基于工业互联网的智能矿山灾害数字孪生研究_邢震.pdf

基于工业互联网的智能矿山灾害数字孪生研究邢震1，2，韩安1，2，陈晓晶1，2，陈海舰1，2，沈毅1，2（1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏常州213015；2.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏常州213015）摘要：煤矿灾害综合管控是智能矿山建设进程中需要重点解决的难题，借助数字孪生技术实现煤矿灾害的常态化管控是智能矿山建设的必然要求。从数字孪生内涵及本质出发，分析了数字孪生认识规律，并结合煤矿灾害数字孪生数据交互流程，提出了数字孪生技术在煤矿灾害研究中的应用模式：通过煤矿井下灾害监测传感器等设备进行实时监测，将监测数据通过边缘通信模块、云端通信模块上传至云端；数字孪生数值仿真软件部署在云端，利用传感器上传的监测数据作为初始条件参数、边界条件参数、效果验证参数，经过实时仿真分析，通过不断试错，寻求最佳的优化参数及解决方案；当技术手段在孪生世界应用成熟后，可用于对虚拟实体的最佳参数、解决方案等进行分析、判断、决策，并下发决策指令至井下执行器，控制灾害防治装备动作。从灾害监测方案优化、灾害预演及避灾路线精准规划、灾后救援方案制订及事故调查 3 个方面探讨了数字孪生赋能灾害预测性管控的实际应用。以工业互联网“云管边端”架构为基础，构建了煤矿灾害数字孪生服务体系，并分析了面向矿山灾害的数字孪生关键技术，包括煤矿灾害智能感知和执行装备、煤矿灾害仿真软件、共性支撑技术，以期为数字孪生赋能智能矿山建设提供参考。关键词：智能矿山；煤矿灾害；数字孪生；工业互联网；灾害预测性管控中图分类号：TD67文献标志码：AResearchonintelligentminedisasterdigitaltwinbasedonindustrialInternetXINGZhen1,2,HANAn1,2,CHENXiaojing1,2,CHENHaijian1,2,SHENYi1,2(1.CCTEGChangzhouResearchInstitute,Changzhou213015,China；2.Tiandi(Changzhou)AutomationCo.,Ltd.,Changzhou213015,China)Abstract:Thecomprehensivecontrolofcoalminedisastersisakeyproblemtobesolvedintheprocessofintelligentmineconstruction.Itisaninevitablerequirementfortheconstructionofintelligentminestorealizethenormalizationcontrolofcoalminedisasterswiththehelpofdigitaltwintechnology.Basedontheconnotationandessenceofthedigitaltwin,thispaperanalyzestherecognitionruleofthedigitaltwinandputsforwardthe收稿日期：2022-12-16；修回日期：2023-02-01；责任编辑：胡娴。基金项目：江苏省科技成果转化专项项目（BA2022040-2022）；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目（2021-TD-ZD004）；天地（常州）自动化股份有限公司科研项目（2022TY2004）。作者简介：邢 震（1987），男，山 东 临 沂 人，副 研 究 员，硕 士，研 究 方 向 为 智 能 矿 山 及 生 产 调 度 协 同 管 控 技 术，E-mail：。引用格式：邢震，韩安，陈晓晶，等.基于工业互联网的智能矿山灾害数字孪生研究J.工矿自动化，2023，49（2）：23-30,55.XINGZhen,HANAn,CHENXiaojing,etal.ResearchonintelligentminedisasterdigitaltwinbasedonindustrialInternetJ.JournalofMineAutomation，2023，49（2）：23-30,55.第49卷第2期工矿自动化Vol.49No.22023年2月JournalofMineAutomationFeb.2023“智慧矿山数字孪生与虚拟现实技术”专题编者按：煤炭行业数字化、智能化发展是实现煤炭工业高质量发展的强大动力。然而，传统的数字矿山等概念不足以体现新一代数字技术应用的趋势。当前，数字孪生技术日趋成为工业界的应用热点，被认为是推动企业数字化转型快速有效的通用技术。在矿山领域引入数字孪生技术，能够推动煤炭行业向真正的智能化方向转变，为探索可持续发展的智慧矿山建设提供新的思路。为促进数字孪生与虚拟现实技术在矿山领域的应用研究，工矿自动化编辑部于 2023 年第 2 期组织出版“智慧矿山数字孪生与虚拟现实技术”专题。在专题刊出之际，衷心感谢各位专家学者的大力支持！文章编号：1671251X（2023）02002309DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2022120050applicationmodeofdigitaltwintechnologyincoalminedisasterresearchcombiningwithdatainteractiveprocessofminedisasterdigitaltwin.Real-timemonitoringiscarriedoutbycoalmineundergrounddisastermonitoringsensor.The monitoring data is uploaded to the cloud through the edge communication module and cloudcommunicationmodule.Thedigitaltwinnumericalsimulationsoftwareisdeployedinthecloud.Themonitoringdatauploadedbythesensorisusedastheinitialconditionparameter,boundaryconditionparameterandeffectverificationparameter.Thebestoptimizationparametersandsolutionsaresoughtthroughreal-timesimulationanalysisandcontinuoustrialanderror.Whenthetechnicalmeansarematureinthetwinworld,theycanbeusedto analyze,judge and make decisions on the best parameters and solutions for virtual entities.The decisioninstructionscanbesenttoundergroundactuatorstocontroltheactionofdisasterpreventionequipment.Thispaperdiscussesthepracticalapplicationofdigitaltwinenablingdisasterpredictivemanagementandcontrolfromthree aspects:disaster monitoring scheme optimization,disaster rehearsal and precise planning of disasteravoidanceroute,andpost-disasterrescueschemeformulationandaccidentinvestigation.Basedonthecloud-pipe-edge-endarchitectureoftheindustrialInternet,thedigitaltwinservicesystemforcoalminedisastersisconstructed.The key technologies of digital twin for mine disasters are analyzed.The technologies includeintelligentsensingandexecutionequipmentforcoalminedisasters,simulationsoftwareforcoalminedisastersandcommonsupporttechnologies.Itisexpectedtoprovidereferencefortheconstructionofdigitaltwin-enablingintelligentmines.Key words:intelligentmine;coalminedisaster;digitaltwin;industrialInternet;disasterpredictivecontrol 0引言我国大部分矿区煤炭地质赋存条件复杂，开采过程中难免受到水害、火灾、瓦斯事故、尘害、顶板灾害等常见灾害的威胁1-2，深部开采矿区还受到冲击地压3-4、热害5等多种灾害的困扰。为减少灾害事故的发生，煤炭科技工作者对各种灾害规律开展了大量研究，研究方法通常包括小尺寸相似模拟实验、矿井级全尺寸实验、真实灾害事故调研、数值模拟仿真等。小尺寸相似模拟实验通常是用于局部重点区域灾害研究，误差大且无法从矿井全局的高度对灾害关联性进行研究6-7。矿井级全尺寸实验场地相对较少，由于客观原因，实验矿井模型设计难以符合煤矿井下现场实际巷道分布情况，可开展的实验形式和内容受局限8-9。煤矿真实灾害数据可通过调查获取，通过分析研究积累经验教训，但煤矿灾害往往具有突发性，有时还会产生次生灾害，通过复现的方式进行重复性研究是不现实的10-11。数值模拟仿真研究可根据不同灾害特点，利用不同的工业软件对不同区域乃至全矿井的灾害进行大量重复仿真实验，但只能进行静态仿真实验，不能实现灾害态势的实时展现及动态预测12-13。2020 年国家能源局等八部委联合发布关于加快煤矿智能化发展的指导意见14-15以来，以云计算、大数据、工业互联网、人工智能算法、5G 通信、边缘计算、新型低功耗智能传感器等共性支撑技术为基础的数字孪生技术在煤炭行业快速发展及应用，使得数据的实时获取、瞬时传输、快速计算、智能决策等成为了现实，克服了数值模拟应用于灾害仿真研究的缺陷。数字孪生作为煤矿灾害研究及预测的有效手段，可实现灾害态势的实时展现，提供实时、快捷的智能化服务。为充分发挥数字孪生技术在煤矿灾害研究中的优势，赋能智能矿山建设，本文从数字孪生内涵及其在煤矿灾害研究中的应用模式入手，深入探讨其应用方向及关键支撑技术，为煤矿灾害的重复性、低成本研究提供新思路。1数字孪生内涵及其在煤矿灾害研究中的应用模式数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、设备运行历史数据等，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程，通过对物理实体的力、热、声、光、电、磁等多物理量的实时动态仿真，降低方案优化、参数调整、预测诊断等措施的试错成本16-17。数字孪生以物理实体作为参照，通过三维建模技术，在以计算机为载体的虚拟世界中构建虚拟实体，并通过数据交互技术实现现实世界与虚拟世界的双向数据交互。陶飞等18提出了包括物理实体、虚拟实体、孪生数据、连接、服务的数字孪生五维模型（图 1），为数字孪生技术应用于实践提供了具体思路。在煤矿灾害研究中，以矿山灾害物理实体为基础建立数字孪生体，并将工业互联网作为连接通道，将工业软件及智能算法作为服务端，形成完整的数24工矿自动化第49卷字孪生模型。基于数字孪生技术，科技人员