本书面向煤矿综采装备，采用以虚拟现实、增强现实、混合现实为代表的扩展现实技术，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，并将这一模式划分为四个阶段，针对各阶段的特点分别以数字化智能产品服务系统、测试与评估系统、闭环协同运行系统和工业元宇宙系统进行实践，重点叙述各系统的关键技术、设计要点和工业应用。本书可为工业场景和装备的虚拟设计、数字李生、信息物理系统、智能控制技术在工程领域的融合应用提供依据和参考，可供从事机械现代设计、虚拟仿真技术研究、人机交互装备研发的科研和工程技术人员，以及高等院校相关专业的研究生和高年级本科生使用和参考。

“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
3.2MSPSS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
3.2.4MSPSS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
4.2MTES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
5.2MHCPS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
5.3.2VR系统设计关键技术101
5.3.3AR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
6.2MIMS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
6.3MIMS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
6.4.1XR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
6.5.3AR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