智慧矿山数字孪生技术研究综述

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。数字孪生面向煤炭工业互联互通及智能化应用,发挥连接物理世界和信息世界的桥梁与纽带作用,将在煤炭开采、视频监控、人机交互等方面提供更加实时、智能、高效的服务。面向智慧矿山技术需求,提出了基于数字孪生+5G的智慧矿山建设新思路,将"数字孪生+5G"与AI技术相结合,为实现智慧矿山提供一种创新的方法。首先从智慧矿山建设进展及应用方面存在的问题入手,系统地梳理和分析了当前智慧矿山研究和发展现状,通过研究新一代信息技术与工业技术融合应用,阐述了数字孪生的概念内涵,指出数字孪生是智慧矿山发展的必然趋势并将为智慧矿山赋能;然后针对智慧矿山建设的难点和痛点问题,提出了基于"数字孪生+5G"的智慧矿山体系架构理论,通过构建矿山数字孪生模型(MDTM)实现物理矿山实体与数字矿山孪生体之间的虚实映射与实时交互。聚焦智慧矿山建设目标,以智慧矿山系统建设、优化和关键技术为核心,基于矿山信息物理空间的数字孪生和深度学习方法,以实际矿井为原型设计了智能开采的数字孪生一体化方案,构建了全域感知、边缘计算、数据驱动和辅助决策的智慧矿山平台。最后针对智慧矿山的数字孪生应用需求,提出并探讨了数字孪生赋能智慧矿山的关键技术问题,并指出了未来需要实现的关键技术路径。旨在通过对智慧矿山的数字孪生技术研究,为数字孪生模型构建、协同控制与交互优化等提供思路,为未来智慧矿山建设与设计提供理论借鉴。     

数字孪生智能矿山管控平台及智能洗选管控平台建设

煤矿智能化的技术革新催动着煤矿安全管理迈入智能化,以安全风险智能管控为方向的煤矿智能化安全是智能煤矿建设的安全前提和安全保障。数字化转型和数字经济的发展成为产业变革的主基调,国内外众多矿山企业相继实施了数字矿山或者智能矿山的建设,因每个矿山的工艺特点和基础条件存在不同,导致建设成效差异较大。围绕智能矿山建设的内涵和目标,综合运用计算机、网络、集成、智能控制等先进技术,全面构建集调度管理、安全监测、视频监视、通信指挥为一体的中煤建筑安装工程集团有限公司生产调度信息化管控信息化平台,以求达到各类安全生产信息的高度集中,矿井各生产环节的有效信息实时掌握,做到“管、控、营”的一体化调度。为“中国智造”奠定了技术基础。     

矿山生态环境数字孪生：内涵、架构与关键技术

在双碳国家战略和新一代信息技术广泛应用的时代背景下,体系化、精准化和智能化是矿山生态环境治理的重要发展方向。我国矿山生态环境治理长期以来开展了较为丰富的信息化建设,但仍然面临缺乏综合性监测体系、生态演变建模不准确、生态治理依赖专家经验、无信息化决策工具等问题。据此,提出了矿山生态环境数字孪生(Digital Twin of Mine Ecological Environment,DTME)的科学内涵,并介绍了其总体架构、功能特点与系统构建关键技术。定义了矿山生态环境数字孪生是以天-空-地多源监测、人工智能建模为基础,在虚拟空间建立与现实矿山生态环境要素一一对应、演变过程相互映射、作用机制相互匹配的孪生系统,进而通过方案优化或反馈控制支持矿山生态环境全过程科学治理。详细介绍了DTME的总体架构,包括物理矿山生态环境、监测终端、孪生数据、信息链路、云边端服务、虚拟矿山生态环境和控制终端7个组成部分。DTME以现实应用需求为导向,具有矿山生态质量动态监测与体检、生态演变模拟与影响因子解析、生态变化过程预测、生态风险预警、智能分级分区生态修复、生态修复效果评价和生态环境监管等功能。最后,归纳了...     

数字孪生技术在矿山物联网管控系统的应用

将数字孪生技术应用到矿山物联网管控系统中,建设三维数字孪生模型映射真实矿山生产环境,通过数据驱动对矿山生产环境各要素的形态、动作进行孪生仿真,利用数字孪生模型控制实体设备,达到虚实交互、数据同步、智能控制、安全预警的目的.研究了数字孪生与矿山物联网管控系统融合所涉及的关键技术,提出了数字孪生与矿山物联网管控系统融合后的理论系统架构,介绍了矿山数字孪生系统的三维可视化模块、设备管理模块、安全预警模块、数据可视化模块.     

矿山信息化发展及以数字孪生为核心的智慧矿山关键技术

矿山信息化建设在经历了单机自动化、综合自动化、数字矿山几个阶段之后,在物联网、人工智能、大数据技术的推动下,正朝着矿山智能化和智慧矿山的方向发展。以数字孪生技术为核心,围绕矿山生产场景和智能装备的知识服务体系是智慧矿山下一步需要重点研究的方向。首先回顾了矿山信息化技术的发展,然后分析了智慧矿山的核心关键技术,从智能感知与智能装备、边缘计算与网络服务、数字孪生知识建模、平台与应用系统4个方面进行阐述。智能传感装置和智能装备的不断涌现,为智慧矿山前端感知和执行提供了基础,而即时的感知、分析和决策是智能装备自治、自主工作的前提;随着边缘网关计算能力的提升,需要设计面向应用场景的轻量级算法模型和高效云边协同机制,以满足智能装备即时服务的需求,同时,围绕5G的通信技术在矿山的应用,将进一步提升知识服务的快速响应能力;矿山运行机理、经验知识、大数据分析与数字孪生建模技术融合的矿山生产场景可信数字孪生模型,将成为智慧矿山知识服务的核心;面向大数据和知识模型的平台技术是矿山数字孪生和智能化服务的载体,大数据高效存取、分析和利用能够有效的促进矿山智能化应用服务的融合。矿山数字孪生及相关智能化技术的突破,将实现对矿山物理世界实时可测、可观、准确控制、精确管理和科学决策,从而建立少人化或无人化的矿山生产模式,为智慧矿山的发展奠定基础。     

矿山信息化发展及以数字孪生为核心的智慧矿山关键技术

矿山信息化建设在经历了单机自动化、综合自动化、数字矿山几个阶段之后,在物联网、人工智能、大数据技术的推动下,正朝着矿山智能化和智慧矿山的方向发展。以数字孪生技术为核心,围绕矿山生产场景和智能装备的知识服务体系是智慧矿山下一步需要重点研究的方向。首先回顾了矿山信息化技术的发展,然后分析了智慧矿山的核心关键技术,从智能感知与智能装备、边缘计算与网络服务、数字孪生知识建模、平台与应用系统4个方面进行阐述。智能传感装置和智能装备的不断涌现,为智慧矿山前端感知和执行提供了基础,而即时的感知、分析和决策是智能装备自治、自主工作的前提;随着边缘网关计算能力的提升,需要设计面向应用场景的轻量级算法模型和高效云边协同机制,以满足智能装备即时服务的需求,同时,围绕5G的通信技术在矿山的应用,将进一步提升知识服务的快速响应能力;矿山运行机理、经验知识、大数据分析与数字孪生建模技术融合的矿山生产场景可信数字孪生模型,将成为智慧矿山知识服务的核心;面向大数据和知识模型的平台技术是矿山数字孪生和智能化服务的载体,大数据高效存取、分析和利用能够有效的促进矿山智能化应用服务的融合。矿山数字孪生及相关智能化技术的突破,将实现对矿山物理世界实时可测、可观、准确控制、精确管理和科学决策,从而建立少人化或无人化的矿山生产模式,为智慧矿山的发展奠定基础。     

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。     

基于工业互联网的露天矿数字孪生建模系统和方法

并行推进、融合发展是我国推进智能制造的技术路线,云技术和工业互联网是支撑新一代智能制造的基础。提出了基于工业互联网的露天矿数字孪生建模系统和方法,能够实现采矿一块屏,对地质、测量、设计、到采矿生产环节的生产、安全、设备能耗、铁运生产等方面进行一体化集成,所有采矿生产过程都可以通过露天矿数字孪生模型完成,最终形成智慧矿山整体解决方案。露天矿数字孪生是以工业互联网为基础基于现实世界露天矿采场而创建的虚拟世界的模型,包括端、边、网、云4层系统,结合采场基础设施、采矿设备以及生产运行数据与三维数字地质系统,呈现三维露天矿采场。通过在鞍钢矿业齐大山铁矿为期1 a的示范应用,推动了管理体制变革,突破了传统层级管理架构,实现了垂直管理,提高了管理效率,在生产组织环节,实现了数据融合应用、业务融合系统,生产管理效率提升了30%以上,直接经济效益2 920万元,为增强企业竞争力提供了有力支撑。     

数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统研究

针对掘进设备远程控制中存在的设备决策能力低,掘进效率不高,安全隐患大等问题,提出了一种数字孪生驱动的掘进机器人决策控制方法。通过分析对比当前数字孪生技术在煤矿领域的研究情况,设计了数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统体系框架,包含物理空间、虚拟空间、孪生数据、规划层、控制层、执行层6个模块,以实现虚拟样机自主规划决策,远程控制物理样机同步运动的目的。首先,结合虚拟现实技术研究了非结构化环境下的局部避障策略,建立掘进机器人运动控制模型与传感观测模型,利用激光雷达将巷道中的障碍物在虚拟环境中进行重建,采用Ray-Col方法进行机器人与障碍物之间的碰撞检测,为机器人的路径规划决策奠定基础;其次,结合深度强化学习技术研究了基于虚拟智能体的全局路径规划方法,提出了基于改进PPO算法的Muti-PPO算法,通过奖惩机制建立掘进机器人虚拟智能体,并在Unity3D平台中进行训练,训练结果表明Muti-PPO算法相比于PPO算法、SAC算法,平均奖励值分别提升了13.82%与11.31%;标准差分别下降了17.85%与16.81%;最高奖励值分别提升0.14%与0.43%,其性能在3种算法中达到最优;...     

煤矿数字孪生智采工作面系统构建

为实现煤矿井下采煤工作面的全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测和协同控制,本文构建了数字孪生智采工作面系统的整体框架。首先,将数字孪生智采工作面系统划分为3个层次,并给出各层次的功能及特征;其次,分别构建了数字孪生智采工作面系统中采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、带式输送机、液压支架、乳化液泵站及工作面环境的数据感知模型,并深入剖析采煤机、液压支架、煤流运输系统及设备与环境之间的协同约束关系;最后,给出数字孪生智采工作面系统的整体应用体系结构。基于该数字孪生智采工作面系统,可以实现物理矿山实体与数字矿山孪生体之间的虚实映射与实时交互、数字孪生体的智能感知与协同控制,为提升采煤工作面智能化水平提供实现依据。     

双5G网络下露天智能矿山系统构建与应用

经济发展新引擎的新基建,为未来数字经济高质量的发展方向。而以5G和F5G双网络为基础的数字孪生技术,是构建信息基础设施的关键。提出了基于双5G网络的露天矿山通信系统,建设智能采矿管控、综合生产执行和三维可视化管控的三大平台,进一步融合矿山安全监测监控系统,进而构建了露天智能矿山的建设架构和体系。以南泥湖钼矿为例,实现了露天采矿智能装备的远程控制与运行,为露天智能矿山建设提供了一种新的技术路径。研究表明:(1)高速通信系统是智能矿山建设的保障,采用5G和F5G双通信网络可以实现矿山的即时高效数据传输,为露天智能矿山建设提供了高速通信与数据传输通道;(2)智能管控和综合生产平台的建设,构建了以开采环境数字化和采掘装备自动化为特质的系统,实现了采矿设计、计划、生产配矿、调度和决策等过程的智能化;(3)以三大平台为基础融合安全监测系统的智能矿山架构,形成了露天矿山安全生产的智能化模式,促进了矿山生产的安全、高效和智能化建设。     

基于GIS软件的数字矿山实验室构建分析与设计

从矿山管理的信息化发展和建设背景出发,结合实验室构建的自身功能特点,分析设计了GIS软件支持下的C/S与B/S混合体系结构数字矿山实验室的构建模式.该实验室可以进行诸如矿山管理信息系统、规划、测绘、资源开发与评价等课程的多项实验.     

基于ArcGIS的矿山地质体模型构建方法

矿山三维地质建模及可视化技术己经成为实施数字矿山战略的关键技术,但以矿山软件建立的三维地质模型难于被GIS软件建立的数字矿山信息平台兼容。文中利用ArcGIS软件对以钻孔数据建立三维地质体的方法进行了详细论述,解决了矿山数据共享的难题。     

数字矿山建设目标、任务与方法

通过分析人们对数字矿山的认识以及数字矿山发展现状,进一步梳理了数字矿山及其与其他相关概念的关系,明确了数字矿山的主体任务及发展主题,提出了现阶段数字矿山建设的基本思路和方法。根据数字矿山建设的根本需求对数字矿山进行了重新定义,并借鉴建筑行业的建筑信息模型(BIM),提出矿山信息模型(MIM),该模型包括数字模型、业务模型与方法模型等三方面基本内容。阐述了以MIM作为基本理念的数字矿山建设基本手段和方法,以实现矿山全生命周期业务手段数字化、流程标准化及信息共享、协同工作,为数字矿山建设及相关产品研发提供重要依据和参考。     

三论数字矿山——借力物联网保障矿山安全与智能采矿

在简要总结我国数字矿山建设成效的基础上,梳理了数字矿山内涵及其不同理解,讨论了自动采矿、遥控采矿、矿山物联网、感知矿山、智能采矿等相关概念及其与数字矿山的联系。结合采矿科技进步,采用数字化、信息化与自动化3条主线对数字矿山等概念进行了矩阵描述。指出：数字化、信息化、自动化是智能采矿的3项关键技术,数字化与信息化相辅相成,共同支撑矿山自动化;数字矿山是感知矿山与智能采矿的基础,感知矿山是智能采矿的保障。以当前煤矿安全避险六大系统建设和金属矿无人采矿系统技术发展为例,明确了数字矿山借力物联网的新任务。并面向矿山安全与智能采矿,分析提出了“十二五”期间数字矿山的5个主攻方向,即数字矿山集成平台、采矿模拟仿真系统、露天矿全自动化系统、井下定位与导航技术、采场环境智能感知技术。     

基于数字孪生的隧道智能多功能机器人开发体系构建

针对智能多功能作业机器人在隧道类受限空间的开发应用问题,基于虚拟样机对隧道多功能机器人进行结构开发及设计,运用智能设计理念,对隧道多功能机器人的智能需求进行重构设计;通过数字孪生实现智能化到数字孪生机器人样机的开发和研制,构建了完整的具备可完成隧道、巷道等受限空间中可灵活实施挖掘、破碎、转运等多种作业的隧道智能多功能机...     

面向数字孪生的大型露天金属矿生产调度仿真分析

在金属矿山数字化生产变革的推动下,如何从未来生产预测角度出发,以提高总体生产效率为目的,面向数字孪生开展细节化生产仿真已成为亟待解决的难题。针对准确度高、操作性强、前瞻效果好的调度需求,构建了露天金属矿山数字孪生系统架构,阐明了基于生产仿真试验的矿山数字孪生应用路径。结合作业车间调度问题(JSSP)分析方法,分别基于周期总产量PT最大和单设备产量均值PM最大构建了铲运设备流调度仿真的目标函数,并设计了包含构建仿真模型、检验模型误差、设计仿真试验和分析试验结果等步骤的仿真试验流程。最后以攀西某铁矿山的第5年生产计划为例,基于目标函数分别对采场内部运输和全过程运输开展了仿真预测计算,共计算了515种试验方案。模型计算的误差绝对值控制在2%以内,综合考虑产能、设备负荷和设备工作效率等数据之间的均衡性,推荐设备方案480和229为最优方案。研究表明:设计的仿真试验流程及模型预测结果可靠,能够实现对调度方案的多角度评估,可以为大规模连续生产系统仿真的创新应用提供依据。     

数字矿山与矿山信息系统研究

阐述了3S（Remote Sensing,Geographical Information System and Global Positioning System）在矿山领域的研究与应用,对数字化矿山和矿山信息系统进行了介绍.基于矿山信息系统实施＂数字矿山＂战略,进行了功能模块分化的讨论,指出矿山信息系统是矿区可持续发展的重要基础平台.     

浅析数字露天矿山的研究与实践

结合我国矿山生产实际和信息技术在矿山企业的应用现状,借鉴发达国家的经验,对数字矿山的概念、应具备的功能内涵、系统层次和构成进行简要论述,并针对国内露天煤矿的发展现状,提出了数字矿山的建设内容,设计了其总体构架.     

数字矿山的系统工程方法

从采矿系统工程的角度,分析了数字矿山与系统工程间的关系,提出了数字矿山三层的层次框架结构,讨论了推进中国数字矿山的"瓶颈"及解决办法.