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    煤炭人訊：為了進(jìn)一步提高煤礦井下智能化采煤工作面系統(tǒng)自主運(yùn)行和人機(jī)交互能力，達(dá)到真正的無人化開采境界，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）葛世榮教授團(tuán)隊(duì)提出了數(shù)字孿生智采工作面系統(tǒng)（Digital Twin Smart Mining Workface）的概念、架構(gòu)及構(gòu)建方法，通過融合應(yīng)用5G通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和仿生智能技術(shù)，從而搭建一個(gè)智采工作面的數(shù)字孿生遠(yuǎn)程操作平臺。成果以《數(shù)字孿生智能采煤工作面技術(shù)架構(gòu)研究》為題于4月13日在《煤炭學(xué)報(bào)》網(wǎng)絡(luò)首發(fā)。

智采工作面的數(shù)字孿生概念模型

智采工作面數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)架

　　首先，什么是數(shù)字孿生？數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的運(yùn)行或操作服務(wù)。數(shù)字孿生必須依賴兩個(gè)關(guān)鍵要素，一是數(shù)字信息，二是虛擬孿生。對于智能裝備而言，通過構(gòu)造數(shù)字孿生體，不僅能高度逼真地反映機(jī)器實(shí)體的特征、運(yùn)行和性能，還能以超現(xiàn)實(shí)的形式實(shí)現(xiàn)機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測評估和健康管理。

數(shù)字孿生智采工作面（Digital Twin Smart Mining Workface，DTSMW）是一個(gè)數(shù)據(jù)可視化、人機(jī)強(qiáng)交互、工藝自優(yōu)化的高逼真采煤工作面三維鏡像場景，包括物理工作面、數(shù)字工作面和數(shù)據(jù)信息交互等三個(gè)部分。

　　目前，雖然智采工作面已達(dá)到了遠(yuǎn)程駕駛艙水平，能對采煤機(jī)組進(jìn)行啟停、狀態(tài)監(jiān)控，設(shè)有全自動運(yùn)行模式和半自動運(yùn)行模式。但未來的智采工作面仍需要研究解決設(shè)備互聯(lián)度不夠高、信息互通性不夠強(qiáng)、人機(jī)交互性不夠好的問題。

　　本次研究中，葛世榮教授團(tuán)隊(duì)提出的數(shù)字孿生智采工作面新系統(tǒng)，是將物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、云計(jì)算等技術(shù)融合于智采工作面，創(chuàng)建出一個(gè)精確地虛擬智采工作面的模型，實(shí)現(xiàn)智采工作面生產(chǎn)、管理的高度數(shù)字化及模塊化，為未來自主運(yùn)行提供新平臺，將有助于提升當(dāng)前智采工作面的自主感知和優(yōu)化調(diào)控能力。

　　數(shù)字孿生智采工作面的技術(shù)架構(gòu)包括物理工作面、虛擬工作面、孿生數(shù)據(jù)、信息交互、模型驅(qū)動、邊緣計(jì)算、沉浸式體驗(yàn)、云端服務(wù)、信息物理系統(tǒng)、智能終端等10項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。而面向未來無人化開采需求，建設(shè)數(shù)字孿生智采工作面系統(tǒng)，必須實(shí)現(xiàn)采煤工作面感控要素的智能仿生，必須將這10項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)融合為5個(gè)智能模塊，即物理模塊、信息模塊、通信模塊、控制模塊、孿生模塊，使其具有礦工采礦作業(yè)的仿生智能特性。

　　數(shù)字孿生使智采工作面實(shí)現(xiàn)“以數(shù)據(jù)為中心的生產(chǎn)”，其準(zhǔn)確性和仿真度取決于知識積累的數(shù)據(jù)量。數(shù)據(jù)量越多，數(shù)字孿生模型對物理實(shí)體的仿真預(yù)測準(zhǔn)確度越高，物理實(shí)體的性能預(yù)測也越準(zhǔn)確，決策價(jià)值也越大。因此，可以毫不夸張地說數(shù)據(jù)信息流是數(shù)字孿生體的生命線。

研究首次將智采工作面復(fù)雜信息歸納為環(huán)境信息流、控制信息流和能量信息流三條信息流，用來描述采煤過程的環(huán)境、控制和能量狀態(tài)。環(huán)境信息流和控制信息流來自煤巖體對采煤機(jī)、液壓支架、煤流運(yùn)輸機(jī)組的輸入信息及其調(diào)控信息，能量信息流來自開采裝備對煤層、巖層變量調(diào)控所產(chǎn)生的能量交換狀態(tài)信息。

　　面對智采工作面的巨大信息流量，研究提出了管理數(shù)字孿生智采工作面系統(tǒng)信息流的數(shù)據(jù)主線（Digital Thread）方法，將信息流的數(shù)據(jù)分為周期性數(shù)據(jù)、隨機(jī)性數(shù)據(jù)和突發(fā)性數(shù)據(jù)進(jìn)行建模處理，以確保數(shù)字孿生智采工作面的數(shù)據(jù)驅(qū)動及穩(wěn)定運(yùn)行。

　　通過對比分析，研究指出數(shù)字孿生智采工作面新系統(tǒng)比現(xiàn)有遠(yuǎn)程集控中心的智能性提高了一個(gè)層次，可為中級智采工作面實(shí)現(xiàn)無人化運(yùn)行提供了新的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)。

　　這項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金—山西煤基低碳聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資金支持。

引用格式：葛世榮,張帆,王世博,等.數(shù)字孿生智能采煤工作面技術(shù)架構(gòu)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2020-04-14,DOI:10.13225/j.cnki.jccs.ZN20.0327.