隨著(zhù)科技的不斷進(jìn)步，數字孿生智慧礦井系統將在礦業(yè)行業(yè)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，數字孿生三維可視化技術(shù)的應用，通過(guò)三維仿真建模、實(shí)時(shí)監測、數據分析、設備控制和信息共享等手段，提高了礦井生產(chǎn)的效率、安全性和可持續發(fā)展水平。

1.行業(yè)需求概述

（1）透徹感知

透徹感知是數字孿生智慧礦井的基礎。通過(guò)井里的攝像機、傳感器、可穿戴設備等，對人員、設備、環(huán)境和災害的透徹感知，確保煤礦企業(yè)生產(chǎn)系統安全、正常運轉。

（2）深度互聯(lián)

深度互聯(lián)是智能處理的基礎?；诘V企自身環(huán)境的特殊性和復雜性，數字孿生智慧礦井會(huì )建設各類(lèi)綜合自動(dòng)化系統、管理信息化系統和工程數字化系統。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，將傳感器、電腦、手持設備、移動(dòng)終端等相連交互，實(shí)現深度互聯(lián)。

（3）高度共享

利用云計算、大數據、海量數據存儲等技術(shù)，采取標準化、規范化等手段，將礦井所有的信息進(jìn)行匯聚、存儲以及整合，使得來(lái)自于各個(gè)系統的數據及信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現信息的高度共享，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)

數字孿生智慧礦井與礦井綜合自動(dòng)化、數字礦井和感知礦井最大的不同在于智能化的服務(wù)，這也是數字孿生智慧礦井的核心所在。面對透徹感知采集的實(shí)時(shí)數據和深度互聯(lián)產(chǎn)生的關(guān)系型數據，數字孿生智慧礦井企業(yè)需要采用統一的數據描述方法和統一的數據倉庫平臺確保數據的統一，再采用專(zhuān)家模型、數據挖掘等進(jìn)行數據處理、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)現面向數字孿生智慧礦井的智能化服務(wù)。

（5）可視化展現

數字孿生智慧礦井注重用戶(hù)體驗和認知效率，在礦井建設過(guò)程中著(zhù)重運用可視化技術(shù)和數字孿生理念對真實(shí)的礦井進(jìn)行三維場(chǎng)景還原，利用數據挖掘技術(shù)、人工智能系統挖掘各系統之間數據的關(guān)聯(lián)、隱形內涵等，并依托圖形渲染、組態(tài)等技術(shù)對生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理類(lèi)信息及時(shí)、直觀(guān)、高效的展現，引導用戶(hù)在最短的時(shí)間內獲取最有價(jià)值的信息，增強數字孿生智慧礦井信息的準確性和易理解程度。

1.數字孿生系統架構

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)新型基礎設施。

數據層：數據層主要包括保證運算準確性的高精度的數據采集、保證交互實(shí)時(shí)性的高速率數據傳輸、保證存取可靠性的全生命周期數據管理。

運算層：運算層是數字孿生體的核心，其充分借助各項先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現對下層數據的利用，以及對上層功能的支撐。

功能層：功能層是數字變生體的直接價(jià)值體現，實(shí)現系統認知、系統分析、故障診斷、預測推演功能，從而起到輔助決策作用。系統認知，數字孿生體能夠真實(shí)描述及呈現物理實(shí)體的狀態(tài)，它是實(shí)現數字孿生體其它高級和智能化功能的基礎。系統分析可實(shí)現數字孿生體的狀態(tài)監測功能，發(fā)揮對物理實(shí)體的早期預警作用。故障診斷，通過(guò)分析物理實(shí)體的運行狀態(tài)，了解現象背后的原因。預測推演，是利用仿真技術(shù)來(lái)預見(jiàn)物理實(shí)體未來(lái)的狀態(tài)演變，從而指導當前的運行決策。

應用層：應用層是面向各類(lèi)場(chǎng)景的數字孿生體的最終價(jià)值體現，具體表現為不同行業(yè)的各種產(chǎn)品，能夠明顯推動(dòng)各行各業(yè)的數字化轉型。

2.數字孿生系統的典型特征

等價(jià)映射：數字孿生體是對物理實(shí)體的等價(jià)描述，是對物理實(shí)體進(jìn)行數字化而松建的模型數字孿生體的變化能夠真實(shí)反映現實(shí)世界中的物理實(shí)體的變化。數字孿生體能夠實(shí)現雙向映射、數據連接和狀態(tài)交互，起到“數化”、“保真”效果。

實(shí)時(shí)交互：基于實(shí)時(shí)傳感等多元數據的獲取，孿生體可全面、精準、動(dòng)態(tài)反映物理對象的狀態(tài)變化，包括外觀(guān)、性能、位置、異常等?！皩?shí)時(shí)”體現數字孿生體所處狀態(tài)是物理實(shí)體狀態(tài)的實(shí)時(shí)虛擬映射;“交互”體現數字孿生體與物理實(shí)體間存在數據及指令互動(dòng)。

共生演進(jìn)：“共生”體現在數字孿生體與物理實(shí)體同步構建，在全生面周期中相互依存，孿生體隨著(zhù)孿生對象的生長(cháng)而不斷演變。共智體現在三個(gè)層面:孿生體與孿生對象間共享智慧(包括:數據、算法)、孿生體內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。

預測優(yōu)化：根據物理實(shí)體的各項真實(shí)數據，通過(guò)數字孿生體進(jìn)行仿真，實(shí)現對物理實(shí)體未來(lái)狀態(tài)的預測，預先知曉未來(lái)狀態(tài)能夠輔助用戶(hù)做出更合理的決策。根據物理實(shí)體的實(shí)時(shí)運行狀態(tài)，通過(guò)數字孿生體進(jìn)行監測，實(shí)現對系統不穩定狀態(tài)的預測，預先覺(jué)察即將可能發(fā)生的不穩定狀態(tài)，使用戶(hù)更從容地處理該問(wèn)題。

建立數字孿生體的最終目的，是通過(guò)描述物理實(shí)體集合內在機理，分析規律、洞察趨勢，基于分析與仿真對物理世界形成優(yōu)化指令或策略，實(shí)現對物理實(shí)體決策優(yōu)化功能的閉壞。根據數字孿生的典型特征，可以得出數字孿生的體系架構。

4.系統功能

數字孿生煤礦是將數字孿生技術(shù)應用于煤礦領(lǐng)域，通過(guò)構建煤礦的數字模型，實(shí)現煤礦全生命周期的監控和管理。具體應用包括以下幾個(gè)方面：

• 礦井安全監控：數字孿生煤礦可以通過(guò)傳感器采集礦井內部的各種數據，如溫度、濕度、氧氣濃度、瓦斯濃度等，并對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，實(shí)現礦井安全監控。

• 礦井生產(chǎn)管理：數字孿生煤礦可以通過(guò)對礦井生產(chǎn)過(guò)程的全面監控，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率。

• 礦井設備維護：數字孿生煤礦可以通過(guò)對礦井設備的運行數據的分析，預測設備可能出現的問(wèn)題，提前進(jìn)行維護，避免設備損壞造成的生產(chǎn)中斷。

• 礦井災害預警：數字孿生煤礦可以通過(guò)對礦井內部環(huán)境數據的分析，預測可能發(fā)生的災害，如瓦斯爆炸、水災等，提前采取防范措施。

5.系統特點(diǎn)

• 智能化管理：隨著(zhù)人工智能技術(shù)的發(fā)展，數字孿生煤礦更加智能化，通過(guò)對大量數據的分析和學(xué)習，自動(dòng)進(jìn)行礦井安全監控、生產(chǎn)管理、設備維護和災害預警等工作，提高煤礦的管理效率和管理水平。

• 高度集成：數字孿生煤礦實(shí)現高度的信息集成，將來(lái)自不同來(lái)源的數據進(jìn)行整合和分析，為煤礦管理提供全面的數據支持。例如，將礦井安全監控、生產(chǎn)管理、設備維護和災害預警等數據進(jìn)行整合，實(shí)現統一管理和分析。

• 預測性維護：通過(guò)數字孿生技術(shù)，煤礦能夠實(shí)現預測性維護，通過(guò)對設備運行數據的分析，提前預測設備可能出現的問(wèn)題，提前進(jìn)行維護，避免設備損壞造成的生產(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)和機器人技術(shù)的發(fā)展，數字孿生煤礦實(shí)現無(wú)人化開(kāi)采。通過(guò)自動(dòng)化設備和機器人代替人工進(jìn)行開(kāi)采和運輸等工作，降低工人的勞動(dòng)強度和危險性，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

• 綠色開(kāi)采：隨著(zhù)環(huán)保意識的提高，數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，減少對環(huán)境的影響和污染，實(shí)現可持續發(fā)展。

• 遠程管理：數字孿生煤礦實(shí)現遠程管理，管理人員可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)設備隨時(shí)隨地查看礦井的實(shí)時(shí)數據和歷史數據，實(shí)現對礦井的遠程監控和管理。

• 數據分析與優(yōu)化：數字孿生煤礦注重數據分析與優(yōu)化。通過(guò)對大量數據的分析和學(xué)習，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)對數據的挖掘和分析，發(fā)現潛在的風(fēng)險和問(wèn)題，及時(shí)采取措施加以解決。

• 與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結合：數字孿生煤礦與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密地結合在一起。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現對礦井設備、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)現與其他工業(yè)領(lǐng)域的聯(lián)動(dòng)和信息交互。

• 增強現實(shí)（AR）技術(shù)的應用：數字孿生煤礦將注重增強現實(shí)（AR）技術(shù)的應用。通過(guò)AR技術(shù)將虛擬模型與現實(shí)場(chǎng)景相結合，實(shí)現對礦井的全面可視化和直觀(guān)化管理。同時(shí)還可以通過(guò)AR技術(shù)實(shí)現人員培訓、設備維修和災害防控等方面的應用。

• 網(wǎng)絡(luò )安全保障：隨著(zhù)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)現對煤礦信息的全面保護和安全管理確保煤礦的安全穩定運行。