一种煤矿综采工作面三维虚拟仿真决策分布式系统的制作方法

技术特征：
1.一种煤矿综采工作面三维虚拟仿真决策分布式系统，其特征在于，包括：煤机装备实体、边缘智能网关、数据处理服务器、模型训练服务器和渲染仿真服务器；所述煤机装备实体、边缘智能网关、数据处理服务器、模型训练服务器和渲染仿真服务器在物理架构上呈设备层、数据层及仿真层的三级分布式架构，各层级间具备物理隔离防护，并采用标准化网络通讯协议进行通信；所述煤机装备实体至少包括液压支架、采煤机、刮板机、破碎机、转载机及其状态监测传感器和plc控制器；所述的边缘智能网关用于实时采集所述煤机装备实体的状态监测传感器的监测数据，并进行数据预处理和数据传输；所述的数据处理服务器用于实现数据存储、统计分析和数据分发及驱动；所述的模型训练服务器用于对多源感知数据、视频数据以及历史数据进行综合分析挖掘，通过训练实现系统监控数据的特征识别与预测，并构建工作面装备实体动作预测模型，将训练好的模型发送至数据处理服务器运行；所述的渲染仿真服务器用于构建和运行虚拟场景与仿真模型，根据数据处理服务器计算结果驱动仿真模型完成虚拟动作，并进行模型渲染与可视化展示。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述边缘智能网关采集的数据至少包括工作面地理信息数据、工作面煤机装备实体状态监测数据、工作面环境监测数据及工作面视频监测数据；所述工作面地理信息数据具体是：在工作面巷道及切眼掘进完毕后，通过巷道顶底板扫描、定向钻探及物探方式得到的工作面切眼顶底板高度数据和工作面两巷顶底板高度数据；所述工作面煤机装备实体状态监测数据至少包括：液压支架、采煤机、刮板机、破碎机及转载机等运行状态监测传感器数据；所述工作面环境监测数据至少包括人员定位数据、顶板压力数据、通风瓦斯数据及温度数据；所述工作面视频监测数据具体指：利用安装在液压支架的摄像头采集的视频图像进行检测的数据，至少包括多个液压支架护帮板的打开角度及多个刮板机的位置。3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述边缘智能网关，具体用于自适应识别所述煤机装备实体状态监测传感器的通讯协议，对采集数据进行包括滤波、去除粗大误差、点表对应、特征提取及视频图像特征识别在内的预处理，并实现数据实时采集与控制指令的双向高效传输。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理服务器包括：数据采集模块、实时数据库、历史数据库、数据处理模块、数据驱动模块、数据同步模块、指令接收模块和指令发送模块；所述数据采集模块，用于采集所述边缘智能网关传输的煤机装备实体的监测传感器的状态数据和plc控制器的控制数据，环境数据、视频识别数据等；所述实时数据库，用于存储驱动工作面虚拟仿真动作的实时数据；所述历史数据库，用于存储所述数据采集模块采集的全部数据和所述数据处理模块处理后的数据；
所述数据处理模块，用于对数据进行统计分析和特征挖掘，具体为：对所有采集到的数据进行时间戳对应检测及处理、基于支架工作阻力提取支架循环末阻力和初撑力、基于液压支架顶梁倾角、掩护梁倾角和底座倾角计算支架采高，以及基于立柱工作阻力和倾角数据计算支架顶梁受力和受力作用点；所述数据驱动模块，用于定时将所需数据发送至所述渲染仿真服务器，以驱动虚拟设备运行；所述数据同步模块，用于将边缘智能网关、数据处理服务器、渲染仿真服务器之间的数据进行时间同步；所述指令接收模块，用于接收来自所述渲染仿真服务器的控制指令发送模块的控制信号；所述指令发送模块，用于发送所述控制信号至所述煤机装备实体的plc控制器。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述数据同步模块定时发送数据采集指令至边缘智能网关和数据驱动模块，以保证数据驱动模块的发送数据频率和边缘智能网关的数据采集频率相同；或者，由于个别传感器的采样频率无法统一，所述边缘智能网关实际数据采样频率较低，无法与数据驱动模块的发送数据频率保持一致时，所述数据同步模块用于使所述数据驱动模块在边缘智能网关没有采集到实际数据的时刻使用上一时刻的数据驱动三维虚拟模型。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模型训练服务器包括：模型训练分析模块和传输模块，所述模型训练分析模块具体用于根据采集到的立柱压力建立液压支架载荷预测模型、根据支架循环末阻力和初撑力建立支架循环末阻力和初撑力预测模型、基于支架循环末阻力对来压步距判断、基于立柱工作阻力对支架工况聚类分析、根据采集到的采煤机滚筒高度建立采煤机滚筒高度预测模型、根据计算得到的液压支架采高建立液压支架采高预测模型、基于液压支架顶梁倾角和底座倾角数据进行工作面顶板和底板截割曲线分析、以及根据支架推移千斤顶的推移数据建立支架推移直线度超前预测模型；所述传输模块用于将所述模型训练分析模块分析和预测结果传输至所述数据处理服务器的历史数据库。7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述渲染仿真服务器包括：虚拟设备运行模块、控制指令发送模块和人机交互模块组成；所述虚拟设备运行模块包括：液压支架三维虚拟模型、采煤机三维虚拟模型、刮板输送机三维虚拟模型、破碎机三维虚拟模型、转载机三维虚拟模型以及采场环境三维虚拟模型；所述控制指令发送模块，用于向所述数据处理服务器的指令接收模块发送虚拟设备控制信号；所述人机交互模块，用于可视化所述虚拟设备运行模块的运行情况，并控制所述液压支架三维虚拟模型的升高、降低、移架、推溜、收回护帮板、打开护帮板等操作，控制所述采煤机三维虚拟模型至少执行启动、停止、滚筒调高、调速操作，以及控制刮板输送机三维虚拟模型、破碎机三维虚拟模型和转载机三维虚拟模型至少执行启动和停止操作。8.根据权利要求7所述系统，其特征在于，所述系统具有三种运行模式，分别为时序动作仿真模式、实时数据驱动运行模式和数据驱动仿真优化模式；所述时序动作仿真模式是指无实际数据进出所述渲染仿真服务器的虚拟设备运行模
块，通过所述人机交互模块对所述液压支架三维虚拟模型、采煤机三维虚拟模型、刮板输送机三维虚拟模型、破碎机三维虚拟模型、转载机三维虚拟模型进行启动、停止和动作操作控制的一种运行模式；在所述时序动作仿真模式下所述人机交互模块用于对所述液压支架三维虚拟模型进行升架、降架、推溜、移架、护帮板和成组推溜控制，对采煤机三维虚拟模型进行启动、停止、滚筒高度、速度的控制和调整，对刮板输送机三维虚拟模型、破碎机三维虚拟模型和转载机三维虚拟模型进行启动和停止的控制；所述实时数据驱动运行模式是指利用所述数据处理服务器的数据采集模块实时采集综采数据，利用所述数据驱动模块定时将所需数据发送至所述渲染仿真服务器，驱动所述渲染仿真服务器的虚拟设备运行模块中的各个三维虚拟模型，并对实际生产中的所述煤机装备实体运行状态进行实时监测的一种运行模式；所述数据驱动仿真优化模式是指利用存储在所述数据处理服务器的历史数据库的一定数量的数据，将其传输至所述模型训练服务器的模型训练分析模块进行预测分析，利用结果数据驱动所述渲染仿真服务器的虚拟设备运行模块中的各个三维虚拟模型的一种运行模式。9.根据权利要求8所述系统，其特征在于，在所述数据驱动仿真优化模式下，渲染仿真服务器利用存储在所述数据处理服务器的数据库的一定数量的历史数据，和所述模型训练服务器的模型训练分析模块，进行相关指标预测模型的训练，得出多组预测分析结果数据，再利用所述数据驱动模块定时将数据发送至所述渲染仿真服务器，以驱动所述渲染仿真服务器的虚拟设备运行模块中的各个三维虚拟模型，验证预测分析结果数据开采效果；其中，所述相关指标预测模型至少包含：立柱压力建立液压支架载荷预测模型、支架循环末阻力和初撑力预测模型、采煤机滚筒高度预测模型、液压支架采高预测模型及支架推移直线度超前预测模型。

技术总结
本发明提供了一种煤矿综采工作面三维虚拟仿真决策分布式系统，涉及煤矿工作面数字孪生与远程控制技术领域。该系统包括物理实体、边缘智能网关、数据处理服务器、模型训练服务器和渲染仿真服务器，在物理架构上呈设备层、数据层及仿真层的三级分布式架构，采用标准化网络通讯协议进行通信，并提供时序动作仿真模式、实时数据驱动运行模式和数据驱动仿真优化模式三种运行模式。本发明通过构建煤矿综采工作面三维虚拟仿真决策分布式系统，能够充分发挥系统计算性能，有利于增强系统的鲁棒性和安全可靠性，提高数据资源的可共享性；同时，本发明基于上述分布式系统和运行模式的综采工作面虚拟仿真决策系统对煤机装备实体实施运行控制，可实现虚拟综采工作面与实体综采工作面的同步监测和最优运行。的同步监测和最优运行。的同步监测和最优运行。


技术研发人员：任怀伟 杜毅博 范京道 巩师鑫 李川 赵国瑞 王春刚 张乘风 肖松 李健
受保护的技术使用者：陕西延长石油巴拉素煤业有限公司
技术研发日：2022.04.12
技术公布日：2022/7/29