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。     

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。     

数字孪生在煤矿电网中的应用研究

立足于数字孪生的基本概念和内涵,分析了数字孪生技术在煤矿电网中的应用优势：以同步实体运行状态、数字化模拟运行2种手段来辅助煤矿电网的运行管理,具有数据驱动、实时更新、同步反馈的特点。提出了由煤矿电网物理实体层、煤矿电网数字孪生模型层、用户管理服务层、数据交流层组成的煤矿电网数字孪生体系基本架构,从物理实体、数字孪生模型2个方面探索了煤矿电网数字孪生体系运行模式。介绍了建立煤矿电网数字孪生体系的关键技术：煤矿电网数字孪生模型构建、智能数据采集、基于5G的智能通信、数字孪生智能数据库、数字孪生设备智能管理平台。给出了数字孪生技术在煤矿电网中的具体应用场景,包括煤矿井下电气设备状态评估、煤矿电网故障定位和保护、煤矿电网智能监控、煤矿井下线路智能巡检。将数字孪生技术应用在煤矿电网中,对煤矿电网的状态和运行进行动态仿真建模,一方面可以满足当今规模庞大的煤矿电网相对地面电网更高的运行要求,保障煤矿生产安全性,另一方面可推进煤矿电网的智能化进程,实现数据资源高效合理利用。     

基于多智能体的数字孪生及其在工业中应用的综述

数字孪生是一种将物理实体数字化的技术,通过建立虚拟的数字孪生模型模拟实际的物理过程,以便进行模拟仿真、数据分析和优化设计等操作.鉴于此,分析数字孪生技术在复杂工业生产中的发展历程和研究现状,并重点讨论其概念、国家相关重点研究的政策,以及数字孪生使能技术在各行业的应用.主要途径是分析和综述基于多智能体的数字孪生、基于数字孪生的设计、制造和运维、数字孪生的集成在智能制造中的应用相关的研究成果.此外,提出高炉连续生产数字孪生方案和大飞机多智能体离散制造方案,高炉模型包括成分场大模型和增量学习小模型,该模型可以为数字孪生在复杂流程工业中的应用提供带有增量补偿的机理与计算机视觉相结合的解决方案.在复杂工业制造中,数字孪生和多智能体技术可以提高生产效率和质量,减少能源消耗和废品产生,同时也能够降低复杂度、安全风险和成本.     

智能制造下产品数字孪生体全生命周期研究

针对信息物理融合系统在智能制造领域中的应用新范式,提出了产品数字孪生体全生命周期的理论框架.数字孪生的出现为信息物理融合理念的实现提供可行的思路和途径.从数字孪生概念的发展背景出发,分别从物理对象和物理对象的发展过程分析数字孪生和数字孪生体的定义,在此基础上进一步分析了数字孪生体全生命周期的内涵和特征.数字孪生体全生命...     

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。     

基于数字孪生的卷烟制丝生产线设计的研究

在全球智能制造大背景下,提出一种基于数字孪生的卷烟制丝生产线智能化升级的设计方法,旨在于解决卷烟制丝生产过程中的一些痛点难点问题。参照数字孪生制造系统的标准框架,对制丝生产线各层级实体对象进行分析,提出为建立数字孪生体系需要对制丝生产线进行智能化升级的核心功能并做出相应设计。通过在制丝生产线一些典型场景的应用,来证明基于数字孪生的卷烟制丝生产线智能化升级的设计方法的可行性,同时希望通过发展数字孪生技术建立物理实体和数字孪生体之间从数化到共智的关系,为智能制造的发展提供一条不失为颇具前景的路径。     

基于数字孪生的角钢塔攀爬机器人系统研究

电网数字化建设管理将成为电力行业的发展趋势,作为电网输变电工程建设的重要组成部分,角钢塔智能化运维变得越发重要。为监测角钢塔的健康状况,实现角铁塔巡检等高空危险作业,提高工作效率,研究和开发角钢塔攀爬机器人具有重要意义。数字孪生是面向工业物联网的智能化应用,是连接物理世界与信息世界的桥梁与纽带,在角钢塔攀爬机器人的建模开发、智能作业、人机交互等多方面提供更加实时、智能、高效的服务。因此,为了给研究和开发角钢塔攀爬机器人提供一种新的方法,提出了基于数字孪生的角钢塔攀爬机器人系统理论架构,实现了角钢塔攀爬机器人数字孪生模型与物理实体之间的虚实映射与实时交互,并构建了数字化的角钢塔攀爬机器人系统平台。     

数字孪生驱动的煤矿多元业务全局动态协同管控

煤矿作为典型的多业务协同的复杂生产系统,在动态化销量需求及不确定性生产环境的作用下,存在安全、生产、经营等业务协同性和联动性较差等问题。数字孪生技术可为实现煤矿全局业务系统数据融合、协同管控和智能联动提供技术保障。从专业业务内部的融合、专业业务之间的融合2个方面分析了煤矿多元业务的融合及协同管控,其中专业业务内部的融合包括安全监测类业务融合、生产协同类业务融合、经营类业务融合3个部分。构建了基于数字孪生的业务动态协同管控架构,该架构包括物理对象感知层、虚拟空间仿真层、协同管控决策层。提出了“决策算法前摄性静态规划+孪生模型预测性协同管控+实时数据动态性协同管控”三重驱动的煤矿全局业务动态协同管控模式：在孪生世界构建煤矿“安全-生产-经营”多元业务虚拟模型,进行安全保障、生产联动、经营管理等前摄性静态规划,制订最优的业务协同管控初始工作计划;采用数值仿真模拟方式,在信息世界中实现虚拟模型的预测性运行,当管控措施效果得到验证后,及时将决策指令下发到物理世界中,从而将扰动由事件发生后的被动处理变成事件发生前的主动管控,提升管控决策的有效性;当煤矿企业业务运行过程中出现孪生世界未预测到的扰动时...     

四川省数字孪生流域知识图谱的设计与实现

为解决水利信息资源管理分散、利用率低、缺乏统一整合和关联应用等问题,满足数字孪生流域建设中知识平台的构建需求,以数字孪生流域建设的数据底板为基础,依托自顶向下和自底向上相结合的方法,通过总体框架设计,基于BERT-BiLSTM-CRF命名实体识别、Transformer模型的关系抽取、Neo4j的存储和可视化展示完成知识图谱的搭建,并基于知识图谱建设性构建智能问答系统,为四川省数字孪生流域物理流域的全映射提供支撑,实现知识的可视化表达、精准查询与智能推荐,为四川省河湖智能管理提供知识性参考。     

流程工业数字孪生关键技术探讨

流程工业是制造业的重要组成部分,是国民经济发展的重要基础,主要包括化工、冶金、石化等行业,其安全高效的生产对国家而言具有重要的战略意义.然而,流程工业物理化学变化反应复杂、流程间能质流严重耦合、多目标冲突、在线实验风险大,给生产流程系统建模与高效协同优化带来极大困难,严重制约了生产质量和资源利用率的进一步提升.随着信息...     

Digital twin-based smart assembly process design and application framework for complex products and its case study

With rapid advances in new generation information technologies, digital twin (DT), and cyber-physical system, smart assembly has become a core focus for intelligent manufacturing in the fourth industrial evolution. Deep integration between information and physical worlds is a key phase to develop smart assembly process design that bridge the gap between product assembly design and manufacturing. This paper presents a digital twin reference model for smart assembly process design, and proposes an application framework for DT-based smart assembly with three layers. Product assembly station components are detailed in the physical space layer; two main modules, communication connection and data processing, are introduced in the interaction layer; and we discuss working mechanisms of assembly process planning, simulation, predication, and control management in the virtual space layer in detail. A case study shows the proposed approach application for an experimental simplified satellite assembly case using the DT-based assembly application system (DT-AAS) to verify the proposed application framework and method effectiveness.     

数字孪生: 跨界赋能于多领域智能的新应用

随着大数据、5G、人工智能、CPS、云计算、物联网技术的发展与交叉融合, 使得世界朝着数字化、智能化方向发展. 数字孪生是以物理实体为原型建立多维虚拟模型, 通过安装在物理本体上的传感器实时反馈数据, 并结合以往的历史数据和人工智能技术, 最后利用软件分析并呈现. 由于数字孪生技术能与多个先进理念, 如: 工业4.0、航空航天、智慧城市、智慧医疗等良好的融合并应用, 这使其成为多个行业的热门研究方向与主要驱动技术, 在各行各业都有很大的发展空间. 本文首先阐述了数字孪生技术的基本概念, 梳理了数字孪生技术的发展脉络, 进一步理清了数字孪生技术与CPS技术之间的关系, 并介绍了数字孪生技术的研究现状. 其次, 介绍了数字孪生的关键技术即多维多尺度建模, 孪生数据管理和虚拟呈现. 最后, 探讨了数字孪生技术在智慧工厂领域、智慧城市领域、孪生医疗领域、航空航天领域的应用发展和方向, 并从方案、特点、关键技术等角度介绍了本研究团队在智慧工厂领域对原稳加热炉设备的数字孪生应用案例.     

北大港水库数字孪生建设方案与要点探讨

为提升北大港水库工程管理现代化与智慧化水平，结合北大港水库“数字河库”建设现状和水库扩容工程规划，提出北大港水库数字孪生建设方案，搭建数字孪生工程建设总体框架与主要内容，丰富 L2 和 L3 级数据底板， 构建模型库和知识库，实现建设期和运维期的智能应用建设。对安全监测数据底板、工程安全模型等数字孪生建设难点，以及实现“四大安全”与全过程、全要素管理等进行探讨。实现北大港水库流域防洪调度、水资源管理与调配，以及其他各项业务管理的数字化、网络化、智能化水平提升，有效推进水库运营管理数字化转型和智能化升级。     

基于数字孪生的变电设备运维系统及其构建

针对变电设备周期状态管控难、运检效率低等问题,基于数字孪生理论,构建基于真实变电设备运维的数字化模型及系统。首先,在信息层建立能反映变电设备换流变、调相机、GIS（Gas Insulated Substation）这3类设备真实状态的数字孪生体;其次,基于换流变、调相机、GIS历史大数据,通过数字孪生体的变电站设备进行统计分析,并根据采集的实时数据、运维数据来预测变电站设备下一时刻的状态,使变电设备实现实际变电站内物理层与信息层数据的融合;最后,以变电站设备运维为对象,采用信息物理融合系统进行运维数据的集成和同步,形成最终变电设备运维数字孪生框架系统。相关研究表明,运用数字孪生技术可以对变电设备运维系统运行效率的提升和对变电站整体智能化提供强有力的技术支撑。     

面向数字孪生流域的云网融合架构研究

数字孪生流域建设是智慧水利建设的重要标志,是推动流域水利高质量发展的必然要求。为了应对当前数字孪生流域建设过程中面临的流域物联感知能力、通信传输网络资源、模型算法仿真计算水平等方面的不足而产生的挑战,本文结合云网融合的云网协同、按需互联、敏捷智能的服务能力特性,基于云网融合层次化的设计思想,把流域云和网充分融合,有效调度并应用计算、通信、存储等基础设施资源,提出了面向数字孪生流域的云网融合逻辑架构,梳理并阐述了水利感知网云网融合服务实现、水利信息网云网融合服务实现、数字孪生平台算力服务实现等可应用于数字孪生流域建设的云网融合服务架构,总结分析了面向数字孪生流域的云网融合关键技术。研究对充分发挥新一代信息技术对数字孪生流域建设的支撑驱动作用具有重要参考意义。     

基于数字孪生的二次回路接线校验技术研究

目前对于变电站二次设计交付仍基于传统的图纸方式，对于图纸的校核以及现场的运维需具备专业知识的人工方式，不利于电力系统数字化技术的发展，为实现对变电站二次回路接线的智能校验，借鉴了IEC61850逻辑建模思路，提出了一种基于数字孪生的建模方案，并从变电站工程生命周期的源头-设计的角度出发，从总平面布置、到屏位布置、组屏方案以及关键的接线设计进行数字化建模，在此模型的基础上，结合工程经验将典型设计规范转化为数字化标准规则库，作为智能校核依据，以此实现对设计成品的校核，并通过对比匹配扫描站内屏柜、线缆二维码所获取的对象实例属性数据，从而达到辅助施工及后期运维的效果。通过凤凰山2号主变扩建工程模拟测试证明，采用该方法能够有效提升调试和运维人员工作效率。     

数字孪生与生产线仿真技术研究

随着新一代信息技术与制造技术的深度融合,仿真技术正向着信息系统与物理系统深度融合和高效协同的方向发展,应运而生的数字孪生技术成为近年来的新兴研究热点.为探索采用新一代信息技术促进离散制造行业数字化转型升级,从仿真技术的发展脉络和应用场景入手,引入基于数字孪生技术开展生产线仿真分析的研究,介绍了数字孪生技术的概念和内涵,...     

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。