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。     

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.     

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。     

张家峁智能化煤矿巨系统关键技术研发与应用

为进一步加强传统采矿工程与新一代信息技术的不断深入融合发展，构建安全、智能、绿色、高效的煤矿，以张家峁煤矿为例介绍了智慧煤矿巨系统关键技术装备研发与示范矿井建设。以智慧煤矿总体规划及综合管理操作平台设计、智能化无人生产系统、智能化巷道掘进系统、环境感知及辅助系统、智能场区建设等为主线，进行张家峁智慧煤矿巨系统的建设。通过对煤矿5G移动通信技术，透明矿山三维管控平台关键技术，煤矿生产危险源分析预测技术，矿山采掘接续一张图集成技术，智能化无人工作面协同控制技术，环境感知及一通三防智能化技术等关键技术的应用解决了信息孤岛，提升了智能化采掘能力，提高了数据驱动决策，实现了矿区全域多源数据深度融合，生产效能、安全态势与业务流程协同优化的多维场景平衡综合分析决策，形成矿区智能化管理、高效协同运行新体系。     

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。     

智能化煤矿顶层设计研究与实践

建设智能化煤矿是实现煤炭工业转型升级和高质量发展的必由之路。针对当前我国智能化煤矿建设初级阶段缺乏体系性与前瞻性的顶层设计的现状,进行了智能化煤矿顶层设计的系统研究,阐述了智能化煤矿应分为数字融合互联,人机主动交互,主要系统自学习自决策3个阶段分区域分层次实现"物质流、信息流、业务流"的高度一体化协同,构建以人为本的智能生产与生活协调运行的综合生态圈的建设目标和阶段性任务。基于煤矿价值活动分析对智能化煤矿复杂巨系统逻辑关联进行研究和系统归并,提出以泛在网络和大数据云平台为主要支撑,以智能管控一体化系统为核心,能够实现对煤矿开拓、生产、运营全过程进行感知、分析、决策、控制的煤矿十大主要智能系统,包括:煤矿智慧中心及综合管理系统;煤矿安全高效信息网络及地下精准位置服务系统;地质保障及4D-GIS动态信息系统;巷道智能快速掘进系统;开采工作面智能协同控制系统;煤流及辅助运输与仓储智能系统;煤矿井下环境感知及安全管控系统;煤炭洗选智能化系统;固定场所无人值守智能管理系统;煤矿场区及绿色生态智能系统等的智能化煤矿建设顶层架构。通过对数据特征与关联关系研究提出智能化煤矿信息实体特征与抽取方法,并研究智能化煤矿知识图谱构建及数据交互推送方法,构建智能化煤矿数字逻辑模型;研究提出智能化煤矿"云边端"数据处理架构和三层递阶控制策略,在此基础上对煤矿智能化应用系统进行具体设计。以张家峁煤矿生产矿井智能化改造和巴拉素煤矿新建矿井全面智能化建设为典型案例进行了工程实践。     

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。     

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。     

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。     

智能矿山一体化管控平台关键技术研究北大核心

针对煤矿建设过程中存在的信息烟囱、子系统及数据割裂等问题,结合国家能源局下发的《智能化示范煤矿验收管理办法(试行)》中对综合管控平台的验收要求,提出了基于工业互联网的智能矿山一体化管控平台总体架构设计;探讨和研究了智能矿山一体化管控平台建设过程中涉及的统一数据中台、基于三维一张图的集中监测、可视化组态集中控制、多系统多数据融合联动等关键技术。在总结智能矿山一体化管控平台架构设计及关键技术内容的基础上,指出了未来智能矿山一体化管控平台建设过程中需要解决的一些关键问题和研究方向。     

马脊梁煤矿隐蔽致灾因素智能管控平台设计与应用

煤矿隐蔽致灾因素管控是智能化矿山的重要组成部分,是智能化矿山建设的优先环节。为了更加全面、准确、及时地了解和掌握影响煤矿安全的各个危险因素的变化情况,使煤矿安全生产逐步走向透明化,根据晋能控股煤业集团有限公司马脊梁煤矿(以下简称“马脊梁煤矿”)地质条件和隐蔽致灾因素现状,设计了马脊梁煤矿煤矿隐蔽致灾因素智能管控平台,介绍了该平台的总体架构设计,并详细阐述了该管控平台在马脊梁煤矿的具体应用以及应用效果。实际应用表明,隐蔽致灾因素智能管控平台的应用具有良好的社会效益和经济效益。     

神华智能矿山建设关键技术研发与示范

探讨了智能矿山的内涵,指出智能矿山是以矿山物联网为技术手段在数字矿山基础上的发展与创新,是将感知信息提炼为决策智慧、将决策智慧转化为执行能力的过程。设计了智能矿山5层架构体系并对其关键技术进行攻关,包括面向3个聚焦感知的泛在智能感知技术、面向海量感知数据的"一网一站"传输技术、面向区域矿井群的一体化软件平台研发和面向集团战略落地的业务流程标准化,实现从感知、传输、分析、决策的智能化和一体化。以锦界煤矿为示范点,展开了智能矿山示范工程建设。在示范工程实施过程中,除智能传感与集成化传输、生产过程自动化控制、矿山生产集成化系统监控、计划协同与生产执行系统外,重点强化了智能矿山体系中的"智慧"和"能力"平台建设,主要包括大数据中心和决策分析平台。实践表明,智能矿山可大幅提升生产效率、降低运营成本,是促进煤矿集团转型升级的关键举措。     

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。     

酒钢西沟矿智能矿山建设规划的编制

通过分析国内外智能矿山建设现状和发展趋势,借助于专业咨询单位的技术支持,从矿山实际出发,编制了西沟矿智能建设规划。规划分4期建设,主要围绕公共管控平台、采矿智慧生产平台、采矿智能管理平台和采矿智能化作业系统进行,明确了每一期建设的目标、内容、工期、投资等。智能矿山建设规划解决了现已建成无人值守系统和远程操控系统数据不能互联互通的问题,实现了采矿工艺主要设备的无人化和远程化操作,避免了盲目跟风、低水平建设和重复投资。规划的编制能够确保西沟矿智能矿山建设有序开展,引领助推西沟矿向大数据智能化升级转型。     

建设智能矿山云的探讨与分析

智能矿山云是包含云数据中心、云管平台、智能融合集成平台以及众多子分系统的集合,将5G通信、大数据技术、物联网技术应用于煤矿生产和决策辅助,推动煤矿装备向智能化、高端化发展,结合利用专业生产流程管控软件、数据分析软件、智能设备控制软件,各系统智能化决策和自动化协同运行,已成为煤矿提质增效的重要手段和发展趋势。     

MIM数字孪生技术在眼前山铁矿的应用实践

近年来,数字孪生技术高速发展,已经在智慧城市,智慧园区等领域取得很多进展。但是矿山行业因为矿体资源埋藏不确定性,作业地点的移动性,生产工艺的多样性的特点,使得生产流程复杂,数字孪生发展缓慢、成功案例较少。通过对地下矿山工程实际需求分析,结合智能设备、工业自动化、5G等先进装备和技术,设计并研发了MIM数字孪生平台,并在眼前山铁矿进行了成功应用。通过应用MIM数字孪生平台,该矿山实现了部分作业工序无人化或智能化,提高了企业管理效率,优化了生产设计精度,减少了作业人员数量,取得了良好效果。     

智能矿山大数据关键技术与发展研究

针对我国煤矿开采过程中数据生产量大但无法将这些数据进行有效的利用,无法为煤炭开采提供可靠的数据信息支撑等问题,研究分析了大数据技术在煤炭生产工业中的应用。介绍了智能矿山大数据的基本概念、特征及价值体现,概述了国内外智能矿山大数据研究与应用现状,分析了智能矿山大数据技术发展的驱动因素和存在的阻碍;通过分析智能矿山中的数据来源、数据集成以及数据分析应用,总结了智能矿山大数据的关键技术,如数据获取技术、数据集成与融合技术、大数据分析与挖掘、大数据的数据解析应用技术等;通过分析神东智能矿山的大数据平台架构、大数据平台的物理架构以及总体架构建设中的应用案例,提出智能矿山大数据应从矿山安全管理、生产执行、经营管理等领域进行应用研究;最后给出了我国在智能矿山建设过程中的建议。     

煤矿智能管控平台业务流程建设及其监控平台设计

为了打造车集煤矿智能矿山建设,提高车集煤矿安全生产运营水平,对煤矿智能管控平台业务流程建设及其监控平台进行了设计研究,管控平台核心业务架构主要分为设备层、控制层、生产执行层、经营管理层与决策层5个层次,重点分析了安全风险分级管控、隐患排查治理、掘进等智能管控平台业务流程建设;设计了其监控平台,主要智能监控平台主要功能、智能联动平台设计等。研究把安全生产相关子系统集成到一个平台,使生产信息业务部门横向到边,可为智能矿山建设提供安全生产的基础数据源。