基于精確大地坐標的煤礦透明化智能綜采工作面自適應割煤關鍵技術研究及系統應用

毛善君 ，魯守明，李存祿，陳華州，張鵬鵬，范吉宏，李鑫超，陳金川

(1.北京大學 地球與空間科學學院，北京 100871;2.山東能源臨沂礦業集團有限責任公司，山東 臨沂 276017;3.北京龍軟科技股份有限公司，北京 100190)

近年來，通過國家科技攻關項目、礦業集團自主研發項目等科技專項的實施，國內開展了煤礦綜采工作面“裝備智能化，分析在線化，控制協同化”軟硬件系統的科技攻關，在“產、學、研、用”等方面取得了顯著成果，形成了黃陵礦業一號煤礦、國家能源集團上灣煤礦、榆家梁煤礦、中煤新集口孜東礦等應用工程，煤機生產廠商也研發了具有工況自適應智能控制功能的高速高可靠性電牽引采煤機、兩柱超強力放頂煤液壓支架、高可靠性回采巷道帶式輸送機等一批自動化、智能化開采裝備；相關科研院所研發了智能工作面開采信息多參量精準感知與安全決策關鍵技術系統、融合視覺的工作面綜采裝備群全位姿多參數測量系統、數字孿生技術架構和虛擬仿真控制技術等。裝備和技術的進步，促進了我國煤炭工業智能化建設的快速發展。

在國外，基于簡單地質條件煤層，采用人工遠程干預的智能控制模式也已取得了進展，如澳大利亞聯邦科學與工業研究組織開發設計的工作面自動化LASC系統。LASC系統包含慣性導航系統(簡稱“慣導”)和工作面自動控制算法等多項核心技術，實現了簡單地質條件工作面的自動化開采。同時，我國也引進了LASC系統，并在國家能源集團和山東能源集團等單位得到了應用，取得了較好的應用效果。

綜上所述，國內外智能開采研究在地質條件相對簡單的綜采工作面已經取得了一定的進展和階段性成果，但存在的問題也不少，歸納如下：

(1)煤礦信息屬于空間信息，綜采工作面的全業務流程都與三維空間有關，但缺乏與空間位置大地坐標的一體化、常態化實時自動融合。目前國內外綜采智能工作面都缺乏基于精密測量儀器的統一大地坐標實時自動傳導測控網絡，沒有實現基于坐標驅動的采煤過程。此外，LASC等系統雖然得到了應用，但由于慣導長航時漂移以及生產環境震動大、工作環境溫度變化大等原因造成慣導和編碼器的組合定位系統無法保證長時間、穩定的高精度定位，還需要對慣導和編碼器的組合定位系統進行定期校正，使用過程較為復雜。

(2)“一鍵啟停、記憶割煤”的采煤模式，存在工作面生產環境狀態不透明、成套裝備與煤層動態信息關聯性弱等問題，信息化、智能化的集成度低，在煤層空間形態與上一刀相比發生變化時，需要人工交互干預采煤機重新學習記憶，缺乏路徑自動規劃功能，難以應對煤層起伏變化，不能常態化自適應割煤，其實用性受到很大的影響。

(3)煤層空間信息不精準。通過勘探階段鉆孔、三維地震和生產階段巷道素描等數據源構建的煤層三維模型精度有限，特別是煤層空間形態起伏變化較大或很大時更是如此，無法為采煤機提供高精度的割煤線數據。

(4)工業控制與地理時空信息脫離，缺乏實用化的基于地理信息的數字孿生系統，不能可視化交互式精準控制設備動作。

(5)無線通信技術和設備不能完全滿足綜采工作面自適應割煤多參數(包括視頻、慣導、測量機器人、煤巖層識別等)實時準確傳輸的實際需求。

智能開采的目的是減員增效，最終實現少人或無人開采。實現少人或無人開采的關鍵技術之一就是基于網絡技術的遠程可視化管控，實現基于數字孿生可視化環境和高精度地質模型指導的工作面設備規劃自適應控制截割，最終實現采煤機的自適應智能開采。針對綜采工作面智能化割煤技術和裝備存在的問題，項目和技術團隊通過多年的技術積累和研發，形成了工作面自適應智能開采成套技術，初步實現了“基于大地坐標的自適應智能采煤”，而且透明化工作面構建核心技術和主要平臺全部實現國產化，為煤礦工人變為采礦員，最終實現少人或無人采煤進行了有益的探索。

筆者將結合臨沂礦業集團菏澤煤電郭屯煤礦3301，2305兩個工作面的具體情況加以闡述。

1 透明化智能綜采工作面自適應割煤關鍵技術研究和實現

1.1 綜采工作面精確定位技術

為實時獲取采煤機的姿態和位置坐標，采用滿足精度要求的高精度國產捷聯式光纖慣性導航系統，實現采煤機在三維空間中的定姿、定位；研發測量機器人應用系統，自動讀取回采巷道導線點絕對大地坐標，自動追蹤采煤機機身棱鏡，動態修正慣導系統的測量誤差，并最終形成基于“慣導+編碼器+測量機器人系統”組合而成的精確定位導航技術。

光纖慣導提供采煤機實時位置、方位、水平姿態以及水平加速度等信息；高精度編碼器提供采煤機里程信息()；慣導和編碼器組合定位系統最終輸出采煤機的(，，)三維坐標、航向角()、俯仰角()、橫滾角()。

測量機器人是一種精密定向、定位設備，它由陀螺尋北儀和全站儀組成，陀螺尋北儀可自動確定目標相對于北向的精確方位角，全站儀自動測量、自動跟蹤測量目標點三維(，，)大地坐標。其主要特點是定位精度高、定位速度快、自動化程度高。

測量機器人的測量精度等價于傳統地測部門的導線測量精度，在綜采工作面理想環境下可以達到毫米級，一般情況下達厘米級，完全滿足智能開采工作面的設備定位精度要求。具體技術和工程實踐如下：

(1)慣導。安裝在采煤機機身并與其剛性連接的合適位置。

(2)編碼器。編碼器安裝在采煤機的行走輪上。

(3)測量機器人安裝在礦井綜采工作面與控制點棱鏡能夠通視、相對穩定的機頭或者機尾液壓支架頂梁上合適位置。

(4)控制點棱鏡。控制點棱鏡安裝在回采巷道的煤壁上(每間隔米安裝1個)，且預先通過人工采用導線測量等測量方式確定其大地坐標。

(5)采煤機棱鏡。采煤機棱鏡安裝在采煤機機身靠近測量機器人一側且和采煤機剛性連接的合適位置。

若測量機器人和采煤機棱鏡通視，則追蹤鎖定采煤機棱鏡，測量采煤機的三維大地坐標作為采煤機的定位坐標，并根據該三維大地坐標校正慣導和編碼器組合定位系統的三維坐標；若測量機器人和采煤機棱鏡無法通視，則通過慣導和編碼器組合定位系統測量采煤機的三維大地坐標作為采煤機的定位坐標。這樣就實現了慣導、編碼器、測量機器人組合導航定位系統給采煤機提供精確大地坐標并實現精確定位的目的，徹底解決了慣導、編碼器長航時運行漂移的缺陷。在機頭或機尾，如果采用后方距離交會法，測量機器人可無需陀螺尋北儀，直接后視2個巷道控制點測量傾角斜距，通過距離交會算法計算測量機器人設站點坐標。組合精確定位導航系統工作原理如圖1所示。

圖1 慣導+編碼器+測量機器人的組合精確定位系統工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of working principle of INS + encoder + measuring robot integrated precise positioning system

1.2 透明化綜采工作面構建技術

利用GIS+BIM技術構建透明化工作面高精度三維地測模型、設備模型和開采環境。通過當前回采工作面及周邊一定范圍內的鉆探、物探、巷道素描等煤層和構造數據構建初始高精度三維地質模型；設計機電設備和開采環境模型的技術規范、編碼標準和數據交換標準，在同一體系框架下實現井下機電設備精細模型、工作面采掘工程精細場景模型等各類模型的構建；將三維模型與井下設備監測監控信息相關聯，融合設備位置和姿態、環境狀態等實時數據，實現數據的實時共享與更新，與空間物理狀態保持一致，形成高精度、透明化、基于統一大地坐標系的綜采工作面三維空間系統(圖2)。構建透明化工作面涉及的具體技術如下：

(1)高精度地質體建模。采集礦井所能提供的綜采工作面外擴多邊形范圍內所有能控制煤層和構造三維形態的相關數據，如：地面勘探鉆孔、井下鉆孔、巷道素描圖、勘探線和預想剖面圖、三維地震等通過鉆探或物探手段獲取的煤層頂底板數據、煤厚數據和構造數據。在數據采集過程中，盡量高密度采集煤層特征點(如拐點)數據，以提高工作面煤層三維地質模型的精度。煤層特征點指能夠控制煤層形態的特殊點，如起伏時最高點和最低點，若以剖面線表達煤層起伏狀態，可將剖面線的拐點稱為特征點。此外，巷道素描圖中以1 m或2 m為間隔距離提取煤層底板數據和煤厚數據。高精度地質體建模主要采用TIN，ARTP技術，以自動生成三維模型。

圖2 透明化工作面的構建Fig.2 Construction of transparent working face

(2)巷道幾何建模。巷道斷面形態控制巷道的幾何形態，巷道中心線控制巷道的空間位置。算法主要原理是：每條巷道中心線的結點和中間點加載斷面，計算出斷面上控制點坐標，將這些控制點一一對應連接起來，形成規則巷道的三角面片。

(3)設備建模。設備建模采用BIM模型加PBR工作流的方式，BIM保證設備模型準確性，PRB保證設備模型真實的可視化效果。以BIM模型為基礎，經過翻模、UV拆分、烘圖、繪圖幾步產生適用于PBR工作流的貼圖，最終將模型和貼圖導入到平臺中進行渲染，建模流程如圖3所示。

圖3 設備模型建模流程Fig.3 Equipment modeling process

設備BIM模型中包含幾何形狀信息和屬性信息，并以幾何形狀信息為基礎模型進行翻模工作，屬性信息如采煤機生產廠家、型號等可直接導入平臺使用。翻模是將基礎模型同時制作成高精度模型和低精度模型，這里的精度主要是指模型面數的多少。高模一般面數多、結構復雜、細節表現豐富，低模一般面數少、結構相對簡單、細節較少。同時制作高模和低模的原因是高低模對烘，將高模烘出的貼圖放到低模上，使低模表達更豐富的細節效果。UV拆分是對設備模型進行UV紋理坐標的劃分，UV拉伸影響最終展示效果，一般使用均勻平鋪UV的方式。烘圖是使用設備高模進行AO(Ambient Occlusion)圖、法線圖、置換圖、高度圖等的烘焙。繪圖為繪制設備的基礎顏色圖、金屬度圖、粗糙度圖、臟跡貼圖等。

目前主流的PBR工作流有金屬度/粗糙度工作流和鏡面反射/光滑度工作流2種，筆者使用金屬度/粗糙度工作流。通過上述烘圖、繪圖2步產生適用于金屬度/粗糙度工作流的貼圖，將所有的模型和貼圖導入到平臺中進行渲染便可產生類真實設備效果的模型。

綜合考量設備模型的渲染效率、渲染效果及PBR工作流技術要求，提出了設備建模基本要求和規范。設備模型應遵循設計原則，以設計專題圖形或BIM模型為依據，按照1∶1的比例進行設備建模(圖4)，能夠清晰表達外型輪廓以及重點部位組件形態。具體要求為：① 模型復用。結構相同的設備、設備組件要采用復用的方式，減少不必要的工作量；② 材質紋理復用。材質、紋理盡量能夠復用，紋理的大小在不失真的前提下盡量減小；③ 模型面數精簡。在保證模

圖4 設備建模Fig.4 Equipment modeling

型逼真度的前提下，使用盡量少的面數構建模型；④ 模型組件拆分。采煤機的滾筒、搖臂，液壓支架護幫板、油缸等需聯動的結構都要獨立出來，各組件的坐標軸需要按照實際原理，放置到相應位置，為后續的腳本描述、數據驅動做好鋪墊工作。

(4)腳本描述。腳本描述即用腳本語言對設備進行功能開發。設備模型制作完成后，需要對設備模型進行腳本描述，對模型的動作、模型展現效果等進行定制化功能開發。腳本描述內容較多，包括：① 模型可視化效果的描述，如顏色、粗糙度、反光程度等；② 模型動作的描述，如采煤機牽引、液壓支架升降立柱、刮板鏈運動等；③ 模型實時數據的描述，如采煤機左右搖臂實時位置數據、液壓支架頂梁俯仰角數據、瓦斯傳感器監測數據等；④ 模型特效的描述，如液壓支架噴霧效果、采煤機割煤落煤效果等。下面主要對模型動作的腳本描述進行闡述。

設備動作腳本描述是對設備單個部件動作進行逐級封裝，達到局部動作和整體動作都方便調用的目的。局部動作即為設備單個部件或多個部件的運動，如采煤機搖臂升降，整體動作即為整個設備的動作，如采煤機左右牽引等。設備動作描述一般分為設備動作拆解、單個動作描述、組合動作描述3個步驟：① 設備動作拆解依據業務層面對設備動作的要求和設備自身機械結構進行動作分解。設備由多個零部件組成，如果按設備自身運動能力拆分將得到成百上千個分解動作，所以實際制作中按業務層面對設備動作需求制作，如變電設備業務層面只需展示液晶面板監測數據和打開前門，則只需要描述模型中液晶面板動作和開前門動作即可。② 單個動作描述是對分解動作進行封裝、實現。單個動作描述分為數據驅動和仿真模擬2類，類型不同設定的參數不同。一般來講數據驅動動作參數為部件的最終參數，而仿真模擬動作參數為部件變化特性參數，如變電設備前門開動作采用數據驅動時參數為前門相對設備的旋轉角度，而采用仿真模擬時參數為前門開或關的動作及開關門總時間，具體前門角度依據參數自動計算。③ 組合動作描述在單個動作描述的基礎上依據業務需求對多個分解動作進行組合封裝、實現。組合動作描述一般涉及設備的多個部件，液壓支架升立柱就屬于組合動作，涉及立柱、頂梁、掩護梁、前連桿、后連桿等多個部件運動。組合動作也可分為數據驅動和仿真模擬2類。數據驅動方式需要組合動作涉及到的所有部件運動的數據，而仿真模擬則可只指定最終部件參數，其余部件參數依據物理關系自動插值，如圖5所示。

圖5 液壓支架推桿移動的腳本描述Fig.5 Script description diagram of push rod movement of hydraulic support

(5)設備模型與場景的耦合。設備模型與場景耦合在于定坐標和定姿態，地質模型由鉆孔等數據生成，具有大地坐標，而制作的設備模型沒有大地坐標，設備模型和地質模型及場景通過大地坐標進行耦合。

設備模型與場景模型耦合的過程分3步，確定坐標、確定姿態、確定約束關系。坐標可通過慣導、測量機器人等多種測量設備以及控制點坐標計算獲得；姿態可通過慣導、角度傳感器以及設備設計參數等計算得出；約束關系主要包括設備與設備的約束關系以及設備與場景的約束關系。如通過測量機器人將已知控制點的大地坐標傳導給采煤機得到采煤機大地坐標；通過慣導得到采煤機整體的姿態，通過采煤機設計參數得到采煤機零部件相對于整體的姿態，進而得到采煤機零部件在大地坐標系下的姿態；采煤機約束關系包括采煤機需在刮板輸送機上運行等與設備之間約束關系以及采煤機滾筒高度需在煤層頂底板線附近等與環境的約束關系。通過上述步驟就可以實現采煤機與具有大地坐標系的三維地質模型的耦合。智能工作面包含地質模型、設備模型以及場景等，如圖6所示。

圖6 綜采工作面內部設備布置Fig.6 Layout of internal equipment in fully mechanized coal mining face

1.3 數字孿生智能綜采工作面構建技術

數字孿生智能綜采工作面包括物理綜采工作面、孿生綜采工作面和數據信息交換3部分，如圖7所示，其具體應用和技術內容如下：

(1)物理空間實際割煤。物理空間中有工作面實際開采環境，包括頂底板巖性、斷層、瓦斯賦存情況等，以及放置在工作面中設備，包括采煤機、液壓支架、刮板輸送機等，每一個設備存在其物理特性和機體結構。下達采煤任務后，依據開采工藝和生產管理方案進行實際的采煤，開采過程中有環境監測系統及傳感器產生的大量數據。

(2)通過數據交換部分將采煤任務、工作面開采環境、工作面設備機體結構及物理特性、工作面采煤歷史數據、環境監控系統及傳感器數據傳遞到虛擬空間。

圖7 數字孿生智能綜采工作面構建技術路線Fig.7 Technical roadmap of digital twin intelligent fully mechanized working face

(3)在虛擬空間中建立透明化綜采工作面模型、采煤任務模型、開采工藝模型、生產管理模型以構建采煤流程及開采環境數字孿生。依據工作面設備機體結構及物理特性構建工作面設備數字孿生，2個數字孿生體之間相互共享數據并結合綜采工作面采煤歷史數據構建綜采工作面采煤數字孿生。綜采工作面采煤數字孿生結合實時環境監控系統和傳感器數據可預測后續采煤過程中設備狀態和開采環境的變化并將預測信息返回物理綜采工作面指導生產。

依據數字孿生智能綜采工作面技術體系及技術原理，在物理智能綜采工作面中安裝大量傳感器，獲取設備實時運行數據和環境監測數據，通過SCADA系統與數字孿生智能綜采工作面軟件系統進行數據信息的交互，通過監測、仿真物理綜采工作面運行工況，動態的修正地質模型，預測未來刀截割曲線，反饋給采煤機，指導采煤機自動調整空間姿態，實現自適應割煤。

1.4 透明化綜采工作面動態修正技術

由于透明化綜采工作面中的設備模型是根據設計圖形按1∶1的比例建模而成，所以其模型精度能夠得到保障，只是模型的空間位置和姿態會隨著工作面的回采發生變化。模型位置和姿態的變化可以根據傳感器感知、精確測量等技術手段得到的結果加以移動實現，其空間形態和位置屬于完全已知，屬于透明的范疇。下面主要介紹透明化三維地質模型的動態修正。

就目前的勘測技術和成本預算而言，一次性實現整個綜采工作面煤層空間形態和屬性的完全已知和透明既不現實，也沒有必要，只要動態確保工作面煤壁附近的信息盡量已知和透明即可，即煤層的空間形態和屬性伴隨著一個局部修正和精度不斷提高的透明化過程。

透明化三維地質模型必須滿足智能開采對地質條件的時空需求，一方面要確保回采工作面前方煤壁附近未采區域一定范圍內煤層地質條件的“透明化”，生成透明化的三維地質模型，為生成相對精準的預想截割線提供數據支持，另一方面要在采煤機完成一定回采距離或在檢修班時，結合煤巖層位識別及檢修班人工測量新獲取的煤層和構造及分析成果數據，快速完成回采工作面煤層高精度三維地質模型的動態修正，以反應煤層在三維空間的最新變化，為生產班的自適應割煤服務。三維地質模型動態修正具體流程如下：① 以LongRuanGIS平臺為基礎，通過多種數據類型的存儲或導入、拓撲關系分析、空間數據插值、平剖對應、膨脹收索、TIN模型構建等技術和算法，構建初始三維地質模型。② 在已有三維地質模型中融合最新獲取的地質數據，通過模型自動重構功能，實現三維地質模型的動態更新；③ 根據采煤機運行絕對坐標軌跡獲取最新的回采截割位置，實現采空區與未采區地質模型及各自范圍的自動更新。

1.5 5G技術

研究基于5G通信技術的3301，2305綜采工作面無線網絡全覆蓋，通過MEC，5G CPE和5G模組將智能綜采工作面采煤機、慣性導航、測量機器人、煤巖層識別、高清視頻等實時信息接入5G網絡，實現了高速率、低延時、大帶寬的信息傳輸，解決移動裝備線纜難鋪設，架間電纜易損傷，WIFI，MESH等傳輸帶寬低、穩定性差等難題，為基于TGIS的透明化智能綜采工作面的遠程可視化自適應控制奠定網絡及通信基礎。如圖8所示，在地面數據中心部署一套MEC邊緣計算服務器，用于實現井上下5G網絡的互聯互通，同時MEC和礦井工業以太環網融合形成一套有線+無線全鏈路融合的網絡平臺；在3301，2305工作面部署1套BBU基站處理單元，用于管理鏈路下的3臺RRU基站；在工作面外集控倉處安裝1臺RRU基站，用于實現集控倉附近5G網絡的覆蓋和集控倉設備通過5G鏈路與地面控制中心融合通信；在工作面端頭和端尾架分別部署1臺5GRRU基站，實現工作面內部5G網絡覆蓋，RRU的上傳和下載帶寬比調整至3∶1，實現煤礦井下上傳帶寬需求高的技術要求，滿足單臺RRU基站的上傳帶寬不低于800 M。5G系統實現的功能如下：

(1)語音和視頻通話。工作人員通過5G手機連接RRU基站發布的無線網絡，實現與井上下5G網絡覆蓋區域的移動終端的語音和視頻通話。

(2)設備數據傳輸。工作面液壓支架上間隔20架左右安裝1臺5G CPE無線信號轉換器，通過RJ45網口接入液壓支架頂部的高清攝像儀和測量機器人等設備，設備通過5G網絡和地面控制中心服務器通信；工作面采煤機機身安裝1臺5G CPE無線信號轉換器，通過RJ45網口接入采煤機機身慣導、煤巖識別裝置、采煤機通信控制模塊等設備，5G CPE和端頭端尾RRU基站實時通信，實現采煤機機身設備與地面控制中心服務器通信；安裝在工作面端頭或端尾液壓支架上的測量機器人通過網線連接到液壓支架上的5G CPE無線信號轉換器，實現通過5G網絡與采煤機機身慣導互饋聯動。

圖8 3301，2305綜采工作面5G設備布置Fig.8 Layout of 5G equipment in 3301 and 2305 fully mechanized coal mining face

1.6 生產過程采煤機與地質模型的耦合技術

基于精確大地坐標的綜采工作面自適應開采的關鍵是實現工作面采煤機和地質模型的耦合聯動，采煤機與地質模型耦合技術流程如圖9所示，主要包括設備端、服務端及空間數據庫端3部分。具體實施路線如下：

(1)設備端的測量機器人和慣導編碼器組合定位裝置精準測量采煤機等設備大地坐標，實現設備與具有大地坐標的三維地質模型的空間位置融合。

(2)服務端的預測截割計算服務自動計算出未來刀的采煤截割線和網格Δ(相鄰2刀截割線的同一網格高程差值)，結合當前工作面位置、采煤機滾筒截割深度、歷史截割軌跡、工作面刮板輸送機垂直彎曲角度、工作面最大及最小采高等約束條件，計算出采煤機2個滾筒的采高和挖底修正數據序列并發送給地質信息傳輸協議GITP(Geological Information Transmission Protocol)模塊，數據序列一般設置為網格間隔50 cm為1組。

圖9 生產過程采煤機與地質模型耦合技術流程Fig.9 Flow chart of coupling technology between shearer and geological model in production

(3)采煤機接收到修正數據后，對數據進行校驗，并反饋數據使用狀態和是否有效，當數據校驗通過后開啟自適應割煤，割煤過程中2個滾筒根據修正數據實時調節滾筒高度以適應煤層起伏變化。

(4)空間數據庫端提供自適應采煤過程中的測量控制點、設備參數、地質模型、截割軌跡、煤巖層界線、預測截割線的存儲和查詢功能。

2 基于TGIS的煤礦綜采工作面智能管控系統的設計和實現

時態地理信息系統(TGIS)“一張圖”與工業組態控制一體化集成，將礦井各類地理信息按時空數據模型的組織方式統一存儲在空間數據庫中，通過礦山GIS“一張圖”分布式協同一體化技術，實現“采、掘、機、運、通”等相關的圖形數據、屬性數據處理與應用。同時，將工業組態控制與GIS深度融合，通過GIS和BIM三維高精度建模以及精確定位等技術實現采煤機和三維地質模型的耦合，在TGIS“一張圖”環境下利用可視化腳本編程功能實現對真實設備的數字孿生可視化管控，實現在地面調度室遠程操控三機、采煤機規劃自適應截割、液壓支架自動跟機等煤礦智能化管控應用。

2.1 綜采工作面智能管控TGIS平臺

面向煤礦綜采工作面智能管控的TGIS平臺框架如圖10所示，整個平臺以“一張圖時空數據庫”為核心，以智能化開采運行控制為主線，賦予各類煤礦專題數據以(,,)，(，，，)的表現形式，通過開發、適配各類智能化裝備的控制接口，將GIS應用領域從以往的空間信息管理拓展到了面向智能化礦山的管理和控制。這里需要說明的是，如果TGIS的數據源是(，，)，那么相關的圖形系統還是二維的，只是有時間軸而已；如果GIS的數據源是(，，，)，那么相關的圖形系統其表現形式是三維的，但系統設計和管控層面是四維的。

煤礦TGIS“一張圖”智能管控平臺主要包括面向智能化管理和控制的時態地理信息系統(TGIS)、“數據子系統”(數據采集與控制)、“服務子系統”(實時數據及“一張圖”服務)和“控制子系統”(智能化裝備控制)。

(1)時態地理信息系統。由于智能開采具有自動化、協同化、在線化的特點，時態地理信息系統不僅能夠兼顧智能化開采全過程要素的空間、時間、專題屬性3方面特征，能夠表達和存儲要素狀態和變化過程，而且還能夠通過空間、時間關聯接入開采環節相關的各類專題屬性數據，包括實時數據、歷史數據等。

(2)數據子系統。將采集的智能化設備數據、地質解析數據、安全生產業務數據等統一存儲到一張圖時空數據庫中。一張圖時空數據庫是GIS空間數據庫的擴充和完善，其構建是在傳統空間數據庫技術的基礎上，增加對時態數據的支持，實現礦山“開采前、開采中、開采后”整個時空演化過程的全流程管理和存儲。

系統基于OPC，Modbus，Socket，Http等公有或私有通信協議實現數據采集，采集完的數據通過消息隊列系統發布，供GIS組態控制系統、三維透明化工作面控制系統、安全生產管控平臺訂閱使用；同時系統也訂閱以上系統的控制指令，服務于對工作面設備的集中控制。

圖10 面向煤礦綜采工作面智能管控的TGIS平臺框架Fig.10 TGIS platform framework for intelligent management and control of coal mine fully mechanized coal mining face

(3)服務子系統。基于一張圖時空數據庫，提供工作面基礎地理空間數據發布及更新服務，并通過對開采實時數據的分析處理，結合工作面三維地質模型，提供開采區域模型動態更新、實時剖切、采煤截割線、俯仰采規劃線等所有與空間數據相關的服務接口，是銜接地質模型空間場景與智能開采設備場景的中樞環節，實現了地質模型與開采設備模型的無縫耦合。

系統采用消息隊列方式將自動化數據進行實時發布、分發及存儲。消息隊列系統是整個平臺數據傳輸和通信的神經中樞，對外提供消息隊列發布訂閱服務，負責平臺所有實時數據及消息的發布與訂閱，保證各個系統之間消息、數據、指令的即時傳輸。同時，消息隊列系統還為第3方系統提供數據接口服務并歸檔存儲變化的歷史數據到數據庫系統。數據庫系統采用大數據存儲架構，實現多源、異構數據的歸檔和存儲，為可視化管控系統提供歷史數據查詢、分析和數據挖掘。

(4)控制子系統。采用TGIS可視化方式，提供多維管控系統。該系統是整個平臺所有數據可視化管理和遠程控制的自動或人機交互窗口，通過與數據子系統的實時數據交換，實現礦井各類信息的融合集成和聯動控制。系統提供了包括地層、巷道、設備、人員等專題內容在內的礦井二維及三維地理空間可視化環境，實時獲取消息隊列系統發布的相關數據，以GIS組態控制、二維平面或三維透明化場景控制、安全生產管控平臺的方式實現大數據聯控分析和自適應、交互式管控應用，實現礦井少人或無人工作。

2.2 基于TGIS平臺的組態控制技術

智能管控TGIS平臺提供了對組態控制的多種支持，方便對接和集成現有裝備管控體系，充分發揮GIS平臺在空間數據管理和“一張圖”一體化集成及關聯方面的優勢，將煤礦井下地理信息與智能化設備運行、定位和控制有機結合，形成一張高精度的開采規劃地圖，指導采煤機及成套裝備按照規劃路徑自適應開采。

(1)提供對傳統組態控制接口的支持。煤礦現有生產裝備和各類輔助子系統通常已經建立了組態控制或綜合自動化集控系統，TGIS平臺可以通過組件開發和集成，將GIS地圖、透明化礦山場景中的各類設備與組態對象建立關聯，從而實現在GIS統一平臺環境下，對智能化裝備的遠程控制，如圖11所示。

(2)提供GIS原生組態可視化及控制支持。基于自主TGIS平臺，融合工業物聯網控制技術，將組態軟件的實時可視化及控制融入GIS內核，在GIS平臺中增加實時數據展現、腳本化數據驅動、工業控制接口集成等功能，充分發揮GIS強大的空間數據管理支撐，借助高精度空間定位，將真實一張圖宏觀空間場景與開采設備微觀模型無縫耦合，實現基于GIS“一張圖”的工作面智能開采控制。

(3)提供工作面設備驅動支持。基于TGIS平臺開發了通用Modbus設備驅動模塊，支持綜采工作面的電液控系統、采煤機及帶式運輸系統、泵站系統、組合開關、定位導航設備等通過Modbus方式的數據采集和交互控制，實現通過TGIS平臺與井下設備之間的實時數據采集、處理和交互控制等。

圖11 GIS平臺集成組態控制接口Fig.11 GIS platform integrated configuration control interface

3 智能自適應割煤技術和系統的應用

根據郭屯煤礦3301，2305工作面的智能化裝備、5G通信(2020-06-18開通運行)和煤層等數據，建立了TGIS智能管控平臺和相關集成應用系統，初步實現了較為復雜地質條件下的綜采工作面智能自適應割煤，系統部分界面如圖12所示。主要步驟和應用如下：

(1)工作面設備依次開啟運行后，采煤機通過GITP模塊向TGIS智能管控平臺請求地質模型數據，管控平臺將修正數據通過5G網絡發送至采煤機，指導采煤機自適應割煤。

(2)自適應割煤過程中，慣導系統連續測量采煤機位姿，測量機器人動態修正慣導誤差，管控平臺實時展示采煤機和三維地質模型空間位置信息，實現采煤機與地質模型的耦合。

(3)管控平臺利用數字孿生技術實現采煤機、液壓支架、三機及輸送帶系統的虛擬現實還原，實現工作面設備的數據驅動；需要遠程干預時，地面集控員可切換至遠程干預模式，對采煤機、支架系統、三機及輸送帶進行遠程干預控制；平臺同步記錄采煤機、液壓支架循環作業數據，為工作面大數據智能分析提供基礎數據。

圖12 煤礦綜采工作面自適應采煤系統Fig.12 Adaptive coal mining system for fully mechanized coal mining face

4 結 論

(1)通過測量機器人系統+國產慣導系統，自動追蹤巷道導線點三維大地坐標和坐標中繼傳輸追蹤網絡，實現采煤機等固定或移動標志點大地坐標的動態賦值和修正，實現采煤機與地質模型的自適應耦合。

(2)透明化綜采工作面的建立和動態更新。通過鉆探、物探、巷道素描、工作面實際揭露、煤巖層識別成果或交接班地層分界測量數據、三維地震動態解譯等數據，動態修正三維地質模型，自動剖切地質模型生成采煤截割線、俯仰采基線；基于GIS+BIM+VR技術和統一的大地坐標系，實現了三維地質模型、設備模型、開采環境、機電設備控制與設備模型之間的拓撲和邏輯關系的一體化集成，為遠程決策和智能自適應控制提供可視化地理環境。

(3)實現了綜采工作面5G信號全覆蓋和采煤機、視頻、慣導、測量機器人、地質雷達等信息的傳輸，不僅有效解決了移動裝備線纜難鋪設、架間電纜易損傷、MESH等傳輸帶寬低和穩定性差等難題，而且為遠程可視化自適應控制提供可靠、實時的信息傳輸。

(4)研發了具有我國自主知識產權的TGIS“一張圖”智能管控平臺，構建了數字孿生系統，實現了工業控制、多專業專題圖形的分布式協同和動態修正、智能開采大數據分析、安全生產全業務流程的智能管理和透明化綜采工作面動態修正等功能的集成管理，實現了綜采工作面自適應截割等遠程管控。

(5)地面遠程管控。將集控中心由地下轉為地面，實現在地面調度室控制三機、采煤機規劃截割等遠程功能。

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