基于行为树的露天矿生产模拟系统开发研究.pdf

硕士学位论文 基于行为树的露天矿生产模拟系统 开发研究 Development and Research of Simulation System for Surface Mine Based on Behavior Tree 作 者刘云肖 导 师才庆祥 教授 中国矿业大学 二〇一七年五月 万方数据 基 于 行 为 树 的 露 天 矿 生 产 模 拟 系 统 开 发 研 究 中 国 矿 业 大 学 万方数据 中图分类号 TD824 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 基于行为树的露天矿生产模拟系统 开发研究 Development and Research of Simulation System for Surface Mine Based on Behavior Tree 作 者 刘云肖 导 师 才庆祥 教授 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 露天开采 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一七年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 致谢致谢 在本论文的写作过程中，我的导师才庆祥教授倾注了大量的心血，从选题到 开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循 循善诱， 值此论文论文完成之际， 特向才庆祥老师表示衷心的感谢和崇高的敬意 在完成论文期间， 得到了中国矿业大学露天开采及边坡工程研究所各位老师 的热情帮助和大力支持，在此，向车兆学教授、舒继森教授、姬长生教授、尚涛 教授、李克民教授、周伟教授、彭洪阁副教授、陈树召讲师和韩流讲师表示衷心 的感谢在攻读硕士学位期间，得到了中国矿业大学矿业工程学院和研究生学员 院的有关领导、老师的大力支持，在此一并致以诚挚的谢意 在求学期间，得到了众多同门的帮助，感谢博士后师兄刘福明、马力，博士 师兄时旭阳、阮苏淮和已经毕业的郭强、万蒙蒙、杨飞、吕建洲、赵登娟师兄， 感谢同级的尹文影、 栗嘉彬、 潘飞亚、 黄甫、 唐文亮、 师兵团， 感谢师弟何伟民、 秦梓赫、孟鑫、王进文、高岩、王晋辉、王利军、李淋、陆翔，感谢采矿工程系 的所有师兄弟们，感谢你们陪我度过这三年的美好时光 感谢安太堡露天矿调度科的宫春刚在现场生产资料收集过程中给予我的帮 助 感谢在参考文献中列出的以及没有列出的所有给予我启发的研究成果的作 者 感谢在攻读硕士期间家人的支持与鼓励 感谢在百忙中抽出时间悉心评阅本论文和参与答辩的各位专家 万方数据 I 摘摘 要要 论文基于人工智能中的行为树技术实现了露天矿生产工艺系统设备的行为 控制，并在此基础上开发了露天矿生产模拟系统。用户通过此系统可以对露天矿 的设备数据进行管理，在虚拟的环境下漫游整个露天矿，设计不同的方案来模拟 露天矿的生产并以报表的形式展现生产数据。 用户可以使用此系统进行方案比选， 达到提高露天矿整体生产能力的目的。 论文借助报表管理系统调取了安太堡露天煤矿2016年全年的生产历史数据， 使用 MATLAB 工具对各设备的故障间隔时间、故障时间、电铲装车时间、卡车 卸车时间等技术参数的概率分布情况进行了分析和验证， 得出设备故障间隔时间、 设备故障时间、卡车卸车时间等服从指数分布、电铲装车时间等服从正态分布， 以此为依据建立了单设备的数学模型。 综合运用了 CAD、3DMine、3DMax、Unity3D 等软件建立了露天矿三维实 体模型，并使用 CG 语言编写 Shader 对模型进行了高程渲染处理，开发了露天 矿虚拟现实三维可视化漫游系统。 使用 Java 语言，借助网络开发中的 SSM 框架完成了露天矿生产模拟系统的 开发。使用浏览器可以登录系统、添加设备并对设备的技术参数进行输入、在三 维可视化的环境下模拟露天矿的生产。 系统的报表功能可以对模拟运行的结果进 行可视化的展现，为方案比选提供数据支持，达到提高露天矿生产能力的目的。 该论文有图 40 幅，表 27 个，参考文献 85 篇。 关键词关键词露天煤矿；行为树；可视化；概率分布；生产模拟 万方数据 II Abstract Based on the behavior tree technology in artificial intelligence, this paper realizes the behavior control of the equipment of open pit mine, and based on this, the development simulation system of open pit mine is developed. Through this system, the user can manage the equipment data of the open pit mine, roam the entire open pit mine in a virtual environment, design different schemes to simulate the production of the open pit mine and display the production data in the of a report. Users can use this system for program selection to improve the overall production capacity of open pit mine. The paper uses the report management system to retrieve the production history data of the Antaibao opencast coal mine in 2016, and uses Matlab to analyse the probability of technical parameters such as the fault interval time, the fault time, the shovel loading time and the truck unloading time. The fault interval time, the fault time and the truck unloading time obey the index distribution, however, the shovel loading time obey the normal distribution. The mathematical model of the single device is established on the basis of the distribution of the equipment. The three - dimensional solid model of open - pit mine was established by CAD, 3DMine, 3DMax and Unity3D. Using the CG language to write Shader to render for the model and developing a virtual reality 3D visualization roaming system. Using the Java language, the development of the simulation system for open pit mine production is done with the SSM framework. Use the browser to log in to the system, add equipment and enter the technical parameters of the equipment, in the three-dimensional visual environment to simulate the production of open pit. The reporting function of the system can visualize the simulation results, provide data support for the program comparison, and achieve the purpose of improving the production capacity of the open pit There are 40 figures, 27 tables and 85 pieces of reference in this paper. Keywords surface mine; behavior tree; visualization; probability distribution; production simulation 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要............................................................................................................................ I 目目 录录......................................................................................................................... III 图清单图清单........................................................................................................................ VII 表清单表清单........................................................................................................................... X 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................... XII 1 绪论绪论............................................................................................................................ 1 1.1 选题背景与研究意义 ............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 3 1.3 研究内容 ................................................................................................................. 5 1.4 研究方法与技术路线 ............................................................................................. 5 2 露天矿生产系统数露天矿生产系统数学学模型模型 ....................................................................................... 7 2.1 露天矿生产系统设备组成 ..................................................................................... 7 2.2 露天矿生产系统数据分析 ................................................................................... 11 2.3 单设备数学模型 ................................................................................................... 25 2.4 本章小结 ............................................................................................................... 27 3 露天矿生产模拟系统行为树控制模块开发露天矿生产模拟系统行为树控制模块开发 ......................................................... 28 3.1 行为树简介 ........................................................................................................... 28 3.2 行为树实现常用逻辑结构 ................................................................................... 29 3.3 露天矿生产模拟系统行为树设计 ....................................................................... 32 3.4 露天矿三维模型设计 ........................................................................................... 37 3.5 本章小结 ............................................................................................................... 44 4 露天矿生产模拟系统数据库设计露天矿生产模拟系统数据库设计 ......................................................................... 45 4.1 系统基础数据 ....................................................................................................... 45 4.2 系统运行时数据 ................................................................................................... 48 4.3 本章小结 ............................................................................................................... 51 5 露天矿生产模拟系统开发露天矿生产模拟系统开发 ..................................................................................... 53 5.1 开发环境 ............................................................................................................... 53 5.2 技术选型 ............................................................................................................... 53 5.3 系统开发 ............................................................................................................... 54 5.4 本章小结 ............................................................................................................... 59 万方数据 IV 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................. 60 6.1 结论 ....................................................................................................................... 60 6.2 展望 ....................................................................................................................... 61 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 62 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 94 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 95 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 96 万方数据 V Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ....................................................................................................................... V List of Figures ........................................................................................................... VII List of Tables ................................................................................................................ X List of Variables ........................................................................................................ XII 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Research Background and Significace ..................................................................... 1 1.2 Studies at Home and Abord ..................................................................................... 3 1.3 Research Aim ........................................................................................................... 5 1.4 Research ology and Technology Roadmap ................................................. 5 2 Data Model of Surface Mine Production System ................................................... 7 2.1 Equipment Composition of Surface Mine Production System ................................ 7 2.2 Data Analysis of Surface Mine Production System ............................................... 11 2.3 Mathematical Model of Single Equipment ............................................................ 25 2.4 Summary ................................................................................................................ 27 3 Development of Behavior Tree Control Module for Surface Mine Production Simulation System ...................................................................................................... 28 3.1 Behavior Tree Introduction .................................................................................... 28 3.2 Simple Logic Structure by Behavior Tree ............................................................. 29 3.3 Behavior Tree Design of Surface Mine Simulation System .................................. 32 3.4 Design of 3D Model of Surface Mine .................................................................... 37 3.5 Summary ................................................................................................................ 44 4 Database Design of Surface Mine Simulation System ......................................... 45 4.1 Essential Data for System ...................................................................................... 45 4.2 Runtime Data for System ....................................................................................... 48 4.3 Summary ................................................................................................................ 51 5 Development of Surface Mine Simulation System ............................................... 53 5.1 Development Environment .................................................................................... 53 5.2 Technology Lectotype ........................................................................................... 53 5.3 System Development ............................................................................................. 54 万方数据 VI 5.4 Summary ................................................................................................................ 59 6 Conclusions and Prospect ....................................................................................... 60 6.1 Conclusions ............................................................................................................ 60 6.2 Prospect .................................................................................................................. 61 References ................................................................................................................... 62 Author’s Resume ........................................................................................................ 94 Declaration of Thesis ................................................................................................. 95 Thesis Data Collection ............................................................................................... 96 万方数据 VII 图清单图清单 List of Figures 图序号 图名称 页码 图 1-1 卡车行为树简图 2 Figure 1-1 Simple behavior tree of truck 2 图 1-2 电铲行为树简图 2 Figure 1-2 Simple behavior tree of shovel 2 图 1-3 论文技术路线图 6 Figure 1-3 Technical route of paper 6 图 2-1 安太堡露天煤矿设备组织关系力导向布局图 10 Figure 2-1 Organizational relationship of the equipments in Antaibao surface mine 10 图 2-2 1732 号电铲故障间隔时间频率直方图 16 Figure 2-2 Frequency histogram of time between failure of shovel 1732 16 图 2-3 1732 号电铲故障时间频率直方图 16 Figure 2-3 Frequency histogram of time to repair of shovel 1732 16 图 2-4 7308 号卡车故障间隔时间频率直方图 17 Figure 2-4 Frequency histogram of time between failure of truck 7308 17 图 2-5 7308 号卡车故障时间频率直方图 17 Figure 2-5 Frequency histogram of time to repair of truck 7308 17 图 2-6 1737 号电铲的装车时间频率分布直方图 21 Figure 2-6 Frequency histogram of loading time of shovel 1737 21 图 3-1 行为树简图 28 Figure 3-1 A simple behavior tree 28 图 3-2 顺序结构的行为树实现 29 Figure 3-2 Sequential structure implemented by behavior tree 29 图 3-3 if 结构的行为树实现 29 Figure 3-3 ‘if’ structure implemented by behavior tree 29 图 3-4 ifelse 结构的行为树实现 30 Figure 3-4 ‘ifelse’ structure implemented by behavior tree 30 图 3-5 多重 if 的行为树实现 30 Figure 3-5 Multiple ‘if’ structure implemented by behavior tree 30 图 3-6 if 嵌套的行为树实现 31 Figure 3-6 Nested ‘if’ structure implemented by behavior tree 31 万方数据 VIII 图 3-7 循环结构的行为树实现 32 Figure 3-7 Cycle structure implemented by behavior tree 32 图 3-8 电铲（或破碎站）运行流程图 33 Figure 3-8 Operation flow chart of shovelor crusher 33 图 3-9 电铲（或破碎站）运行行为树 34 Figure 3