煤矿综采系统三维监测方法关键技术研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 田振华 指 导 教 师 张登攀 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 测试计量技术及仪器 研 究 方 向 智能检测与设备诊断技术 河南理工大学机械与动力工程学院河南理工大学机械与动力工程学院 二二○一○一六六年年六六月月 煤矿综采系统煤矿综采系统三维三维监测方法监测方法关键技术研究关键技术研究 Research on Key Techniques of 3D Monitoring for Mechanized Mining System in Coal Mine 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TP212.14 密密 级公开级公开 UDC 621 单位代码单位代码 10460 煤矿综采系统三维监测方法 关键技术研究 Research on Key Techniques of 3D Monitoring for Mechanized Mining System in Coal Mine 申请人姓名申请人姓名 田振华田振华 申 请 学 位申 请 学 位 工学硕士工学硕士 学 科 专 业学 科 专 业 测试计量技术测试计量技术 及仪器及仪器 研 究 方 向研 究 方 向 智能检测与智能检测与 设备诊断技术设备诊断技术 导师导师 张登攀张登攀 职称职称 副教授副教授 提 交 日 期提 交 日 期 2 201016 6 年年 4 4 月月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2012016 6 年年 6 6 月月 河南理工大学 万方数据 致致 谢谢 本论文是在导师张登攀的悉心指导下完成的，在三年的研究生学习生涯中， 无论在学习还是生活方面张老师都给予了我极大的帮助和关怀，张老师渊博的学 识，严谨的科研态度，平易近人的高尚品格给我树立了榜样。三年的学习中，我 取得的每一个进步都凝聚着张老师的心血，本论文的选题和实验也是在张老师的 耐心指导和帮助下完成的，在此谨向张老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。 在课题的研究过程中，得到了测控技术与仪器系全体老师的教诲、支持和帮 助，几位老师学识精深、治学严谨，给我留下了深刻的印象，是我学习的榜样， 在此感谢他们的谆谆教诲和无私帮助；同时得到了安全学院李长青老师和安葳鹏 老师的热心帮助，在此对他们深表感谢。 感谢辅导员曹月坤老师对我思想及生活上的帮助，让我在研究生阶段有了明 确的方向，取得的每一点进步也与她无微不至的关心是分不开的。 感谢课题组的秦钢、郑艳、冯盼等同学，在课题研究过程中，与他们的共同 探讨和交流使我学到了很多知识，给了我很大启发和帮助。感谢同实验室各位同 学的鼎力相助。 感谢本文中所引用文献的各位著、编、译者。 最后，衷心感谢百忙之中抽出时间审阅、评议本论文的专家、老师。望各位 专家、老师批评指正，不胜感激。 万方数据 I 摘摘 要要 综采系统是煤矿生产系统中的重要部分，对综采系统中设备状态和环境参数 的监测和预警在煤矿安全生产中有着重大意义。目前，对综采系统的安全监测一 般采用软件虚拟仪器表达设备和环境的实时参数，这样的模式缺乏真实感、感染 力不强，操作人员对现场情况的感知不够直观。针对上述问题，本文以实现综采 系统实时三维虚拟监测为目标，开展了一系列的研究。主要研究工作如下 第一，针对现有煤矿监测系统中缺乏真实感、直观性差的问题，提出了一种 综采系统实时三维虚拟漫游监测的系统架构，并对架构中各系统模块以及模块之 间的耦合关系和耦合机制进行了设计和开发。 第二，针对三维虚拟综采系统的设计目标，对综采系统中的采煤机、刮板输 送机、皮带运输机、液压支架等子系统组成进行三维建模，根据需要进行有机联 接，进而搭建成满足需求的三维虚拟系统。 第三，针对综采系统中生产装备实时运行状态与三维虚拟映射目标状态的同 步刷新问题，深入研究了三维模型驱动中的模型动作驱动、模型状态刷新、模型 数据驱动和三维场景漫游，并完成了相关技术的开发；进一步基于数据通信协议 对监测数据进行实时管理和持久存储，支持实时数据展示和历史数据查询。 第四，搭建综采系统三维虚拟监测系统平台，并对本文所提出的三维监测方 法关键技术进行了综合实验，结果表明该监测系统平台软硬件具有响应快、稳定 性好、精度高的特点，能够满足煤矿安全生产的监测要求。 关键词关键词综采系统；虚拟矿井漫游；监测系统；三维模型驱动 万方数据 III Abstract Mechanized mining system is an important part of the coal mine production system, the monitoring and warning of equipment and environment parameters is of great significance in the coal mine safety production.At present, the monitoring of mechanized mining system generally use virtual instrument software to convey the real-time parameters of equipment and environment, lacking sense of reality, remarkable power and intuitive sense, the operator can not get the perceptual intuition of the situation in the scene. For the problems above, this paper is in order to realize the goal of real-time 3D virtual mechanized mining system monitoring and carries out a series of in-depth study . The following are the main research work of the study. First of all, for the the deficiency of present monitoring system for coal mine , a system architecture of mechanized mining system real-time 3d virtual roaming monitoring is realized, and every system module and the coupling relationship between these modules in the system architecture are designed and accomplished. Secondly, in view of the target of design of 3d virtual mechanized mining system, a dynamic recombine of aim at the subsystem of the coal mining machine, the scraper conveyer, the conveyer belt, the hydraulic support, etc in mechanized mining system were modeled in three-dimensional, as required，the 3d scene and monitoring system can be dynamic rebuild,and then 3d virtual monitoring system that can meet the dynamic produce changed requirement is constructed. Thirdly, in allusion to the synchronized refresh of running status of production equipment in mechanized mining system and status of mapping target model in 3d virtual system,model action driven,model status refresh,model data driven in 3d model driven and 3d virtual roaming are in-depth studyed,and technological development is completed; go a step further,based on the data communication protocols,the monitoring data is managed in real time and stored persistent, and the system can be realized real-time data display and historical data query. At last, 3d virtual monitoring system plat for mechanized mining system were built, key techniques of 3d monitoring that realized in this paper were experimented comprehensively, the results showed that this system is becoming the mainstream of three-dimensional on-line monitoring system because of its fast response, high stability and precision. 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 IV Keywords Mechanized mining system; Virtual mine roaming; 3d model driven; Monitoring system 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................................. I Abstract ......................................................................................................................... III 目目 录录 ............................................................................................................................... V 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 课题来源 ........................................................................................................... 1 1.2 选题背景及意义 ............................................................................................... 1 1.3 国内外研究现状 ............................................................................................... 3 1.3.1 传统煤矿监测技术发展现状 3 1.3.2 虚拟现实技术在煤矿领域中的研究现状 4 1.4 本文的主要研究工作和内容 ........................................................................... 6 2 系统总体设计与开发规划系统总体设计与开发规划 .......................................................................................... 9 2.1 系统的需求分析 ............................................................................................... 9 2.2 系统的总体设计 ............................................................................................... 9 2.2.1 系统的总体架构 9 2.2.2 系统开发环境 10 2.3 系统开发规划 ................................................................................................. 11 2.3.1 三维模型及场景构建 11 2.3.2 系统模块构建 14 2.3.3 系统实现目标 20 2.4 本章小结 ......................................................................................................... 21 3 系统三维建模系统三维建模 ............................................................................................................ 22 3.1 煤矿综采系统 ................................................................................................. 22 3.2 数据采集设备 ................................................................................................. 24 3.2.1 数据采集工作站 24 3.2.2 配套传感器 25 3.3 子模型建模流程及原则 ................................................................................. 25 3.3.1 子模型建模流程 25 3.3.2 子模型构建原则 26 3.4 三维虚拟综采系统构建 ................................................................................. 27 3.4.1 地下巷道建模 27 万方数据 VI 3.4.2 综采设备建模 29 3.4.3 纹理贴图 30 3.4.4 灯光 31 3.4.5 数据采集工作站与传感器建模 32 3.4.6 场景的合成 32 3.5 本章小结 .......................................................................................................... 33 4 系统模块的构建及功能实现系统模块的构建及功能实现 .................................................................................... 35 4.1 系统主要功能模块 .......................................................................................... 35 4.2 三维模型驱动 .................................................................................................. 36 4.2.1 三维模型构成 36 4.2.2 三维模型数据驱动 37 4.2.3 三维模型动作驱动 38 4.2.4 三维模型材质刷新 41 4.3 场景漫游的实现 .............................................................................................. 42 4.3.1 三维场景漫游工作原理 42 4.3.2 三维场景漫游工作流程及实现 42 4.4 数据管理模块 .................................................................................................. 45 4.4.1 数据采集系统 45 4.4.2 数据通信流程 48 4.4.3 数据通信协议 50 4.4.4 数据服务器 51 4.4.5 数据收发与解析 52 4.5 本章小结 .......................................................................................................... 53 5 系统的实现效果和系统测试系统的实现效果和系统测试 .................................................................................... 55 5.1 系统总体运行效果 .......................................................................................... 55 5.1.1 监测平台界面 55 5.1.2 系统整体运行效果 56 5.2 三维场景漫游效果 .......................................................................................... 56 5.3 用户交互和数据展示效果 .............................................................................. 58 5.4 系统测试 .......................................................................................................... 59 5.4.1 数据准确性测试 59 万方数据 VII 5.4.2 系统稳定性测试 61 5.5 本章小结 ......................................................................................................... 61 6 总结与展望总结与展望 ................................................................................................................ 63 6.1 本文研究工作总结 ......................................................................................... 63 6.2 研究展望 ......................................................................................................... 63 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 65 作者简历作者简历 ........................................................................................................................ 69 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................ 71 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 本章首先介绍了课题来源，课题的研究目的和意义，然后对虚拟现实技术及 监测技术在煤矿领域应用的国内外研究现状及进展进行了综述，最后介绍了本文 的主要研究工作和内容。 1.1 课题来源 本课题的研究来源于国家高技术发展计划（863 计划）项目“可重构虚拟仪器 阵列和嵌入式装配平台” （项目编号2008AA04Z133） 、河南省科技攻关项目“煤 矿安全生产体系的三维虚拟动态测量技术研究” （项目编号142102210051）和河 南省教育厅科技攻关项目“面向煤矿安全生产的在线动态集成测量技术研究” （项 目编号13A460338）的资助。 1.2 选题背景及意义 煤矿井下实时监测是一项复杂而意义重大的系统工程，影响整个矿井的安全 生产的各个方面。在对煤矿井下设备的运行状态和井下各种环境参数的监测过程 中，存在大量测量和控制数据，如综采系统中液压支架的运行状态，采煤机运行 状态，巷道内的瓦斯浓度等。随着煤矿行业的发展，煤矿井下的自动化水