综采装备虚实融合运行模式探索与实践：从XR、数字孪生、CPS到工业元宇宙

定　　价：98 元

丛书名：博士后文库

• 作者：谢嘉成
• 出版时间：2024/6/1
• ISBN：9787030774057
• 出 版 社：科学出版社

• 中图法分类：TD421.6 
• 页码：182
• 版次：1
• 开本：B5

内容简介

本书面向煤矿综采装备，以虚拟现实、增强现实、混合现实为代表的XR+技术，与数字孪生、信息物理系统、工业元宇宙等概念深度融合，形成一种虚实融合的综采工作面运行模式。将这一模式划分为四个阶段，即虚实融合1.0、虚实融合2.0、虚实融合3.0和虚实融合4.0，并针对四个阶段的特点分别进行案例叙述：包括面向"虚实融合1.0-2.0"的数字化智能产品服务系统MSPSS、面向"虚实融合2.0-3.0"的测试与评估系统MTES、面向"虚实融合3.0-4.0"的闭环协同运行系统MHCPS和面向"虚实融合4.0+"的工业元宇宙系统 MIMS，对各系统的关键技术和设计要点、工业应用进行了重点叙述。

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作者介绍

"面向煤机装备的虚拟现实装配技术与系统"，中国机械工业科技进步奖二等奖，2021年，排名第2。

目 录

目录
“博士后文库”序言
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 解决目标与方法 2
1.3 数字化综采装备的现代设计技术发展现状 4
1.3.1 产品服务系统应用的技术框架 4
1.3.2 数字化技术与矿业装备融合设计 5
1.3.3 数字化技术与智能产品服务系统的融合 6
1.4 数字化综采装备的扩展现实技术发展现状 7
1.5 数字化综采装备运行的数字孪生与信息物理系统技术发展现状 8
1.6 数字化综采装备发展存在的问题与挑战 11
1.6.1 传统设计方法在矿业中面临的挑战 11
1.6.2 以数字孪生为代表的新一代信息技术在综采工作面应用中存在的
?问题 12
1.6.3 煤炭开采行业数字化转型面临的挑战 12
1.6.4 数字化综采装备未来发展与挑战 13
1.7 本书主要研究内容与章节安排 13
1.8 本章小结 16
第2章 综采装备虚实融合运行模式框架和发展阶段 17
2.1 引言 17
2.2 数字化综采装备和技术发展历程剖析 17
2.2.1 综采装备与协同运行流程分析 17
2.2.2 综采工作面智能化程度分析 19
2.2.3 数字化综采工作面与数字化工厂的全面对比 20
2.2.4 地面与井下作业人员操作对比 22
2.2.5 虚实融合分析角度与方法 24
2.3 综采装备虚实融合发展阶段 25
2.3.1 综采装备虚实融合发展阶段梳理与划分 25
2.3.2 虚实融合各阶段的内涵与特征整体分析 28
2.4 虚实融合1.0阶段的相关内容 30
2.4.1 艺术性的动画展示 31
2.4.2 展示、事故模拟和培训演练 32
2.4.3 操作装备 33
2.4.4 整体特征 33
2.5 虚实融合2.0阶段的虚拟规划与调试 34
2.5.1 虚拟规划 36
2.5.2 参数化驱动模拟改变地质模型 37
2.5.3 基于物理引擎的煤层装备联合虚拟仿真模型 37
2.5.4 煤层装备联合虚拟仿真 38
2.5.5 虚拟调试 39
2.6 虚实融合3.0阶段的虚拟监测 39
2.6.1 数字孪生虚拟综采工作面 40
2.6.2 综采工作面VR监测系统 41
2.6.3 信息的实时驱动方式 42
2.6.4 虚拟决策与预测 43
2.7 虚实融合4.0阶段的双向信息人机闭环交互 44
2.7.1 基于监测结果的决策与控制 44
2.7.2 人机深度融合 45
2.7.3 闭环双向协同 47
2.8 本章小结 47
第3章 面向“虚实融合1.0～2.0”的数字化智能产品服务系统 49
3.1 引言 49
3.2 MSPSS总体框架 49
3.2.1 煤炭开采行业产品服务系统应用问题调查 49
3.2.2 煤炭开采行业传统产品设计与服务的特点及分析 51
3.2.3 煤炭开采行业构建产品服务系统的挑战 52
3.2.4 MSPSS总体框架设计 53
3.3 智能决策子系统构建关键技术 55
3.3.1 基于层次分析法的装备选型 55
3.3.2 基于虚拟现实的智能决策流程 55
3.4 智能产品子系统构建关键技术 56
3.4.1 数字化装备设计 58
3.4.2 虚拟综采工作面搭建 59
3.4.3 虚拟井下调试 59
3.5 智能服务子系统构建关键技术 61
3.5.1 服务系统的需求分析模型 61
3.5.2 面向服务的虚拟仿真场景的建立 63
3.5.3 综采装备智能故障诊断与预测 64
3.5.4 在线预维护 65
3.6 原型系统开发与实验 66
3.6.1 产品类型的初步选择 66
3.6.2 数字产品的评价 67
3.6.3 数字服务解决方案测试 70
3.6.4 讨论 71
3.7 本章小结 73
第4章 面向“虚实融合2.0～3.0”的测试与评估系统 75
4.1 引言 75
4.2 MTES总体框架 76
4.2.1 系统总体设计 76
4.2.2 系统软件设计 77
4.3 工作面运行数据处理关键技术 77
4.3.1 示范工作面智能化情况及问题由来 77
4.3.2 原始装备和煤层地质数据的分析与提取 78
4.3.3 传感器及未来需求、执行动作标定 79
4.4 离线场景构建与运行场景推演关键技术 80
4.4.1 离线运行与仿真系统框架 80
4.4.2 工作面坐标体系及装备绝对位姿信息确定 81
4.4.3 工作面煤层仿真模型的构建 83
4.4.4 基于离线运行数据驱动的装备协同运行仿真方法 84
4.4.5 装备工作空间与动态煤层分析 84
4.5 虚拟装备协同运行仿真评价关键技术 85
4.5.1 智能化开采程度定义与划分 85
4.5.2 虚拟机器人运行框架 85
4.5.3 虚拟感知与信息交互 86
4.5.4 虚拟决策与控制 87
4.5.5 评价指标构建 88
4.6 原型系统开发与实验 90
4.6.1 离线数据预演结果 90
4.6.2 离线数据结果分析及工作空间分析 91
4.6.3 不同智能化程度的情况仿真 93
4.6.4 讨论 95
4.7 本章小结 95
第5章 面向“虚实融合3.0～4.0”的闭环协同运行系统 97
5.1 引言 97
5.2 MHCPS总体框架 97
5.2.1 整体运作架构 97
5.2.2 框架操作流程 99
5.2.3 闭环运行关系及效果 100
5.3 系统设计关键技术 100
5.3.1 智能综采装备设计关键技术 100
5.3.2 VR系统设计关键技术 101
5.3.3 AR系统设计关键技术 102
5.4 通信、计算和控制流向及融合关键技术 104
5.4.1 通信方法 104
5.4.2 计算方法 106
5.4.3 控制方法 108
5.4.4 操作人员与3C的关系 110
5.5 原型系统开发和实验 111
5.5.1 原型系统开发 111
5.5.2 通信实验 112
5.5.3 计算实验 112
5.5.4 控制实验 116
5.5.5 讨论 116
5.6 本章小结 119
第6章 面向“虚实融合4.0+”的工业元宇宙系统技术构想 120
6.1 引言 120
6.2 MIMS总体框架 120
6.2.1 工业元宇宙和数字孪生驱动的综采工作面对比 120
6.2.2 工作面系统框架及其具备的能力 121
6.3 MIMS设计关键技术 125
6.3.1 多功能虚拟平行系统关键技术 125
6.3.2 可参数化动态定制的矿工虚拟模型构建 125
6.3.3 真实矿工与虚拟矿工的实时联动 127
6.3.4 集控中心智能推演系统设计 128
6.3.5 巡检人员虚拟操作设计 129
6.4 人机融合驱动运行关键技术 131
6.4.1 XR人机协同 131
6.4.2 机器人驱动的人机协同 132
6.4.3 虚拟人驱动的人机协同 133
6.4.4 人机协同带来的优势 134
6.5 原型系统开发与实验 136
6.5.1 基于工业元宇宙的液压支架调架系统 136
6.5.2 系统“感知-决策-控制”通道测试 138
6.5.3 AR远程协作测试 138
6.5.4 机器人巡检实验 139
6.5.5 虚拟人测试 140
6.5.6 讨论 141
6.6 本章小结 143
参考文献 144
编后记 164