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)、管理類信息及時(shí)、直觀、高效的展現(xiàn)，引導(dǎo)用戶在最短的時(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。“實(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)舛鹊龋?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。