协同式交互采煤作业仿真系统及其方法

摘要

本发明公开了一种协同式交互采煤作业仿真系统及其方法，所述系统由采煤工作面作业场景、工作面设备、角色登录和违章数据库组成，所述采煤工作面作业场景由巷道布置系统、煤层顶板、煤层、煤层底板和采空区组成；所述工作面设备由带式输送机、转载机、破碎机、采煤机、刮板运输机、液压支架、端头液压支架、单体液压支柱、绞接顶梁、监测/监控设备组成；所述角色登录由事件触发员与工种组成。本发明操作简单，系统运行方式新颖，提高了煤矿工人技术培训和高校采矿工程专业学生学习过程中的趣味性；克服了高危行业无法进行实验的困难，例如采煤工作面瓦斯爆炸事故仿真模拟；降低了高校实践教学环节的教学成本。

说明书

技术领域

本发明属于采煤作业仿真技术领域，涉及一种协同式交互采煤作 业仿真系统及其方法。

背景技术

仿真系统主要是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通 过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。采煤 仿真系统是通过计算机建立仿真模型，真实再现采煤过程中各工种之 间的相互配合，设备之间的协调操作过程，并通过仿真揭示采煤过程 中由于采动等多种因素影响所导致运输巷道、回风巷道、煤层以煤层 顶板的受力变化情况。由于采煤过程中可能发生瓦斯爆炸和煤与瓦斯 突出等事故，这些事故的实验危险性大，仿真是一种特别有效的研究 手段，通过仿真的方法能够表达采煤作业事故发生的原因、过程和造 成的破坏结果，以及对井下其它作业地点人员和巷道系统的影响。

采煤仿真系统大概有三种：一种是采煤机控制仿真，一种是采煤 工艺仿真，还一种是采煤工程教学培训仿真。目前现有的采煤仿真系 统主要以演示为主，交互操作少，采煤机控制仿真主要模拟采煤机控 制面板，以电子屏幕展示采煤机的启动、运转与停止，达到交互操作 的目的。这些仿真系统难以表达工种之间的相互配合，设备操作与运 转时对周围环境的影响，特别是由于人为因素而导致的煤矿安全事 故。

发明内容

本发明的目的是提供一种协同式交互采煤作业仿真系统及其方 法，它操作简单，交互性好，系统运行方式新颖，能够满足煤矿工人 培训、高校采矿工程专业教学的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种协同式交互采煤作业仿真系统，由采煤工作面作业场景、工 作面设备、角色登录和违章数据库组成，其中：

所述采煤工作面作业场景由巷道布置系统、煤层顶板、煤层、煤 层底板和采空区组成；

所述工作面设备由带式输送机、转载机、破碎机、采煤机、刮板 运输机、液压支架、端头液压支架、单体液压支柱、绞接顶梁、监测 /监控设备组成；所述角色登录由事件触发员与工种组成；

所述工作面作业场景主要用于仿真煤矿井下采煤作业环境，工作 面作业场景与工作面设备进行关联，当工作面设备发出动作后，工作 面作业场景要实时变化；

所述工作面设备主要用于仿真当操作人员通过计算机键盘和鼠 标向系统内仿真人发出操作指令后能够完成的基本动作；

所述角色登录主要完成操作人员登录系统时的角色划分，由于系 统内被控仿真人与登录操作人员一对一绑定，每一名以工种角色登录 的操作人员对应系统内一名仿真人，事件触发员可以根据回采状况触 发特定事件如上隅角瓦斯超限、瓦斯浓度恢复、火灾事故、顶板事故 和瓦斯爆炸事故等。当触发特定事件后，采煤工作面作业场景、监测 /监控设备、采煤机、煤层、煤层顶板、刮板运输机、液压支架、端 头液压支架、单体液压支柱、绞接顶梁和仿真人要仿真事故发生的实 际过程；

所述违章数据库用于存储采煤工作面工人操作违章信息数据和 操作人员扣分成绩，当操作人员操作仿真人进行工作并发生违章时， 系统会从违章数据库中提取违章信息，给出提示信息，并根据违章的 类型及严重程度进行扣分，所扣分数存入操作人员扣分成绩中，当完 成整个回采工艺后，系统根据扣分成绩给出每名操作人员的成绩。

一种利用上述仿真系统进行协同式交互采煤作业仿真的方法，其 步骤如下：

首先，根据实际采煤作业人员人数确定操作人员数量，并根据采 煤作业工种分配通过局域网由角色登录进行系统登录，登录时选择事 件触发员角色或工种角色，登录系统后首先进行交接班，在交接班过 程中明确操作人员的具体工作任务，并由班长负责下达具体工作计 划，每名操作人员接收具体工作任务后，操作仿真人进入工作面工作 场景，到达工作面后各行其职；

采煤机、刮板运输机、破碎机、转载机、带式输送机由相关操作 人员通过鼠标和键盘指挥仿真人负责开启，设备启动后进行采煤作 业，系统根据违章数据库自动判别设备启动顺序，如果启动顺序不正 确，系统给出提示信息后可重新启动设备，并对相关操作人员进行扣 分，同时扣分成绩存入数据库中；

当采煤机启动割煤后，其他工种配合作业，各工种间配合的逻辑 关系存储于违章数据库中，系统能够根据违章数据库中的逻辑关系， 对操作人员进行打分，当完成一整班采煤作业后，系统给出各操作人 员成绩；

当触发事件后，系统根据事件类型对工作面作业场景和工作面设 备进行仿真，同时，操作人员控制仿真人对相关事件进行处理，系统 根据违章数据库中的相关数据对相关操作人员进行打分。

本发明操作简单，系统运行方式新颖，提高了煤矿工人技术培训 和高校采矿工程专业学生学习过程中的趣味性；克服了高危行业无法 进行实验的困难，例如采煤工作面瓦斯爆炸事故仿真模拟；降低了高 校实践教学环节的教学成本。

附图说明

图1为协同式交互采煤作业仿真系统模块构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限 于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发 明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明提供的协同式交互采煤作业仿真系统由采煤 工作面作业场景1、工作面设备2、角色登录3和违章数据库26组成。 其中，所述采煤工作面作业场景由巷道布置系统4、煤层顶板5、煤 层6、煤层底板7和采空区8组成；工作面设备由带式输送机9、转 载机10、破碎机11、采煤机12、刮板运输机13、液压支架14、端 头液压支架15、单体液压支柱16、绞接顶梁17、监测/监控设备18 等组成；角色登录由事件触发员19与工种20组成，事件触发员19 在系统中可以触发上隅角瓦斯超限21、瓦斯浓度恢复22、火灾事故 23、顶板事故24和瓦斯爆炸25。

由于系统内被控仿真人与登录操作人员一对一绑定，一名操作人 员只控制系统内一名仿真人，角色登录3主要完成登录人员的角色划 分，除一名事件触发员19外其他均为具体施工人员，例如采煤机司 机、转载机司机、移架工等。

工作面作业场景1主要仿真工人作业环境。工作面作业场景1要 与工作面设备2进行关联，当工作面设备2发出动作后，工作面作业 场景1要实时变化，例如当采煤机12割煤时，煤层6、煤层顶板5 和采空区8都要根据实际采煤时进行仿真。

工作面设备2主要仿真当被控仿真人接收操作人员指令后能够 完成的基本动作，例如采煤机司机仿真人接收到操作人员开启采煤机 12指令后，采煤机12可以进行割煤。当采煤机12进行割煤时，刮 板运输机13、破碎机11、转载机10和带式输送机9仿真设备的工作 过程；当移架工仿真人接收操作人员指令后，液压支架14和端头液 压支架15按照指令做出动作，当支柱工仿真人接收操作人员指令后 单体液压支柱16和绞接顶梁17按照指令做出动作。

事件触发员19可以根据回采状况触发特定事件上隅角瓦斯超限 21、瓦斯浓度恢复22、火灾事故23、顶板事故24和瓦斯爆炸事故 25。当触发特定事件后，工作面的监测/监控设备18、采煤机12、煤 层6、煤层顶板5、刮板运输机13、液压支架14、端头液压支架15、 单体液压支柱16、绞接顶梁17和仿真人要仿真事故发生的实际过程。

违章数据库26存储采煤工作面工人操作违章信息数据和操作人 员扣分成绩，当操作人员操作仿真人进行工作并发生违章时，系统会 从违章数据库中提取违章信息，给出提示信息，并根据违章的类型及 严重程度进行扣分，所扣分数存入操作人员扣分成绩中。当完成整个 回采工艺后，系统根据扣分成绩给出每名操作人员的成绩。

利用上述系统进行协同式交互采煤作业仿真的方法，其步骤如 下：

首先，通过局域网由角色登录3进行系统登录，登录时选择事件 触发员19角色或工种20角色，事件触发员只限一名登录人员，而工 种20登录人员数量则根据实际采煤作业人员设定。登录系统后首先 进行交接班，在交接班过程中明确操作人员的具体工作任务，并由班 长负责下达具体工作计划，每名操作人员接收具体工作任务后，操作 仿真人进入工作面工作场景1，到达工作面后各行其职。

采煤机12、刮板运输机13、破碎机11、转载机10、带式输送机 9由相关登录人员负责开启，设备启动后进行采煤作业，系统根据违 章数据库自动判别设备启动顺序，如果启动顺序不正确，系统给出提 示信息后可重新启动设备，并对相关操作人员进行扣分，同时扣分成 绩存入数据库中。

当采煤机12启动割煤后，其他工种配合作业，例如支架工负责 移工作面、刮板运输机13和端头液压支架15，支柱工则负责运输平 巷和回风平巷超前支护的单体液压支柱16和绞接顶梁17的支回工 作，各工种间配合的逻辑关系存储于违章数据库中，系统能够根据违 章数据库中的逻辑关系，对操作人员进行打分。当完成一整班采煤作 业后，系统给出各操作人员成绩。

事件触发员19可以触发上隅角瓦斯超限21、瓦斯浓度恢复22、 火灾事故23、顶板事故24和瓦斯爆炸25。当触发事件后，系统根据 事件类型对工作面作业场景1和工作面设备2进行仿真，例如触发火 灾事故后，采空区8有烟冒出，监测/监控设备18显示数据发生变化。 当事件触发后，操作人员控制系统仿真人对相关事件进行处理，系统 根据违章数据库中的相关数据对操作人员进行打分。

上述协同式交互采煤作业仿真系统在使用时通过局域网实现多 人协同交互操作。