面向智能矿山与新工科的数字孪生技术研究

将数字孪生与人工智能(AI)技术相结合,提出了基于数字孪生+AI的智能矿山建设新思路。探索了智能矿山技术发展路径,研究了数字孪生技术的特征、应用领域及发展趋势,指出数字孪生是数字化矿山发展的必然趋势。提出了基于数字孪生+AI的智能矿山理论架构,构建了矿山数字孪生模型,模型自下而上分别为矿山全要素物理实体、矿山信息物理融合层、矿山数字孪生模型、矿山孪生数据交互层、矿山应用智能服务层,据此实现智能矿山的泛在感知、协同控制和智能决策与优化。从应用实际需求出发,探讨了智能矿山模型构建技术、智能开采数字孪生体技术、矿山智能控制技术、矿山设备故障预测、基于数字孪生的人机交互等关键技术。通过研究数字孪生在智能矿山中的应用,为AI技术在智能矿山应用落地提供思路,为未来智能矿山新工科建设提供理论借鉴。     

平行矿山: 从数字孪生到矿山智能

针对新时代下我国矿区智能化发展诉求与矿山无人化进程中遇到的复现难、协同难的技术问题, 本文融合智慧矿山理念、ACP (Artificial societies + computational experiments + parallel execution)平行智能理论和新一代智能技术, 设计并实现了智慧矿山操作系统 (Intelligent mine operation system, IMOS), 为平行矿山智能管理与控制一体化提出了解决方案. 本文首先分析露天煤矿产业发展趋势; 国内外露天矿山智能化发展情况; 面向露天矿山无人化与智能化需求, 深度融合数字四胞胎理论, 设计了虚实融合的IMOS架构; 详细阐述了IMOS子系统架构与功能, 包括: 单车作业系统、多车协同系统、车路协同系统、无人驾驶智能系统、调度管理系统、平行系统、监管系统、远程接管系统和通信系统; 并探讨了IMOS关键技术, 即平行矿山仿真建模技术、无人驾驶技术、矿区通信技术和协同作业技术. 该操作系统是国内首套露天矿山无人化与智能化的一体化解决方案, 并能够迁移到不同矿区不同作业场景, 推动矿区智能化无人化发展, 减少人工干预从而降低安全风险, 大幅度降低人工成本, 提高生产作业效率, 并可结合社会发展要素为实现绿色可持续发展矿区提供支撑.     

智能水下机器人技术展望

智能水下机器人作为一个复杂的系统,集成了人工智能、水下目标的探测和识别、数据融合、智能控制以及导航和通信各子系统,是一个可以在复杂海洋环境中执行各种军用和民用任务的智能化无人平台.由于水下机器人在海事研究和海洋开发中具有远大前景,在未来水下信息获取、精确打击和“非对称情报战”中也有广泛应用,因此水下机器人技术在世界各个国家中都是一个重要和积极的研发领域.基于实践和在相关技术难题上的经验,对智能水下机器人的发展现状和前景进行了描述,对这些问题可能的解决方案提出了建设性的意见.这些相关的技术包括:水下机器人载体设计技术、体系结构、基础运动控制技术、智能规划与决策技术、系统仿真技术、水下目标探测与识别技术、系统可靠性与容错技术等.随着科学技术的发展,人工智能技术将会在智能水下机器人上得到更为广泛的应用.然而水下机器人技术仍然处于基础研究和试验开发阶段,距离全面应用还有很长的路要走.     

煤矿井下胶轮车运输智能控制与管理探索

探讨了“煤矿井下胶轮车运输智能控制与管理探索”的主要技术构成与功能,阐述了具有的应用意义。该系统采用高科技技术,融合光、电、机及计算机技术,捋顺了井下杂乱无章的、复杂的交通秩序,构建了“智能矿山、数字化矿山”新型企业理念的井下胶轮车运输智能控制与管理,推动了煤矿井下无轨胶轮车运输的稳定、可靠、高效,保障了胶轮车运输大动脉的安全,实现了胶轮车井下控制智能化,井上管理智能化。     

智能仿真

智能仿真是指所有基于仿真的智能系统研究,主要包括人工智能的仿真研究、智能通信仿真、智能计算机的仿真研究、智能控制系统仿真、数据挖掘与知识发现、智能体、认知和模式识别等.信息时代起带头作用的现代信息技术迫切需要智能化,其中智能控制技术主要用来解决那些用传统的方法难以解决的复杂系统的控制问题,如智能机器人系统,计算机集成制造系统((CIMS),复杂的工业过程控制系统,航空航天控制系统,社会经济管理系统,交通运输系统,通信网络系统,环保与能源系统等.这些复杂系统具有严重的不确定性、高度的非线性,控制任务要求复杂.由此可见,智能仿真不仅内容相当丰富,而且明显地把仿真应用置于当前科技发展的高端.     

数字孪生与平行系统:发展现状、对比及展望

随着物联网、大数据、人工智能（Artificial intelligence,AI）等技术的发展,针对促进新一代信息技术与制造业深度融合、实现制造物理世界与信息世界交互与共融的需要,数字孪生和平行系统技术成为智能制造和复杂系统管理与控制领域研究的热点.本文对数字孪生和平行系统技术的基本概念、技术内涵、相关应用等进行了研究与总结,对比了两者之间的异同,并分析了两者的发展趋势,预期能够给复杂系统管理与控制领域的研究人员提供一定的参考和借鉴.     

煤矿信息化建设回顾与展望

从煤矿信息化的定义出发,回顾了煤矿信息化建设经历的单机(系统)自动化、综合自动化、矿山物联网、智能矿山、感知矿山等阶段的特征、典型问题及具有代表性的解决方案,指出:单机(系统)自动化矿山仅能够对单一设备或单一系统进行简单控制,属于煤矿信息化建设的初级阶段;综合自动化矿山实现了多系统间的自动化控制,解决了信息孤岛问题,属于煤矿信息化建设的中级阶段;物联网矿山、智能矿山分别实现了人与人、人与物和物与物相联及深度相联,感知矿山实现了矿山信息与状态的认知与知识集成,属于煤矿信息化建设的高级阶段。梳理了煤矿信息化、数字化、虚拟化和智慧化之间的关系,指出:煤矿信息化包括矿山数字化、虚拟化和智慧化的所有内容;物理矿山、数字矿山、虚拟矿山通过物的集成、数据集成和语义集成形成一个完整的闭合体,智慧矿山是该闭合体的核心。分析了目前煤矿信息化建设在感知层、网络层、平台层、应用层存在的主要问题,探讨了煤矿信息化技术的发展趋势:自治设备大量涌现;煤矿透明化与精准控制;边缘计算与云平台协同;智能APP大量涌现。     

面向智能矿山的数字孪生技术研究进展

智能矿山领域数字孪生技术的应用需面对较多复杂性、特殊性的技术突破。阐述了数字孪生在智能矿山领域的适用性,归纳梳理了数字孪生技术在煤矿安全、生产及运营管理等方面的研究及应用现状：在煤矿安全管理方面,数字孪生技术主要应用于灾害预警、风险管控、灾害救援等;在煤矿生产方面,数字孪生技术主要应用于采掘工作面区域整体、单机机械装备状态监测及控制、机械装备预测性维护。从物理实体、虚拟实体、连接交互、数字孪生数据及功能服务5个维度入手探讨了智能矿山领域数字孪生亟待解决的关键共性问题：物理实体维度需重点突破全面感知及控制装备的研发,虚拟实体维度需深入进行物理、行为、规则模型的研究,连接交互维度需攻关煤矿井下5G网络传输关键技术,数字孪生数据维度需解决高性能计算等问题,功能服务维度需研发仿真软件及人工智能算法,以便更好地适应现场环境。从矿井规划设计、开发、建设阶段的灾害预防性设计、生产系统设计、地质环境预测,矿井生产运营阶段的灾害预警及防控、生产调度决策优化、生产设备全生命周期管理等方面展望了数字孪生技术在智能矿山领域的发展趋势,认为宜针对关键部件或装备,核心环节,重要或危险场所、区域等进行精细化孪生。     

基于大数据的智能工厂数据平台架构设计与研究

在分析智能工厂国内外研究现状基础上,对基于大数据的智能工厂数据平台架构技术展开研究,为智能生产的运行分析、预测、决策调控以及数字孪生信息物理融合提供技术参考。探讨了智能工厂定义与内涵,以及智能工厂大数据来源和特征,采用Hadoop、Spark、Storm热门开源大数据计算引擎,提出了数据来源层、数据传输层、数据存储层、资源管理层、处理分析层以及业务应用层构成的智能工厂大数据平台技术架构,有效解决智能工厂大数据多源复杂性和实时性的要求和难点。所提数据平台技术架构将对智能制造和智能工厂的实现具有重要的借鉴价值。     

集控式足球机器人系统关键技术研究

足球机器人比赛是机器人研究的一个新热点,它为人工智能理论和算法的研究提供了一个实验平台,其研究的领域涵盖了人工智能、自动控制、机器人视觉、无线通信、机器学习和多智能体合作与协调等。集控式足球机器人系统通常可以划分为4个子系统,即视觉、决策、通信和车型机器人。结合研究经验,介绍了集控式足球机器人各个子系统的关键技术。     

5G通信技术及其在煤矿的应用构想

近年来我国煤矿无线通信系统首选WiFi和4G通信技术,随着煤矿智能化建设的发展,现阶段煤矿无线通信系统的性能已无法满足煤矿智能化发展的各项需求。对比前几代移动通信技术,阐述了第五代移动通信技术(5G)关键技术及其性能优势;给出了矿用5G无线通信系统的组成及组网方式;结合5G通信技术特点和煤矿智能化发展需求,提出了5G通信技术在煤矿的应用场景,如井下无人驾驶及智能运输、全矿井位置服务、设备远程操控、故障远程诊断、大宽带业务数据传输、煤矿机器人云端控制、全矿井安全监测信息采集、虚拟现实/增强现实矿山等;指出针对煤炭行业的5G技术应用场景还需不断挖掘和完善,且由于5G网络对承载网要求较高,煤矿应预估部署成本,结合自身发展状况和需求搭建矿井5G通信网络。     

人工智能技术在智慧电力仓储系统中的应用

围绕电力仓储系统的现状及基于边缘计算代理的智能仓储实际需求出发,首先,介绍智能仓储系统的系统架构及主要工作流程,然后,根据职能仓储对边缘计算代理装置智能化的需求,着重探讨在智能仓储系统应用中,人工智能算法的设计需要面对和解决的主要问题。     

面向智能攻击的行为预测研究

人工智能的迅速发展和广泛应用促进了数字技术的整体跃升,然而基于人工智能技术的智能攻击也逐渐成为一种新型的攻击手段,传统的攻击防护方式已经不能满足安全防护的实际需求.通过预测攻击行为的未来步骤,提前部署针对性的防御措施,可以在智能攻击的对抗中取得先机和优势,有效保护系统安全.首先界定了智能攻击和行为预测的问题域,对相关研究领域进行了概述;然后梳理了面向智能攻击的行为预测的研究方法,对相关工作进行分类和详细介绍;之后分别阐述了不同种类的预测方法的原理机制,并从特征及适应范围等角度对各个种类的方法做进一步对比和分析;最后展望了智能攻击行为预测的挑战和未来研究方向.     

基于意识-情感-智能三位一体的煤矿供液过程控制

为保障煤矿工作面液压支架安全高效运行,提高供液系统智能化水平,通过分析供液系统多层智能控制目标,借鉴高等人工智能原理中的意识-情感-智能三位一体思想,设计并构建了供液系统的智能控制模型。针对现有自动化水平的供液基础控制技术、欠成熟智能化水平的稳压供液预测技术和成熟智能化水平的智能供液控制技术,分别设计基础意识模块、情感模块和理智与决策模块的功能结构,并将其嵌入智能供液系统,实现供液过程智能控制。上述系统在潞安集团王庄煤矿8110综采工作面进行了工业性试验,并取得了理想的控制效果。     

基于人工智能控制的井下排水系统

通过对人工智能常用技术的分析,介绍了一种基于人工智能控制的煤矿井下排水系统的软件及结构设计。该系统通过检测水仓水位和其它参数,控制水泵轮流工作与适时启动备用泵,合理调度水泵运行,且具有故障报警功能,大大降低了工人的劳动强度,提高了设备的利用率;系统扩展性较强,能够满足多种不同的现场需要。     

智能安全内涵与体系构建探讨

随着人工智能在各行业的推广应用,人工智能给生活、生产带来便利的同时,其破坏作用和隐患也引起了各国政府、机构的重视。因此,人工智能技术及其应用所引起的安全问题受到更多关注。但是,从智能的形态角度看,智能安全与人工智能安全在内涵上还有很多区别。本文首先阐明智能安全的内涵,指出人工智能安全实际上主要是技术层面的智能安全,但智能安全不仅涉及技术安全,还包括智能系统在各行业广泛普及带来的国家层面的安全问题,以及机器智能、混合智能等新智能形态发展给人类整体带来的潜在风险。在此基础上,本文构建了智能安全体系并给出了具体措施。狭义的人工智能安全与广义的智能安全理念相结合,有利于确保整个国家在人类文明发展过程中把握先机。