智能化煤礦建設(shè)是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。近年來(lái)，隨著煤炭產(chǎn)業(yè)集中度大幅提高，煤炭生產(chǎn)也加快推進(jìn)從機(jī)械化到自動(dòng)化、信息化的跨越，煤礦智能化建設(shè)基礎(chǔ)不斷夯實(shí)。

隨著智能化發(fā)展加快推進(jìn)，如何真正實(shí)現(xiàn)煤礦無(wú)人化開采的問(wèn)題提上日程。智能手機(jī)有安卓操作系統(tǒng)，機(jī)器人有ROS操作系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床有FANUC操作系統(tǒng)，而未來(lái)智采工作面還沒有一套包容所有智能終端的操作系統(tǒng)，這是智能采煤的軟件“技術(shù)短板”。

記者近日從中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）獲悉，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）校長(zhǎng)葛世榮團(tuán)隊(duì)提出了數(shù)字孿生智采工作面技術(shù)架構(gòu)，致力于進(jìn)一步提高煤礦井下智能化采煤工作面系統(tǒng)集成度和自主交互能力，形成一個(gè)智采操作系統(tǒng)。

智能化開采是變革和跨越

從普通機(jī)械化開采發(fā)展到綜合機(jī)械化開采后，煤炭開采又要經(jīng)歷從網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化到智能化的轉(zhuǎn)變。網(wǎng)絡(luò)化解決了通訊問(wèn)題，數(shù)字化解決了數(shù)據(jù)的采集和控制問(wèn)題，智能化將解決哪些問(wèn)題？

在葛世榮看來(lái)，智能化是利用信息感知、人工智能的先進(jìn)技術(shù)，使機(jī)器具備自主感知、學(xué)習(xí)、分析、推理、決策和執(zhí)行人類的智能活動(dòng)；煤礦智能化的核心技術(shù)，是將高級(jí)的人工智能用到采礦過(guò)程和裝備上，形成無(wú)人化的運(yùn)行或操作。

毫無(wú)疑問(wèn)，煤炭生產(chǎn)技術(shù)革命已經(jīng)對(duì)煤礦提出智能化、安全化、綠色化、低碳化新要求。該研究團(tuán)隊(duì)指出，智能化煤礦將逐漸經(jīng)歷從人工知識(shí)表達(dá)到學(xué)習(xí)，從數(shù)據(jù)處理到認(rèn)知、學(xué)習(xí)、推理，從追求智能機(jī)器到人機(jī)、腦機(jī)協(xié)調(diào)融合，從聚焦個(gè)體智能到群體智能，從擬人化機(jī)器人向自主化機(jī)器人發(fā)展的轉(zhuǎn)變。

葛世榮認(rèn)為，智采工作面和綜采工作面有本質(zhì)區(qū)別，智能化開采不是綜合機(jī)械化開采的改進(jìn)，而是變革，甚至是跨越。

“華為、蘋果手機(jī)有將數(shù)據(jù)、應(yīng)用、平臺(tái)等統(tǒng)一起來(lái)針對(duì)用戶交互服務(wù)的操作系統(tǒng)，機(jī)器人、機(jī)床，以及煤礦現(xiàn)有采煤機(jī)、支架、運(yùn)輸機(jī)等也都有自身操作系統(tǒng)，但智能化煤礦目前還缺一個(gè)操作系統(tǒng)?！比绾伟压ぷ髅?、采煤機(jī)、支架、刮板運(yùn)輸機(jī)和災(zāi)害監(jiān)控系統(tǒng)等聯(lián)合起來(lái)？他指出，“如果用數(shù)字孿生智采系統(tǒng)將這些操作統(tǒng)籌起來(lái)，每個(gè)設(shè)備、每個(gè)環(huán)節(jié)的智能終端只要接入這個(gè)系統(tǒng)，按需求獲取數(shù)據(jù)傳輸和控制服務(wù)就可以了?！?/span>

實(shí)際與虛擬同比例呈現(xiàn)

什么是數(shù)字孿生？如何用數(shù)字孿生構(gòu)建智能化煤礦的操作系統(tǒng)，又如何理解數(shù)字孿生智能采煤工作面？

據(jù)葛世榮介紹，數(shù)字孿生是數(shù)據(jù)表征的數(shù)字化、數(shù)據(jù)交互的可視化和融合起來(lái)的智能化?！皩?shí)際上，虛擬現(xiàn)實(shí)就是最初級(jí)的數(shù)字孿生。數(shù)字孿生用在采煤工作面上，就像一面數(shù)字化鏡子，將工作面的實(shí)際情況和數(shù)字工作面的虛擬情況1:1呈現(xiàn)出來(lái)，既包含物理空間信息也出現(xiàn)采煤運(yùn)行狀態(tài)信息?！彼?，數(shù)字孿生必須依賴數(shù)字信息和虛擬孿生這兩個(gè)關(guān)鍵要素。

據(jù)悉，目前我國(guó)煤礦井下的操作艙、集中監(jiān)控系統(tǒng)等已具備了數(shù)字孿生的基本概念，能對(duì)采煤機(jī)組進(jìn)行啟停、狀態(tài)監(jiān)控，設(shè)有全自動(dòng)運(yùn)行模式和半自動(dòng)運(yùn)行模式。但有待進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)流的整合、運(yùn)用和控制能力，形成有執(zhí)行、反饋、數(shù)據(jù)匯集及分析優(yōu)化等功能的閉環(huán)系統(tǒng)。

針對(duì)設(shè)備互聯(lián)度不夠高、信息互通性不夠強(qiáng)、人機(jī)交互性不夠好等問(wèn)題，面向智采工作面應(yīng)用場(chǎng)景創(chuàng)新，需將無(wú)人駕駛、集群協(xié)作的物理智采工作面和遠(yuǎn)程監(jiān)控、虛擬運(yùn)行的數(shù)字智采工作面形成數(shù)據(jù)和信息之間交互。

此外，該團(tuán)隊(duì)相關(guān)負(fù)責(zé)人指出，智采工作面的智能仿生特性也將助力數(shù)字孿生應(yīng)用。機(jī)器、集群“軀干”構(gòu)成物流模塊；感知、運(yùn)算“大腦”形成信息模塊；5G通信、泛在網(wǎng)“神經(jīng)”組成通信模塊；調(diào)姿、調(diào)力“腦肌”是控制模塊；另外，具象、映射“映像”為孿生模塊。對(duì)于智能裝備而言，通過(guò)構(gòu)造數(shù)字孿生體，不僅能高度逼真地反映機(jī)器實(shí)體的特征、運(yùn)行和性能，還能以超現(xiàn)實(shí)的形式實(shí)現(xiàn)機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估和健康管理。

實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)五智一平臺(tái)融入

記者進(jìn)一步了解到，葛世榮團(tuán)隊(duì)提出的數(shù)字孿生智采工作面新系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、云計(jì)算等新技術(shù)融于智采工作面，創(chuàng)建出一個(gè)精確地虛擬智采工作面的模型，實(shí)現(xiàn)智采工作面生產(chǎn)、管理的高度數(shù)字化及模塊化，為未來(lái)自主運(yùn)行提供新平臺(tái)，將有助于提升當(dāng)前智采工作面的自主感知和優(yōu)化調(diào)控能力。

“智能礦山核心要素是一網(wǎng)、五智、一平臺(tái)?！备鹗罉s進(jìn)一步指出，礦山物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)等構(gòu)建一個(gè)智采物聯(lián)網(wǎng)，地質(zhì)、掘進(jìn)、開采、運(yùn)輸、安監(jiān)五大系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)高級(jí)智能化，最終它們?nèi)谌霐?shù)字孿生系統(tǒng)搭建的數(shù)據(jù)流處理、分析、反饋和調(diào)控平臺(tái)。

據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)已準(zhǔn)備在中煤集團(tuán)王家?guī)X煤礦進(jìn)行探索研究，制定了基于數(shù)字孿生的智采工作面技術(shù)方案。上述負(fù)責(zé)人介紹，他們構(gòu)建了物理空間智采工作面數(shù)字孿生模型，將基于5G+AI技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生智能監(jiān)控。目前，還需要解決智采工作面數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)流智能匯聚、礦山設(shè)備故障預(yù)知、多模態(tài)人機(jī)交互等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

葛世榮指出，智能采煤工作面的路還很長(zhǎng)，一定要從實(shí)際出發(fā)，不能一個(gè)模式，也不能一蹴而就，需要一步步探索，一點(diǎn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)突破。