数字孪生驱动的综采装备与煤层耦合系统优化决策方法技术方案

本发明专利技术涉及一种数字孪生驱动的综采装备与煤层耦合系统优化决策方法，首先构建多种基于数据与知识互补结合的分析决策模型，并将当前多源异构感知信息输入多种分析决策模型，得出不同模型下的下一循环综采装备位姿多重最优解；然后将不同模型下的下一循环综采装备位姿多重最优解输入优化决策空间，通过优化决策空间底层的自评估算法以及虚拟推演空间虚拟执行过程中人工可视化判断相结合的方式得出下一循环综采装备位姿的唯一绝对最优解。该方法可通过优化与决策得出综采装备位姿的绝对最优解，并对决策模型进行动态修复与优化，为后续的精准反向控制奠定基础。后续的精准反向控制奠定基础。后续的精准反向控制奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
数字孪生驱动的综采装备与煤层耦合系统优化决策方法


[0001]本专利技术涉及煤矿智能化开采
，具体涉及一种数字孪生驱动的综采装备与煤层耦合系统优化决策方法。

技术介绍

[0002]加快煤矿智能化发展，推动煤炭产业转型升级，已成为煤炭行业高质量发展的共识。虚拟现实、互联网+、大数据、云计算、5G等先进信息技术与煤炭行业不断加深融合，开启了煤炭行业智慧化新时代。其中，数字孪生技术在煤矿智能化开采中的深度应用发展迅速。建立矿山生产系统的数字孪生体模型，可实现综采、综掘、通风、辅运、供电等矿山生产过程的行为仿真、运行状态可视化分析、故障预测等。
[0003]在矿山生产系统中，综采工作面是最基本的生产单元，也是生产的第一现场，其生产过程复杂、装备群规模庞大、作业环境恶劣。综采工作面由综采装备群与煤层组成，两者相互耦合共同构建了一个“多约束异构装备群”运行系统，具备高动态、不完备、动态随机等特点。因此，综采装备与煤层的时空运动学关系、综采装备在推进过程中的运行约束关与运行规律等研究困难。
[0004]当前，数字孪生技术在综采工作面的研究中主要集中在综采装备与煤层耦合运行虚拟重构以及实时监测方面。构建高可信度的综采系统构成要素数字孪生模型，建立数字孪生虚实同步映射通道，最终建立具有动态反馈的数字工作面以实现对实际采煤状况的规划、预演以及动态监测。
[0005]现有技术中，公开号CN113887111A的专利文献公开的一种面向综采工作面地质、煤层与装备的虚拟综合测试方法，提供了煤层三维地质模型数字孪生体的构建方法；公开号CN109783962A的专利文献公开了基于虚拟现实物理引擎的综采装备协同推进仿真方法、授权公告号CN111140231B的专利文献公开了面向综采装备时空运动学的煤层顶底板路径虚拟规划方法，对综采工作面虚拟重构展开研究，在虚拟环境下实现了综采工作面“三机”的协同推进以及与工作空间的动态耦合，为综采工作面虚拟规划提供了解决方案；公开号CN113746936A公开的一种VR与AR分布式协作的综采工作面智能监控系统，使用数字孪生中的核心技术VR、AR形成了兼顾综采工作面局部与整体、虚实融合的全时空三维可视化监控技术架构。
[0006]综采装备与煤层耦合运行虚拟重构以及实时监测“以虚仿实、以虚映实”，实现了综采工作面的离线仿真、单向映射与动态可视。而要在此基础上达到更高级别的数字孪生，实现时效分析与精准控制，必须利用策略、算法、知识等实现综采工作面的智能决策和优化。
[0007]现有技术中，公开号CN114251092A的专利文献公开了一种基于激光雷达的综采装备实时决策与控制方法，使用激光雷达采集液压支架护帮板点云图与刮板输送机的点云图，点云图进行几何均值滤波降噪处理以及对点云图的解算，并将解算结果与行为数据库对比，行为决策模块对比后判断护帮板是否安全收回以及刮板输送机直线度是否符合要
求。
[0008]在上述方案中，采用了点云解算结果与行为数据库相对比的方式进行综采装备的行为决策。该方案依赖行为数据库构建的合理程度，且决策结果仅用于解决采煤机截割部与液压支架的护帮板干涉问题以及刮板输送机直线度问题，并未进行综采装备与煤层耦合状态下的全局决策。
[0009]现有技术中，公开号CN113379909A的专利文献公开的一种透明工作面智能开采大数据分析决策方法和系统，通过开采过程中切眼揭露的煤层以及生产过程中新产生的地质数据不断的对透明地质模型进行修正更新，得到综采设备的精准控制决策信息，利用大数据对规划截割模型进行实时修正，实现了采煤工作面的智能精准开采。
[0010]在上述方案中，主要基于惯性导航技术、雷达定位技术，根据综采设备的工况监测数据，利用大数据对截割模型进行实时修正，但分析决策的过程并未充分利用数字孪生技术的优势，无法通过三维可视化的方式评估当前决策模型的合理性与准确性。
[0011]现有技术中，公开号CN114827144A的专利文献公开的一种煤矿综采工作面三维虚拟仿真决策分布式系统，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。
[0012]在上述方案中，虽然体现了数字孪生的思想，构建了煤矿综采工作面的三维虚拟仿真模型，但侧重于对系统架构的研究，只给出了系统的层级、系统各层级的组成部分以及可实现的功能，并未给出具体的决策思路与流程。

技术实现思路

[0013]本专利技术要解决的技术问题是提供一种数字孪生驱动的综采装备与煤层耦合系统优化决策方法，利用数字孪生技术的优势、进行综采装备与煤层耦合状态下的全局决策。
[0014]为解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种数字孪生驱动的综采装备与煤层耦合系统优化决策方法，包括以下步骤：步骤一，综采装备与煤层耦合多重最优解预测，包括：步骤1：构建多种知识与数据融合的分析决策模型；分析综采装备与煤层耦合协同运行规律，建立数学模型，基于多种基于数据与基于知识的分析决策算法构建数据与知识互补结合的综采装备位姿信息分析决策算法库，并封装为dll格式的动态链接库；步骤2：将多源异构感知信息输入步骤1所述的分析决策模型；优化综采装备实时定位定姿与误差修正技术，提升装备实时传感信息的精确度，将实际信息与虚拟信息进行多源信息融合，将融合后的综采装备多源异构感知信息输入分析决策算法库；步骤3：获得不同分析决策模型下的下一循环综采装备位姿多重最优解；不同的分析决策模型产生多个输出，构成下一循环综采装备位姿多重最优解，将多重最优解导出并进行存储；步骤二，综采装备与煤层耦合绝对最优解预测，包括：
步骤4：构建优化决策空间底层的自评估算法，将不同模型下的下一循环综采装备位姿多重最优解输入优化决策空间；确定下一循环综采装备位姿合理性评价因素的内容与权重，制定评价指标体系与评价细则，采用模糊综合评价法对下一循环综采装备位姿多重最优解进行综合评判，将综合评判机制转化为自评估验证算法，并嵌入优化决策空间底层；步骤5：通过优化决策空间底层的自评估算法以及虚拟推演空间虚拟执行过程中人工可视化判断相结合的方式得出下一循环综采装备位姿的唯一绝对最优解。
[0015]将多重最优解输入优化决策空间，通过底层自评估验证算法对各最优解进行评价，同时利用虚拟推演空间进行各最优解的三维可视化虚拟执行，形成复合决策模型，通过自评估验证算法与人工可视化判断相结合的方式得出下一循环综采装备位姿唯一的绝对最优解，并对自评估验证算法进行动态修复与迭代优化。
[0016]进一步地，所述步骤1包括步骤：步骤101：分析综采装备与煤层耦合协同运行规律，基于综采装备的工作流程，建立综采装备运行过程中主要参数之间的耦合关系的数学模型；步骤102：以综采装备与煤层耦合协同运行规律和数学模型为理论依据，构建多种不同的基于数据的分析决策算法模型与基于知识的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数字孪生驱动的综采装备与煤层耦合系统优化决策方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，综采装备与煤层耦合多重最优解预测，包括：步骤1：构建多种知识与数据融合的分析决策模型；分析综采装备与煤层耦合协同运行规律，建立数学模型，基于多种基于数据与基于知识的分析决策算法构建数据与知识互补结合的综采装备位姿信息分析决策算法库，并封装为dll格式的动态链接库；步骤2：将多源异构感知信息输入步骤1所述的分析决策模型；优化综采装备实时定位定姿与误差修正技术，提升装备实时传感信息的精确度，将实际信息与虚拟信息进行多源信息融合，将融合后的综采装备多源异构感知信息输入分析决策算法库；步骤3：获得不同分析决策模型下的下一循环综采装备位姿多重最优解；不同的分析决策模型产生多个输出，构成下一循环综采装备位姿多重最优解，将多重最优解导出并进行存储；步骤二，综采装备与煤层耦合绝对最优解预测，包括：步骤4：构建优化决策空间底层的自评估算法，将不同模型下的下一循环综采装备位姿多重最优解输入优化决策空间；不同的分析决策模型产生多个输出，构成下一循环综采装备位姿多重最优解，将多重最优解导出并进行存储；步骤5：通过优化决策空间底层的自评估算法以及虚拟推演空间虚拟执行过程中人工可视化判断相结合的方式得出下一循环综采装备位姿的唯一绝对最优解；将多重最优解输入优化决策空间，通过底层自评估验证算法对各最优解进行评价，同时利用虚拟推演空间进行各最优解的三维可视化虚拟执行，形成复合决策模型，通过自评估验证算法与人工可视化判断相结合的方式得出下一循环综采装备位姿唯一的绝对最优解，并对自评估验证算法进行动态修复与迭代优化。2.根据权利要求1所述的数字孪生驱动的综采装备与煤层耦合系统优化决策方法，其特征在于，所述步骤1包括步骤：步骤101：分析综采装备与煤层耦合协同运行规律，基于综采装备的工作流程，建立综采装备运行过程中主要参数之间的耦合关系的数学模型；步骤102：以综采装备与煤层耦合协同运行规律和数学模型为理论依据，构建多种不同的基于数据的分析决策算法模型与基于知识的分析决策算法模型；步骤103：将多种不同的分析决策算法模型进行优化与整合，组成数据与知识互补结合的综采装备位姿信息分析决策算法库；步骤104：将数据与知识互补结合的综采装备位姿信息分析决策算法库封装为dll格式的动态链接库以供综采装备与煤层耦合系统优化决策数字孪生系统对其进行调用；所述综采装备与煤层耦合系统优化决策数字孪生系统由Unity3d开发，包括虚拟监测空间、优化决策空间与虚拟推演空间。3.根据权利要求2所述的数字孪生驱动的综采装备与煤层耦合系统优化决策方法，其特征在于：步骤103中，所述将多种不同的分析决策模型进行优化与整合是指知识和数据的
算法级协同，即从基于数据的分析决策模型与基于知识的分析决策模型中各选取一种或多种，协同构成知识与数据融合的分析决策模型。4.根据权利要求2或3所述的数字孪生驱动的综采装备与煤层耦合系统优化决策方法，其特征在于：步骤104中，所述虚拟监测空间中构建了复合综采装备与煤层耦合协同运行规律的综采工作面数字孪生体，在综采工作面推进过程中接入部分实际参数，通过Unity3d中的物理引擎实现综采工作面数字孪生体的自主同步运行，为优化决策空间提供虚拟煤层截割实时动态更新信息与虚拟传感器传感信息；优化决策空间用于完成综采装备与煤层耦合绝对最优解预测；虚拟推演空间用于完成优化决策空间输出的决策结果的虚拟执行与三维可视化呈现，以供...

【专利技术属性】
技术研发人员：王学文，刘曙光，谢嘉成，李娟莉，沈卫东，李素华，王怡荣，梅震怀，郑子盈，王禧龙，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：