為解決傳統(tǒng)煤礦集成供液系統(tǒng)可視化巡檢模式存在的交互維度單一、協(xié)同能力不足及智能運維缺口等問題，基于數(shù)字孿生、多終端協(xié)同交互與智能決策技術(shù)，研發(fā)了集成供液XR平臺，構(gòu)建了涵蓋硬件層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、軟件層和交互層的架構(gòu)，采用AR互動平臺三維軟件開發(fā)工具包、增強現(xiàn)實實時傳輸與渲染、定位與環(huán)境感知等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了解決方案配置、AR供液系統(tǒng)沉浸式巡檢、集成供液系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)件解析等創(chuàng)新功能。應(yīng)用驗證表明，平臺在沉浸式營銷體驗、集成供液成套裝備AR巡檢及操作維保培訓(xùn)等方面效果顯著，提升了系統(tǒng)可視化和交互體驗，滿足了復(fù)雜環(huán)境下設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與分析需求，為煤礦智能化運維提供了有力技術(shù)工具。

文章來源：《智能礦山》2025年第9期“學(xué)術(shù)園地”欄目

作者簡介：郭新偉，現(xiàn)任北京天瑪智控科技股份有限公司山西分公司副總經(jīng)理，主要從事煤礦機電一體化的相關(guān)研究工作。E-mail： guoxw@tdmarco.com

作者單位：北京天瑪智控科技股份有限公司

引用格式：郭新偉.基于多端融合技術(shù)的集成供液 XR 平臺研發(fā)與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(9)：66-71.

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在煤礦智能化建設(shè)中，集成供液系統(tǒng)作為液壓支架的核心動力單元，高效運維對保障采煤工作面連續(xù)生產(chǎn)至關(guān)重要?；谌S可視化技術(shù)的采煤工作面集成供液系統(tǒng)數(shù)字化平臺（簡稱集成供液三維平臺）通過構(gòu)建系統(tǒng)級三維模型與仿真環(huán)境，實現(xiàn)供液方案的流量計算、設(shè)備配置、動態(tài)仿真及數(shù)據(jù)可視化等功能，為煤礦液壓系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化與運維管理提供了數(shù)字化工具。 隨著煤礦智能化向少人化、協(xié)同化、沉浸式方向發(fā)展，傳統(tǒng)單一終端的可視化巡檢模式暴露出以下3個方面的局限性。

（1）交互維度單一：現(xiàn)有平臺僅支持桌面端三維展示，缺乏移動端（AR/VR）的多模態(tài)交互能力，難以滿足井下現(xiàn)場巡檢與遠(yuǎn)程專家協(xié)同的需求。

（2）協(xié)同能力不足：液壓系統(tǒng)故障診斷與運維決策依賴跨部門、跨角色的實時數(shù)據(jù)共享與協(xié)作，當(dāng)前平臺未實現(xiàn)多終端（PC/移動端/XR設(shè)備）的數(shù)據(jù)融合與指令同步。

（3）智能運維缺口：現(xiàn)有系統(tǒng)以靜態(tài)數(shù)據(jù)展示為主，未結(jié)合擴展現(xiàn)實（XR）技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測、故障沉浸式標(biāo)注等高級功能。

為此，筆者提出了基于多端融合技術(shù)的集成供液XR平臺，通過整合數(shù)字孿生、多終端協(xié)同交互與智能決策技術(shù)，構(gòu)建覆蓋云端管理-移動巡檢-沉浸式運維的全鏈條解決方案。

XR是數(shù)字孿生和信息物理系統(tǒng)CPS重要的智能技術(shù)，智能化綜采工作面工業(yè)系統(tǒng)的XR平臺，提供3D全景顯示、可靠性高、時效性強、畫面清晰細(xì)膩，形成了智能化工作面數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)和工作運行模式，體現(xiàn)了XR技術(shù)作為人機接口重要的優(yōu)點和特性，為采礦人員提供虛擬高效的人機協(xié)同作業(yè)的平臺。

集成供液XR平臺架構(gòu)

集成平臺結(jié)合VR、AR、交互式投影和動態(tài)模擬技術(shù)，通過聲音、光影和震動等效果，真實模擬煤機工作環(huán)境和運行狀態(tài)。將數(shù)字信息與物理空間相疊加，為用戶提供全新的、沉浸式的體驗方式。用戶可親自操控煤機部分功能，創(chuàng)造出立體投影等視覺效果，真實感受煤礦現(xiàn)場集成供液系統(tǒng)應(yīng)用情況。

AR穿戴設(shè)備和AR控制臺結(jié)合，用戶可即時獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，觀察管路、感知液路流向，通過手勢選擇工作站并了解設(shè)備結(jié)構(gòu)。360°漸進(jìn)環(huán)繞觀察方式，用戶可全景觀察控制泵站、切換不同設(shè)備，為用戶提供更便捷、深入的工作體驗，XR平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 XR平臺架構(gòu)

XR展示平臺創(chuàng)新功能設(shè)計

2.1 解決方案配置功能

設(shè)計構(gòu)建集成供液系統(tǒng)數(shù)字化平臺，提供輕量化三維數(shù)字模型，集成供液方案配置算法，自定義配置解決方案功能，以及三維可視化技術(shù)方案生成等特性，建設(shè)集成供液系統(tǒng)資源庫，支持用戶權(quán)限區(qū)分，并設(shè)計多端適配的用戶界面與操作系統(tǒng)，以提高設(shè)計效率、滿足客戶需求、優(yōu)化市場策略和提升產(chǎn)品宣傳效果，XR平臺功能體系如圖2所示，XR平臺產(chǎn)品外觀設(shè)計如圖3所示。

圖2 XR平臺功能體系

圖3 XR平臺產(chǎn)品外觀設(shè)計

2.2 AR供液系統(tǒng)沉浸式巡檢

集成供液系統(tǒng)的應(yīng)用，通過沉浸式表現(xiàn)形式，漸進(jìn)加載，做供液系統(tǒng)元素的引入，依次為巷道場景、工作站、各工作站之間的管路連接，在整體方案呈現(xiàn)后進(jìn)行深度觀察，通過透視功能了解管路，同時監(jiān)測管路中液路流向的動態(tài)效果，AR供液系統(tǒng)沉浸式巡檢功能結(jié)構(gòu)如圖4所示，AR控制臺交互操作界面示意如圖5所示，AR控制臺虛擬展示界面示意如圖6所示。

圖4 AR供液系統(tǒng)沉浸式巡檢功能結(jié)構(gòu)

圖5 AR控制臺交互操作界面示意

圖6 AR控制臺虛擬展示界面示意

2.3 集成供液系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)件解析

集成供液系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)件解析主要包括6個方面，構(gòu)件解析功能結(jié)構(gòu)如圖7所示，設(shè)備構(gòu)件解析功能AR效果如圖8所示，設(shè)備構(gòu)件解析功能AR效果如圖9所示。

圖7 構(gòu)件解析功能結(jié)構(gòu)

圖8 設(shè)備構(gòu)件解析功能的結(jié)構(gòu)拆解AR效果

圖9 設(shè)備構(gòu)件解析功能的設(shè)備功能介紹效果

（1）采煤作業(yè)布局AR導(dǎo)航：穿戴AR眼鏡后，將獲得全局視角，概覽整個采煤作業(yè)布局，實現(xiàn)全局掌控，快速了解整個煤礦的運行情況。

（2）完整集成供液系統(tǒng)3D呈現(xiàn)：AR眼鏡將呈現(xiàn)完整的集成供液系統(tǒng)，可使用手勢選擇所需的供液系統(tǒng)工作站，并將其鎖定。

（3）單一工作站AR呈現(xiàn)：選擇特定的供液系統(tǒng)工作站后，AR眼鏡會出現(xiàn)設(shè)備名稱、型號和三維模型，直觀了解該工作站的結(jié)構(gòu)。

（4）初始角度慢速旋轉(zhuǎn)展示：AR眼鏡將以初始角度慢速旋轉(zhuǎn)展示所選設(shè)備模型，可通過手勢控制模型的放大、縮小和旋轉(zhuǎn)，以便更仔細(xì)地查看細(xì)節(jié)。

（5）部件結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)、參數(shù)信息呈現(xiàn)：在AR眼鏡中，部件結(jié)構(gòu)和參數(shù)信息將直觀地呈現(xiàn)，深入了解設(shè)備的構(gòu)成和運行情況。

（6）不同設(shè)備切換：可通過簡單的手勢切換不同設(shè)備，對比不同設(shè)備的特點和性能。

XR展示平臺關(guān)鍵技術(shù)

3.1 AR互動平臺三維軟件開發(fā)工具包

AR互動平臺創(chuàng)新設(shè)計增強現(xiàn)實互動平臺軟件開發(fā)工具包SDK，AR互動平臺 SDK包含2個源碼案例程序和1個攝像頭識別軟件，上屏幕顯示端程序?qū)崿F(xiàn)高效遠(yuǎn)程過程調(diào)用，下屏幕 RPC Client 程序確保精準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸，攝像頭識別軟件采用高精度圖像識別算法。通過 TUIO 協(xié)議解讀和 Marker 信息處理，高效制作下屏和上屏程序，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)互通和高度可定制的交互體驗，平臺數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖10所示，SDK開發(fā)邏輯架構(gòu)如圖11所示。

圖10 平臺數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)

圖11 SDK開發(fā)邏輯架構(gòu)

3.2 增強現(xiàn)實實時傳輸與渲染

通過建立HoloLens頭顯和三維巡檢程序之間的通信連接，實現(xiàn)實時視頻流的傳輸和渲染，使用戶可以在沉浸巡檢定位到單設(shè)備模塊進(jìn)行實時設(shè)備構(gòu)建解析、精檢。利用數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、選擇適當(dāng)?shù)目缙脚_開發(fā)技術(shù)，通過設(shè)計用戶界面和交互方式，以及進(jìn)行測試和優(yōu)化，確保巡檢和精檢功能的協(xié)同配合穩(wěn)定性和用戶體驗。

（1）網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸

使用UDP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)建立HoloLens和AR控制臺之間的通信連接，選擇WebSocket數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)上傳輸視頻流數(shù)據(jù)，實現(xiàn)視頻流數(shù)據(jù)傳輸。

（2）圖像處理和渲染

在HoloLens眼鏡上，需要使用WebRTC技術(shù)將實時攝像頭捕獲的視頻流進(jìn)行編碼和傳輸。在AR控制臺程序中，接收并解碼從HoloLens眼鏡傳輸?shù)囊曨l流數(shù)據(jù)，通過OpenGL圖像處理將其渲染到1個窗口中。

3.3 定位與環(huán)境感知技術(shù)

AR互動平臺綜合利用傳感器數(shù)據(jù)和計算機視覺算法的增強現(xiàn)實定位與環(huán)境感知技術(shù)。通過同時定位與場景地圖構(gòu)建，視覺特征提取與匹配以及圖形渲染和融合等步驟，實現(xiàn)了AR頭顯設(shè)備在三維環(huán)境中的精確定位和虛擬內(nèi)容與實際場景的完美融合。用戶能在AR頭顯設(shè)備中實時觀看并與環(huán)境中的虛擬對象進(jìn)行互動，為用戶帶來沉浸式的增強現(xiàn)實體驗。

（1）同時定位與場景地圖構(gòu)建

允許AR頭顯設(shè)備實時追蹤其在三維環(huán)境中的位置和姿態(tài)，并構(gòu)建場景的地圖。通過使用傳感器數(shù)據(jù)（如攝像頭、慣性測量單元等）和定位與地圖構(gòu)建SLAM算法，系統(tǒng)可推斷AR頭顯設(shè)備相對于環(huán)境的位置和方向，并構(gòu)建環(huán)境地圖供后續(xù)定位和導(dǎo)航使用。

（2）視覺特征提取與匹配

利用視覺傳感器捕獲的圖像，通過視覺特征提取算法檢測場景中的特征點，邊緣、角點或特定標(biāo)記點等，使用特征匹配算法實時捕獲的特征點，與先前構(gòu)建地圖中的特征點進(jìn)行匹配，確定AR頭顯設(shè)備相對于環(huán)境的位置和方向。

應(yīng)用驗證

在煤礦智能化數(shù)字化運維背景下，基于多終端融合技術(shù)的XR平臺研究，主要針對綜采工作面集成供液成套裝備的沉浸式營銷體驗，與交互式培訓(xùn)系統(tǒng)等方面進(jìn)行應(yīng)用驗證。某煤礦企業(yè)使用基于多端融合技術(shù)的集成供液XR平臺，為員工提供綜采面供液設(shè)備的操作、維護(hù)和故障排除培訓(xùn)。讓受訓(xùn)者熟悉集成供液系統(tǒng)的組成和運行原理。設(shè)備培訓(xùn)包括啟動、停止、調(diào)整流量、壓力控制等基本操作。演練設(shè)備常見故障的診斷與排除，提高故障應(yīng)對能力。驗證平臺在多終端（PC、移動端、VR設(shè)備）的協(xié)同工作能力。

4.1 沉浸式營銷體驗

基于三維可視化技術(shù)的采煤工作面集成供液技術(shù)方案數(shù)字營銷平臺，通過基礎(chǔ)模式判定、配置參數(shù)設(shè)置，鎖定集成供液標(biāo)準(zhǔn)化方案。首先對綜采工作面巷道、液壓支架、供液距離等進(jìn)行調(diào)研后選擇出適合工作面；然后通過工作面液壓系統(tǒng)流量分析與計算得出供液系統(tǒng)供液流量與泵站數(shù)量建議；再通過沿程阻力計算，進(jìn)行液壓系統(tǒng)管路推薦選型，三維方案參數(shù)設(shè)置及配置，最終形成遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)成套解決方案。

通過精準(zhǔn)流量和阻力計算，確保供液系統(tǒng)的高效運行，提供標(biāo)準(zhǔn)化配置方案，提高設(shè)計效率和方案可靠性。三維可視化展示提升了方案的直觀性和易理解性，用戶可更清晰地了解和驗證設(shè)計方案，實現(xiàn)了集成供液系統(tǒng)從設(shè)計到實施的全流程優(yōu)化，確保系統(tǒng)高效、可靠、可視化，提升煤礦智能化運維水平基于三維可視化技術(shù)的采煤工作面集成供液技術(shù)方案數(shù)字營銷平臺-業(yè)務(wù)邏輯如圖12所示，基于三維可視化技術(shù)的采煤工作面集成供液技術(shù)方案數(shù)字營銷平臺-技術(shù)方案配置效果如圖13所示。

圖12 基于三維可視化技術(shù)的采煤工作面集成供液技術(shù)方案數(shù)字營銷平臺-業(yè)務(wù)邏輯

圖13 基于三維可視化技術(shù)的采煤工作面集成供液技術(shù)方案數(shù)字營銷平臺-技術(shù)方案配置效果

4.2 集成供液成套裝備AR巡檢

利用XR平臺對集成供液解決方案成套裝備進(jìn)行AR巡檢，將虛擬的供液系統(tǒng)通過AR控制臺實時投影到顯示端，用戶可以通過marker控制在超大采高、中厚煤層、薄煤層遠(yuǎn)距離供液場景中進(jìn)行巡檢。針對關(guān)鍵泵站，用戶可以在AR頭顯設(shè)備中精細(xì)監(jiān)控和維護(hù)關(guān)鍵泵站，解析泵站泵頭的具體結(jié)構(gòu)、功能和工作原理。同時，系統(tǒng)內(nèi)置泵站機構(gòu)視頻，用戶可實時觀察到虛擬供液系統(tǒng)在真實場景中的運行情況，包括管道布局、設(shè)備配置等方面的細(xì)節(jié)，深入了解集成供液技術(shù)方案的具體特點和優(yōu)勢。

4.3 操作維保培訓(xùn)

（1）系統(tǒng)組成和原理培訓(xùn)

通過虛擬場景幫助學(xué)員全面了解供液系統(tǒng)的關(guān)鍵部件及其功能。培訓(xùn)中，供液系統(tǒng)的泵站、液箱等核心組成部分以三維模型形式展示，學(xué)員通過PC、移動端或VR設(shè)備與這些部件進(jìn)行交互，探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)并聽取詳細(xì)的功能講解。系統(tǒng)確保各終端設(shè)備上的顯示效果清晰，操作流暢，交互反饋及時。用戶通過觸摸、鼠標(biāo)或VR手柄即可進(jìn)行操作，反饋顯示該培訓(xùn)模塊友好易用，適合初學(xué)者快速掌握系統(tǒng)組成與運行原理。

（2）多端協(xié)同驗證

通過PC、VR、移動端等多終端平臺，實現(xiàn)多個學(xué)員共同參與供液設(shè)備的協(xié)同操作培訓(xùn)。學(xué)員將分工合作，完成復(fù)雜設(shè)備維護(hù)任務(wù)。在驗證過程中，重點關(guān)注操作和場景變化的實時同步效果，如1名學(xué)員操作液壓閥門時，其他學(xué)員可實時看到結(jié)果。通過系統(tǒng)驗證，學(xué)員反饋協(xié)同操作體驗良好，各終端同步精準(zhǔn)，團(tuán)隊協(xié)作流暢，增強了學(xué)員在虛擬環(huán)境中的實際工作協(xié)作意識。

結(jié) 語

面向集成供液解決方案基于多終端融合技術(shù)的XR平臺，基于先進(jìn)的增強現(xiàn)實技術(shù)、實時圖形渲染和傳輸技術(shù)、環(huán)境定位與感知技術(shù)，將集成供液系統(tǒng)數(shù)字信息與物理空間相疊加。實現(xiàn)了煤礦智能化開采中液壓系統(tǒng)集成供液成套裝備的沉浸式巡檢與精細(xì)化管理，提升了系統(tǒng)可視化和交互體驗，滿足了復(fù)雜工作環(huán)境下對設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)控和分析的需求。通過對集成供液系統(tǒng)的全方位展示和操作，為煤礦智能化運維提供了有效的技術(shù)工具，為人機協(xié)同作業(yè)模式的提升奠定了基礎(chǔ)。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

刊載欄目：企業(yè)/團(tuán)隊/人物專訪政策解讀視角·觀點智能示范礦井對話革新·改造學(xué)術(shù)園地、專題報道等。

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