隨著科技的不斷進(jìn)步,數(shù)字孿生智慧礦井系統(tǒng)將在礦業(yè)行業(yè)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,數(shù)字孿生三維可視化技術(shù)的應(yīng)用,通過(guò)三維仿真建模、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備控制和信息共享等手段,提高了礦井生產(chǎn)的效率、安全性和可持續(xù)發(fā)展水平。
1.行業(yè)需求概述
(1)透徹感知
透徹感知是數(shù)字孿生智慧礦井的基礎(chǔ)。通過(guò)井里的攝像機(jī)、傳感器、可穿戴設(shè)備等,對(duì)人員、設(shè)備、環(huán)境和災(zāi)害的透徹感知,確保煤礦企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)安全、正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
(2)深度互聯(lián)
深度互聯(lián)是智能處理的基礎(chǔ)?;诘V企自身環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性,數(shù)字孿生智慧礦井會(huì)建設(shè)各類(lèi)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、管理信息化系統(tǒng)和工程數(shù)字化系統(tǒng)。為了更好的為智能處理服務(wù),通過(guò)電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和廣播電視網(wǎng)以及三網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),將傳感器、電腦、手持設(shè)備、移動(dòng)終端等相連交互,實(shí)現(xiàn)深度互聯(lián)。
(3)高度共享
利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等技術(shù),采取標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化等手段,將礦井所有的信息進(jìn)行匯聚、存儲(chǔ)以及整合,使得來(lái)自于各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及信息進(jìn)行關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)信息的高度共享,為礦企業(yè)各部門(mén)之間的協(xié)同工作提供支持。
(4)智能服務(wù)
數(shù)字孿生智慧礦井與礦井綜合自動(dòng)化、數(shù)字礦井和感知礦井最大的不同在于智能化的服務(wù),這也是數(shù)字孿生智慧礦井的核心所在。面對(duì)透徹感知采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和深度互聯(lián)產(chǎn)生的關(guān)系型數(shù)據(jù),數(shù)字孿生智慧礦井企業(yè)需要采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述方法和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)平臺(tái)確保數(shù)據(jù)的統(tǒng)一,再采用專(zhuān)家模型、數(shù)據(jù)挖掘等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和挖掘,為煤礦企業(yè)員工提供其需要的服務(wù),最終實(shí)現(xiàn)面向數(shù)字孿生智慧礦井的智能化服務(wù)。
(5)可視化展現(xiàn)
數(shù)字孿生智慧礦井注重用戶(hù)體驗(yàn)和認(rèn)知效率,在礦井建設(shè)過(guò)程中著重運(yùn)用可視化技術(shù)和數(shù)字孿生理念對(duì)真實(shí)的礦井進(jìn)行三維場(chǎng)景還原,利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、人工智能系統(tǒng)挖掘各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、隱形內(nèi)涵等,并依托圖形渲染、組態(tài)等技術(shù)對(duì)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理類(lèi)信息及時(shí)、直觀、高效的展現(xiàn),引導(dǎo)用戶(hù)在最短的時(shí)間內(nèi)獲取最有價(jià)值的信息,增強(qiáng)數(shù)字孿生智慧礦井信息的準(zhǔn)確性和易理解程度。
1.數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)
感知層:感知層主要包括物理實(shí)體中搭載先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的各類(lèi)新型基礎(chǔ)設(shè)施。
數(shù)據(jù)層:數(shù)據(jù)層主要包括保證運(yùn)算準(zhǔn)確性的高精度的數(shù)據(jù)采集、保證交互實(shí)時(shí)性的高速率數(shù)據(jù)傳輸、保證存取可靠性的全生命周期數(shù)據(jù)管理。
運(yùn)算層:運(yùn)算層是數(shù)字孿生體的核心,其充分借助各項(xiàng)先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)下層數(shù)據(jù)的利用,以及對(duì)上層功能的支撐。
功能層:功能層是數(shù)字變生體的直接價(jià)值體現(xiàn),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)認(rèn)知、系統(tǒng)分析、故障診斷、預(yù)測(cè)推演功能,從而起到輔助決策作用。系統(tǒng)認(rèn)知,數(shù)字孿生體能夠真實(shí)描述及呈現(xiàn)物理實(shí)體的狀態(tài),它是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體其它高級(jí)和智能化功能的基礎(chǔ)。系統(tǒng)分析可實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體的狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能,發(fā)揮對(duì)物理實(shí)體的早期預(yù)警作用。故障診斷,通過(guò)分析物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài),了解現(xiàn)象背后的原因。預(yù)測(cè)推演,是利用仿真技術(shù)來(lái)預(yù)見(jiàn)物理實(shí)體未來(lái)的狀態(tài)演變,從而指導(dǎo)當(dāng)前的運(yùn)行決策。
應(yīng)用層:應(yīng)用層是面向各類(lèi)場(chǎng)景的數(shù)字孿生體的最終價(jià)值體現(xiàn),具體表現(xiàn)為不同行業(yè)的各種產(chǎn)品,能夠明顯推動(dòng)各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
2.數(shù)字孿生系統(tǒng)的典型特征
等價(jià)映射:數(shù)字孿生體是對(duì)物理實(shí)體的等價(jià)描述,是對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)字化而松建的模型數(shù)字孿生體的變化能夠真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體的變化。數(shù)字孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互,起到“數(shù)化”、“保真”效果。
實(shí)時(shí)交互:基于實(shí)時(shí)傳感等多元數(shù)據(jù)的獲取,孿生體可全面、精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)反映物理對(duì)象的狀態(tài)變化,包括外觀、性能、位置、異常等?!皩?shí)時(shí)”體現(xiàn)數(shù)字孿生體所處狀態(tài)是物理實(shí)體狀態(tài)的實(shí)時(shí)虛擬映射;“交互”體現(xiàn)數(shù)字孿生體與物理實(shí)體間存在數(shù)據(jù)及指令互動(dòng)。
共生演進(jìn):“共生”體現(xiàn)在數(shù)字孿生體與物理實(shí)體同步構(gòu)建,在全生面周期中相互依存,孿生體隨著孿生對(duì)象的生長(zhǎng)而不斷演變。共智體現(xiàn)在三個(gè)層面:孿生體與孿生對(duì)象間共享智慧(包括:數(shù)據(jù)、算法)、孿生體內(nèi)部各種孿生模型間共享智慧、不同生命周期階段的孿生體間共享智慧。
預(yù)測(cè)優(yōu)化:根據(jù)物理實(shí)體的各項(xiàng)真實(shí)數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)字孿生體進(jìn)行仿真,實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體未來(lái)狀態(tài)的預(yù)測(cè),預(yù)先知曉未來(lái)狀態(tài)能夠輔助用戶(hù)做出更合理的決策。根據(jù)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài),通過(guò)數(shù)字孿生體進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)不穩(wěn)定狀態(tài)的預(yù)測(cè),預(yù)先覺(jué)察即將可能發(fā)生的不穩(wěn)定狀態(tài),使用戶(hù)更從容地處理該問(wèn)題。
建立數(shù)字孿生體的最終目的,是通過(guò)描述物理實(shí)體集合內(nèi)在機(jī)理,分析規(guī)律、洞察趨勢(shì),基于分析與仿真對(duì)物理世界形成優(yōu)化指令或策略,實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體決策優(yōu)化功能的閉壞。根據(jù)數(shù)字孿生的典型特征,可以得出數(shù)字孿生的體系架構(gòu)。
4.系統(tǒng)功能
數(shù)字孿生煤礦是將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域,通過(guò)構(gòu)建煤礦的數(shù)字模型,實(shí)現(xiàn)煤礦全生命周期的監(jiān)控和管理。具體應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面:
礦井安全監(jiān)控:數(shù)字孿生煤礦可以通過(guò)傳感器采集礦井內(nèi)部的各種數(shù)據(jù),如溫度、濕度、氧氣濃度、瓦斯?jié)舛鹊?,并?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,實(shí)現(xiàn)礦井安全監(jiān)控。
礦井生產(chǎn)管理:數(shù)字孿生煤礦可以通過(guò)對(duì)礦井生產(chǎn)過(guò)程的全面監(jiān)控,優(yōu)化生產(chǎn)流程,提高生產(chǎn)效率。
礦井設(shè)備維護(hù):數(shù)字孿生煤礦可以通過(guò)對(duì)礦井設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析,預(yù)測(cè)設(shè)備可能出現(xiàn)的問(wèn)題,提前進(jìn)行維護(hù),避免設(shè)備損壞造成的生產(chǎn)中斷。
礦井災(zāi)害預(yù)警:數(shù)字孿生煤礦可以通過(guò)對(duì)礦井內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)的分析,預(yù)測(cè)可能發(fā)生的災(zāi)害,如瓦斯爆炸、水災(zāi)等,提前采取防范措施。
5.系統(tǒng)特點(diǎn)
智能化管理:隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字孿生煤礦更加智能化,通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析和學(xué)習(xí),自動(dòng)進(jìn)行礦井安全監(jiān)控、生產(chǎn)管理、設(shè)備維護(hù)和災(zāi)害預(yù)警等工作,提高煤礦的管理效率和管理水平。
高度集成:數(shù)字孿生煤礦實(shí)現(xiàn)高度的信息集成,將來(lái)自不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和分析,為煤礦管理提供全面的數(shù)據(jù)支持。例如,將礦井安全監(jiān)控、生產(chǎn)管理、設(shè)備維護(hù)和災(zāi)害預(yù)警等數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和分析。
預(yù)測(cè)性維護(hù):通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù),煤礦能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù),通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析,提前預(yù)測(cè)設(shè)備可能出現(xiàn)的問(wèn)題,提前進(jìn)行維護(hù),避免設(shè)備損壞造成的生產(chǎn)中斷。這不僅可以提高生產(chǎn)效率,還可以降低維修成本。
無(wú)人化開(kāi)采:自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字孿生煤礦實(shí)現(xiàn)無(wú)人化開(kāi)采。通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器人代替人工進(jìn)行開(kāi)采和運(yùn)輸?shù)裙ぷ?,降低工人的勞?dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性,提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。
綠色開(kāi)采:隨著環(huán)保意識(shí)的提高,數(shù)字孿生煤礦更加注重綠色開(kāi)采。通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)流程和采取環(huán)保措施,減少對(duì)環(huán)境的影響和污染,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
遠(yuǎn)程管理:數(shù)字孿生煤礦實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理,管理人員可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)隨地查看礦井的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。
數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化:數(shù)字孿生煤礦注重?cái)?shù)據(jù)分析與優(yōu)化。通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析和學(xué)習(xí),優(yōu)化生產(chǎn)流程和管理方式,提高生產(chǎn)效率和管理水平。同時(shí),還可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘和分析,發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題,及時(shí)采取措施加以解決。
與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合:數(shù)字孿生煤礦與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密地結(jié)合在一起。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井設(shè)備、人員和環(huán)境的全面感知和信息共享,提高煤礦的智能化程度和管理水平。同時(shí),還可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與其他工業(yè)領(lǐng)域的聯(lián)動(dòng)和信息交互。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)的應(yīng)用:數(shù)字孿生煤礦將注重增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)的應(yīng)用。通過(guò)AR技術(shù)將虛擬模型與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井的全面可視化和直觀化管理。同時(shí)還可以通過(guò)AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)人員培訓(xùn)、設(shè)備維修和災(zāi)害防控等方面的應(yīng)用。
網(wǎng)絡(luò)安全保障:隨著信息化程度的提高網(wǎng)絡(luò)安全性問(wèn)題也越來(lái)越突出,數(shù)字孿生煤礦注重網(wǎng)絡(luò)安全保障工作通過(guò)建立完善的網(wǎng)絡(luò)安全體系實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦信息的全面保護(hù)和安全管理確保煤礦的安全穩(wěn)定運(yùn)行。