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.     

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。     

感知矿山物联网愿景与发展趋势

给出了矿山物联网的愿景,即实现矿山物与物相连,减少甚至消除监测盲区,运用云计算和大数据技术提取有用的监测信息,真正实现本质安全矿山;从技术和服务模式2个方面梳理了矿山物联网的发展趋势,阐述了雾计算技术、网络分形结构、矿山物体的本体描述与知识化、云计算与大数据技术等概念及其在矿山物联网中的应用与发展,对协同工作模式和购买服务模式进行了展望。     

矿山物联网顶层设计

介绍了矿山物联网技术发展现状和产业发展模式,指出矿山物联网顶层设计的目的是从国家安全生产监管的全局进行感知矿山总体设计,实现矿山物联网物与物相联,并明确矿山物联网的服务本质。探讨了矿山物联网的发展趋势:关键技术不断突破,服务承载模式逐步显现,政府与企业共促发展。阐述了矿山物联网发展重点领域:核心关键技术突破,包括微型化智能装置及能量捕获技术,矿山覆盖网络、通信与灾后重建技术,云计算、大数据及安全生产管理技术,矿山语义与虚拟化技术,安全、隐私与可信网络技术;5S应用,即感知人员、感知灾害、感知设备、感知矿区、感知管理;云服务体系构建;标准化建设。提出了矿山物联网保障措施及建设路线。     

人工智能技术在矿山智能化建设中的应用初探

介绍了人工智能技术的相关概念、发展概述及其在煤炭行业发展中的应用,指出目前人工智能技术在矿山应用只是点状结合和浅度结合,没有实现人工智能技术和矿山某个生产或管理系统层面的深度融合。概述了智能矿山的发展历程,指出智能矿山是人工智能技术、大数据技术、物联网技术和矿山实体的深度融合体,利用智能通信、智能控制和智能计算技术实现数字化矿山的计算、处理,构建数字孪生矿山,通过数字孪生矿山和物理矿山的智能交互演化,达到对煤矿安全、高效、绿色的生产控制。构建了将人工智能技术和矿山深度融合的包括设备层、智能层、应用层的智能矿山三层构架:应用层处于智能矿山的最高层,其中的数字孪生矿山子层相当于“数字大脑”,实现矿山最高层次的智能控制;智能层中的智能体要求子系统不仅仅是应用人工智能技术处理子系统所产生的数据,而是从架构上就要将智能计算、智能通信、智能控制融为一体。展望了智能矿山建设的发展趋势:智能化矿山需要加强人工智能技术和矿山融合度的深入研究,将现有的基于人工智能的故障检测、诊断及超前干预技术应用到机器人系统中,智能计算、智能通信、智能控制融合的巡检机器人将是最早能推广的井下智能体之一;智能化矿山需要进一步加强复杂巨系统建模技术的研究,只有建立了矿山的复杂巨系统模型,才能实现采矿活动和环境的协同互动,实现采煤活动的精准控制,复杂巨系统模型的缺乏将是未来智能矿山建设亟需解决的问题。     

智慧矿山概念及关键技术探讨

从国内外矿山信息化建设的现状出发,阐述了智慧矿山的概念及特点;详细介绍了空间信息技术、云网融合技术、矿山技术规范和标准、数据挖掘技术、三维模拟和虚拟现实、智能采矿和服务技术、安全保障体系等智慧矿山的关键技术;给出了智慧矿山的研究意义。     

矿山物联网服务承载平台与矿山购买服务

矿山综合自动化系统由于没有考虑容纳第三方的服务,逐步显露出系统封闭、标准不一、信息应用困难、对矿山技术人员要求高等问题,阻碍了其发展。明确了矿山物联网的本质为服务承载平台,矿山物联网应具有相应的公共服务能力,包括基于位置的服务、基于时间的服务、基于信息的服务、基于云的服务、基于大数据的服务、基于语义的服务等,重点论述了矿山物联网应具备的服务能力和矿山购买服务,指出这些服务能力会随着技术和需求的发展而不断充实与增加,使矿山物联网逐步向智慧矿山迈进。     

智慧矿山定义探讨

分析了现有文献中智慧矿山定义存在的问题。根据种差加属的下定义方法,通过对比分析智慧矿山与自动化矿山、信息化矿山、数字化矿山之间的联系与区别,总结了8项共有属性及4项智慧矿山独有属性,据此形成了智慧矿山的定义:智慧矿山是基于空间信息、物联网、云计算、大数据、人工智能、数据仓库、数据通信、真三维地质模型、虚拟现实、智慧采煤等技术,集成应用各类传感器、自动控制系统、组件式软件,具备自动运行、智能决策、自学习功能的矿山。     

智慧矿山重要特征与实现途径

分析了矿山信息化建设现状和存在的问题,总结了智慧矿山区别于自动化矿山、信息化矿山、数字化矿山等矿山概念的重要特征:透彻感知、深度互联、高度智能;提出了智慧矿山的实现途径:制定智慧矿山技术规范和标准,实行矿山信息的全面数字化,研发和推广先进智能化技术与装备,开发智慧决策应用。     

智慧矿山基本内涵、核心问题与关键技术

归纳了智慧矿山基本内涵,即具备对矿山的主动感知能力、自动分析能力及快速处理能力,数字矿山是智慧矿山的基础和依托,无人矿山是智慧矿山的高级阶段和终极目标;指出了智慧矿山待解决的三大核心问题,即矿山状态深度感知、矿山数据深度挖掘及矿山安全生产与管理决策支持;分析了智慧矿山所依托的三大关键技术,即煤矿物联网技术、煤矿大数据技术及煤矿智能决策支持技术。     

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。     

浅谈铜坑矿矿山数字化建设

数字化矿山是为实现资源与开采环境数字化、技术装备智能化、生产过程控制可视化、信息传输网络化、生产管理与决策科学化。结合当今世界科技的发展水平及我国矿山现阶段的技术装备与管理水平,铜坑矿在矿山数字化建设中充分运用了信息化技术为企业打造了一个数字化平台。     

物联网在感知矿山建设中的应用研究

目前的矿山建设研究主要以感知矿山建设为重,是在矿山建设中应用广泛受国家和各行各业的企业关注的物联网技术,主要是为了让相关单位全面感知矿山的生产和安全.感知矿山建设模型,是在对物联网发展历程的深刻研究,对可视化管理理论的深入学习的基础上,仔细分析了感知矿山建设的主要内容和建设步骤后提出来的,这为物联网与感知矿山建设的联合提供了坚实的理论基础.     

我国矿山物联网产业发展现状及其对策研究

指出我国矿山物联网产业发展迅速:政府制定了发展规划和相关政策;政府对矿山物联网产业发展投入大,并制定了相关标准;矿山物联网技术应用效果初步显现;产业聚集,势头良好。分析了矿山物联网产业发展存在的问题:观念滞后,积极性不高;技术基础薄弱,技术标准缺乏;矿山管理体制不健全;矿山物联网产业整体竞争力不强,企业规模较小。提出了矿山物联网产业发展对策:观念革新,战略引领;突破关键前沿技术,构建自主技术产业生态;创新商业模式,以市场化带动矿山物联网产业发展。     

基于物联网技术的感知矿山应用研究

矿山安全生产自动化面临着感知手段单一、缺乏泛在感知网络等问题,在已有感知矿山理论的基础上,将物联网技术全面引入到矿山应用当中;通过系统阐述感知矿山特征、平台框架、关键技术以及逻辑结构,利用物联网感知手段多样,实现泛在感知的特点;提出人员监测及内壁巷道位移监测的应用模型;对物联网技术目前面临的发展困境及在矿山当中推广面临的问题进行了探讨,以期物联网技术在矿山领域能够得到良好应用。     

加快矿山物联网建设

总结了"十二五"期间国家安全生产监督管理总局在推动矿山物联网建设方面所开展的工作及取得的成果,明确了"十三五"期间矿山物联网建设方面的重点布局。指出为提升安全生产监管能力和煤矿企业的事故防范能力,应加快矿山物联网建设;在矿山物联网建设过程中应进一步完善矿山物联网顶层设计,结合矿山物联网云平台建设与大数据技术,实现矿山行业安全生产形势预测。     

计算机辅助技术在矿山地质勘察中的应用分析

近年来,随着计算机技术的发展与进步,它逐渐深入到各个领域中。矿山地质勘察是一项非常复杂的工作,人们充分发挥计算机辅助技术的各项优势,将其运用在矿山地质勘察工作中,极大提高了工作效率。本文先简单介绍了计算机辅助技术的相关知识,然后重点探讨了四种不同计算机辅助技术在矿山地质勘察中的应用,旨在推动我国矿山地质勘察工作的良好开展。     

浅谈矿山测量数字化应用

随着我国科学技术的不断发展,我国的矿山测量工作也向着数字化方向迈进,我国矿山测量工作是我国矿山生产的基础,在整个矿山的生产系统中占据重要地位,因此应该大力发展我国的矿山测量工作,改变传统的矿山测量方法,加大数字化技术在矿山测量工作中的应用,以促进我国矿山事业的发展。因此本文针对矿山测量数字化应用进行分析,加深对矿山测量数字化应用的了解,从而加强矿山的可持续发展。     

基于ZigBee的矿井无线网络应用研究

本文分析了矿山安全生产过程中,发展以Zigbee技术为代表的矿井无线网络的重要性,介绍了ZigBee技术的特点及应用于矿山无线网络的优势,详细介绍了ZigBee技术在矿山的应用实例和现状,并根据其目前应用探讨分析了其在深部开采和安全生产中巨大的应用前景。     

矿山物联网云计算与平台技术

指出矿山物联网云计算与平台技术在矿山物联网系统中起核心支撑作用;介绍了矿山物联网云计算平台的技术目标和主要功能;论述了建设矿山物联网云计算平台的关键技术,包括以云交互数据管道为核心的平台架构、资源智能管控模型及负载均衡算法、任务调度及资源分配策略、矿山实时异构数据交换、控制命令快速编码及批量发送、数据快速提取及批量打包、面向矿山应用的推送等,给出了各技术的研究方法和技术路线,为搭建一个完整、先进、具有普适性的矿山物联网云计算平台奠定了技术基础。