系统仿真学报 ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (10): 2455-2468.doi: 10.16182/j.issn1004731x.joss.23-0678
蔡兴旺1, 裴耀强1,2, 杨继华1, 庞瑞峰2
收稿日期:2023-06-04
修回日期:2023-10-02
出版日期:2024-10-15
发布日期:2024-10-18
通讯作者:
杨继华
第一作者简介:蔡兴旺(1978-),男,讲师,博士,研究方向为虚拟仿真、数字孪生等。
Cai Xingwang1, Pei Yaoqiang1,2, Yang Jihua1, Pang Ruifeng2
Received:2023-06-04
Revised:2023-10-02
Online:2024-10-15
Published:2024-10-18
Contact:
Yang Jihua
摘要:
针对煤矿巷道掘进作业中,地质结构复杂、现场环境恶劣、掘进设备智能化程度低、安全事故频发等问题,提出了一种数字孪生解决方案。通过融合物联网、互联网、数字孪生和虚拟现实等技术,以PLC为硬件核心、MQTT协议和EMQX服务为基础、建立参数矩阵映射规则和故障原因分析表,实现了掘进作业数据采集与处理、设备与孪生模型间的数据映射、数据存储、作业过程仿真、远程遥控、智能故障检测与预警等功能,提升了煤矿掘进作业过程的数字化、智能化水平。研究结果表明,该方案在煤矿掘进作业过程中具备较强的可行性、可靠性和实用性,具有推广应用价值。
中图分类号:
蔡兴旺,裴耀强,杨继华等 . 煤矿掘进机系统数字孪生技术研究[J]. 系统仿真学报, 2024, 36(10): 2455-2468.
Cai Xingwang,Pei Yaoqiang,Yang Jihua,et al . Research on Digital Twin Technology of Coal Mine Tunneling Machine System[J]. Journal of System Simulation, 2024, 36(10): 2455-2468.
| 1 | 马宏伟, 王世斌, 毛清华, 等. 煤矿巷道智能掘进关键共性技术[J]. 煤炭学报, 2021, 46(1): 310-320. |
| Ma Hongwei, Wang Shibin, Mao Qinghua, et al. Key Common Technology of Intelligent Heading in Coal Mine Roadway[J]. Journal of China Coal Society, 2021, 46(1): 310-320. | |
| 2 | 张旭辉, 杨文娟, 薛旭升, 等. 煤矿远程智能掘进面临的挑战与研究进展[J]. 煤炭学报, 2022, 47(1): 579-597. |
| Zhang Xuhui, Yang Wenjuan, Xue Xusheng, et al. Challenges and Developing of the Intelligent Remote Controlon Roadheaders in Coal Mine[J]. Journal of China Coal Society, 2022, 47(1): 579-597. | |
| 3 | 张霖, 陆涵. 从建模仿真看数字孪生[J]. 系统仿真学报, 2021, 33(5): 995-1007. |
| Zhang Lin, Lu Han. Discussing Digital Twin from of Modeling and Simulation[J]. Journal of System Simulation, 2021, 33(5): 995-1007. | |
| 4 | 杨帆, 马萍, 李伟, 等. 数字孪生体可信度评估过程及指标研究[J]. 系统仿真学报, 2023, 35(2): 350-358. |
| Yang Fan, Ma Ping, Li Wei, et al. Research on Digital Twin Credibility Assessment Process and Index[J]. Journal of System Simulation, 2023, 35(2): 350-358. | |
| 5 | 李伯虎, 柴旭东, 张霖, 等. 面向智慧物联网的新型嵌入式仿真技术研究[J]. 系统仿真学报, 2022, 34(3): 419-441. |
| Li Bohu, Chai Xudong, Zhang Lin, et al. New Embedded Simulation Technology for Smart Internet of Things[J]. Journal of System Simulation, 2022, 34(3): 419-441. | |
| 6 | 吴晓春. 大数据技术在煤矿安全生产运营管理中的应用[J]. 煤矿安全, 2018, 49(12): 239-241. |
| Wu Xiaochun. Application of Big Data Technology in Coal Mine Safety Production and Operation Management[J]. Safety in Coal Mines, 2018, 49(12): 239-241. | |
| 7 | 王子良, 李作淘, 阚朝东. 人工智能在煤矿安全监控领域的研究进展[J]. 当代化工研究, 2022(11): 85-87. |
| Wang Ziliang, Li Zuotao, Kan Zhaodong. Research Progress of Artificial Intelligence in Coal Mine Safety Monitoring Fields[J]. Modern Chemical Research, 2022(11): 85-87. | |
| 8 | 王学文, 刘曙光, 王雪松, 等. AR/VR融合驱动的综采工作面智能监控关键技术研究与试验[J]. 煤炭学报, 2022, 47(2): 969-985. |
| Wang Xuewen, Liu Shuguang, Wang Xuesong, et al. Research and Test on Key Technologies of Intelligent Monitoring and Control Driven by AR/VR for Fully Mechanized Coal-mining Face[J]. Journal of China Coal Society, 2022, 47(2): 969-985. | |
| 9 | 王学文, 谢嘉成, 李素华, 等. VR/AR技术在智能化综采工作面建设中的应用现状与展望[J]. 智能矿山, 2020, 1(1): 132-136. |
| Wang Xuewen, Xie Jiacheng, Li Suhua, et al. Research Status and Development Direction of VR/AR Technology in Intelligent Fully-mechanized Mining Face[J]. Journal of Intelligent Mine, 2020, 1(1): 132-136. | |
| 10 | 薛旭升, 任众孚, 毛清华, 等. 基于数字孪生的煤矿掘进机器人纠偏控制研究[J]. 工矿自动化, 2022, 48(1): 26-32. |
| Xue Xusheng, Ren Zhongfu, Mao Qinghua, et al. Research on Deviation Correction Control of Coal Mine Roadheader Based on Digital Twin[J]. Industry and Mine Automation, 2022, 48(1): 26-32. | |
| 11 | 苗丙, 葛世荣, 郭一楠, 等. 煤矿数字孪生智采工作面系统构建[J]. 矿业科学学报, 2022, 7(2): 143-153. |
| Miao Bing, Ge Shirong, Guo Yinan, et al. Construction of Digital Twin System for Intelligent Mining in Coal Mines[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2022, 7(2): 143-153. | |
| 12 | 张旭辉, 吕欣媛, 王甜, 等. 数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统研究[J]. 煤炭科学技术, 2022, 50(7): 36-49. |
| Zhang Xuhui, Xinyuan Lü, Wang Tian, et al. Research on Decision Control System of Tunneling Robot Driven by Digital Twin[J]. Coal Science and Technology, 2022, 50(7): 36-49. | |
| 13 | 张超, 张旭辉, 毛清华, 等. 煤矿智能掘进机器人数字孪生系统研究及应用[J]. 西安科技大学学报, 2020, 40(5): 813-822. |
| Zhang Chao, Zhang Xuhui, Mao Qinghua, et al. Research and Application of Digital Twin System for Intelligent Tunneling Equipment in Coal Mine[J]. Journal of Xi'an University of Science and Technology, 2020, 40(5): 813-822. | |
| 14 | 刘娜, 黄振林, 刘俊杰, 等. 基于数字孪生的智能采矿可视化集控平台的搭建与应用[J]. 有色设备, 2022, 36(4): 6-10. |
| Liu Na, Huang Zhenlin, Liu Junjie, et al. The Establishment and Application of a Digital-twin-based, Visualized, Integrated Control Platform for Intelligent Mining[J]. Nonferrous Metallurgical Equipment, 2022, 36(4): 6-10. | |
| 15 | 范玉春. 电气工程及其自动化控制中PLC技术的应用[J]. 化工管理, 2023(17): 78-80. |
| Fan Yuchun. Application of PLC Technology in Electrical Engineering and Its Automation Control[J]. Chemical Enterprise Management, 2023(17): 78-80. | |
| 16 | 杨彦伟. PLC技术在自动化控制系统中的应用分析[J]. 南方农机, 2023, 54(11): 142-144, 156. |
| 17 | 徐晨升. 无线超声设备数据解析及成像系统软件设计与实现[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2019. |
| Xu Chensheng. Design and Implementation of Data Analysis and Imaging System Software for Wireless Ultrasound Equipment[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2019. | |
| 18 | 董兴宇. 基于云原生的数据采集平台的设计与实现[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2022. |
| Dong Xingyu. Design and Implementation of Data Acquisition Platform Based on Cloud Native[D]. Xi'an: Xidian University, 2022. | |
| 19 | 杨婷, 陈德运, 王莉莉. 一种新颖的电容层析成像数据采集滤波算法[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2018, 23(2): 12-17. |
| Yang Ting, Chen Deyun, Wang Lili. A Novel Filtering Algorithm of Data Acquisition for Electrical Capacitance Tomography[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology, 2018, 23(2): 12-17. | |
| 20 | 曹现刚, 张富强, 史可欣. 基于ZigBee协议的矿用设备数据采集分站设计[J]. 仪表技术与传感器, 2023(3): 65-70. |
| Cao Xiangang, Zhang Fuqiang, Shi Kexin. Design of Mining Equipment Data Acquisition Substation Based on ZigBee Protocol[J]. Instrument Technique and Sensor, 2023(3): 65-70. | |
| 21 | 王峻峰, 张玉帆, 邵瑶琪, 等. 面向生产性能数字孪生的仿真数据映射研究[J]. 系统仿真学报, 2021, 33(10): 2470-2477. |
| Wang Junfeng, Zhang Yufan, Shao Yaoqi, et al. Research on Simulation Data Mapping for Production Performance Digital Twin[J]. Journal of System Simulation, 2021, 33(10): 2470-2477. | |
| 22 | 张静, 聂章龙. 基于物联网的煤矿安全监测与预警平台设计[J]. 煤炭技术, 2021, 40(10): 209-211. |
| Zhang Jing, Nie Zhanglong. Design of Coal Mine Safety Monitoring and Early Warning Platform Based on Internet of Things[J]. Coal Technology, 2021, 40(10): 209-211. |
| [1] | 陆后军, 朱益飞, 荣延平, 张汪荟. 基于激光雷达的散货堆场数字孪生建模方法[J]. 系统仿真学报, 2025, 37(9): 2269-2286. |
| [2] | 刘永奎, 杨康, 脱奔奔, 潘亚铎, 王欣宇, 王一涵, 龚永乾, 张霖, 王力翚, 林廷宇, 訾斌, 李元, 游玮, 徐旬. 数字孪生工业机器人:概念框架、关键技术与案例研究[J]. 系统仿真学报, 2025, 37(7): 1723-1752. |
| [3] | 刘涛, 李瀚熙, 尹勇, 刘佳仑. 航海智能仿真技术及应用研究综述[J]. 系统仿真学报, 2025, 37(7): 1684-1709. |
| [4] | 陈清华, 梁作友, 关维娟, 季家东, 刘萍. 高低温试验箱数字孪生系统构建方法[J]. 系统仿真学报, 2025, 37(6): 1400-1411. |
| [5] | 张文嘉, 张和明. 面向悬臂结构数字孪生体的灰盒模型构建方法研究[J]. 系统仿真学报, 2025, 37(5): 1158-1168. |
| [6] | 张会迈, 胡晓娅, 周纯杰. 面向TSN工控系统安全策略生成与优化的数字孪生框架[J]. 系统仿真学报, 2025, 37(4): 861-874. |
| [7] | 江伦, 王大江, 孙文磊, 包胜辉, 刘涵, 常赛科. 基于数字孪生的变压器故障诊断方法研究[J]. 系统仿真学报, 2025, 37(3): 775-790. |
| [8] | 刘佳, 张增伟, 陈大鹏, 黄楠瑄, 王斌, 宋泓. 基于改进YOLOv8提升SLAM在AR中的定位精度[J]. 系统仿真学报, 2025, 37(11): 2701-2713. |
| [9] | 郑家瑜, 麦著学, 陈哲毅. 数字孪生云边网络下服务缓存与计算卸载优化[J]. 系统仿真学报, 2025, 37(11): 2741-2753. |
| [10] | 张曦阳, 林旭升, 周瑞, 胡毅. 数控系统数字孪生体系结构及应用研究[J]. 系统仿真学报, 2025, 37(1): 183-198. |
| [11] | 巫庆辉, 鲍亚庆, 赵忠鑫, 黄旭, 魏宇晨. 矿井排水监控数字孪生系统研究与实现[J]. 系统仿真学报, 2025, 37(1): 199-210. |
| [12] | 黄智钦, 卢恬英, 陈哲毅. 面向大规模IoT系统的多无人机部署与协作卸载[J]. 系统仿真学报, 2025, 37(1): 25-39. |
| [13] | 赵佰亭, 施建国, 贾晓芬. 井筒提升机数字孪生系统研究[J]. 系统仿真学报, 2024, 36(9): 2054-2064. |
| [14] | 李冬雪, 刘岩, 沈博垚, 井永腾, 马强, 刘然. 基于数字孪生技术的电力变压器碳足迹分析及低碳优化方法仿真研究[J]. 系统仿真学报, 2024, 36(9): 2075-2085. |
| [15] | 徐健, 刘高峰, 赵一剑, 郑自立, 闫焕营. 装配机器人的数字孪生虚实同步及抓取方法[J]. 系统仿真学报, 2024, 36(9): 2181-2192. |
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