作用模型，获取压力传感器数据和支撑力数据，将压力传感器数据和支撑力数据输入相互作用模型以获得围岩对综采工作面设备群的作用力信息，其中围岩对综采工作面设备群的作用力信息即为综采工作面设备群对围岩的作用力信息。
可选地，设备群包括第一设备和第二设备，第一设备与围岩接触面上布置有压力传感器，第二设备与围岩接触面上没有布置压力传感器。
可选地，作用力信息获取单元，具体用于：建立围岩对第一设备的各单个设备的作用模型，获取单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据，将单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据输入作用模型以获得围岩对第一设备的各单个设备的作用力信息；基于作用模型建立相互作用模型，相互作用模型基于第一设备的所有单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据，获得围岩对第一设备的所有单个设备的作用力信息，基于围岩对第一设备的所有单个设备的作用力信息，结合作用力平滑变化的原则，计算围岩对第二设备的各单个设备的作用力信息，输出围岩对综采工作面设备群的作用力信息。
可选地，围岩的数字孪生模型基于受力平衡方程、几何平衡方程和空间本构方程进行作用力信息的分析计算。
需要说明的是，前述对综采工作面围岩的数字孪生体构建方法实施例的解释说明也适用于该实施例的综采工作面围岩的数字孪生体构建系统，此处不在赘述。
在本公开实施例的综采工作面围岩的数字孪生体构建系统中，获取模块获取综采工作面处围岩的尺寸信息、获取围岩的地质参数和地质参数对应的物理量，以及获取综采工作面设备群对围岩的作用力信息；围岩建模模块基于尺寸信息建立围岩的几何模型；利用地质参数和物理量初步优化几何模型；利用作用力信息对初步优化后的几何模型进行二次优化，从而获得围岩的数字孪生模型，数字孪生模型的输入为设备群对围岩的作用力信息，数字孪生模型的输出包括围岩应力和应变；监测模块获取设备群对围岩实时的作用力信息，基于数字孪生模型对实际综采工作面围岩进行应力监测。在这种情况下，综合围岩的尺寸信息、地质参数、物理量和设备群对围岩的作用力信息获得围岩的数字孪生模型，避免像现有技术那样仅对围岩的外观建模，提高了利用数字孪生模型对实际综采工作面围岩进行应力分析时的准确性。具体地，本公开的系统，建立了精细到岩层成分、材质等地质参数和物理性质(即物理量)的围岩数字孪生体(即围岩的数字孪生模型)，同时能够接受实时测量和计算得到的力学输入，且考虑了与液压支架的相互作用，本公开的围岩数字孪生体基于数据驱动，并能够根据岩石力学方程和材质物理特性进行仿真分析，解决了当前煤矿智能化建设中，对综采工作面围岩只进行了外观建模，无法对围岩受力状态和应变特性进行仿真分析与预测的问题，以及未建立围岩与液压支架之间的作用关系模型，也没有建立基于岩石力学约束的围岩自身应力应变模型，无法进行围岩结构与状态的仿真分析与预测的问题。
根据本公开的实施例，本公开还提供了一种综采工作面围岩的数字孪生体构建设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
图4是用来实现本公开实施例的综采工作面围岩的数字孪生体构建方法的综采工作面围岩的数字孪生体构建设备的框图。综采工作面围岩的数字孪生体构建设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。综采工作面围岩的数字孪生体构建设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴综采工作面围岩的数字孪生体构建设备和其它类似的计算装置。本公开所示的部件、部件的连接和关系、以及部件的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本公开中描述的和/或者要求的本公开的实现。
如图4所示，综采工作面围岩的数字孪生体构建设备20包括计算单元21，其可以根据存储在只读存储器(ROM)22中的计算机程序或者从存储单元28加载到随机访问存储器(RAM)23中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 23中，还可存储综采工作面围岩的数字孪生体构建设备20操作所需的各种程序和数据。计算单元21、ROM 22以及RAM23通过总线24彼此相连。输入/输出(I/O)接口25也连接至总线24。
综采工作面围岩的数字孪生体构建设备20中的多个部件连接至I/O接口25，包括：输入单元26，例如键盘、鼠标等；输出单元27，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元28，例如磁盘、光盘等，存储单元28与计算单元21通信连接；以及通信单元29，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元29允许综采工作面围岩的数字孪生体构建设备20通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他综采工作面围岩的数字孪生体构建设备交换信息/数据。
计算单元21可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元21的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元21执行上述所描述的各个方法和处理，例如执行综采工作面围岩的数字孪生体构建方法。例如，在一些实施例中，综采工作面围岩的数字孪生体构建方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元28。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM22和/或通信单元29而被载入和/或安装到综采工作面围岩的数字孪生体构建设备20上。当计算机程序加载到RAM 23并由计算单元21执行时，可以执行上述描述的综采工作面围岩的数字孪生体构建方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元21可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行综采工作面围岩的数字孪生体构建方法。
本公开中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、负载可编程逻辑综采工作面围岩的数字孪生体构建设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或综采工作面围岩的数字孪生体构建设备使用或与指令执行系统、装置或综采工作面围岩的数字孪生体构建设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或综采工作面围岩的数字孪生体构建设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存综采工作面围岩的数字孪生体构建设备、磁储存综采工作面围岩的数字孪生体构建设备、或上述内容的任何合适组合。
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联网和区块链网络。
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务("Virtual Private Server"，或简称"VPS")中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。服务器也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本公开在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。
Claims (4)
1.一种综采工作面围岩的数字孪生体构建方法，其特征在于，包括：
获取综采工作面处围岩的尺寸信息，建立围岩的几何模型；
获取所述围岩的地质参数和所述地质参数对应的物理量，基于所述地质参数和所述物理量初步优化所述几何模型；
获取综采工作面设备群对围岩的作用力信息，利用所述作用力信息对初步优化后的几何模型进行二次优化，从而获得围岩的数字孪生模型，所述数字孪生模型的输入为设备群对围岩的作用力信息，所述数字孪生模型的输出包括围岩应力和应变；
获取设备群对围岩实时的作用力信息，基于所述数字孪生模型对实际综采工作面围岩进行应力监测；
所述综采工作面设备群对围岩的作用力信息的获取过程，包括：
构建综采工作面围岩与设备群的相互作用模型，获取压力传感器数据和支撑力数据，将所述压力传感器数据和支撑力数据输入所述相互作用模型以获得围岩对综采工作面设备群的作用力信息，其中所述围岩对综采工作面设备群的作用力信息即为综采工作面设备群对围岩的作用力信息；
所述设备群包括第一设备和第二设备，所述第一设备与围岩接触面上布置有压力传感器，所述第二设备与围岩接触面上没有布置压力传感器；所述构建综采工作面围岩与设备群的相互作用模型，包括：
建立围岩对第一设备的各单个设备的作用模型，获取所述单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据，将所述单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据输入所述作用模型以获得围岩对第一设备的各单个设备的作用力信息；
基于所述作用模型建立所述相互作用模型，所述相互作用模型基于第一设备的所有单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据，获得围岩对第一设备的所有单个设备的作用力信息，基于所述围岩对第一设备的所有单个设备的作用力信息，结合作用力平滑变化的原则，计算所述围岩对第二设备的各单个设备的作用力信息，输出所述围岩对综采工作面设备群的作用力信息；
所述围岩的数字孪生模型基于受力平衡方程、几何平衡方程和空间本构方程进行作用力信息的分析计算；其中，受力平衡方程满足：
式中，符号x、y、z分别表示三个方向，FX、FY、FZ表示围岩体积元所受的三个方向的外力，σx、σy、σz表示该围岩体积元在三个方向上的正应力，τxy、τyx、τxz、τzx、τyz、τzy表示该围岩体积元在三个方向上的剪应力，其中τxy＝τyx、τxz＝τzx、τyz＝τzy；
几何平衡方程包括正应变几何平衡方程和剪应变几何平衡方程，正应变几何平衡方程满足：
式中，u、v、w分别为x、y、z三个方向上的位移分量，εx、εy、εx表示围岩体积元在三个方向的正应变；
剪应变几何平衡方程满足：
式中，γxy、γyx、γxx表示围岩体积元在三个方向的剪应变；
空间本构方程包括正应变空间本构方程和剪应变空间本构方程，正应变空间本构方程满足：
式中，E表示围岩弹性模量，ρ表示围岩泊松比；
剪应变空间本构方程：
2.如权利要求1所述的综采工作面围岩的数字孪生体构建方法，其特征在于，所述地质参数包括岩石成分，所述物理量包括围岩深度信息、厚度信息、弹性模量、变形模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度和抗剪切强度。
3.一种综采工作面围岩的数字孪生体构建系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取综采工作面处围岩的尺寸信息、获取所述围岩的地质参数和所述地质参数对应的物理量，以及获取综采工作面设备群对围岩的作用力信息；
围岩建模模块，用于基于所述尺寸信息建立围岩的几何模型；利用所述地质参数和所述物理量初步优化所述几何模型；利用所述作用力信息对初步优化后的几何模型进行二次优化，从而获得围岩的数字孪生模型，所述数字孪生模型的输入为设备群对围岩的作用力信息，所述数字孪生模型的输出包括围岩应力和应变；
监测模块，用于获取设备群对围岩实时的作用力信息，基于所述数字孪生模型对实际综采工作面围岩进行应力监测；
所述获取模块包括作用力信息获取单元，所述作用力信息获取单元用于构建综采工作面围岩与设备群的相互作用模型，获取压力传感器数据和支撑力数据，将所述压力传感器数据和支撑力数据输入所述相互作用模型以获得围岩对综采工作面设备群的作用力信息，其中所述围岩对综采工作面设备群的作用力信息即为综采工作面设备群对围岩的作用力信息；
所述设备群包括第一设备和第二设备，所述第一设备与围岩接触面上布置有压力传感器，所述第二设备与围岩接触面上没有布置压力传感器；所述作用力信息获取单元，具体用于：
建立围岩对第一设备的各单个设备的作用模型，获取所述单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据，将所述单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据输入所述作用模型以获得围岩对第一设备的各单个设备的作用力信息；基于所述作用模型建立所述相互作用模型，所述相互作用模型基于第一设备的所有单个设备的支撑力数据以及压力传感器数据，获得围岩对第一设备的所有单个设备的作用力信息，基于所述围岩对第一设备的所有单个设备的作用力信息，结合作用力平滑变化的原则，计算所述围岩对第二设备的各单个设备的作用力信息，输出所述围岩对综采工作面设备群的作用力信息；
所述围岩的数字孪生模型基于受力平衡方程、几何平衡方程和空间本构方程进行作用力信息的分析计算其中，受力平衡方程满足：
式中，符号x、y、z分别表示三个方向，FX、FY、FZ表示围岩体积元所受的三个方向的外力，σx、σy、σx表示该围岩体积元在三个方向上的正应力，τxy、τyx、τxz、τzx、τyz、τzy表示该围岩体积元在三个方向上的剪应力，其中τxy＝τyx、τxz＝τzx、τyz＝τzy；
几何平衡方程包括正应变几何平衡方程和剪应变几何平衡方程，正应变几何平衡方程满足：
式中，u、v、w分别为x、y、z三个方向上的位移分量，εx、εy、εz表示围岩体积元在三个方向的正应变；
剪应变几何平衡方程满足：
式中，γxy、γyz、γxz表示围岩体积元在三个方向的剪应变；
空间本构方程包括正应变空间本构方程和剪应变空间本构方程，正应变空间本构方程满足：
式中，E表示围岩弹性模量，ρ表示围岩泊松比；
剪应变空间本构方程：
4.一种综采工作面围岩的数字孪生体构建设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-2中任一项所述的综采工作面围岩的数字孪生体构建方法。
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