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...     

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。     

基于工业元宇宙的综采工作面虚实融合运行模式初步探索

以数字孪生技术形成虚实融合的运行模式是推进智能化建设的关键，而以数字孪生为基础的工业元宇宙是智采工作面未来发展的方向。提出基于虚拟现实-数字孪生-信息物理系统-工业元宇宙的综采工作面虚实融合运行模式构想，具有展示与离线模拟、监测与辅助操作、在线模拟与预演等六大内涵特征，是逐渐由低层级的展示模拟到高层级深度融合功能的演变过程，最终具备由实到虚精准的复制映射能力、虚拟迭代的推理预测决策能力、由虚到实的复制控制能力以及虚实人机无缝协作和精益化管理四大能力。分析工业元宇宙所具备的4种能力和实现工业元宇宙的关键技术。在已有的监测、决策、控制能力的基础上融入能加强现场操作人员与远程操作人员协作能力的AR远程协助技术、能加强操作人员安全性的机器人协同技术与能在虚拟空间内利用AI驱动运行的虚拟人技术，构建了基于工业元宇宙的液压支架调架实验系统，形成工业元宇宙在煤矿开采中应用的初步认识。     

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...     

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。     

基于数字孪生的煤矿智能管控平台架构研究与实现

为完成煤矿智能化升级转型，对煤矿智能开采现状进行了分析，提出基于数字孪生的煤矿智能管控平台的概念。该平台以数字孪生技术为核心，结合GIS、建模、仿真等关键技术，融合应用物联网、大数据、云计算及人工智能，赋予数据空间维度信息，使数字矿山与物理矿山之间进行实时交互，忠实地复现物理矿山整个生命周期的运行状态与轨迹，推动煤矿传统生产全面升级，向数字化、智能化转型。实际应用测试表明，该平台提高了煤矿数据采集、存储、传输和分析的能力，降低了安全事故发生概率，能有效为数字孪生和智能管控煤矿生产各个环节的深度融合提供服务。     

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。     

基于数字孪生和数据驱动的新型煤矿智能支护监控系统设计

煤矿支护严重影响着煤矿安全生产与高效开采,很多研究集中在采掘设备上,对煤矿支架的智能化研究不足。鉴于此,本文从虚拟现实的概念出发,基于数字孪生和数据驱动的先进理念,构建了新型煤矿智能支护监控系统。将"ANSYS"与"Unity3D"2种软件进行有效耦合,提出了数字孪生和数据驱动耦合的液压支架智适应调整方案,该方法是一种虚拟现实技术在煤矿机械中的具体示范应用,可以指导完成在虚拟环境下综采工作面支护监测与动态规划。根据真实物理场景数据,在虚拟空间中对支架的调整进行演化,并根据演化结果指导真实场景,避免了支架调整过程中可能造成的不良效果。为液压支架的联动仿真和虚拟状态安全监测与控制提供了理论支持和应用的新思路。     

基于精确大地坐标的煤矿透明化智能综采工作面自适应割煤关键技术研究及系统应用

目前煤矿智能综采工作面存在生产环境状态不透明、成套装备难以应对煤层起伏变化、信息化与智能化集成度不高等问题,其系统的适应性和实用性受到影响。具体而言,主要是缺乏基于地理信息系统的可视化数字孪生管控平台,无法实现基于统一大地坐标驱动的透明化工作面的自适应割煤。为突破相关技术难题,提出并研究了测量机器人大地坐标传导、透明化工作面系统建立和动态修正、5G通信、采煤机与地质模型的自适应耦合以及基于时态地理信息系统（TGIS）的“一张图”一体化管控平台等多项关键技术,完成了多维可视化软件系统的开发与硬件系统的高度集成,实现了：(1)采煤机、刮板输送机等固定或移动目标点达毫米或厘米级的精确定位;(2)三维地测模型、设备模型、开采环境与工业控制之间的基于逻辑关系的一体化集成和数字孪生系统的构建;(3)综采工作面采煤机、视频、惯导、测量机器人和地质雷达等信息的可靠、实时传输;(4)为地面调度指挥控制中心的远程决策和智能自适应控制提供了可视化管控环境。系统已经成功应用于临沂矿业集团菏泽煤电郭屯煤矿3301,2305两个工作面,初步实现了较为复杂地质条件下的智能化自适应开采和地面远程管控。     

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。     

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。     

智慧煤矿信息逻辑模型及开采系统决策控制方法

针对数字矿山向智慧矿山发展过程中信息关联层次不清晰、框架结构不完善、缺少智能决策依据及有效控制方法的问题,提出了智慧煤矿信息逻辑模型,基于本体和语义网技术建立了煤矿多源、异构关系数据的信息"实体"和虚实映射机理,提出基于知识需求模型的信息实体主动匹配与推送策略,构建基于开采行为预测推理的智慧逻辑模型进化机制,形成了层级清晰、结构明确、全面覆盖的智慧煤矿信息模型;构建了综采设备群空间位姿关系模型,提出了考虑随机误差的强耦合设备群空间坐标统一描述及各设备关联坐标系转换方法,建立了多参量融合分析和评估的开采环境-生产系统耦合关系模型,为煤矿装备位姿控制及智能决策提供支撑;给出了时变多因素影响下的开采设备群全局最优规划和分布式协同控制方法。将综采设备群全局最优规划归结为一个二次积分模型的燃料最优规划问题,提出了基于多模态控制的综采设备群全局最优推进路径规划及控制策略,可兼顾开采条件、设备能力、工艺流程及能量消耗,确保生产成本、效率的有效改善。给出了同时考虑环境干扰和传感器数据时延特性的液压支架群组分布式协同控制方法。上述基础架构和数学模型为深层次挖掘智慧煤矿海量信息之间的关联关系、解决大数据环境下开采系统的最优化协同控制、实现复杂地质条件下连续稳定开采提供了基础理论支撑,可有效推动智慧煤矿技术的发展。     

建庄矿业三维可视化管理系统研究

建庄矿业通过数字孪生构建三维可视化管理系统,采用3DGIS、视频融合等技术建立实时动态的煤矿三维地质模型、巷道模型和机电设备模型、开采环境等模型,在管理系统中集成安全监测、人员定位、视频监控、供电、工作面系统等工况数据,实现数据实时共享与更新。三维可视化管理系统能够提升智能矿井安全保障能力、生产运行效率,同时为生产集中控制系统及安全集中控制系统的数字孪生智慧煤矿“一张图”管理提供有力支撑。     

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.     

基于数字孪生的智慧煤矿安全管控平台研究

为有效整合煤矿信息化系统数据,提升煤矿安全风险综合管控水平,提出了基于数字孪生的智慧煤矿安全管控平台理念,设计了数据感知层、平台组件层和应用服务层的系统架构,分析了平台构建所需的关键技术,构建了监测信息管理、风险综合研判、风险管控决策专家库和安全风险综合展现4个子系统。研究结果表明：基于数字孪生的智慧煤矿安全管控平台符合智慧煤矿建设理念,提升了信息数据整合程度,对挖掘煤矿安全关键风险、提升煤矿安全综合管控水平具有重要的实践价值。     

云冈煤矿8615-1工作面采动裂隙演化规律研究

根据云冈煤矿8615^-1大采高工作面煤层赋存情况和开采技术条件,构建FLAC^3D数值模型,通过设置边界条件,研究了厚煤层大采高工作面随着开采距离不断增加采场上覆岩层的应力场、位移场和围岩破坏规律。研究结果能够指导厚煤层大采高工作面开展采场围岩控制。     

新形势下超大采高综采工作面安全管控模式的探讨

随着我国大采高综采开采技术水平的不断提高,超大采高工作面相继出现,但随着采高的不断增加,带来工作面矿压显现加剧、工作面片帮严重、粉尘浓度超标、人员更换设备零部件难度加大等突出问题。以补连塔煤矿12513工作面为工程背景,在分析超大采高工作面实际条件和管控难点基础上,研究出了新形势下“人-机-环-管”安全管控模式。通过实践运用,补连塔煤矿12513工作面设备平均开机率94. 4%,回采率97. 2%,总产量达885. 96万t,实现了12513超大采高综采工作面安全回采的目标。     

浅埋煤层工作面开采覆岩应力场-裂隙场时变演化规律研究

为研究采煤工作面上覆岩层采动应力演化特征及破断过程，以高家梁煤矿40101工作面开采为例，建立数值模型，对工作面开采过程中应力场-裂隙场演化规律进行模拟。结果表明：利用莫尔-库伦准则分析最大主应力与最小主应力差值的变化规律可以判断岩层垮落、破坏之间的关系，通过数值模拟结果与现场实测结果进行比对，可以验证工作面开采过程中裂隙场与应力场时变演化的正确性。     

矿井提升系统数字孪生快速建模方法研究

矿井提升系统的安全可靠运行对整个矿井的生产至关重要。为实现矿井提升系统的单点全域可视化与虚拟远程协同联动控制，解决传统多点视频监控只能覆盖个别关键部件，信息获取不全面的难题，结合工业传感、人工智能、快速建模、云存储等技术构建了集监测、控制、服务等功能于一身的矿井提升系统数字孪生框架，并以此为基础，提出了多维多尺度数字孪生快速建模方法。通过三维激光扫描技术与滤波、泊松三维重建等点云处理算法构建矿井提升系统的大尺度几何模型；使用工业传感网络、PLC数据读取转换技术，建立海量数据下的矿井提升系统行为模型；结合数据库技术、领域专家知识与案例，构建矿井提升系统故障知识模型。以某矿提升系统为应用场景，进行了多维多尺度数字孪生快速建模试验，获得了如下效果：几何建模效率相比传统CAD软件建模提高93%，极大程度上还原了真实场景；行为建模方法在不新增传感器和不停机的情况下实现了对真实体行为的映射，节约了大量成本，实时性强；以Unity3D软件为基础编写脚本，使几何模型、行为模型与知识模型深度融合，以几何模型的高真实度部件级模型为基础进行行为模型的同步与演绎，可以实现虚实系统间无延时的协同联动，同时通过实...     

基于安全风险双预控的近距离煤层群瓦斯抽采达标评判指标优化

《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》分别从采前和采煤过程2个不同的生产阶段对工作面瓦斯进行风险管控,给出了相应的瓦斯抽采效果评判指标,实现了采煤工作面全过程的瓦斯风险管控。但是现行的采前瓦斯抽采效果评判指标未充分考虑高瓦斯煤层群的开采特点,风险预控的效用相对较低,主要依靠采煤期间的工作面瓦斯抽采率等过程管控指标来控制风险,高瓦斯煤层群开采工作面的瓦斯风险管控存在薄弱环节。为提高高瓦斯煤层群开采工作面的瓦斯风险预控效用,基于安全风险双预控基本要求,经过剖析乌达矿区近距离煤层群瓦斯涌出特点,提出了适用于高瓦斯近距离煤层群开采条件下的工作面采前瓦斯预抽效果评判指标。实践表明,采用该指标进行评判后,工作面生产期间瓦斯涌出量大幅下降,起到了良好的风险预控作用。