本文摘要：摘要：礦山信息化建設(shè)在經(jīng)歷了單機(jī)自動(dòng)化、綜合自動(dòng)化、數(shù)字礦山幾個(gè)階段之后，在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的推動(dòng)下，正朝著礦山智能化和智慧礦山的方向發(fā)展。以數(shù)字孿生技術(shù)為核心，圍繞礦山生產(chǎn)場(chǎng)景和智能裝備的知識(shí)服務(wù)體系是智慧礦山下一步需要重點(diǎn)研究的方向
摘要：礦山信息化建設(shè)在經(jīng)歷了單機(jī)自動(dòng)化、綜合自動(dòng)化、數(shù)字礦山幾個(gè)階段之后，在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的推動(dòng)下，正朝著礦山智能化和智慧礦山的方向發(fā)展。以數(shù)字孿生技術(shù)為核心，圍繞礦山生產(chǎn)場(chǎng)景和智能裝備的知識(shí)服務(wù)體系是智慧礦山下一步需要重點(diǎn)研究的方向。首先回顧了礦山信息化技術(shù)的發(fā)展，然后分析了智慧礦山的核心關(guān)鍵技術(shù)，從智能感知與智能裝備、邊緣計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、數(shù)字孿生知識(shí)建模、平臺(tái)與應(yīng)用系統(tǒng)4個(gè)方面進(jìn)行闡述。智能傳感裝置和智能裝備的不斷涌現(xiàn)，為智慧礦山前端感知和執(zhí)行提供了基礎(chǔ)，而即時(shí)的感知、分析和決策是智能裝備自治、自主工作的前提;隨著邊緣網(wǎng)關(guān)計(jì)算能力的提升，需要設(shè)計(jì)面向應(yīng)用場(chǎng)景的輕量級(jí)算法模型和高效云邊協(xié)同機(jī)制，以滿(mǎn)足智能裝備即時(shí)服務(wù)的需求，同時(shí)，圍繞5G的通信技術(shù)在礦山的應(yīng)用，將進(jìn)一步提升知識(shí)服務(wù)的快速響應(yīng)能力;礦山運(yùn)行機(jī)理、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、大數(shù)據(jù)分析與數(shù)字孿生建模技術(shù)融合的礦山生產(chǎn)場(chǎng)景可信數(shù)字孿生模型，將成為智慧礦山知識(shí)服務(wù)的核心;面向大數(shù)據(jù)和知識(shí)模型的平臺(tái)技術(shù)是礦山數(shù)字孿生和智能化服務(wù)的載體，大數(shù)據(jù)高效存取、分析和利用能夠有效的促進(jìn)礦山智能化應(yīng)用服務(wù)的融合。礦山數(shù)字孿生及相關(guān)智能化技術(shù)的突破，將實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山物理世界實(shí)時(shí)可測(cè)、可觀、準(zhǔn)確控制、精確管理和科學(xué)決策，從而建立少人化或無(wú)人化的礦山生產(chǎn)模式，為智慧礦山的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：智慧礦山;物聯(lián)網(wǎng);數(shù)字孿生;人工智能;大數(shù)據(jù)
礦山信息化建設(shè)在經(jīng)歷了單機(jī)自動(dòng)化、綜合自動(dòng)化、數(shù)字礦山幾個(gè)階段之后，在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等技術(shù)的推動(dòng)下，正朝著礦山智能化和智慧礦山的方向發(fā)展。綜合自動(dòng)化礦山階段主要解決了礦山數(shù)字化、監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)與信息孤島問(wèn)題，就煤礦生產(chǎn)流程而言，基本完成了智能礦山的建設(shè)工作，在環(huán)境條件允許的情況下，可實(shí)現(xiàn)局部的少人化和無(wú)人化控制。
智慧的前提條件是礦山生產(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)均可測(cè)、可觀、可控，也就是要形成面向生產(chǎn)各環(huán)節(jié)透明化的知識(shí)服務(wù)體系。以煤炭行業(yè)為例，從目前取得的成果來(lái)看，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到透明礦山的要求，這是制約智慧礦山發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。黑色或灰色(不透明)礦山的問(wèn)題，制約我們?cè)谝话闱闆r下仍需依靠較多人力維持正常的安全生產(chǎn)，導(dǎo)致礦山重大事故時(shí)有發(fā)生，解決礦山運(yùn)行狀態(tài)知識(shí)建模與服務(wù)的問(wèn)題迫在眉睫。要解決這一問(wèn)題就是要解決上述可測(cè)、可觀和可控問(wèn)題。
在可測(cè)方面，物聯(lián)網(wǎng)礦山技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)解決和優(yōu)化了大量相關(guān)難題，可以滿(mǎn)足目前安全生產(chǎn)的基本需求，下一步需要重點(diǎn)研究智能裝置和裝備自治、自主化工作相關(guān)技術(shù)，并進(jìn)行新型檢測(cè)機(jī)理和檢測(cè)裝置的研究;可觀問(wèn)題就是要結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)礦山安全生產(chǎn)、指揮調(diào)度與管理各個(gè)方面，如人、機(jī)、環(huán)、管等被控對(duì)象進(jìn)行物理與虛擬融合建模，通過(guò)建立的模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)被控對(duì)象的狀態(tài)及其演化規(guī)律的可觀，這個(gè)可觀不僅僅對(duì)人，更重要的是讓機(jī)器能夠自動(dòng)理解，做到機(jī)器可觀。
在建模過(guò)程中，需要采礦、機(jī)械和信息等領(lǐng)域的專(zhuān)家密切協(xié)同，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的統(tǒng)一語(yǔ)義描述，需要?jiǎng)?chuàng)建礦山領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)和礦山數(shù)字孿生模型，這將是智慧礦山建設(shè)的核心�？煽貑�(wèn)題是在可觀的基礎(chǔ)上，也就是在掌握(自動(dòng)化解析)傳感數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)等多模態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用知識(shí)庫(kù)和礦山數(shù)字孿生模型各種知識(shí)進(jìn)行推理，采用機(jī)器人或機(jī)器人化的裝置裝備實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器自治協(xié)同的全流程自動(dòng)控制，最終形成少人化或無(wú)人化的智慧礦山。
1礦山信息化發(fā)展歷程
礦山信息化發(fā)展，歷經(jīng)了單機(jī)(單系統(tǒng))自動(dòng)化、綜合自動(dòng)化、數(shù)字礦山階段，礦山物聯(lián)網(wǎng)和礦山智能化技術(shù)近年來(lái)得到快速的發(fā)展和應(yīng)用，礦山信息化技術(shù)正朝著智慧礦山的目標(biāo)發(fā)展[1]，在礦山生產(chǎn)過(guò)程中不斷融合新興技術(shù)，提高礦山生產(chǎn)的智能化水平，從而實(shí)現(xiàn)礦山無(wú)人化或少人化[23]。
1.1單機(jī)(系統(tǒng))自動(dòng)化
1984年煤炭工業(yè)部通信信息中心成立，宣示了中國(guó)煤礦信息化建設(shè)正式開(kāi)啟，我國(guó)煤礦進(jìn)入單機(jī)自動(dòng)化階段。PLC在礦用設(shè)備上的成功應(yīng)用解決了傳統(tǒng)控制器占用空間大、成本高等問(wèn)題;現(xiàn)場(chǎng)總線的連接方式提升了礦用設(shè)備控制的可靠性，減少了設(shè)備的停機(jī)時(shí)間[4]。單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)存在很多問(wèn)題需要進(jìn)一步解決，如模擬信號(hào)只能在本地采集、處理并直接用于就地控制;有線網(wǎng)絡(luò)通信是信號(hào)傳輸?shù)奈ㄒ环绞剑飨到y(tǒng)之間難以進(jìn)行信息交換。此時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重制約了煤礦自動(dòng)化的發(fā)展，造成多臺(tái)上位機(jī)共存的場(chǎng)景，形成子系統(tǒng)信息孤島的格局，導(dǎo)致全礦信息不能共享[56]。
1.2綜合自動(dòng)化
2000年后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)得到飛速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)各煤礦系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通奠定了基礎(chǔ)[7]，得益于此，我國(guó)煤礦進(jìn)入了綜合自動(dòng)化時(shí)期。無(wú)線傳感器技術(shù)極大擴(kuò)展了各類(lèi)傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景，豐富了各類(lèi)信息的采集[8]。工業(yè)以太網(wǎng)以其強(qiáng)大的通信速率和信道容量將各子系統(tǒng)連接在一起，完成了各子系統(tǒng)的信息交互，解決了子系統(tǒng)信息孤島問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了全礦信息的融合分析處理[9]。但是傳感器與各種裝備沒(méi)有聯(lián)網(wǎng)，只能用于本系統(tǒng)中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的協(xié)同控制;采集到的傳感器信息也只是簡(jiǎn)單地處理，數(shù)據(jù)并沒(méi)有得到有效利用，亟需高效的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的融合處理。
1.3礦山物聯(lián)網(wǎng)
礦山物聯(lián)網(wǎng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)中，進(jìn)一步提高礦山開(kāi)采的無(wú)人化和自動(dòng)化水平[10]。礦山物聯(lián)網(wǎng)是綜合實(shí)時(shí)感知、網(wǎng)絡(luò)通信和動(dòng)態(tài)控制等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)礦山物與物、人與物之間的信息傳遞與控制。智能傳感器除了對(duì)物理世界進(jìn)行感知，還搭載了用于數(shù)據(jù)處理的嵌入式芯片，使得設(shè)備從自動(dòng)化向智能化過(guò)度;高速通信網(wǎng)絡(luò)連接生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián);智能算法挖掘大數(shù)據(jù)的潛藏信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策。但是人工智能技術(shù)發(fā)展水平有待提高，設(shè)備的智能化程度較低，礦用物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品極少，不能滿(mǎn)足礦山智能化生產(chǎn)的需求。
1.4礦山智能化
礦山智能化是智慧礦山的中級(jí)階段。礦用機(jī)器人技術(shù)和通信技術(shù)還在普及應(yīng)用，以人工智能和大數(shù)據(jù)為代表的新興技術(shù)也融入其中，推動(dòng)礦山向智能化，智慧化發(fā)展[11]。將人工智能和自動(dòng)化、機(jī)器人化技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)復(fù)雜流程的自動(dòng)化，進(jìn)一步簡(jiǎn)化人工操作。5G通信技術(shù)為云平臺(tái)提供了通訊基礎(chǔ)，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)在云端的應(yīng)用為礦山分析決策、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制提供了新的渠道。但是裝備的智能化水平還需要進(jìn)一步提高，信息的語(yǔ)義化描述沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，信息通信技術(shù)和傳統(tǒng)礦山技術(shù)的融合應(yīng)用還停留在初步階段。立足于此，我們可以設(shè)想未來(lái)礦山智能化發(fā)展的高級(jí)階段智慧礦山。
1.5智慧礦山
文獻(xiàn)[12]給出了智慧煤礦的定義：智慧煤礦是基于現(xiàn)代煤礦智能化理念，將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動(dòng)控制、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人化裝備等與現(xiàn)代礦山開(kāi)發(fā)技術(shù)深度融合，形成礦山全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井開(kāi)拓、采掘、運(yùn)通、分選、安全保障、生態(tài)保護(hù)、生產(chǎn)管理等全過(guò)程的智能化運(yùn)行。
在智慧礦山階段，智慧物和自動(dòng)化機(jī)器人得到了廣泛應(yīng)用;云端計(jì)算和邊緣計(jì)算能有機(jī)融合在一起，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)據(jù)的高效處理;以大數(shù)據(jù)和人工智能為基礎(chǔ)的各類(lèi)智慧應(yīng)用能夠滿(mǎn)足礦山的日常生產(chǎn)需求。各類(lèi)傳感器是智慧礦山的信息來(lái)源，需要進(jìn)一步升級(jí)優(yōu)化以此來(lái)滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的智能化應(yīng)用需求;大量智慧體和各級(jí)子系統(tǒng)均接入到云平臺(tái)，需要提供高效的智能決策方案，以實(shí)現(xiàn)各部分協(xié)同工作。
2智慧礦山核心關(guān)鍵技術(shù)
結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，智慧礦山將會(huì)是信息化、自動(dòng)化和智能化的高度融合，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)礦山關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的無(wú)人化或少人化。礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了礦山物的智能連接，使得“人機(jī)環(huán)”感知信息能夠有效的匯集，各類(lèi)礦山大數(shù)據(jù)平臺(tái)的涌現(xiàn)解決了礦山“人機(jī)環(huán)”感知數(shù)據(jù)的高效管理和存取問(wèn)題。數(shù)字孿生技術(shù)建立了虛實(shí)融合和知識(shí)生成機(jī)制，可以將現(xiàn)有的礦山機(jī)理模型、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和礦山“人機(jī)環(huán)”大數(shù)據(jù)有機(jī)融合，為礦山“人機(jī)環(huán)”狀態(tài)判識(shí)與智能協(xié)同管控提供知識(shí)服務(wù)。礦山數(shù)字孿生模型以及圍繞孿生模型的智能化數(shù)據(jù)分析算法將成為智慧礦山下一步需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。
(1)感知層與智能裝置/裝備，分布式、光纖光柵、激光、MEMs等低功耗等新型傳感技術(shù)的發(fā)展拓寬了礦山物聯(lián)網(wǎng)的感知邊界，可以在線的獲取到更多的安全隱患尤其是隱蔽災(zāi)害的探測(cè)數(shù)據(jù);智能傳感器裝置的研發(fā)和應(yīng)用，使得傳感器節(jié)點(diǎn)具備了在線計(jì)算、狀態(tài)自診斷、網(wǎng)絡(luò)自治等能力，提升了終端節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)處理和反饋調(diào)節(jié)的效率;機(jī)器人化智能化的礦山裝備為礦山生產(chǎn)系統(tǒng)的智能調(diào)度、協(xié)同控制、少人化、無(wú)人化提供了基礎(chǔ);智能傳感和智能裝備技術(shù)是礦山數(shù)據(jù)孿生技術(shù)體系中的物理基礎(chǔ)。
(2)邊緣智能與網(wǎng)絡(luò)層，隨著各類(lèi)邊緣分站和智能網(wǎng)關(guān)算力的提升，輕量級(jí)數(shù)字孿生模型得以在邊緣節(jié)點(diǎn)卸載，結(jié)合輕量級(jí)算法模型的應(yīng)用，可以很大程度提高各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的效率和反饋?lái)憫?yīng)的及時(shí)性;融合通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一接入，可以解決智能裝置/裝備的快速連接發(fā)現(xiàn)、高效連接管理和在線透明交換問(wèn)題;5G技術(shù)在礦山的應(yīng)用可以解決“人機(jī)環(huán)”感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高效傳輸問(wèn)題，尤其是采掘工作面等有線連接受限的場(chǎng)景，提高了無(wú)線通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。
(3)數(shù)字孿生與算法模型層，隨著硬件、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)不斷演進(jìn)升級(jí)，圍繞礦山生產(chǎn)過(guò)程的知識(shí)發(fā)現(xiàn)和知識(shí)服務(wù)成為智慧礦山發(fā)展的瓶頸。數(shù)字孿生可以實(shí)現(xiàn)礦山物理實(shí)體狀態(tài)演化規(guī)律到虛擬實(shí)體的映射，通過(guò)虛實(shí)融合演進(jìn)的狀態(tài)分析模式，可以建立機(jī)理模型、自然規(guī)律、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、數(shù)據(jù)特征相融合的礦山知識(shí)服務(wù)體系，從而達(dá)到對(duì)礦山物理世界實(shí)時(shí)可測(cè)、可觀、準(zhǔn)確控制、精確管理和科學(xué)決策的目的，將成為未來(lái)智慧礦山發(fā)展的技術(shù)核心。礦山數(shù)字孿生模型的建立需要礦山物理實(shí)體相關(guān)的機(jī)理模型、人工智能算法模型、大數(shù)據(jù)分析、虛擬仿真等技術(shù)的支撐。
(4)智能化應(yīng)用服務(wù)層，結(jié)合礦山生產(chǎn)環(huán)境孿生模型和孿生交互服務(wù)機(jī)制，融合獨(dú)立分散的礦山安全監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，構(gòu)建統(tǒng)一的礦山安全態(tài)勢(shì)分析平臺(tái)�；诘V山生產(chǎn)場(chǎng)景孿生模型和生產(chǎn)過(guò)程推理算法，結(jié)合工作流技術(shù)以及智群計(jì)算理論，研發(fā)面向多生產(chǎn)場(chǎng)景的礦山安全生產(chǎn)智能調(diào)度服務(wù)系統(tǒng);基于礦山設(shè)備狀態(tài)孿生分析模型，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、智能診斷與協(xié)同控制技術(shù)，建立礦山“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、供電、排水、輔助運(yùn)輸”等裝備系統(tǒng)的狀態(tài)在線診斷與協(xié)同管控平臺(tái)。
2.1智能傳感與智能裝備
可靠穩(wěn)定的傳感數(shù)據(jù)，是礦山智能化建設(shè)的基礎(chǔ)，通過(guò)光學(xué)、MEMs、無(wú)線智能、能量自動(dòng)捕獲等傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線感知邊界的拓展和傳感數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定獲取是智慧礦山傳感層需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵技術(shù)。智能化機(jī)器人化的裝備技術(shù)是智慧礦山生產(chǎn)執(zhí)行的載體，需要重點(diǎn)研究采掘裝備智能化無(wú)人化控制技術(shù)，通風(fēng)、壓風(fēng)、提升、排水、供電、皮帶運(yùn)輸?shù)鹊V山大型設(shè)備高效可靠運(yùn)行與預(yù)測(cè)性維護(hù)機(jī)制，生產(chǎn)輔助機(jī)器人作業(yè)環(huán)境感知建模與自主調(diào)控技術(shù)等內(nèi)容。
2.2礦山數(shù)字孿生建模技術(shù)
礦山不斷新增的傳感器和平臺(tái)積累的海量生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，為礦山生產(chǎn)安全知識(shí)的孕育奠定了基礎(chǔ)，需要一套能夠反應(yīng)礦山生產(chǎn)規(guī)律、跟蹤生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備環(huán)境狀態(tài)演化、并與生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行智能交互的知識(shí)服務(wù)體系來(lái)支撐下一步的礦山智能化建設(shè)[25]。面向礦山生產(chǎn)要素的數(shù)字孿生建模方法、數(shù)字孿生模型之間的交互機(jī)制、以及圍繞數(shù)字孿生模型的深度數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)可以為礦山安全生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)再現(xiàn)、預(yù)測(cè)分析、交互演繹提供支撐。礦山數(shù)字孿生建模技術(shù)需要結(jié)合礦山運(yùn)行機(jī)理和特點(diǎn)，重點(diǎn)研究圍繞礦山“人機(jī)環(huán)”生產(chǎn)要素的孿生模型設(shè)計(jì)方法，面向生產(chǎn)場(chǎng)景的孿生建模方法與交互機(jī)制，以及礦山數(shù)字孿生虛擬模型設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)深度融合分析方法等內(nèi)容。
2.2.1礦山安全生產(chǎn)中的數(shù)字孿生模型
數(shù)字孿生技術(shù)中提出了物理實(shí)體、虛擬空間建模和虛實(shí)融合交互機(jī)制的知識(shí)建模方法，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于煤礦“人、機(jī)、環(huán)、管”各環(huán)節(jié)，進(jìn)行多學(xué)科交叉融合，促進(jìn)人、機(jī)智能協(xié)同，有助于解決礦山生產(chǎn)過(guò)程的精準(zhǔn)控制和各種災(zāi)害的預(yù)警防控問(wèn)題[26]。MichaelGrieves給出了數(shù)字孿生的3個(gè)組成部分：物理空間的實(shí)體產(chǎn)品、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品、物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口。目前，最常用的是五維數(shù)字孿生模型[27]，即包含物理實(shí)體、虛擬模型、服務(wù)、數(shù)據(jù)、連接等五個(gè)方面，據(jù)此，我們可以設(shè)計(jì)礦山數(shù)字孿生的基本模型構(gòu)成。
2.2.2面向礦山生產(chǎn)場(chǎng)景的數(shù)字孿生
建模技術(shù)礦山生產(chǎn)場(chǎng)景復(fù)雜多變，涉及到的設(shè)備種類(lèi)多，又面臨與采動(dòng)環(huán)境的耦合問(wèn)題[30]，結(jié)合數(shù)字孿生的五維模型，礦山生產(chǎn)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)孿生模型建立涉及多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，需要礦山運(yùn)行機(jī)理、礦山安全、CPS、大數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)化控制等理論與技術(shù)的深度融合[31]。
2.2.3礦山數(shù)字孿生虛擬模型構(gòu)建方法
礦山生產(chǎn)過(guò)程中涉及到復(fù)雜設(shè)備系統(tǒng)和地質(zhì)環(huán)境的變化，虛擬模型以數(shù)字化的方式創(chuàng)建物理實(shí)體的映射，虛擬模型的對(duì)物理實(shí)體靜態(tài)屬性和動(dòng)態(tài)演化過(guò)程的真實(shí)表達(dá)成為礦山生產(chǎn)場(chǎng)景數(shù)字孿生建模的關(guān)鍵[34]。借助于對(duì)物理實(shí)體運(yùn)行機(jī)理、演化規(guī)律、變化規(guī)則的分析，通過(guò)仿真模擬、多源信息感知、虛實(shí)融合交互、深度數(shù)據(jù)分析、反饋優(yōu)化調(diào)節(jié)等技術(shù)，可以促進(jìn)虛擬模型與物理實(shí)體之間的融合與交互，提高數(shù)字孿生建模的可信度和判識(shí)、預(yù)測(cè)分析能力[35]。以采煤機(jī)截割系統(tǒng)為例，采煤機(jī)截割系統(tǒng)由截割電動(dòng)機(jī)、截割傳動(dòng)系統(tǒng)、截割滾筒和液壓系統(tǒng)等組成，是多級(jí)傳動(dòng)與控制機(jī)構(gòu)耦合的結(jié)構(gòu)，同時(shí)面臨煤巖界面變動(dòng)、噴淋、閃石等復(fù)雜環(huán)境，是采煤機(jī)最容易產(chǎn)生故障的部位。建立截割系統(tǒng)的數(shù)字孿生體有利于實(shí)現(xiàn)截割系統(tǒng)狀態(tài)的在線評(píng)估和截割系統(tǒng)的全周期生命管理。
2.3邊緣計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層
隨著感知邊界的拓展和前端感知信息的急劇增加，基于5G的融合通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將為礦山感知信息的高效傳輸和交互提供基礎(chǔ)支撐。隨著現(xiàn)場(chǎng)硬件計(jì)算能力的提升和智能化應(yīng)用技術(shù)的下沉，邊緣計(jì)算裝置將成為礦山安全生產(chǎn)感知和快速?zèng)Q策響應(yīng)的重要載體，結(jié)合融合通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，需要重點(diǎn)研究輕量化邊緣計(jì)算算法、邊緣計(jì)算卸載技術(shù)以及云邊協(xié)同服務(wù)模式。
2.4礦山大數(shù)據(jù)分析與智能化應(yīng)用服務(wù)
針對(duì)礦山各系統(tǒng)多源海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，礦山大數(shù)據(jù)平臺(tái)需要設(shè)計(jì)高可靠、大容量、快速存取、彈性部署、易拓展的分布式存儲(chǔ)架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)過(guò)程大數(shù)據(jù)的高效泛在存取;統(tǒng)籌管理多場(chǎng)景異構(gòu)數(shù)據(jù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)知識(shí)挖掘引擎，支撐礦山上層多元化應(yīng)用。通過(guò)構(gòu)建云交互式服務(wù)平臺(tái)，解決礦山深層應(yīng)用中數(shù)據(jù)綜合管控的痛點(diǎn)，打通數(shù)字礦山多元異構(gòu)數(shù)據(jù)通信壁壘，實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)分布式安全可靠協(xié)同，建立礦山智能化應(yīng)用服務(wù)體系。
以“人機(jī)環(huán)”數(shù)字孿生模型和狀態(tài)感知理論為基礎(chǔ)，建立場(chǎng)景化的礦山“人機(jī)環(huán)”安全狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析算法模型，研發(fā)統(tǒng)一的礦山安全態(tài)勢(shì)分析平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)再現(xiàn)、演化分析和智能交互服務(wù)。基于礦山生產(chǎn)場(chǎng)景孿生模型，結(jié)合工作流技術(shù)以及智能計(jì)算理論，面向多種生產(chǎn)場(chǎng)景，研發(fā)資源驅(qū)動(dòng)的礦山安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)，可以解決礦山安全生產(chǎn)過(guò)程中的資源優(yōu)化配置和任務(wù)智能調(diào)度問(wèn)題。
在此基礎(chǔ)上，建立礦山安全生產(chǎn)過(guò)程中的“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、供電、排水、輔助運(yùn)輸”等裝備與系統(tǒng)的協(xié)同管控平臺(tái)。在采掘工作面設(shè)備自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)上，基于采掘工作面生產(chǎn)運(yùn)行機(jī)制以及設(shè)備環(huán)境相關(guān)的數(shù)字孿生模型，集成工作面環(huán)境和設(shè)備多源在線感知信息，研發(fā)工作面液壓支架、采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)膠帶機(jī)等綜采、綜掘設(shè)備的自主決策控制與智能協(xié)同聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)采掘工作面的智能化無(wú)人化控制。
結(jié)語(yǔ)
基于數(shù)字孿生的礦山生產(chǎn)場(chǎng)景知識(shí)服務(wù)體系是智慧礦山不可或缺的重要組成部分，也是核心關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題之一。結(jié)合數(shù)字孿生、智能傳感與裝備、邊緣計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山“人、機(jī)、環(huán)、管”等各環(huán)節(jié)的知識(shí)建模和知識(shí)服務(wù)，可以提升對(duì)礦山的安全、生產(chǎn)及管理狀態(tài)及其演化規(guī)律把控能力，達(dá)到對(duì)礦山物理世界實(shí)時(shí)可測(cè)、可觀、準(zhǔn)確控制、精確管理和科學(xué)決策的目的�？梢詮母旧细淖兡壳暗V山安全生產(chǎn)和管理上存在的問(wèn)題，大大提高礦山重大災(zāi)害事故的預(yù)測(cè)預(yù)警與防控的能力，以及生產(chǎn)過(guò)程的自治化和自主化運(yùn)行管控水平�？梢酝七M(jìn)少人化或無(wú)人化技術(shù)在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用，從根本上加快智慧礦山的進(jìn)程。
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作者：丁恩杰1,2,3，俞嘯1,2,3,*，夏冰1,2,3，趙小虎1,2,3，張達(dá)4，劉統(tǒng)玉5，王衛(wèi)東6
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