数字孪生智采工作面技术架构研究

为了进一步提高煤矿井下智能化采煤工作面系统自主运行和人机交互能力,达到真正的无人化开采境界,提出数字孪生智采工作面系统(Digital Twin Smart Mining Workface)的概念、架构及构建方法,融合应用5G通信技术、物联网技术和仿生智能技术,从而搭建一个智采工作面的数字孪生远程操作平台。首次定义数字孪生智采工作面是一个数据可视化、人机强交互、工艺自优化的高逼真采煤工作面三维镜像场景,它由物理工作面、数字工作面和数据信息3个部分组成。介绍了DTSMW系统涉及的物理工作面、虚拟工作面、孪生数据、信息交互、模型驱动、边缘计算、沉浸式体验、云端服务、信息物理系统、智能终端等10项关键技术。新的DTSMW系统具有开采过程仿真、优化和监控功能,可以实现开采工艺数字孪生、开采过程数字孪生、设备性能数字孪生、生产管理数字孪生和生产安控数字孪生。研究了智采工作面的仿生智能特性,阐述了物理模块(躯干)、信息模块(大脑)、通信模块(神经)、控制模块(脑肌)、孪生模块(映像)的基本功能特征,特别描述了采煤机、液压支架和刮板输送机的仿生智能要素。针对DTSMW系统数据的高度依赖性,首次将智采...     

知识驱动的智采数字孪生主动管控模式

构建煤矿智采工作面数字孪生系统需要挖掘“环-机-物”孪生体之间的隐含知识链和操作人员的决策控制经验,并建立虚实空间之间合理的信息交互方式。但是,物理空间与虚拟空间目前仅采用单一的被动信息交互机制。为解决生产运行控制与安全管理决策对开采过程不确定性的适应能力不足、虚拟空间对物理空间的综合管控鲁棒性不强、物理空间设备协同利用率不高等问题,提出一种新型的知识驱动虚实空间主动管控模式。构建了智采工作面五维数字孪生模型,并给出各个维度的具体含义;采用知识工程理论,给出智采工作面全工艺流程中的知识属性划分,建立3类先验知识的规则和模型表达;深入剖析“环-机-物”之间的多层次、多能流关联耦合关系,构建相应的知识动态演化模型;引入机器学习和决策优化方法,建立知识引导的虚实空间信息主动管控机制,从而形成数字孪生智采工作面的知识提取、知识迁移与知识利用新范式。通过提出的虚实空间新型主动管控模式,能够更好地应对煤矿地质条件的不确定性、开采环境的时空动态性,以及开采过程设备群的多样性,为煤矿高效、低碳的智能化开采提供技术支撑,实现平行矿山建设中的“信息可见、轨迹可循、状态可查”提供知识层面的高保真映射框架和决...     

王坡煤业透明工作面数字孪生系统应用研究

针对智能化建设对新技术的迫切需求,在分析数字孪生技术的起源、概念及其在煤炭行业应用现状的基础上,阐述了数字孪生系统架构和关键技术,设计了透明化综放工作面数字孪生系统的功能架构,基于Unity3D开发了王坡煤业透明化工作面数字孪生系统。工程实践结果表明,基于实际采掘数据驱动实现综放工作面与虚拟综放工作面之间同步映射的思路在技术上是可行的,能为智能化、透明化矿井建设提供参考。     

基于TGIS的数字孪生智能综采工作面研究

为了在煤矿智能化综采工作面远程控制过程中实时、准确、直观地掌握工作面信息,消除监控死角,提出了基于时态地理信息系统(TGIS)的数字孪生智能综采工作面构建方法,实现与真实工作面之间的工作仿真、分析预测和实时交互。阐述了基于TGIS的数字孪生智能综采工作面构建技术体系,从数化、互动、先知、先决和共智5个方面说明了基于TGIS的数字孪生智能综采工作面成熟度模型的生长发育过程,并简要介绍了数字孪生智能综采工作面的建设路线,以国家能源集团宁夏煤业有限责任公司金凤煤矿数字孪生智能综采工作面为例介绍了数字孪生智能综采工作面的构建方法,对智能工作面、透明化工作面建设具有积极意义。     

基于数字孪生的智能化工作面三维监测技术研究

针对智能化工作面设备运行数据监控、视频监控存在的不足,结合智能化工作面成套设备状态实时监控需求,提出了一种基于数字孪生技术的多元信息驱动智能化工作面三维可视化监控方法。分析了当前煤矿工作面设备监控、视频监测以及三维可视化等存在的问题,系统阐述了将数字孪生技术应用于智能化生产过程监控的可行性、设计思路、技术路线与关键技术。对工作面煤机设备传感器配套、数字孪生三维监测系统架构、设备精准建模、工作面数字孪生体搭建、模型数据驱动算法、实时数据采集、运行数据管理分析、人机交互界面设计等进行了详细介绍。基于鄂尔多斯中煤某矿大采高智能化工作面,开发了一套工作面数字孪生三维监测系统,内嵌了三维展示、数据监控与开采工艺仿真功能模块,集成了设备传感器数据、生产运行控制数据、历史数据、人员定位数据以及相关的派生数据等,实现对工作面成套设备的实时三维动态监测、数据和模型三维融合展示、设备异常状态诊断预警、工况和生产数据分析管理以及自动化开采工艺虚拟仿真等。实践应用证明,该系统能够直观再现和精准描述设备状态,对工作面设备运行数据和生产数据提供系统性管理,提高了监测的效果。     

矿山数字孪生构建方法与演化机理

新一代信息技术与煤炭开采技术深度融合,为智能矿山技术发展提供关键技术支撑,将促进煤炭工业创新、绿色、安全、高效发展。数字孪生作为煤矿智能化无人开采的核心技术,是人工智能理论方法与数字化技术的有机结合,数字孪生有望解决煤矿智能化无人开采中物理世界和信息世界交互与共智的关键技术难题,对推动矿山全生命周期智能化建设和煤炭工业高质量发展具有重要意义。本文基于数字孪生技术和平行智能理论,提出了矿山数字孪生的概念框架、体系架构、关键技术、基础理论和构建方法体系;提出了物理模型、仿真模型、机理模型和数据模型相互耦合的矿山数字孪生演化理论模型,据此进一步解析了面向矿山智能开采应用场景的数字孪生模型构建方法与演化过程,研究了矿山数字孪生系统与物理系统的理论模型、同步映射与协同演化机制,探讨并揭示了矿山数字孪生的演化机理;最后以矿山智采工作面数字孪生实际应用为例,通过模拟矿山生产场景数字孪生模型演化与协同控制,验证矿山生产场景的数字孪生建模效果并对其技术特征进行解析,实现描述、建模、演化、预测相结合的矿山数字孪生系统模型。本文旨在通过矿山数字孪生技术内涵、方法、机理等理论新型研究范式,为矿山数字孪生技术应...     

数字孪生驱动的掘进工作面出风口风流智能调控系统

为满足掘进工作面通风系统智能化的发展需求,针对传统局部通风系统无法实时监测及智能调控风筒出风口风流状态而导致风速场分配不合理,死角区瓦斯积聚严重和粉尘污染等安全隐患问题,提出一种基于数字孪生技术的掘进工作面出风口风流智能调控系统,优化风流场分布。分析建立了系统实现的整体框架、运行流程及关键技术,利用Zigbee自组网功能进行巷道风速、瓦斯体积分数及粉尘质量浓度等实时数据的监测采集,通过ARIMA时间序列预测模型对下一时刻瓦斯体积分数及粉尘质量浓度进行智能预测分析,并引入小生境四段式编码遗传算法提取相应出风口风流智能调控规则,结合GPRS无线传输技术实现出风口风流状态的智能调控,在此基础上,运用Unity3D构建系统虚拟模型并实现了物理实体与虚拟孪生体的映射交互。通过设计搭建的数字孪生系统实验测试平台,验证了系统实时监测、决策评价、智能调控、虚实融合等关键功能技术可行性,并结合具体案例对系统智能调控效果进行了对比分析,结果表明:调控后司机位置处风速明显上升,上隅角瓦斯体积分数由0.623%降低为0.306%,降低率达50.8%;司机位置粉尘质量浓度由1 180 mg/m³     

EMA数字孪生模型构建方法研究

为解决工程实践中机电作动器（EMA）的理论模型与实际运行数据无法实时交互和调整的问题,引入了数字孪生技术。首先从几何、物理、行为和规则四方面构建EMA孪生机理模型;其次基于BP神经网络建立了孪生数据模型,利用卡尔曼滤波实现孪生机理模型和孪生数据模型的融合;最后通过仿真验证了孪生机理模型和孪生数据模型的准确性和可行性。     

煤矿防突信息管理数字孪生平台功能及应用

数字孪生作为链接物理世界和信息世界的新一代信息技术,已在多个行业获得应用。为提升煤矿防突管理和数据应用水平,依托大数据分析和数字孪生技术,构建煤矿防突信息管理数字孪生平台,平台包括信息感知、信息传输、数据中台、业务中台和业务应用5个功能模块。系统整体采用模块化设计,通过系统融合、大数据存储、大数据分析和数字孪生应用4大模块相互支持调用实现系统全部功能。基于系统感知的矿井关键数据,构建了煤层赋存、抽采巷道、抽采钻孔、抽采装备等静态要素和三维精准空白带大数据分析等动态要素的数字孪生体,通过数字孪生交互,实现对防突过程的精细化、智能化、透明化管理。     

数字孪生控制系统在煤矿掘进机的应用

煤矿掘进条件一般都比较恶劣,尤其是全断面掘进系统操作更为复杂,对于操作人员的要求更高。把数字孪生技术应用于煤矿全断面掘进系统,使操作人员能够轻易上手,并且能够直观地了解设备的状态。应用结果表明,模拟仿真集成控制系统可提升掘进机操作人员的操作精度,并能有效提其控制掘进机时的感官体验,使其能够在远程或者本地实时监控及接收到设备姿态。掘进机模拟仿真集成控制系统是煤矿快速掘进在智能化领域发展的一次重大突破。     

煤矿智能化开采新进展

智能化开采是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。经过多年发展,我国智能化开采形成了薄煤层和中厚煤层智能化无人操作,大采高煤层人-机-环智能耦合高效综采,综放工作面智能化操控与人工干预辅助放煤,复杂条件智能化+机械化4种智能化开采模式。为了解决工作面综机装备智能决策难题,研发了工作面智能协同控制系统,实现采煤机自适应割煤与自主感知防碰撞,基于煤流量智能感知的采煤机、液压支架、刮板输送机等综采装备的协同联动,工作面综采装备与端头和超前支架的联动控制。上述研究成果在陕北侏罗纪1.1 m硬煤薄煤层、金鸡滩煤矿8 m超大采高综采、金鸡滩煤矿9 m以上硬煤特厚煤层综放开采进行应用,效果显著,实现了陕北侏罗纪1.1 m硬煤薄煤层高效智能化无人开采,8 m超大采高工作面人-机-环智能耦合高效综采,9 m以硬煤上特厚煤层超大采高智能化综放开采。     

煤矿机器人智能安全充电系统设计

煤矿机器人工作在井下危险气体环境下,特别是对于井下移动式巡检机器人,其动力系统的能源供给方式主要以锂电池供电为主,目前《煤矿安全规程》对锂电池的井下使用有着严格的限制条件,其充电必须要求在专用的充电硐室中进行。为提高煤矿机器人的续航能力和实用性,研究一种煤矿机器人智能安全充电系统,提出煤矿机器人专用充电硐室构想,设计煤矿机器人井下智能岔轨及硐室内充电技术,系统由煤矿机器人、煤矿机器人移动轨道、煤矿机器人转向用智能岔轨以及硐室内充电桩组成,通过井下巡检机器人专用充电硐室和智能岔轨技术的设计,可实现巡检类机器人井下在轨充电,有利于煤矿机器人井下不间断智能巡检作业。     

煤矿安全工资体系的构建

孙村煤矿在总结以往安全管理经验的基础上,创新工资管理模式,在井下生产单位推行双工资制——绩效工资和安全工资。介绍了安全工资体系的构建方法、考核兑现方式、实施的关键问题及效果。     

基于Internet数字矿井瓦斯预警系统的实现

1 数字矿井瓦斯预警系统开发 1.1 开发语言的选择 Java是由Sun Microsystem开发的一种功能强大的新型程序设计语言,是与平台无关的编程语言.它是一种简单的、面向对象的、分布式的、解释的、健壮的、安全的、结构的、中立的、可移植的、性能很优异的、多线程的、动态的语言.它具有强大的动画、多媒体和交互功能,可用来创建安全的、可移植的、多线程的交互式程序.另外用Java开发出来的程序与平台无关,可在多种平台上运行.     

煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想

深地资源开发是我国未来科技发展的重要方向。在分析煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术现状和问题的基础上,围绕安全、高效开采这一主题,综合考虑巷道和采煤工作面相互影响,以合理加大工作面长度,实现生产集约化,降低掘进率、提高煤炭回收率为思路,提出要解决的关键科学问题与技术构想。关键科学问题有4个:千米深井巷道围岩大变形机理;巷道围岩支护―改性―卸压协同控制原理;350 m超长工作面应力与覆岩结构演化机理;超长工作面多信息融合智能开采模式,为千米深井围岩控制及智能开采提供理论基础。针对千米深井巷道围岩高应力、强采动的特点,提出巷道支护―改性―卸压"三位一体"协同控制技术,实现高预应力、高强度、高冲击韧性锚杆主动支护,高压劈裂注浆主动改性及水力压裂主动卸压的"三主动"协同作用,解决千米深井巷道围岩控制难题。针对千米深井超长工作面开采过程中覆岩分区破断、矿压动态迁移的特点,以围岩控制为核心,研发液压支架抗冲击技术,开发超长工作面多信息融合的液压支架自适应群组协同控制技术与装备,并系统集成采煤机等其他工作面设备,最终形成千米深井超长工作面智能开采成套技术体系,为深部煤炭资源安全、高效、高回收率开采提供理论与技术保障。     

煤矿综采工作面实时信息绘图系统的研究与应用

为了实时直观反映井下综采工作面生产过程中的相关情况,设计开发了一套煤矿综采工作面实时信息绘图系统,介绍了该系统的人机交互界面设计、结构设计和功能模块设计.基于AutoCAD二次开发技术设计的煤矿综采工作面实时信息绘图系统可以快速地、准确地和直观地实现当前综采工作面地质相关情况的实测素描图,实际应用表明,该系统实时绘图效果良好,具有较好的实用价值.     

我国露天煤矿半连续开采工艺的应用和发展策略

分析了我国露天煤矿应用半连续开采工艺的条件,并以伊敏露天煤矿和霍林河一号露天矿为例,研究了我国半连续工艺的现实应用情况和效果。提出了半连续开采工艺的应用和发展策略,旨在通过对露天煤矿具体应用的分析,推动露天煤矿扩大使用半连续开采工艺,特别是为自移式破碎站半连续开采工艺在我国露天煤矿尽快获得大范围推广提供参考和借鉴。同时,指出我国在实现自移式破碎机完全国产化方面,仍需要高度重视,并加大研发和制造的投入力度。     

数字孪生在矿业数字化转型中的应用

数字孪生日趋成为工业界应用热点,被认为是企业数字化转型快速有效的通用技术。结合大数据、人工智能、物联网、移动互联网、云计算、虚拟现实等新技术,数字孪生的应用空间正在不断地从先进制造业向其他行业扩展。本文介绍了数字孪生及其在矿业数字化转型中的应用,并结合实际案例介绍了数字孪生矿山的创新性应用内容,其中包括矿山三维可视化、数字采矿、矿山测绘云服务、车辆定位调度、生产配矿、边坡监测、环境监测等。数字孪生矿山帮助技术人员和专家为矿山提供更好的远程服务,对采集到数据进行智能分析,优化矿山运营,保证矿山生产高效、安全地进行。     

煤矿采煤系统智能控制技术研究

为了实现采煤设备的智能监测和控制,研究了采煤工作面设备智能监控系统总体构架,主要包括各类传感器、本安型就地操作箱、采煤机装备集中PLC智能控制柜、控制计算机、客户端、数据服务器等;分析了PLC控制柜硬件部分和软件部分,并对采煤设备所用传感器进行了选型。研究为实现安全高效采煤打下坚实的基础。     

煤矿安全生产信息系统集成

采用以PROFIBUS现场总线为基础的全数字控制系统———现场总线控制系统(FCS) ,对煤矿安全生产信息进行系统集成 ,构建煤矿安全生产信息化系统 ,使采、掘、运、水、电、风和选煤等安全生产信息快速、准确地传送到地面调度指挥中心 ,为领导提供安全生产决策信息。