面向智能礦山的數(shù)字孿生技術(shù)研究進展

邢震

（1.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.煤炭智能開采與巖層控制全國重點實驗室，江蘇 常州 213015；3.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

0 引言

數(shù)字孿生作為新一代信息技術(shù)的樞紐，融合了大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等前沿技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在智能礦山領(lǐng)域，隨著煤礦采掘等典型機電裝備集成化和智能化程度不斷提高，煤礦在安全、生產(chǎn)、運營等方面的管理難度大幅提高[1-3]。數(shù)字孿生技術(shù)的迅速發(fā)展為解決上述問題提供了新的途徑。通過采、掘、機、運、通等各環(huán)節(jié)的實體[4]、流程及系統(tǒng)在虛擬空間的高保真映射，輸入物理空間實時數(shù)據(jù)的反饋信息，運用人工智能算法及專業(yè)仿真軟件，借助物理實體控制裝備的實時交互，實現(xiàn)礦井采掘空間設(shè)計、災(zāi)害預(yù)測及防控、生產(chǎn)過程調(diào)度決策優(yōu)化及精準控制、礦用設(shè)備的全生命周期管理及預(yù)測性維護等功能，從而提升煤炭行業(yè)智能化生產(chǎn)水平。

智能礦山領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用需面對較多復(fù)雜性、特殊性的技術(shù)突破，因此尚處于初級階段[5]。為更好地了解數(shù)字孿生技術(shù)在煤礦的發(fā)展趨勢，本文對相關(guān)研究成果進行梳理，介紹了數(shù)字孿生技術(shù)產(chǎn)生的背景和現(xiàn)狀，概括了數(shù)字孿生技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的具體應(yīng)用方向和模式，并探討了現(xiàn)存問題和發(fā)展趨勢，以期為數(shù)字孿生技術(shù)在煤炭行業(yè)的進一步發(fā)展和應(yīng)用落地提供參考。

1 智能礦山領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字孿生通過數(shù)字化技術(shù)將現(xiàn)實世界中的實體、過程或系統(tǒng)以虛擬形式呈現(xiàn)出來，并與其真實對應(yīng)物進行實時同步和交互[6]。數(shù)字孿生中的“孿生”是指與其真實對應(yīng)物具有相同屬性和行為的虛擬模型。數(shù)字孿生的核心技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、建模和仿真。數(shù)據(jù)采集是通過傳感器、監(jiān)測設(shè)備等獲取現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、運動軌跡等。數(shù)據(jù)處理是對采集到的原始數(shù)據(jù)進行清洗、整理和分析，得到可用于建模和仿真的有效數(shù)據(jù)。建模是將現(xiàn)實物體或系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為虛擬模型，并定義其屬性和行為規(guī)則。仿真是利用建立的虛擬模型進行模擬運行和測試，觀察其行為特征和性能指標。

煤炭行業(yè)的發(fā)展趨勢是綠色、高效、智能化，數(shù)字孿生技術(shù)所具備的模型仿真、算法分析、智能決策、試驗驗證等基本功能符合智能礦山建設(shè)需求，將其應(yīng)用在煤礦領(lǐng)域，可為智能礦山建設(shè)賦能。相對于其他行業(yè)，數(shù)字孿生技術(shù)在煤炭行業(yè)應(yīng)用起步較晚，目前國內(nèi)外煤炭行業(yè)學(xué)術(shù)界對數(shù)字孿生礦用化基礎(chǔ)研究較少，大多集中于應(yīng)用型研究。

1.1 數(shù)字孿生在煤礦安全方面的應(yīng)用現(xiàn)狀

在煤礦安全管理方面，國內(nèi)外學(xué)者目前主要將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于災(zāi)害預(yù)警、風(fēng)險管控[7-8]、災(zāi)害救援等。

1.1.1 災(zāi)害預(yù)警及防控

周福寶等[9]將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于礦井密閉采空區(qū)的災(zāi)害監(jiān)測及管理，以現(xiàn)場實時多源融合信息為基礎(chǔ)，以數(shù)字孿生技術(shù)為核心，實現(xiàn)礦井密閉虛擬現(xiàn)實場景的實時再現(xiàn)及全生命周期演化，從而實現(xiàn)災(zāi)害數(shù)據(jù)資產(chǎn)的賦能應(yīng)用。張勇等[10]在煤礦事故全過程的智慧應(yīng)急云平臺中引入數(shù)字孿生技術(shù)，在虛擬空間建立應(yīng)急救援孿生體，對事故現(xiàn)場實時再現(xiàn)，結(jié)合人工智能及專家知識庫，實時評估救援風(fēng)險及效果，實現(xiàn)輔助決策。田廣宇等[11]借助數(shù)字孿生技術(shù)對工作面周邊危險源進行超前預(yù)警判斷及風(fēng)險評估，動態(tài)預(yù)測待采區(qū)域危險狀態(tài)，實現(xiàn)對多元動力災(zāi)害及各種危險源的超前預(yù)警。朱斌等[12]、張有為[13]在綜掘工作面風(fēng)流智能調(diào)控中引入數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)以虛控實的新型調(diào)控方式。韓龍等[14]、李新等[15]、劉怡夢[16]分別借助數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)綜采工作面、井下巷道及井下變電所的機器人巡檢，達到以虛控實的效果。Wang Hongwei 等[17]提出了一種基于數(shù)字孿生系統(tǒng)建立虛擬模型的新型數(shù)字重建方法，實現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的可視化，從而在技術(shù)上支持對煤礦災(zāi)害的準確預(yù)測和防范。Wang Zhiquan[18]將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于煤與瓦斯突出強度風(fēng)險預(yù)測中，實現(xiàn)災(zāi)害的可視化及預(yù)測。

1.1.2 風(fēng)險管控

王國法等[19]、李爽等[20]將數(shù)字孿生的三維可視化展示功能納入到煤礦智能雙重預(yù)防機制與智能安全管控平臺研究中，并規(guī)劃了數(shù)字孿生遠程交互功能在安全管控中的應(yīng)用。王佳奇等[21]在傳統(tǒng)的五維數(shù)字孿生模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建了瓦斯事故管理的數(shù)字孿生模型，并分析了其實際運作機理。李治理等[22]構(gòu)建了煤礦防突信息管理數(shù)字孿生平臺，通過數(shù)字孿生交互，實現(xiàn)防止瓦斯突出的透明化管理。郭向陽等[23]提出基于數(shù)字孿生的智能煤礦安全管理平臺建設(shè)方案，增強了信息數(shù)據(jù)整合程度，旨在深入挖掘煤礦安全關(guān)鍵風(fēng)險隱患，提升煤礦安全綜合管理水平。郭泱泱[24]將數(shù)字孿生集成到元宇宙技術(shù)中，并應(yīng)用于煤礦安全培訓(xùn)及應(yīng)急演練。

1.2 數(shù)字孿生在煤礦生產(chǎn)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀

在煤礦生產(chǎn)方面，數(shù)字孿生技術(shù)主要應(yīng)用于采掘工作面區(qū)域整體、單機機械裝備狀態(tài)監(jiān)測及控制、機械裝備預(yù)測性維護中。

1.2.1 采掘工作面

采掘工作面是智能礦山的建設(shè)重點[25]，目前采掘工作面數(shù)字孿生研究主要集中在工作面三維建模、裝備協(xié)同控制、采煤機及掘進機定位及虛實數(shù)據(jù)同步等方面。

在綜采工作面數(shù)字孿生方向，劉清等[26]、苗丙等[27]全面構(gòu)建了綜采工作面全流程裝備及環(huán)境的數(shù)字孿生模型，并實現(xiàn)虛實空間的協(xié)同控制。葛世榮等[28]提出了一種數(shù)字孿生智采工作面系統(tǒng)構(gòu)建方法，對于集成智采工作面的數(shù)字孿生遠程操作平臺建設(shè)具有重要意義。姜朔[29]在煤層數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)上，重點針對煤層與裝備的耦合關(guān)系進行研究。崔濤[30]提出了面向數(shù)字孿生綜采工作面的高精度煤層底板構(gòu)建方法，提高了采運裝備虛擬仿真精度。張帆等[31]利用數(shù)字孿生技術(shù)進行仿真模擬，驗證了卡爾曼濾波方法應(yīng)用于刮板輸送機調(diào)直的效果。蔡峰[32]基于物理空間多源信息實時構(gòu)建綜采工作面三維模型，實現(xiàn)以虛控實的目的。雷曉榮等[33]總結(jié)了透明工作面數(shù)字孿生系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。遲煥磊等[34]、符大利[35]將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于綜采工作面生產(chǎn)全過程監(jiān)控，直觀展示工作面狀態(tài)及設(shè)備運行參數(shù)。毛善君等[36]建立了數(shù)字孿生管控平臺，提出了基于精確大地坐標的煤礦透明化智能綜采工作面自適應(yīng)割煤技術(shù)。

在掘進工作面數(shù)字孿生方向，馬宏偉等[37]提出了數(shù)字孿生驅(qū)動的掘進系統(tǒng)虛擬遠程智能控制方法。吳淼等[38]、王巖等[39]通過數(shù)字孿生遠程可視化智能調(diào)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了掘進機自主糾偏、障礙物感知及自動截割等智能化改進。楊耀智[40]將數(shù)字孿生模型用于遠程智能掘進定位中。王虹等[41]提出采用數(shù)字孿生技術(shù)建立掘進工作面成套裝備仿真模型，實現(xiàn)了虛實數(shù)據(jù)同步和模型三維實時展示。徐偉峰等[42]、張元鵬等[43]、雷孟宇等[44]、張旭輝等[45-46]、楊健健等[47]研究了數(shù)字孿生驅(qū)動的掘進機器人智能協(xié)同控制方法。任文濤等[48]結(jié)合三維建模、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，構(gòu)建了完整的綜掘工作面數(shù)字孿生系統(tǒng)。

1.2.2 單機機械裝備狀態(tài)監(jiān)測及控制

數(shù)字孿生技術(shù)在機械裝備狀態(tài)監(jiān)測和控制方面得到廣泛應(yīng)用。煤炭洗選過程的質(zhì)量控制涉及到多個復(fù)雜的組成部分，需要準確建模，B.J.Coetzee 等[49]利用數(shù)字孿生技術(shù)和真實數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬仿真模型，用于優(yōu)化和控制洗選過程。王開松等[50]結(jié)合UWB定位技術(shù)及數(shù)字孿生技術(shù)，開展了輔助運輸裝備的可視化實時監(jiān)測系統(tǒng)研究。王偉[51]開展了基于數(shù)字孿生的掘進機截割狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究，通過構(gòu)建懸臂式掘進機虛擬模型，結(jié)合實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)截割狀態(tài)的監(jiān)測和控制。薛旭升等[52]將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于煤礦掘進機器人糾偏控制中，通過虛實映射關(guān)系實現(xiàn)虛擬遠程糾偏控制。為提升煤礦調(diào)車作業(yè)安全狀態(tài)及效率，胡志強等[53]提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的調(diào)車作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了調(diào)車過程的全流程可視化。趙墨波[54]研究了以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)的協(xié)作機器人狀態(tài)監(jiān)測方法，旨在提升協(xié)作機器人生產(chǎn)效率及安全指數(shù)。

1.2.3 機械裝備預(yù)測性維護

數(shù)字孿生在煤礦機械裝備預(yù)測性維護中的應(yīng)用具有重要意義，通過故障預(yù)測有助于提前采取相應(yīng)措施，以避免設(shè)備故障造成停工和損失。

針對采煤機的預(yù)測性維護，李曉雪等[55]對數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)進行了探討，包括數(shù)字孿生體的創(chuàng)建、模擬仿真、孿生數(shù)據(jù)庫建立、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型訓(xùn)練、遷移與適配、預(yù)測性維護等。張旭輝等[56]采用數(shù)字孿生技術(shù)對復(fù)雜礦用設(shè)備進行預(yù)測性維護，實現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警等關(guān)鍵功能，解決了虛實交互和決策驅(qū)動的問題。經(jīng)海翔等[57]對通風(fēng)機的預(yù)測性診斷進行研究，采用數(shù)字孿生和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法實現(xiàn)礦用通風(fēng)機的故障診斷。魯澤明等[58]對刮板輸送機中電動機軸承狀態(tài)的預(yù)測性維護進行研究，采用數(shù)字孿生方法提出了預(yù)測性維護方案。劉送永等[59]提出采用數(shù)字孿生方法對掘進機性能和健康狀況進行監(jiān)測。為了解決復(fù)雜機電設(shè)備故障維修中知識獲取直觀性差、維修時滯性等問題，張旭輝等[60]、張雨萌[61]提出了一種數(shù)字孿生和混合現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的機電設(shè)備輔助維修方法。丁華等[62]提出了一種數(shù)字孿生與深度學(xué)習(xí)融合驅(qū)動的采煤機健康狀態(tài)預(yù)測方法，具有較高的準確性和可靠性，為采煤機健康管理提供了有效手段。Huang Yourui 等[63]提出了一種基于數(shù)字孿生和隨機森林的故障診斷方法，實現(xiàn)了對永磁同步電動機實時、準確的故障診斷。S.R.Islavath 等[64]對長壁采場進行三維有限元模型分析，確定可能發(fā)生在液壓支架頂梁上方的典型加載模式，并將其作為循環(huán)載荷施加于數(shù)字孿生盾構(gòu)結(jié)構(gòu)上，以估計其疲勞響應(yīng)。

1.3 數(shù)字孿生在煤礦運營管理方面的應(yīng)用現(xiàn)狀

Y.Semenov 等[65]創(chuàng)建了煤礦供應(yīng)鏈智能數(shù)字孿生體，通過分析庫存管理和運輸政策對系統(tǒng)性能的影響，實現(xiàn)了管理系統(tǒng)優(yōu)化。馬文昕[66]提出建立建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）相結(jié)合的數(shù)字孿生平臺，以加強“智能礦山一張圖”建設(shè)。為了滿足露天礦的智能化和無人化需求，Chen Long 等[67]結(jié)合數(shù)字四元組理論，開發(fā)了智能采礦操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，以提高露天礦山的生產(chǎn)效率和安全水平。肖粲俊等[68]提出基于數(shù)字雙胞胎的煤礦智能管理平臺的理念，以數(shù)字化雙胞胎技術(shù)為核心，結(jié)合GIS、模型構(gòu)建、數(shù)值仿真等重要方法，實現(xiàn)了礦山信息的虛實交互。宋立[69]將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在集團級三維可視化綜合管控平臺中，實現(xiàn)了集團下屬礦井當前階段的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息實時展現(xiàn)。趙建文等[70]將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于煤礦電網(wǎng)管理，實現(xiàn)動態(tài)仿真建模。趙銀燕等[71]采用三維視覺呈現(xiàn)手段展示礦石作業(yè)環(huán)境特征、人員和設(shè)備參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了地下礦山生產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)。

2 智能礦山領(lǐng)域數(shù)字孿生關(guān)鍵共性問題

陶飛等[72]提出了數(shù)字孿生五維模型，即完整的數(shù)字孿生模型應(yīng)該由物理實體、虛擬實體、兩兩之間的連接交互、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)及功能服務(wù)5 個部分組成，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生五維模型Fig.1 The digital twin five-dimensional model

目前對數(shù)字孿生的研究集中于虛擬實體和功能服務(wù)維度，即虛擬實體的三維可視化模型展現(xiàn)和結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能算法等實現(xiàn)的部分功能服務(wù)，而針對物理實體、連接交互和數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的研究較少。物理實體是數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及終端服務(wù)對象，連接交互是實現(xiàn)虛實數(shù)據(jù)及指令傳輸?shù)谋Ｕ希瑪?shù)字孿生數(shù)據(jù)是功能服務(wù)的基石，若要實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字孿生，這3 個維度的支撐作用不可或缺。數(shù)字孿生5 個維度的研究現(xiàn)狀如圖2 所示。

圖2 數(shù)字孿生5 個維度的研究現(xiàn)狀Fig.2 Research status of five dimensions of digital twin technology

鑒于數(shù)字孿生概念在行業(yè)內(nèi)的理解存在差異，陶飛等[73]根據(jù)技術(shù)成熟度將其分為以虛仿實、以虛映實、以虛控實、以虛預(yù)實、以虛優(yōu)實、虛實共生6 個層級，如圖3 所示。目前，煤礦行業(yè)對數(shù)字孿生的應(yīng)用主要處于以虛控實階段。

圖3 智能礦山領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展成熟度Fig.3 Development maturity of digital twin technology in the field of intelligent mining

2.1 物理實體維度

作為數(shù)字孿生虛擬孿生體的數(shù)據(jù)來源及控制終端，煤礦物理實體需首要解決泛在感知及控制的難題[74]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，礦山傳感及控制端得到了飛速發(fā)展，實現(xiàn)了感知礦工生命健康及行為的位置、姿態(tài)、生理等參數(shù)監(jiān)測，感知設(shè)備工作健康狀態(tài)的電流、電壓、開停、速度、加速度、溫度、饋電、視覺、振動、噪聲、位置等參數(shù)監(jiān)測，感知礦山災(zāi)害的甲烷、溫度、一氧化碳、二氧化碳、煙霧、礦壓、圍巖位移、風(fēng)量、風(fēng)速等參數(shù)監(jiān)測，基本覆蓋了“人、機、環(huán)”所有感知對象，在控制方面完全實現(xiàn)單機人工控制，基本實現(xiàn)區(qū)域、環(huán)節(jié)或場景的協(xié)同管控，如工作面三機協(xié)同控制、主煤流協(xié)同控制、單一災(zāi)害的聯(lián)動控制等，但是與數(shù)字孿生要求的全面感知、全局協(xié)同控制還有很大距離，需開展傳感及控制方面的研究。

傳感器的種類需繼續(xù)增加，如煤礦自燃監(jiān)測中需研發(fā)激光乙烯乙炔傳感器。傳感器的數(shù)量需增加，如采掘工作面等核心工作區(qū)域、采空區(qū)等危險區(qū)域均需覆蓋大量的傳感器。控制方面需實現(xiàn)所有單一裝備的遠程控制及掘、采、運、選、儲、裝全流程的全礦井級協(xié)同管控。

2.2 連接交互維度

在礦井通信方面[75]，煤礦企業(yè)基本實現(xiàn)了高速工業(yè)以太網(wǎng)為主干網(wǎng)絡(luò)、結(jié)合高速無線局域網(wǎng)和現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，4G 和WiFi 被廣泛應(yīng)用于承載通話和高清視頻應(yīng)用場景，LoRa、ZigBee、藍牙傳輸?shù)冗m用于低功耗感知終端的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成熟應(yīng)用于適宜的場景，新一代的WiFi6 也在逐步探索中。然而當前的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)仍無法滿足數(shù)字孿生的要求，數(shù)字孿生涉及到海量數(shù)據(jù)交互，要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)蜁r延、高帶寬、廣連接，因此，需加強5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用研究。

此外，還需重點攻關(guān)針對數(shù)字孿生場景的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)（圖4）[76]，數(shù)字孿生場景需提供差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，可實現(xiàn)具有不同資源需求的業(yè)務(wù)的物理隔離，保障各項業(yè)務(wù)有效運行。

圖4 針對數(shù)字孿生場景的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)Fig.4 Digital twin data transmission based on 5G network slicing in coal mines

2.3 虛擬實體維度

虛擬實體維度已有學(xué)者做了大量的研究[77]，但仍存在一些問題需解決。在建模精度方面，需對物理實體的幾何形狀、材料屬性、運動學(xué)特性等進行準確建模，對物理實體與環(huán)境和其他實體之間的交互進行精細化描述。在仿真精度與效率平衡方面，需在虛擬實體中找到合適的平衡點，既要保證結(jié)果準確性，又要盡可能提高計算效率。在多尺度建模方面，需找到適合不同尺度的建模方法，并能夠在不同尺度之間進行數(shù)據(jù)交互和信息傳遞。在虛擬實體與物理實體的一致性驗證方面，需通過對比測量數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果來驗證虛擬實體的準確性，并及時調(diào)整模型參數(shù)，以提高一致性。

2.4 孿生數(shù)據(jù)維度

孿生數(shù)據(jù)包括物理實體的規(guī)格、屬性、狀態(tài)等數(shù)據(jù)，虛擬實體的幾何模型、材料、關(guān)系、仿真參數(shù)等數(shù)據(jù)，算法、模型、規(guī)則、專家知識等數(shù)據(jù)，以及以上數(shù)據(jù)之間集成、融合處理后的衍生數(shù)據(jù)。需要解決孿生數(shù)據(jù)的完整度、標準化程度、整體性、靈活性等問題。

完整度：數(shù)字孿生需準確描述物理實體的外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物理學(xué)特性和行為等。因此，需解決幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型中的規(guī)則不全面的問題，確保數(shù)字孿生模型能夠全面準確地描述礦山系統(tǒng)。

標準化程度：數(shù)字孿生數(shù)據(jù)涉及多個子系統(tǒng)和設(shè)備，這些子系統(tǒng)和設(shè)備可能使用不同的標準和格式進行數(shù)據(jù)表示。因此，需解決非標準、難兼容、難解析和難復(fù)用等問題，推動制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和格式，并提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)解析和轉(zhuǎn)換工具。

整體性：數(shù)字孿生模型由幾何模型、物理模型、行為模型等子模型組成，需將各子模型的數(shù)據(jù)、特征信息有效融合起來。同時，在增加新的子模型時也要考慮如何與現(xiàn)有模型進行有效融合。因此，需解決各子模型融合問題，確保數(shù)字孿生具有整體性。

靈活性：數(shù)字孿生模型應(yīng)具備可配置、可組裝和可重構(gòu)的特性，以適應(yīng)不同礦山系統(tǒng)的需求變化。這意味著數(shù)字孿生模型需支持動態(tài)配置和組裝，能夠根據(jù)實際情況進行靈活調(diào)整和重構(gòu)。因此，需解決數(shù)字孿生的靈活性問題，使其能夠適應(yīng)不斷變化的礦山環(huán)境。

2.5 功能服務(wù)維度

在功能服務(wù)維度，國內(nèi)外已經(jīng)展開了大量的研究，但仍有很多問題需要突破，本文從以下方面進行分析。

仿真軟件：煤礦的數(shù)字孿生仿真需要專業(yè)的仿真軟件，但目前市面上的仿真軟件大多不支持實時模擬。這就要求開發(fā)更加強大、高效的仿真軟件，能夠?qū)崟r模擬復(fù)雜的煤礦運營環(huán)境，并準確地反映各種因素對系統(tǒng)性能和安全性的影響。

控制算法及模型：目前協(xié)同管控算法及模型在智能礦山領(lǐng)域的應(yīng)用研究還不夠成熟。數(shù)字孿生服務(wù)需適應(yīng)復(fù)雜多變的煤礦環(huán)境，提高自動化程度和響應(yīng)速度。因此，要加強基于機器學(xué)習(xí)和人工智能的算法研究，對各種傳感器數(shù)據(jù)進行實時分析和處理。

數(shù)據(jù)封裝與管理：數(shù)字孿生功能服務(wù)需解決如何有效地封裝、管理和更新模型、算法和數(shù)據(jù)。煤礦運營涉及大量的數(shù)據(jù)收集和處理，數(shù)字孿生需能夠?qū)崟r獲取并整合各類數(shù)據(jù)，并將其應(yīng)用于模型和算法中，以提供準確的仿真結(jié)果和預(yù)測分析。

結(jié)果可視化與呈現(xiàn)：數(shù)字孿生功能服務(wù)最終需將仿真結(jié)果以直觀、可視化的方式展示給用戶，并提供決策支持。因此，需開發(fā)相應(yīng)的結(jié)果可視化工具和決策支持系統(tǒng)，幫助用戶更好地理解和利用數(shù)字孿生模型。

3 智能礦山領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用方向展望

通過構(gòu)建與實物產(chǎn)品完全對應(yīng)的數(shù)字孿生體，在安全互聯(lián)技術(shù)、高性能并行計算技術(shù)的支持下，從設(shè)計階段、生產(chǎn)階段等方面推進數(shù)字孿生技術(shù)的研究與應(yīng)用。同時，數(shù)字孿生所需的資源很高，但由于成本和技術(shù)現(xiàn)狀的限制，煤礦企業(yè)能提供的資源有限，數(shù)字孿生的技術(shù)發(fā)展也需要逐步突破。在智能礦山數(shù)字孿生技術(shù)研究及應(yīng)用中，不可能也沒必要面面俱到。因此，需要針對關(guān)鍵部件或裝備，核心環(huán)節(jié)，重要或危險場所、區(qū)域等進行精細化孿生，同時不能忽視其他區(qū)域的研究，從而實現(xiàn)深度和廣度的統(tǒng)一。

3.1 礦井規(guī)劃設(shè)計、開發(fā)、建設(shè)階段

數(shù)字孿生技術(shù)是一種將實際物理系統(tǒng)與其數(shù)字化模型相結(jié)合的創(chuàng)新技術(shù)，其在礦井設(shè)計階段的應(yīng)用正逐漸受到關(guān)注。數(shù)字孿生技術(shù)通過收集、整合和分析大量實時數(shù)據(jù)，可準確地模擬和預(yù)測礦井設(shè)計過程中的各種情況。謝嘉成等[78]針對綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)采用數(shù)字孿生技術(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，從綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)裝備及產(chǎn)品的全生命周期管理、綜采裝備選型，到綜采工作面元素布局及虛擬仿真，以及綜采生產(chǎn)系統(tǒng)在線虛擬監(jiān)測與控制等3 個階段充分運用數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)綜采工作面全要素、全流程、全數(shù)據(jù)的整合，達到生產(chǎn)系統(tǒng)最優(yōu)配置和裝備協(xié)同的效果。李鵬等[79]針對采掘工作面地質(zhì)信息進行了數(shù)字孿生技術(shù)研究，對煤礦掘進工作面地質(zhì)模型進行數(shù)字孿生仿真，通過實驗、經(jīng)驗理論等方法對掘進巷道圍巖進行巖體質(zhì)量分級，形成數(shù)值仿真初始模型，將數(shù)值模擬結(jié)果反饋至物理世界掘進巷道模型作為賦值，從而為巷道支護提供依據(jù)，實現(xiàn)掘進巷道支護設(shè)計三維參數(shù)計算的應(yīng)用。李偉等[80]應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)改進大型煤礦的遠程智能監(jiān)控方法，通過遠程采集實時運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在虛擬空間對其進行全面監(jiān)控和優(yōu)化設(shè)計。這些初步探索為數(shù)字孿生技術(shù)在煤礦設(shè)計階段的應(yīng)用提供了方向。

3.1.1 災(zāi)害預(yù)防性設(shè)計

數(shù)字孿生技術(shù)在煤礦災(zāi)害預(yù)防設(shè)計中的應(yīng)用是一個非常重要的方向。通過數(shù)字孿生技術(shù)，在煤礦設(shè)計階段充分模擬和驗證災(zāi)害發(fā)生的可能性，以便更好地進行災(zāi)害預(yù)防和安全設(shè)計。如在瓦斯高位抽采巷道的設(shè)計中，確定巷道位置和抽采負壓等關(guān)鍵參數(shù)是至關(guān)重要的。采用數(shù)字孿生實時仿真功能，可驗證不同抽采參數(shù)對煤自燃和瓦斯抽采的影響，實現(xiàn)煤自燃防治及瓦斯抽采的平衡，從而確定最佳的巷道位置和合適的抽采負壓參數(shù)。

通風(fēng)方式的設(shè)計也是煤礦安全中一個重要的方面。在數(shù)字孿生技術(shù)的支持下，可模擬不同通風(fēng)方式對氣體擴散和控制效果的影響。根據(jù)實際情況和需求，在抽出式通風(fēng)和壓入式通風(fēng)方法之間做出選擇。通過數(shù)字模擬和優(yōu)化算法，確定找到最佳通風(fēng)方法。對于巷道通風(fēng)方式的設(shè)計，通過數(shù)字模擬和仿真，可評估U 型、Y 型等不同類型通風(fēng)方式在通風(fēng)效果、工程成本、施工難度、災(zāi)害影響等方面的優(yōu)劣，從而在低成本環(huán)境下選擇最適合的設(shè)計方案。

3.1.2 生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)字孿生技術(shù)可以在礦井設(shè)計前進行全面的仿真模擬。通過建立完整的數(shù)字孿生模型，可對礦井設(shè)計方案進行多維度、全方位的評估。例如，在考慮不同采礦方法時，可通過模擬來評估不同方法對煤層開采效果、工程成本、環(huán)境影響等方面的影響，從而選擇最優(yōu)解決方案。

數(shù)字孿生技術(shù)還可以幫助優(yōu)化礦井設(shè)計過程。傳統(tǒng)的礦井設(shè)計通常依賴于經(jīng)驗和試錯，并且存在一定的盲區(qū)和風(fēng)險。而通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以在設(shè)計階段就對各種參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化，并及時預(yù)測可能出現(xiàn)的問題，從而提高工作效率，降低風(fēng)險，并減少后期修正所需時間和成本。

此外，數(shù)字孿生技術(shù)還可以在礦井建設(shè)過程中實時監(jiān)測和調(diào)整。通過與實際礦井的數(shù)據(jù)交互，數(shù)字孿生模型可持續(xù)更新，并及時反饋實際情況。設(shè)計人員可以根據(jù)數(shù)字孿生模型的指導(dǎo)進行實時調(diào)整和優(yōu)化，確保礦井建設(shè)過程的安全性和高效性。

3.1.3 地質(zhì)環(huán)境預(yù)測

煤礦地質(zhì)環(huán)境是影響煤礦開采的重要因素。傳統(tǒng)的手段難以預(yù)測斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，而這些構(gòu)造對于煤礦采掘作業(yè)會產(chǎn)生很大的影響。為了解決該問題，現(xiàn)在可采用數(shù)字孿生技術(shù)來實現(xiàn)對煤礦地質(zhì)信息進行全面、精準、實時監(jiān)測和分析。數(shù)字孿生技術(shù)通過多種手段獲取地質(zhì)信息，并將這些信息進行集成、處理和可視化展示。例如，可以通過物探、鉆探等技術(shù)獲取高精度的三維地質(zhì)模型，從而得到更加詳細的透明地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。

同時，數(shù)字孿生技術(shù)還可以結(jié)合遙感數(shù)據(jù)、地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)源，進行分析和模擬，從而更好地理解整個區(qū)域的地質(zhì)特征。使用數(shù)字孿生技術(shù)能夠為煤礦企業(yè)提供更加全面和準確的地質(zhì)信息服務(wù)。通過對地質(zhì)環(huán)境進行實時監(jiān)測和分析，幫助煤礦及時發(fā)現(xiàn)并處理可能存在的地質(zhì)構(gòu)造，提高采掘效率，降低經(jīng)營成本。

3.2 礦井生產(chǎn)運營階段

在礦井生產(chǎn)運營階段，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進行了大量的研究和應(yīng)用，但離數(shù)字孿生要求的以虛預(yù)實、以虛優(yōu)實、虛實共生等愿景相差較遠。生產(chǎn)運營階段的兩個重點任務(wù)是安全和生產(chǎn)，因此后續(xù)的研究中應(yīng)重點突破數(shù)字孿生技術(shù)在災(zāi)害預(yù)警及防控和生產(chǎn)調(diào)度決策優(yōu)化2 個方面的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字孿生的真正價值。

3.2.1 災(zāi)害預(yù)警及防控

水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯爆炸、粉塵、沖擊地壓等煤礦災(zāi)害嚴重威脅礦工的生命安全。為了減少事故的發(fā)生，提前預(yù)測并防止?jié)撛诘奈ｋU因素至關(guān)重要。目前，煤炭行業(yè)已經(jīng)能夠監(jiān)測并報警災(zāi)害，但災(zāi)害的發(fā)生往往具有突發(fā)性，當監(jiān)測到災(zāi)害異常時，災(zāi)害通常已經(jīng)處于不可控的狀態(tài)，無法滿足安全監(jiān)控預(yù)警的需求[81]。然而，數(shù)字孿生技術(shù)通過將實體系統(tǒng)與其虛擬仿真模型相結(jié)合，能夠?qū)崟r監(jiān)測、分析和預(yù)測煤礦環(huán)境中的各種參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)模擬和算法優(yōu)化來提供準確可靠的預(yù)警信息。

在數(shù)字孿生技術(shù)中，對煤礦環(huán)境進行精確建模是非常重要的。通過采集傳感器數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控等手段獲取實時數(shù)據(jù)，并結(jié)合地質(zhì)勘探、物理測試等方法獲取更詳細的井下環(huán)境信息，從而建立一個真實可靠的虛擬煤礦環(huán)境。通過模型仿真，結(jié)合物理世界實時監(jiān)測溫度、濕度、氣體濃度、礦壓、粉塵含量等參數(shù)，實現(xiàn)孿生體的提前運轉(zhuǎn)。當虛擬世界中出現(xiàn)異常時，可提前告知物理世界做出預(yù)警反應(yīng)。

此外，數(shù)字孿生技術(shù)還能通過機器學(xué)習(xí)和人工智能算法來進行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理和預(yù)測分析。通過對大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，可以建立起精確的模型，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化預(yù)測結(jié)果。這使得煤礦科技人員能夠提前發(fā)現(xiàn)潛在的災(zāi)害風(fēng)險，并采取相應(yīng)措施來避免事故發(fā)生。

另外，煤礦發(fā)生災(zāi)害時的輔助決策是數(shù)字孿生技術(shù)在煤礦的應(yīng)用方向之一。災(zāi)害發(fā)生時，如何制訂決策方案是至關(guān)重要的問題。通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以在虛擬空間中低成本試錯。例如，發(fā)生外因火災(zāi)時，可以通過數(shù)字孿生技術(shù)在孿生世界中測試反風(fēng)效果及煙流蔓延方向，從而制定決策及人員逃生方案。發(fā)生煤自燃時[82-83]，利用實時監(jiān)測到的束管監(jiān)測數(shù)據(jù)及光纖測溫數(shù)據(jù)等關(guān)鍵參數(shù)，通過數(shù)字孿生實時仿真實現(xiàn)高溫火源點的定位。發(fā)生瓦斯爆炸后，借助數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)預(yù)測氣體的波及范圍，實現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的提前預(yù)警。

3.2.2 生產(chǎn)調(diào)度決策優(yōu)化

煤礦生產(chǎn)調(diào)度是煤礦企業(yè)生產(chǎn)管理中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其目的在于協(xié)調(diào)各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)[84]，綜合平衡，使整個生產(chǎn)過程能夠高效進行，最終形成一個有機整體。在數(shù)字孿生平臺上可實時模擬和監(jiān)測實際物理系統(tǒng)運行狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)分析和算法優(yōu)化來指導(dǎo)實際操作。在煤礦生產(chǎn)調(diào)度中，數(shù)字孿生技術(shù)可通過以下方式發(fā)揮作用。

1）模擬和優(yōu)化生產(chǎn)過程。通過建立煤礦主生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，可實時模擬和監(jiān)測各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的運行狀態(tài)，預(yù)測可能出現(xiàn)的問題，并通過算法優(yōu)化來提高生產(chǎn)效率和資源利用率。

2）預(yù)測和應(yīng)對突發(fā)事件。數(shù)字孿生技術(shù)可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)測分析，提前發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致生產(chǎn)中斷的突發(fā)事件（如設(shè)備故障、災(zāi)害等），并制定應(yīng)對策略，以減少停機時間和損失。

3）實時調(diào)整調(diào)度方案。基于數(shù)字孿生模型對煤礦主生產(chǎn)系統(tǒng)進行實時監(jiān)測和分析，可根據(jù)實際情況動態(tài)調(diào)整調(diào)度方案，使各個環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)更加緊密，避免停工現(xiàn)象，并確保庫存水平與市場需求相匹配。

4）優(yōu)化資源配置。數(shù)字孿生技術(shù)可通過數(shù)據(jù)分析和算法優(yōu)化來指導(dǎo)資源的合理配置，包括人力、設(shè)備、物料等方面。通過最優(yōu)化資源配置，可提高煤礦生產(chǎn)的效率和穩(wěn)定性，減少資源浪費。

3.2.3 生產(chǎn)設(shè)備全生命周期管理

數(shù)字孿生可應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)設(shè)備的全生命周期管理過程[85-86]。在設(shè)備的設(shè)計與制造階段，數(shù)字孿生技術(shù)可通過模擬幫助設(shè)計人員預(yù)測設(shè)備的性能和運行情況，減少試錯成本和時間，提高研發(fā)效率。同時，數(shù)字孿生技術(shù)還可幫助制造商監(jiān)測設(shè)備的質(zhì)量和完整性，確保產(chǎn)品符合標準和規(guī)定。在設(shè)備投入使用后，數(shù)字孿生技術(shù)可通過實時數(shù)據(jù)采集和分析來監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)和性能，基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果及時發(fā)現(xiàn)異常情況并進行預(yù)警處理。

在維護保養(yǎng)方面，可根據(jù)實際使用情況制定更加科學(xué)合理的維護計劃，以延長設(shè)備壽命。設(shè)備報廢后，通過對設(shè)備歷史數(shù)據(jù)進行分析，可幫助煤礦企業(yè)了解設(shè)備壽命周期、維修成本和更新?lián)Q代的最佳時機等信息，從而制定更加科學(xué)的設(shè)備管理策略。

4 結(jié)論

1）數(shù)字孿生技術(shù)具備模型仿真測試、預(yù)測、遠程可視化控制、算法分析和智能決策等低成本認識世界、改造世界的功能，與煤礦高風(fēng)險作業(yè)和高成本維護等現(xiàn)狀相適應(yīng)。因此，數(shù)字孿生技術(shù)在智能礦山領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2）數(shù)字孿生技術(shù)目前在煤礦安全、生產(chǎn)、運營管理方面得到應(yīng)用，但屬于起步階段。在應(yīng)用場景方面，以采掘工作面、關(guān)鍵重要機械裝備及災(zāi)害預(yù)警為主要應(yīng)用點。在數(shù)字孿生5 個維度方面，虛擬實體的研究較多，其中虛擬實體的建模以幾何模型居多，物理、行為、規(guī)則模型涉及的較少；功能服務(wù)大多與智能算法相結(jié)合，但現(xiàn)場應(yīng)用較少；物理實體、連接交互、孿生數(shù)據(jù)維度的相關(guān)研究很少。在功能方面，實現(xiàn)三維可視化功能較多，少部分達到以虛控實層級，以虛預(yù)實、以虛優(yōu)實、虛實共生的層級目前處于探討階段。

3）數(shù)字孿生在智能礦山領(lǐng)域的全面應(yīng)用需從5 個維度同步著手研究。物理實體維度需重點突破全面感知及控制裝備的研發(fā)，虛擬實體維度需深入進行物理、行為、規(guī)則模型的研究，連接交互維度需攻關(guān)煤礦井下5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸關(guān)鍵技術(shù)，孿生數(shù)據(jù)維度需解決高性能計算等問題，功能服務(wù)維度需研發(fā)仿真軟件及人工智能算法，以便更好地適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境。

4）智能礦山領(lǐng)域宜從設(shè)計階段、生產(chǎn)階段等方面推進數(shù)字孿生技術(shù)的研究與應(yīng)用，針對關(guān)鍵部件或裝備，核心環(huán)節(jié)，重要或危險場所、區(qū)域等進行精細化孿生。