數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的掘進(jìn)機(jī)器人決策控制系統(tǒng)研究

張旭輝，呂欣媛，王 甜，黃本鑫，鄭西利

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

我國“富煤、貧油、少氣”的能源現(xiàn)狀決定了煤炭仍將長期作為我國的主要支撐能源，國家大力推進(jìn)“安全、高效、綠色、智能”的智慧礦山建設(shè)，并提出了“機(jī)械化減人、自動(dòng)化換人、智能化無人”的發(fā)展戰(zhàn)略[1]。具有履帶式行走機(jī)構(gòu)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)是煤礦綜掘工作面的核心設(shè)備[2]。目前巷道掘進(jìn)施工仍需要司機(jī)坐在駕駛位上對其進(jìn)行控制，但是井下工礦環(huán)境惡劣，粉塵濃度較大，這種操作方式極易造成超挖、欠挖且存在很多安全隱患。因此，掘進(jìn)裝備智能化是推動(dòng)智慧礦山建設(shè)的基礎(chǔ)，而掘進(jìn)裝備的智能化控制是實(shí)現(xiàn)少人/無人化開采的前提。近年來，數(shù)字孿生(Digital Twin,DT)技術(shù)在智能制造領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注[3]，數(shù)字孿生技術(shù)為跨層級、跨尺度的現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界搭建了溝通的橋梁。將物理對象的數(shù)字模型映射在虛擬空間，并在虛擬空間中通過實(shí)測、仿真和數(shù)據(jù)分析來實(shí)時(shí)感知、診斷和預(yù)測物理實(shí)體對象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實(shí)體[4-6]。將數(shù)字孿生與虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合并應(yīng)用于煤礦設(shè)備智能化設(shè)計(jì)中，構(gòu)建煤礦設(shè)備數(shù)字孿生體，使其可針對過去、現(xiàn)在的狀況進(jìn)行綜合智能分析，對物理世界的變化進(jìn)行感知、判斷與決策[7-8]。吳淼等[9]針對掘進(jìn)巷道“串行”工藝存在的問題，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生的綜掘巷道并行工藝技術(shù)體系，對實(shí)現(xiàn)煤礦工業(yè)機(jī)器人智能決策與控制的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了闡述，但缺少具體實(shí)現(xiàn)過程的描述且未設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)具體功能。……