山西省基础研究计划
项目申报书
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
基本信息
项目基本信息 项目名称
研究属性 A基础研究
B使用基础研究 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
报审学科 学科1 代码1
学科2 代码2
起止年限 年 月- 年 月 申请经费
申
请
者
信
息 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 现主要研究领域
联系电话 手 机 E-mail
申请者所在博士点或硕士点名称
申
报
单
位
信
息 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
开户银行 帐 号
合作单位 1． 2．
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，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
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
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，对解决行业使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、学术价值和使用前景进行撰写；基础研究须结合科学研究发展趋势来论述科学意义，使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使用前景。
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、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，
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，引起设计部门和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。
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。
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，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使用于后续的生命周期阶段：生产、运营、支持、回收，以及管理和产品相关的
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。
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，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)
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使用依据，实现设计/制造过程的数据共享和集成，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：使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：使用先进的装配仿真软件，建立装配工艺设计验证仿真系统，实现装配过程仿真和工艺设计验证，并实现和PDM的集成。使用虚拟现实系统，建立装配现场数字化