基于数字孪生的智慧煤矿安全管控平台研究

基于数字孪生的智慧煤矿安全管控平台研究摘要：随着计算机、三维建模、神经网络等技术的快速发展，以及《工业互联网体系架构2.0》白皮书的发布，中国开始推进“中国制造2025”计划，数字孪生技术成为传统行业实现创新与变革的关键技术，已经广泛应用于智能制造、智慧城市等领域。矿业属于典型的传统行业，将数字孪生技术应用于指导矿山安全生产、智能管理决策已是势在必行。基于矿山数字孪生系统，矿山中的物理实体与数字孪生模型在外观、动作、时空状态方面时刻保持一致，立体化展示某一环节或矿山整体运作情况，以三维可视化视角实现井下安全预警、设备性能评估、生产经营分析，并通过ＢＰ网络算法、机器学习逐步提高系统自主分析决策能力，实现矿山高水准可视化运维、智能化生产，为矿山降本增效，向建设本质安全型无人化智能矿山迈进。关键词：数字孪生；智慧煤矿；安全管控平台引言随着煤矿信息化程度的提升，一方面各类煤矿传感数据得到了有效地采集和存储，另一方面智慧矿山的建设理念不断普及，矿山智能化建设已经成为当前矿山建设的主要目标。因此，如何构建基于智慧矿山理念的煤矿安全管控平台，对完善矿山智能化建设框架，实现煤矿本质化安全具有重要的理论价值和实际意义。本文以数字孪生技术为基础，从煤矿已建设的信息化系统出发，分析煤矿智慧管控平台的架构，探讨系统建设所需的关键技术，以期为煤矿安全智慧管理提供新的方法。1数字孪生技术数字孪生技术的目的是在虚拟数字空间中建立三维数字孪生模型与数据交互传输通道，实现真实世界物理实体与数字空间虚拟模型的虚实同步映射，主要由三部分耦合而成：现实世界中的物理实体；虚拟数字空间中的数字孪生模型；连接实体与模型的数据及传输通道。在矿山生产的应用中，数字孪生技术以矿山物联网为基础，通过广泛分布在矿山各空间位置的传感器获取海量数据，例如设备状态、环境监控、生产情况等数据，将数据进行集成、分析、优化，驱动虚拟数字孪生模型同步动作并进行分析，形成从数据反馈至智能决策的信息流；同时，根据智能决策结果以及人工经验，人员通过操作数字孪生模型下达指令来控制真实物理设备，达到以虚控实的效果。在数据相互流转的过程中，物理实体与三维模型始终通过数据保持行为一致，形成虚实交互同步的状态。在数字孪生技术应用于矿山物联网系统的过程中，首先要创造高还原度的数字孪生模型，实现矿山全要素物理实体向虚拟空间的映射，并基于数字孪生模型控制物理实体，实现以三维模型与物理实体的虚实交互同步；其次，创建适用于矿山的数据分析算法，使海量数据可以有效地被用于分析决策，延长设备使用寿命，增强矿山安全保障，提高生产经营效益。2系统架构设计智慧煤矿安全管控平台是煤矿基础数据、运营管理数据、监控监测数据等各类数据的有效融合，是实现煤矿风险管控一体化的重要基础。因此，在结合国家矿山安全生产“一张图”的基础之上，将平台架构分为数据感知层、平台组件层以及应用服务等3个层次。（1）数据感知层：主要对煤矿已建设的各类信息化系统进行接入，依托各类传感器实现煤矿安全生产结构化数据与非结构化数据的汇总。（2）平台组件层：主要实现对煤矿各类生产信息的处理、分析以及数据库写入，为智慧煤矿风险管控平台提供数据来源。该层主要依托云平台技术实现对煤矿海量信息的处理、存储以及计算，以3D虚拟现实和结构仿真技术为基础，实现煤矿系统的孪生数字体构建，进而实现煤矿安全风险的分析。（3）应用服务层：主要面向用户服务，依托数字孪生技术对智慧煤矿风险进行展示，实现风险管控的可视化分析，同时基于平台组件层的专家经验库，实现煤矿安全风险的智能研判。3平台设计3.1平台架构设计总体架构满足煤矿信息化建设和管理需求，为后期生产系统的扩建、升级和领导决策分析提供基础支撑。平台总体包括数据汇接、数据处理和数据展现３个层次，由煤矿安全生产智能化管控平台、煤矿大数据与数据管理平台及煤矿智能化综合监控平台构成。安全生产智能化管控平台是煤矿智能化管控平台的核心，基于微服务架构和资源化、场景化、平台化的思想，以煤炭工业大数据为支撑，以智能化矿山基础软件平台为基础平台，形成运行调度管控中心、安全管理中心、技术管理中心、支持保障管理中心与智能分析决策五个业务应用中心，形成煤矿智能矿山“一支撑一平台五中心”的架构管理模式。采用微服务能够对平台进行快速业务扩展，与企业经营管理中心等进行数据融合，逐步实现煤矿数据资产沉淀，建设业务中台，形成以数据资产运营为核心驱动力的矿山科技创新与管理转型，实现以数据为支撑的科学决策思维变革，提升矿井智能科学决策水平及高质量发展。大数据与数据管理平台包括大数据基础平台、接入平台、资产管理平台，实现数据资源的集中管理，满足煤矿数据消费需要，为安全生产智能化管控平台提供数据支撑。智能化综合监控平台部署于安全生产网络，通过集成矿井已建设的各类安全生产监测监控子系统数据，实现对煤矿作业现场安全生产状况的全方位感知，根据安全生产管理及运行调度中心业务应用要求，实现对作业现场传感监测的协同控制，达到安全高效生产的目标。3.2平台数据体系架构设计智能化综合管控平台数据体系架构：（1）数据采集与传输。主要采集包括安全监测监控、生产过程控制、目标定位、通信联络等系统的各种传感器、监测仪表、控制器和执行机构等数据信息，为保证平台应用层对这些数据的分析和利用，需依据物联网编码体系和规则，制定不同子系统的数据编码和数据接口标准，以规范各子系统的接入和建设。数据编码方面，监测监控各个子系统的数据编码主要包括子系统类型、传感器数值类型、传感器类型、传感器单位、报警／异常类型、传感器关联关系、实时数据状态等方面的编码。数据接口标准方面，监测类子系统的接入采用ＷｅｂＡＰＩ的接口方式，控制类子系统的接入采用ＯＰＣ－ＵＡ的接口方式。（2）数据存储。平台数据分为元数据、主数据和业务数据，在数据存储层面上，首先需要做好元数据和主数据的规划和管理。在此基础上，根据业务流程对业务数据进行梳理，设计数据模型和数据结构，完成业务数据的清洗、存储，构建包括元数据库、主数据库、空间位置数据库、实时数据库、业务应用数据库等在内的矿井综合数据库，采用大集中方式进行部署，形成全矿井１个数据中心。结束语基于智慧矿山建设框架，引入数字孪生技术，提出了基于数字孪生的智慧煤矿安全管控平台，为煤矿安全智慧管控提供了新的思路。分析了智慧煤矿安全管控平台的关键技术，探讨了平台的主要功能模块，通过构建的数字孪生的智慧煤矿安全管控平台可实现煤矿安全风险的全方位把控，有助于保证煤矿的本质安全。由于煤矿生产系统的复杂性，在建立全息煤矿数字孪生体时，仍需要较大的工作量，如何优化煤矿数字孪生体，建立较为简化直观的全息模型，将是下一步的研究重点。参考文献[1]王鹏.智慧矿山安全管控大数据平台建设探讨[J].煤炭工程,2020,52(08):154-158.[2]郝晓贞.全国煤矿安全信息数据综合平台设计与实现[D].山东大学,2020.[