充填液壓支架三維場景監測系統設計

趙昊， 史艷楠， 張沖沖

(1.河北工程大學 機械與裝備工程學院， 河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭生態保護開采產業技術研究院， 河北 邯鄲 056038)

0 引言

充填開采是一種主動保護生態環境的采煤方法，對保護水資源、消滅煤礦廢棄物、保障煤礦安全生產發揮著積極作用。充填采煤工藝不僅要求采煤與充填同步進行，而且需要群充填液壓支架協同工作。針對充填開采技術的特殊性，對設備運行質量與空間姿態進行實時監測是保障充填采煤效率的前提。充填液壓支架是充填開采技術實施過程中保護人身、設備安全和保證充填效率的核心設備，其正常工作與否對煤礦安全生產有著直接影響。因此，如何直觀、可靠、實時地對充填設備的工作狀況進行監測是保障充填開采效率的一項重要研究課題。

目前，國內外學者對煤礦充填設備的安全監測進行了大量研究[1-3]。文獻[4]對組網技術進行改進，通過Modbus 協議和iFIX軟件搭建了井下工作面監測系統，系統運行可靠、實時性強，并且能夠實現遠距離通信。文獻[5]設計了液壓支架空間姿態的虛擬監測系統，實現了虛擬同步和實時在線監控功能。文獻[6]將遠程監控方法與液壓支架的安全監測相結合，實現對其工作參數、運行質量以及事故信息的遠程監控。文獻[7]基于ZigBee無線傳感網絡技術，設計了一種井下液壓支架壓力監測系統，該系統通過無線傳輸方式，提高了數據傳輸的靈活性，采用日報表的形式對井下液壓支架的前柱、后柱和前梁的壓力值進行顯示，運行性能較穩定，對煤礦安全隱患的消除效果顯著。由上述文獻可知，井下液壓支架的監測技術取得了很大進步，但仍然采用以二維監測為主的傳統監測方式，通過特定二維畫面與單一監測數據來描述設備的單一動作特征，監測界面無法實現立體化，不能夠形象地表現出設備實際的空間位置，存在可靠性低、直觀性差、監測維數低、監測方法單一的問題，已無法滿足目前充填開采作業需求，尤其是針對充填液壓支架的監測系統研究還較少。隨著充填開采技術的不斷發展、充填工藝的不斷完善，充填液壓支架在井下的應用比重逐漸增大，充填液壓支架的各部件運動和群支架協同運動的準確性對井下充填采煤效率影響很大，而二維平面運動已無法描述充填液壓支架的復雜動作，需要將監測界面上升到三維空間，從不同位置、不同角度監測充填液壓支架的工作狀況，從而提高礦井安全系數。

針對以上問題，為進一步提高充填采煤的工作效率，本文設計了一種充填液壓支架三維監測系統，將三維引擎技術與數據監測技術相結合，實現了數據向三維虛擬狀態的轉換，可準確直觀地監控充填采煤工作面的運行狀態及監測數據的變化規律，實時監測充填工作面的工作狀況，提高充填工作面設備的運行質量，解決了部件干涉問題，為今后充填開采的自動化發展奠定了基礎。

1 監測系統總體設計

充填液壓支架三維場景監測系統主要由三維虛擬仿真軟件、數據采集模塊和數據通信模塊構成，如圖1所示。

圖1 充填液壓支架三維場景監測系統總體結構Fig.1 Overall structure of three-dimensional scene monitoring system for filling hydraulic support

三維虛擬仿真軟件基于Unity3d，用于建立系統監測界面，通過計算機顯示充填液壓支架的頂板壓力值、各銷軸之間的角度偏移量及液壓缸的位移量等監測數據的動態變化，實現對充填液壓支架的三維實時監測。數據采集模塊以STM32F107為控制核心，利用傳感器采集數據，并對傳感器采集的數據進行處理。數據通信模塊用于實現數據采集模塊和三維虛擬仿真軟件之間的通信，采用RS232通信協議，將數據采集模塊中的監測數據傳輸給三維虛擬監測軟件，通過界面顯示監測數據的變化情況，以判斷充填液壓支架的工作狀況。

三維虛擬仿真軟件是監測系統的核心，通過監測界面的三維動態顯示和監測數據的實時波動情況，將井下工作環境完整地顯示到監測系統中，操作人員通過監測界面能夠實時掌握井下設備的工作狀況，當充填液壓支架的某一個監測數值超出預期值時，操作人員能夠及時做出相應處理。充填液壓支架三維場景監測系統構建流程如圖2所示。井上監測界面可分為實體場景監測界面和數據監測界面2個部分。實體場景監測界面采用3ds Max建模軟件建立充填工作面設備三維實體模型及三維場景模型，并對三維模型進行優化處理和渲染處理，實現與實際充填工作面空間動作完全一致的場景驅動。數據監測界面通過數據采集模塊采集、分析與處理充填工作面的工作狀態信息，通過數據通信模塊將信息傳輸到三維虛擬監測軟件，實現監測數據與軟件相匹配。

圖2 充填液壓支架三維場景監測系統構建流程Fig.2 Construction process of three-dimensional scene monitoring system for filling hydraulic support

2 系統硬件設計

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊負責采集充填液壓支架的壓力值、位移量、角度偏移量等工作參數，硬件主要由傳感器接口、光耦隔離模塊及串口通信模塊等組成，如圖3所示。采用STM32F107作為控制核心，STM32F107具有運行穩定、端口豐富、功耗低、可靠性高等優點，可以實現串口通信、網絡通信、無線通信、遠程操控等功能。傳感器接口處連有壓力傳感器、行程傳感器、位移傳感器、角度傳感器及紅外傳感器等。光耦隔離模塊用于防止多個模擬信號的輸入相互干擾和減小數據失真。通過串口通信實現數據采集模塊與三維虛擬仿真軟件的連接。

圖3 數據采集模塊硬件結構Fig.3 Hardware structure of data acquisition module

2.2 傳感器布置

針對三維場景監測系統所需要的監測數據，在充填液壓支架安裝相應的傳感器來采集壓力值、角度值及位移量等數據信號。充填液壓支架傳感器布置如圖4所示。

圖4 充填液壓支架傳感器布置Fig.4 Sensors arrangement of filling hydraulic supports

在充填液壓支架支護過程中，在頂梁、掩護梁、護幫板處布置壓力傳感器，采集液壓支架的壓力值，用于判斷頂板的支護狀態。在頂梁、掩護梁、前連桿、后連桿、底座處布置角度傳感器，用于檢測各銷軸的傾角大小、部件之間的相對位置關系，防止發生碰撞。在護幫板和伸縮梁處布置接近傳感器，用于判斷伸縮到位后護幫板和伸縮梁的位置關系，防止發生碰撞。在推移油缸處布置行程傳感器，用于判斷支架推移狀態。在充填液壓支架與采煤機之間布置紅外傳感器，用于確定各支架動作和采煤機位置。

在充填液壓支架充填過程中，將壓力傳感器安裝在充填液壓支架的夯實油缸上，用于檢測推壓密實力，通過支架控制器設置壓力參數，以保證充填效果。將行程傳感器安裝在夯實千斤頂上，用于檢測推壓密實機構的最大推移行程，保證充填機構的正常工作。將角度傳感器安裝在夯實千斤頂和后頂梁上，用于檢測推壓密實機構空間姿態及其與后頂梁之間的相對位置關系，防止推壓密實機構與支架后梁和在后梁上吊掛的矸石輸送機發生碰撞[8]。

2.3 數據通信模塊

數據通信模塊負責將數據采集模塊處理后的實時數據通過數據總線傳送到三維虛擬仿真軟件，以實現三維模型的實時監測。首先，傳感器對支架進行實時數據采集，并通過數據總線將數據發送到數據采集模塊；然后，通過光耦隔離模塊進行分析處理；最后，將處理過的數據由數據通信模塊發送至三維虛擬仿真軟件中，根據RS232通信協議進行解析，將數據結果反饋到三維模型，實現充填液壓支架的動態響應。

三維虛擬仿真軟件與STM32F107控制板的數據通信通過Unity3d軟件中的System.IO.Ports函數實現。首先，將串口初始化，并在Serial Port通道中設置與STM32F107控制板一致的各種串口參數，在Receive Data通道中，使用Read函數來讀取由控制板發出的數據，以數據幀的起始位來讀取1幀數據的信息，并且由數據處理函數Deal Data對數據進行整合與處理；然后，在三維虛擬仿真軟件中調用Deal Data函數，并且執行場景切換、狀態切換、危險告警等相應動作；最后,在退出系統時，運用Close函數關閉串口，防止再次開機時出現串口無法正常打開的錯誤，從而影響系統的正常運行。

3 系統軟件設計

3.1 三維模型的建立與優化

井下工作環境較為復雜，充填開采工藝流程需要通過一套完整的監測系統來保證其穩定性。將充填液壓支架實際工作環境形象、直觀地展現在監測系統界面中，操作人員通過井上主控計算機就可掌握井下設備的位置信息和工作狀況。本文采用實體建模的形式來模擬井下工作環境，將實體模型分為充填設備模塊和三維場景模塊2個部分。其中充填設備模塊主要包括充填液壓支架(組)、采煤機、刮板輸送機等，三維場景模塊主要包括井下巷道與煤壁。本文利用3ds Max建模軟件對這2個部分建立三維模型。

充填設備模型的建立采用最常用的基本建模方法，包括基礎建模、幾何建模、多邊形建模、面片建模等，對充填設備各部件逐個進行建模，并將其整合成整體充填工作面模型[11]。模型建立后，還需要對建立好的模型以位圖貼圖的方式覆蓋在充填工作面實體表面，即采用二維紋理照片映射到三維實體表面的方法來描述模型的細節，使三維模型具有更強的真實感[12]。

井下巷道結構較為規則，并且是沿著特定軌跡線延伸，根據這一特點，采用放樣變形建模技術[9]對巷道進行建模，根據實際巷道結構確定模型的軌跡線和輪廓線，將截面圖形引入到軌跡線中，并沿軌跡線展開，最終形成井下巷道的三維模型。該方法能夠使建模變得較為簡單，巷道的細節較為逼真。煤壁模型的建立采用紋理映射技術[10],將實際的煤壁紋理效果映射到充填工作面煤壁模型中，使煤壁的紋理更貼合實際。

由于該監測系統中的模型復雜、數量較多，為了提高監測系統運行的流暢性與可靠性，需要盡量減少三維模型中面的個數，所以，模型應盡量減少布爾操作命令的使用，避免運算錯誤。三維模型建完之后需對其進行優化處理，尤其需對充填液壓支架、采煤機、刮板輸送機等“三機”連接處進行模型優化，刪除不可見的面和重疊的面，防止面與面之間相互干涉，影響系統的流暢性。還需要對模型整體進行優化，二維紋理貼圖是關鍵所在，可使模型表面更加平滑，并且使系統具有更強的立體感[13]。充填工作面的三維模型如圖5所示。

圖5 充填工作面的三維模型Fig.5 Three-dimensional model of filling working face

3.2 三維虛擬仿真軟件的功能實現

三維引擎技術是對實物動作的一種抽象表現，通過數據調用等方式對物體動作進行提取，達到實際動作與虛擬數據同步的目的。三維引擎技術相較于一般平面技術，具有功能模塊化、實時互動性和精度較高等優點。本文將3ds Max中的模型文件導出為.FBX格式，然后導入Unity3d軟件的三維環境中對虛擬場景進行二次開發[14]。充填液壓支架是充填采煤過程中的核心設備，相較于普通液壓支架，充填液壓支架底座安裝了推壓密實機構，在整個充填開采中主要負責巷道的整體支護與充填作業2個核心動作。因此，充填液壓支架的正常、穩定運行是保證充填采煤安全的關鍵。本文以ZC6000/18/38型充填液壓支架為研究對象，根據實際充填液壓支架技術參數要求,通過C#程序實現充填采煤動作，包括推壓密實機構的旋轉運動、護幫板升降運動及充填液壓支架的升降、移架、落料等動作，從而達到監測數據與虛擬模型聯動的目的。首先，在Unity3d軟件中依次對充填液壓支架相關零部件創建父子關系；然后，在Hierarchy視圖中賦予物體之間的層級關系；最后，建立C#腳本，并以底座為基準建立實體對象，將整個系統部件相互關聯，完成充填液壓支架相應動作。

3.2.1 推壓密實機構旋轉動作實現

將底座作為整個運動過程的基準部件，根據ZZC8800/20/38型充填液壓支架的技術要求，對連接處的角度進行設置。在保證充填液壓支架底座與其他所有部件的相對空間位置不變的情況下，通過Unity3d中特有的局部坐標系對充填液壓支架的空間運動展開分析。推壓密實機構的運動狀態可通過local Position函數進行程序編寫，在程序中加入Quaternion四元數命令來控制油缸的旋轉角度，其中，Quaternion函數的旋轉角度a的具體數值根據實際角度傳感器采集的角度信息進行確定，從而實現推壓密實機構的充填與旋轉動作，實現代碼如下：

public Transform Di Zuo;

public Transform Tiao Gao You Gang;

public Transform Tui Ya Mi Shi Ji Gou Shen Chang;

Di Zuo Lian Gan=game Object. transform.Get Child(2). transform;

Tiao Gao You Gang=Di Zuo Lian Gan.transform. Get Child(0).transform;

Tui Ya Mi Shi Ji Gou. local Position=new Vector3(2.0f, 4.0f-Tui Ya Mi Shi Ji Gou Chang, 0f);

Quaternion=(xi+yj+zk+w)=(x,y,z,w);

Q=cos (a/2)+i(xsin(a/2))+j(ysin(a/2))+k(zsin(a/2))

其中：i，j，k為3個坐標軸，i為橫向位移，j為縱向位移，k為豎向位移；x，y，z為3個軸的旋轉量；w為推壓密實機構的橫向偏移量；Q為函數Quatenion的角度旋轉量。

3.2.2 護幫板升降運動實現

護幫板的升降以銷軸的旋轉形式來控制，可通過local Rotation函數實現：

Hu Bang Ban. local Rotation = new Quaternion(0, 0, Mathf.Sin(Hu Bang Ban Jiao Du*Mathf.PI / 360), Mathf.Cos(Hu Bang Ban Jiao Du*Mathf.PI / 360);

Quaternion=(xi+yj+zk+w)=(x,y,z,w);

Q=cos(a/2)+i(xsin(a/2))+j(ysin(a/2))+k(zsin(a/2))

3.2.3 升柱、降柱、夯實、移架、落料等直線動作的實現

在整個充填采煤過程中，充填液壓支架的動作主要由支架的升降、移架、落料過程和推壓密實機構的夯實過程4個部分組成，可通過有限狀態機 (Finite State Machine，FSM)進行C#程序編寫[15]，將充填采煤過程劃分成多個狀態，這些狀態可以在耦合度很低的狀態下切換，以滿足充填過程的實際動作要求。在狀態切換模式中，通過循環語句來實現采煤機位置的變化及移架、落料、充填等幾個不同的空間狀態的切換。根據ZZC8800/20/38型充填液壓支架技術參數[16]，設推移伸長量為182 mm，循環進尺為8.72 mm，推壓密實機構的夯實角范圍為22～42°，建立C#程序，具體代碼如下：

private FSM fsm_=new FSM();

public View_view=null;

public enum StateType:byte

Rise;Decline;Blank;Filling;Advance;

{

If(Tui Ya Mi Shi Ji Gou Shen Chang<182)

循環語句

Tui Ya Mi Shi Ji Gou Shen Chang+=8.72

}

Tui Ya Mi Shi Ji Gou.local Rotation=new Quaternion(0, 0, Mathf.Sin((22-42) *Mathf.PI / 360), Mathf.Cos((22-42 )* Mathf.PI / 360);

void EnterState();

void StateUpdate(float deltaTime);

void StateLateUpdate(float deltaTime)

3.2.4 充填液壓支架三維場景實現

充填液壓支架三維場景可分為三維景象和三維空間運動2個部分。從充填工作面現場實際工作狀況出發，通過分布在場景不同位置的特定相機對不同方位、不同地點的充填液壓支架的空間姿態進行實時監測，從而實現整個工作面三維景象設定。三維空間運動是群充填液壓支架完成的升柱、護幫板支護、落料、降柱、充填、移架等充填采煤動作的總稱。通過Unity3d軟件的相互感應技術避免群充填液壓支架動作不一致的問題。在移架過程中，后一架充填液壓支架需感知前一架充填液壓支架是否移架完成，若完成再開始下一支架動作，保證充填液壓支架在充填采煤過程中的運行質量。部分代碼如下：

If ((ZhiJiaWeiZhi-cmj.transform.position>2*Dzj) &&(GameObject.Find(NextID(YyzzID)).GetComponent ().State==5)&&(ZhiJia==false))

{State=2;ZhiJia=true;}

其中Dzj為有限狀態機的動作模式個數。

3.2.5 三維場景切換與數據監測功能實現

三維場景切換是監測系統的重要功能，為了增強系統的直觀性與可靠性，需要對不同場景中充填液壓支架的運行狀況進行監測。在充填工作面的特定位置設置相機，通過C#腳本對不同相機進行調用，實現特定場景的切換功能。同時，傳感器采集的數據通過數據通信模塊將數據儲存在Unity3d軟件的本地數據庫中，通過系統調用顯示在界面相應位置，實現了監測數據與虛擬軟件同步。部分代碼如下：

Void OnGUI()

{

if(GUI.Button(area, “場景切換”))

if((GUI.Button(area, “全場景”))

Camera1.play();

if((GUI.Button(area, “內部場景”))

Camera2.play();

if((GUI.Button(area, “設備場景”))

Camera3.play();

if((GUI.Button(area, “壓力值”))

private SqliteData1Reader dbReader；

if((GUI.Button(area, “位移”))

private SqliteData2Reader dbReader；

if((GUI.Button(area, “角度”))

private SqliteData3Reader dbReader；

}

4 系統應用效果

為了驗證充填液壓支架三維場景監測系統的可靠性，將其應用到河北冀中能源邢東礦。由于邢東礦煤炭大多埋藏在村莊下，考慮到村莊地勢復雜、遷移費用較高、遷移周期較長的問題及綠色開采理念和安全采煤的需求，邢東礦區采用巷道矸石充填開采方法。實體場景監測界面是以三維實體模型來模擬煤礦中實際的充填設備和工作場景，將傳感器布置在充填液壓支架的相應位置上進行數據采集，通過監測數據界面反映充填液壓支架安全數據的變化情況。系統監測效果如圖6所示。

圖6 系統監測效果Fig.6 System monitoring effect

圖6展現了充填工作面的關鍵設備和采煤場景，系統運行過程與監測數據同步顯示在監測界面上，用戶可以查詢歷史數據、參數設置，還可以進行場景切換、狀態切換、告警記錄等操作。監測界面通過3個控制按鈕控制充填液壓支架在不同時刻輸出相應的頂板壓力值、液壓缸位移量及各銷軸之間的角度偏移量，并且繪制出相應的折線圖。在充填液壓支架的升降、移架過程中數值也會發生變化，通過相機可以對充填液壓支架的不同位置進行監測，并可根據圖形的變化趨勢及設定的參數來判斷充填液壓支架的支護狀況。通過該系統能夠多角度觀測充填工作面設備的空間姿態，實際模擬充填過程和支護動作。同時，用戶點擊“參數設置”按鈕可切換到充填液壓支架的GUI顯示界面，可直觀地觀測具體安全參數的監測數據，判斷數據的危險程度，及時做出相應的處理。

在整個充填開采過程中，對支護信息進行監測也是一個重要環節，將數據與三維場景相結合，能夠滿足充填開采需求。邢東礦充填液壓支架的三維監測效果與GUI界面顯示如圖7所示，通過場景切換功能可以從不同空間、不同角度監測工作面內各設備的空間姿態和運行狀況，實現三維立體化監測。同時，GUI界面對充填液壓支架的支護狀況信息進行顯示。對于出現的危險信息，用戶可及時提出解決方案，保證充填采煤過程的安全和穩定性。

圖7 三維監測效果與GUI界面顯示Fig.7 Three-dimensional monitoring effect and GUI interface display

5 結論

(1) 根據充填液壓支架實際工作需求，利用三維引擎技術設計了充填液壓支架三維場景監測系統。該系統用多組傳感器進行數據采集，通過STM32F107控制板進行數據接收與數據通信，采用Unity3d虛擬仿真軟件對監測界面進行開發，將實時監測數據與三維虛擬仿真軟件相結合，實現了實際工作場景與三維監測界面動作的同步，保證了監測數據的準確性，解決了監測數據單一、監測效果不佳以及可靠性低等問題。

(2) 充填液壓支架三維場景監測系統實現了實時動態監測、場景切換、參數設置、告警記錄等功能，能夠將充填液壓支架工作場景、運行狀況、工作數據顯示在系統界面上，全方面描述支架充填采煤過程的復雜動作特征，具有較好的真實感，對提高礦井安全系數、降低事故發生率、保證充填設備運行穩定性有著重要作用。