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。     

煤矿智慧矿山建设策略研究

智慧矿山建设能够改变原先煤炭企业粗放发展的方式,是实现煤矿高质量发展的重要支撑。通过描述智慧矿山发展的背景,分析当前国家和地方政府关于促进智慧矿山发展出台的相关政策与取得的成就,深入剖析了煤矿智能化发展遇到的管理和技术两个方面问题,并且从设备感知层、网络传输层、数据支撑层、应用决策层四个维度构建了智慧矿山未来发展的框架,提出了实现智慧矿山高质量发展的关键技术,包括信息化网络架构、安全生产管控模式、智能决策和态势分析模式,最后提出促进智慧矿山高质量发展的对策建议。     

智慧矿山安全管控大数据平台建设探讨

结合目前的煤矿信息化建设现状,针对智慧矿山建设过程中存在的数据孤岛以及信息难以有效融合的问题,提出了一种基于大数据技术的智慧矿山安全管控大数据平台建设方案和架构体系,提出了包含感知层、平台层和应用层的三层平台架构,描述了各层级的应用场景|探讨了智慧矿山建设过程中所涉及的数据采集、存储与治理技术、风险指标体系构建技术、可视化分析展示技术、综合预测预警关键技术以及视频智能分析技术,为智慧矿山的建设提供了新的参考。     

基于层级链参考模型的智慧矿山建设问题分析

煤矿信息化进程在历经数字矿山和感知矿山两个阶段的建设后,当前正朝着以透彻感知、深度互联和智能应用为主要特征的智慧矿山迈进。本文立足于“工业4.0”的国际发展背景,按照“中国制造2025”的方针政策,借鉴德、美、日的工业化参考模型,结合煤炭行业自身特点,从顶层设计的角度提出了符合我国国情的智慧矿山建设参考模型。模型分别从活动层、组织级和价值链三个维度阐明了智慧矿山建设所涉及的基本要素及其关系。基于参考模型对智慧矿山存在的问题与现状进行了分析,并指出了未来建设中应该重点攻克的方向。     

智慧矿山系统工程与关键技术探讨

针对矿山企业生产、经营管理特点及其信息化需求,在自动化、数字化、智能化矿山的基础上阐释智慧矿山概念。基于智慧地球理念,以透彻感知、深度互联、智能应用为核心特征,通过对采矿系统工程及矿山工程价值链的分析,构建了智慧矿山系统3层架构,即物联感知层、深度互联层和智能应用层,研究了物联化、互联化和智能化涉及的关键技术及其实现路径,旨在构建智慧矿山理论框架和方法体系,为智慧矿山工程实践提供参考。     

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。     

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。     

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。     

矿山物联网的泛在特征分析与泛在能力建设

煤矿智能化是推动煤炭行业高质量发展,促进煤炭产业转型升级的核心技术支撑,矿山物联网技术的深入应用是提升煤矿数字化,实现煤矿智能化的重要基础条件。以煤矿监测监控系统为例,从传感技术与设备、子系统建设、信息化集成等方面分析了煤矿数字化建设的现状,提出了矿山物联网实现"万物感知、万物连接、万物智能"所面临的困难,包括:传感设备功耗大、稳定性不高、维护工作量大,标准规范滞后,子系统建设相对封闭、信息化集成应用受限等。结合智慧矿山的整体目标,概括了矿山物联网泛在感知、泛在连接和泛在智能的技术特性;以矿山物联网的泛在特征为主题,分析了感知的必要元素和能力,连接的必要标准和服务及智能化应用的方向。以提升矿山物联网的泛在能力,实现煤矿智慧体系为总体目标,对实现大样本感知、互联互通和应用智能等层面所需关键技术的国内外现状进行分析,指出:泛在感知的实现需要超低功耗的传感技术、位置服务技术和能量捕获技术的结合,形成无源无线、免标校的感知终端;泛在连接的实现应基于能够与位置服务结合的无线传输方式,应推进标准体系建设、形成D2D(Device to Device)的互联和D4D(Device for Device)的服务;泛在智能的实现是以泛在感知和泛在连接形成的大样本、多参量信息为基础的终端智能和区域智能。作为一种技术支撑体系,矿山物联网技术的深入应用体现在煤矿各个业务中,需要材料、微电子、机械制造、信息与通信等多种学科的前端整合。     

智能矿山一体化管控平台研究及应用

随着信息技术的不断发展,智能矿山建设成为了当前煤炭行业发展的一个重要方向。从智能矿山建设背景、智能矿山综合管控平台云管边端架构以及关键技术及应用中存在的问题三个方面进行了深入探讨。首先,介绍了智能矿山建设的背景和意义。其次,详细阐述了智能矿山综合管控平台云管边端架构,并分析了其优缺点。最后,对于关键技术及应用中存在的问题进行了概述,并提出了相应解决方法。     

智慧矿山建设架构体系及其关键技术

针对矿山信息化建设存在缺乏信息化标准、信息孤岛严重等问题,研究了智慧矿山建设的架构体系及其关键技术,提出了包括数据采集与执行层、传输层、存储层、智慧决策与控制层、展示层等5层架构体系,描述了该架构体系中各层应构建的相关系统或建设原则;探讨了智慧矿山建设涉及的空间信息技术、智慧采煤技术、真三维地质模型与集成应用技术、先进的矿用传感器技术、自动控制技术、矿山数据仓库技术、数据通信技术、组件式矿山软件、虚拟现实技术、云网融合技术、基于大数据的智能决策技术、人工智能技术等关键技术。     

基于物联网的感知矿山体系结构与关键技术研究

分析了物联网技术在矿山中应用,提出了感知矿山建设是企业经营管理模式转变的观点。采用物联网技术与矿山生产管理情况相结合的研究思路,建立了感知矿山体系结构模型,并从行业应用角度对感知矿山关键技术进行了研究和探讨。     

智能矿山车联网体系架构与关键技术

矿山车辆作为矿山生产的重要设备,其管理水平直接影响矿山生产、安全、经营管理的各个方面,应用车联网技术提升矿山车辆管理智能化水平是智能矿山建设的重要内容。为避免车联网在矿山车辆管理应用中因概念不清、目标不同、路径不同、体系架构不同、技术应用重点不同造成发展方向分散、重复建设投入、系统融合困难的问题,以智能煤矿为例,提出了矿山车联网的概念,并对其体系架构、关键技术和典型应用进行了分析探讨:首先,在回顾智能矿山和车联网发展的基础上,定义和阐述了矿山车联网的概念;然后参考车联网和矿山物联网体系结构,设计了由感知控制层、网络层、服务支持层和应用层构成的矿山车联网体系架构;综合车联网和智能矿山信息系统关键技术,分析了矿山车辆定位与监控、矿山车辆智能感知和控制、矿山车辆无线通信、矿山车联网协同计算等关键技术;最后从"人、车、环、管"4个方面出发,对矿山车辆及驾乘人员监控、矿山车辆自动驾驶及无人驾驶、基于矿山车辆的矿山安全监测、矿山车辆智能调度等矿山车联网典型应用进行了探讨。研究成果为推动车联网技术在智能矿山车辆管理中深入有序应用奠定了基础,同时丰富了矿山物联网技术内涵,为矿山物联网其他技术分支在智能矿山建设中的应用积累了经验。     

智慧矿山顶层架构设计及其关键技术

智慧矿山建设目标是在工业互联网技术的基础上,能够完成对矿山"人、机、环"数据进行精准化采集、网络化传输、规范化集成,从而实现可视化展现、自动化操作和智能化服务的矿山智慧体。目前,智慧矿山的建设主要以单一的业务逻辑为基础,较少从数据运营、技术服务和业务逻辑等多方面,深入研究智慧矿山的体系架构问题,难以实现通用性和扩展性较强的智慧矿山建设目标。为解决上述问题,基于已有智慧矿山的基本概念及内涵,在对国内外智慧矿山研究现状分析的基础上,提出智慧矿山的基本内涵及其建设原则,并引入数据标准化、网络协同化、系统一体化和技术智能化的建设理念。提出智慧矿山顶层架构体系及其关键技术。该顶层架构体系主要包括智慧矿山总体架构、业务逻辑架构、技术架构和数据架构4个部分,从总体设计、业务分析、技术实现和数据流转的不同角度,可以较为综合和全面地构建智慧矿山。之后,探讨和研究了智慧矿山顶层架构体系建设过程中涉及到的智能控制技术、通信网络技术、三维可视化技术、空间信息技术、大数据分析与挖掘技术、物联网技术、机器学习理论方法、媒体智能技术等关键智能技术。最后,在总结智慧矿山顶层架构设计及关键技术内容的基础上,指出了未来智慧矿山建设过程中需要解决的一些关键理论问题及系统设计、优化问题,为不断完善智慧矿山顶层架构的设计和智慧矿山的深入发展明确了研究方向和实现目标。     

感知矿山建设可行性预评估研究：基于模糊综合评价的实证分析

感知矿山建设是煤矿实现两化融合的重要手段,进行感知矿山建设需具备一定的实施条件。以PEST理论为指导对宏观环境进行分析,从"人、财、物、管"四个角度对矿山微观环境进行评价,构建感知矿山建设预评估体系,运用模糊综合评价法对宏微观环境进行评价,根据评价结果构建评价方格,提出感知矿山建设预评估方格论,结合实例对该理论进行了应用。     

数字信息化及自动化智能采矿技术在地下矿山的应用与发展

数字信息化、自动化智能采矿是现代矿山的发展方向,不仅能提高矿山生产整体管理水平,而且能提高矿山综合效益。矿业发达国家矿山的数字信息化及自动化智能采矿技术发展已日益完善。介绍了国外几个典型矿山应用实践,阐述了地下矿山数字信息化、自动化智能采矿的关键技术,并对矿山数字信息化、自动化智能采矿提出了几点建议,可为矿山数字化,信息化同,智能化建设提供参考。     

浅析感知矿山建设与发展——结合漳村煤矿数字化矿井感知化矿山的建设与推进

分析了漳村煤矿信息化的发展和现状,阐述了数字矿山、感知矿山、智慧矿山三种煤炭行业信息化建设概念;提出了建设感知化矿山的发展规划,列举了技术创新点,总结了十化建设模式,提出了许多新思路及新观点。     

智慧矿山“一张网”系统的建设及关键技术

智慧矿山是传统煤炭行业的最终转型模式,是驱动传统矿山工业的核心力量,为实现矿山由传统向智慧的转变,提出了智慧矿山"一张网"系统,探讨了智慧矿山"一张网"系统的内涵,提出了智慧矿山"一张网"系统的平台设计架构,该平台通过物联感知数据、大数据存储、AI智能分析应用,实现矿山拓、掘、运、选、安全生产管理等,从而达到安全、高效、绿色的矿山生产运营目标。     

翟镇煤矿智慧矿山生产模式研究与实践

针对翟镇煤矿井下综采装备落后、生产效率低、矿井运行体系复杂的问题,提出了智慧矿山生产模式,围绕煤矿八大系统,建立了智慧生产系统评价模型,分析了智慧矿山建设中八大系统的权重.在翟镇煤矿研究应用了采煤工作面无人化开采智能集控技术、掘进工作面智能化自动控制技术、矿井运输系统无人化巡检及自动控制技术、矿井生产保障系统自动化控制技术、基于数据融合的安全检测智能控制技术及智慧矿山综合信息平台与手机APP软件等,形成了智慧生产系统关键技术体系.实践证明,翟镇煤矿智慧矿山建设后,采煤效率提高了35%,掘进效率提高了30%,辅助系统高度智能、安全监控系统更加可靠,单班下井人数减少了115人,实现了煤矿生产的少人化和自动化,为我国智慧矿山建设提供了理论与技术借鉴.