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1、山西省基础研究计划山西省基础研究计划项项目目申申报报书书项 目 类 别: 自然科学基金 青年科技研究基金项 目 名 称: 三维数字化综采仿真平台项目申报单位： （盖章）项目组织单位： （盖章）申 请 人：填 报 日 期：山西省科学技术厅制1基本信息基本信息项目名称研究属性A 基础研究B 应用基础研究指南领域所属国家或省级重点学科名称所属国家或省级重点实验室名称学科 1代码 1 报审学科 学科 2代码 2项 目 基 本 信 息起止年限年 月- 年 月申请经费姓 名性 别民 族出生年月 年 月学 历学 位身份证号码毕业校名专 业毕业年份学术职务行政职务通讯地址曾在何国留学或进修技术职称现主要研究领
2、域联系电话手 机E-mail申请者信息申请者所在博士点或硕士点名称名 称单位属性通讯地址邮 编法人代表电话法 人 代 码联 系 人电话传真E-mail申报单位信息开户银行帐 号合作单位122摘要项目研究内容和意义简介（限 400 字内）是针对现代化煤矿开采建立起来的数字化仿真平台，适用于综采的生产作业仿真。为煤矿管理人 员提供了可靠的决策支持。实现了矿区布局展示、矿区内部地质构造展示、模拟矿井开采、开采过 程实时仿真、机械设备作业实时仿真、安全预警、危险源分析等功能。在山西整合煤矿大规模开工建设的推动下，煤炭行业固定资产投资增速将从 2010 年低点 20%回 升至 2011 年 25%以上，
3、拉动煤机设备行业超预期增长。机械化率提升空间很大。2015 年我国煤炭行业机械化率的目标为 75%，相比 2010 年将提升 20%，且不排除机械化率超预期的可能。十二五期间，煤炭机械化开采量 CAGR 达到 12.8%，远超 原煤产量 CAGR 的 5.8%，对煤机设备需求形成重要支撑。而在整个综合采煤过程中每个设备无法实时和准确的表达采煤现实场景，在以往的设计过程中， 绝大部分煤机设备都采用二维平面设计，这样容易使产品结构等信息表达有误，不能及时反映采煤 面实际采煤状态，同时，由于没有相关联的产品三维装配模型可供分析，给干涉分析及空间设计带 来困难。而后续所有的分析，动态仿真等方面都是以三
4、维实体模型为基础，另外还实现了动态交互 的设计的设计功能，实现煤机设备的三维可视化和虚拟现实进而提高对采煤设备和实际工况分析， 具有很大的实用性于必要性。关键词（用分号分开，最多 4 个）山西整合煤矿 虚拟现实 三维可视化3项目组主要成员项目组主要成员姓名出生年月性别学历学位职称学术 职务专业所在单位承担任务省级重点学科、重 点实验室名称曾在何国留 学或进修总人数正高副高中级初级博士后博士生硕士生4报告正文报告正文1.项目的立项依据（研究的科学意义，项目所面向的经济、社会和科学技术自身发展的需求， 发展关联程度，对解决行业应用需求的调研和预期贡献，国内外研究现状和发展趋势分析） (限 2000
5、 字内)研究的科学意义：要结合所报项目的核心内容，围绕研究背景、学术价值和应用前景进 行撰写；基础研究须结合科学研究发展趋势来论述科学意义，应用基础研究须结合国民经济 和社会发展中迫切需要解决的关键科学和技术问题来论述其应用前景。 国内外研究现状及分析 ：围绕主要研究内容和可能的突破点，论述国内外研究情况，依 次论证项目的创新或研究特色。十二五期间我国原煤产量可能超预期。山西整合煤矿批复产能达到 8.5 亿吨，全国大型煤 企在建和规划的产能达到 8 亿吨，两者将推动十二五我国原煤产量超预期，2015 年我国原煤 产量可能达到 45 亿吨。山西整合煤矿开工建设拉动煤炭行业固定资产投资拐点回升。山
6、西省内规定整合煤矿 50% 于 2010 年底前动工建设，100%于 2011 年中前动工建设。山西需求将拉动 2011 年煤炭行业 固定资产投资拐点回升，我们预期 2011 年煤炭行业固定资产投资增长 25%以上，增速同比 提升 5 个百分点以上。根据我们对山西整合煤矿产能和大矿在建、规划产能的预期，我们认为 2011-2015年，每年分别有 2.5亿吨、 2亿吨、 3亿吨、 3亿吨和 1.5亿吨原煤产量增长， 2015年原煤产量达到 45亿吨，超过市场预期的 40亿吨，对煤机需求提供有力支撑。我国煤炭开采机械化率还有很大提升空间。机械化开采既可以提高回采率，提升煤矿生产效率，也可以降低煤矿
7、安全隐患。根据煤炭工业发展“十二五”规划（征求意见稿），至 2015年我国煤炭开采机械化率将至少达到 75%，不排除有进一步超预期的可能性。我们假设 2011-2015年煤炭开采机械化率逐年递增，分别为 59.5%、 62.5%、67%、72%和 75%。煤炭行业固定资产投资中，改扩建的占比一直在 60%左右浮动，我们判断煤机设备需求中更新需求也会超越新建需求，占到 50%以上的份额。更新需求是煤机设备需求中非常重要的组成部分。据调研了解，煤机设备的使用年限在 5年左右，随着开采地质条件越来越复杂，对煤机设备的要求越来越高，使用年限也越来越短。广义上的煤机，按照煤矿开采的顺序，主要分为勘探设备
8、、综合采掘设备、提升设备、洗选设备、煤炭安全设备和其他设备，以及露天矿设备等。而狭义上的煤机则是指煤炭综合采掘设备，5包括掘进机、采煤机、刮板输送机及液压支架，合称“三机一架”。本计划中主要涉及的是煤炭综合采掘设备。成套化和服务化是煤机未来的发展方向。而现在在现有的成套煤机综采装备制造能力基础上，将加大系统整合力度，力求从综采设备提供商向系统服务提供商和开采方案提供商转型。而国际国内的主要的煤机设备制造厂商都是单一设备，而不是成套设备，所以对于综采成套化的三维建模和虚拟现实非常有必要，这样有助于提高采煤的效率，安全等各方面，山西作为一个煤机用量最大的省份，有必要综合各单一设备制造厂商，建立一个
9、三维虚拟现实的实验室。在基础研究方面也比较薄弱，适合我国煤矿地质条件的综采成套没有建立，没有完整的设计理论依据，没有可以供分析和验证的数字化虚拟样机作为支撑，计算机动态仿真等方面还处于空白；在元部件可靠性、控制技术、在截割方式、除尘系统、运输单元、高端支架一体化综采等核心技术方面有较大差距。在以往的综采设备的设计过程中，绝大部分都采用二维平面设计，为了赶工期，设计人员往往直接在老图纸上刮去尺寸和线条，手工画上线条，填写新尺寸，这样容易使产品结构等信息表达有误，引起设计部门与制造工艺部门不必要的信息反复，同时，由于没有相关联的产品三维装配模型可供分析，给干涉分析及空间设计带来困难。而后续所有的分
10、析，动态仿真等方面都是以三维实体模型为基础，使整个设计过程都是针对实体特征模型进行，摆脱了二维设计中的局限性。另外还实现了动态交互的设计的设计功能，随时改变控制参数来满足自己的要求，具有很大的实用性于必要性。6实现综采设备成套的数字化产品开发实现综采设备成套的运动仿真、动态干涉检查、关键设备有限元分析以及优化实现综采设备成套的零部件模块化、标准化、系列化，为后续形成综采设备配套标准形成理论依据建立虚拟的数字化采煤场景，在不下井的状态也可以实际模拟采煤的整个设备运行项目研究的主要内容是煤炭综合采掘设备（简称综采设备）的三维建模和虚拟现实。同时结合国际国内单一的设备提供商整合掘进机、采煤机、刮板输
11、送机及液压支架。同时根据三维虚拟现实特点研究“三机一架”中各个单独供应商之间的最佳搭配，为综采高效安全提供更好的理论依据，实现完整的综采数字化样机。为顺利完成项目研究任务，项目承担单位主要进行了前期技术准备工作，对项目的可行性进行了调研，在认真研究调研国内外三维建模和虚拟现实经验的的基础上，结合综采设备厂家和煤矿实际情况进行设计，使整个项目更加科学合理，结合本单位实际情况，确立了适当的研究路线，提出了总体设计思路，并成功的付诸实施。到目前为止，本项目已完成“三机一架”资料收集以及虚拟现实论证工作。7附主要参考文献目录: (限 700 字内)（国内外最有代表性、权威性、时效性的论文或者著作 资料
12、，注意参考文献的格式应规范）术语和缩写 PLM： 产品生命周期管理：Product Lifecycle Management 的缩写。管理跨产品整个生命周 期所有数据的过程。扩展了产品数据管理(PDM)的概念，能管理产品配置和产品数据 如何应用于后续的生命周期阶段：生产、运营、支持、回收，以及管理与产品相关的 过程数据。ARC Advisory Group 定义了 PLM 的六个组件：innovation and portfolio management、项目和 Program 管理、 协同设计、产品数据管理、制造流程规划、 服务和支持管理。 CATIA： 法国达索系统公司的 CAD 解决方案
13、。 Pro/E： 美国参数技术公司的 CAD 解决方案。 DELMIA： 达索系统公司的数字虚拟现实解决方案。 Division： 美国参数技术公司的数字虚拟现实解决方案。 CAD： 计算机辅助设计：Computer Aided Design 的缩写。 DMU： 数字样机：Digital Mock Up 的缩写（也称电子样机） ，以电子形式表达完整产品的实 体建模能力。能在三维环境中为设计人员提供相互交流的参考数据。能用于检查部件 的干涉或冲突问题，减少制造物理模型，从而减少开发时间和成本。 BOM： Bill Of Material 的缩写，用于表示高层组件、装配、产品或系统的一个层次化的，
14、子 装配、组件或物料的清单。2.项目的研究内容、研究目标、以及拟解决的关键问题:（详细阐述围绕地方或行业需求所要 解决的关键科学问题的内涵。主要研究内容要围绕关键科学问题，系统、有机地形成一个整 体来详细阐述，重点要突出，避免分散或拼盘现象。 ）(限 1000 字内)8研究内容：应突出重点，工作量要适度，要保证资助的经费基本够用，计划时间内可以完成 目标。研究目标：应是有所创新的理论、重要结论。拟解决的关键问题：是相对难以解决的关键问题，是项目的真正难点所在，要仔细分析其理 由并给出解决问题的措施。基于MBD技术的数字化制造是以三维模型的数字化定义为应用依据，实现设计/制造过程的数据共享与集成
15、，全面实施设计/制造的并行工程；建立数字化体系，采用三维设计及装配过程仿真，实现关键工装和零部件的三维数字化设计/制造；全面实现综采成套设备和单一设备制造厂制造数据共享、集成和管理；综采成套设备三维设计：建立三维数字化设计系统，全面实现设计的数字化，建立工艺资源库和专家知识库，形成快速工艺设计能力。特殊零部件设计制造：应用先进的复合材料设计、制造、分析专用软件，根据综采成套设备设计技术要求，实现成型过程、铺叠、厚度预知、性能预测、缺陷预知等工艺过程的仿真；进行复材零件和复材部件的数字化预装配和装配过程的仿真。 综采成套设备三维虚拟装配：应用先进的装配仿真软件，建立装配工艺设计验证仿真系统，实现
16、装配过程仿真和工艺设计验证，并实现与PDM的集成。应用虚拟现实系统，建立装配现场数字化可视系统，取代现行的二维产品图纸和抽象文字性工艺文件，使得工人方便直观地进行装配作业。利用三维数字化产品定义，建立虚拟的产品维护培训和工程技术支援数字化产品支援与服务系统提供对矿井操作员、 维护人员、 管理人员等方面人员的在线培训支持。性能工程师培训课程包括操作， 工作原理等方面。建立基于协同工作平台的综采成套设备在线技术出版物管理系统，包括：维护大纲、培训资料、技术资料、维护手册、故障隔离手册、零件图解目录、维护提示、服役中活动报告、服务信件以及临时修改等完备的技术资料。从综采业务应用角度，本项目的实施目标为： 建立虚拟和仿真验证的环境、实现基于三维的产品数字化虚拟制造和验证；全三维的虚拟仿真；实现设计、制造并行。减少协调时间、提高设计速度、减少错误和更改；实现面向制造的设计；实现面向维护的设计；
