基于数字孪生的智慧矿山服务架构

矿山信息化建设在经历了单机自动化、综合自动化、数字矿山几个阶段之后，在物联网、人工智能、大数据、数字孪生等技术的推动下，正朝着矿山智能化和智慧矿山的方向发展。矿山物联网技术实现了矿山物的智能连接，使得“人-机-环”感知信息能够有效汇集，各类矿山大数据平台的涌现解决了矿山“人-机-环”感知数据的高效管理和存取问题。数字孪生技术建立了虚实融合和知识生成机制，可以将现有的矿山机理模型、经验知识和矿山“人-机-环”大数据有机融合，为矿山“人-机-环”状态判识与智能协同管控提供知识服务。矿山数字孪生模型以及围绕孪生模型的智能化数据分析算法将成为智慧矿山下一步需要突破的关键技术。

物联网（感知矿山）研究中心丁恩杰教授团队提出以数字孪生技术为核心，围绕矿山生产场景和智能装备的知识服务体系是智慧矿山下一步需要重点研究的方向。相关研究体系与关键技术以综述论文的形式发表在《煤炭学报》，从智能感知与智能装备、边缘计算与网络服务、数字孪生知识建模、平台与应用系统4个方面对智慧矿山的核心关键技术进行了阐述。

（1）感知层与智能装置/装备，分布式、光纤光栅、激光、MEMs等低功耗等新型传感技术的发展拓宽了矿山物联网的感知边界，可以在线获取到更多的安全隐患尤其是隐蔽灾害的探测数据；智能传感器装置的研发和应用，使得传感器节点具备了在线计算、状态自诊断、网络自治等能力，提升了终端节点对信号实时处理和反馈调节的效率；机器人化智能化的矿山装备为矿山生产系统的智能调度、协同控制、少人化、无人化提供了基础；智能传感和智能装备技术是矿山数据孪生技术体系中的物理基础。

（2）边缘智能与网络层，随着各类边缘分站和智能网关算力的提升，轻量级数字孪生模型得以在边缘节点卸载，结合轻量级算法模型的应用，可以很大程度提高各子系统数据分析的效率和反馈响应的及时性；融合通信网络技术实现多源异构网络的统一接入，可以解决智能装置/装备的快速连接发现、高效连接管理和在线透明交换问题；5G技术在矿山的应用可以解决“人-机-环”感知数据实时高效传输问题，尤其是采掘工作面等有线连接受限的场景，提高了无线通信的实时性和可靠性。

（3）数字孪生与算法模型层，随着硬件、网络、大数据平台技术不断演进升级，围绕矿山生产过程的知识发现和知识服务成为智慧矿山发展的瓶颈。数字孪生可以实现矿山物理实体状态演化规律到虚拟实体的映射，通过虚实融合演进的状态分析模式，可以建立机理模型、自然规律、经验知识、数据特征相融合的矿山知识服务体系，从而达到对矿山物理世界实时可测、可观、准确控制、精确管理和科学决策的目的，将成为未来智慧矿山发展的技术核心。矿山数字孪生模型的建立需要矿山物理实体相关的机理模型、人工智能算法模型、大数据分析、虚拟仿真等技术的支撑。

（4）智能化应用服务层，结合矿山生产环境孪生模型和孪生交互服务机制，融合独立分散的矿山安全监测与灾害预警系统，构建统一的矿山安全态势分析平台。基于矿山生产场景孪生模型和生产过程推理算法，结合工作流技术以及智群计算理论，研发面向多生产场景的矿山安全生产智能调度服务系统；基于矿山设备状态孪生分析模型，结合大数据分析、智能诊断与协同控制技术，建立矿山“采、掘、机、运、通、供电、排水、辅助运输”等装备系统的状态在线诊断与协同管控平台。

上述研究工作得到了国家自然科学基金（52074273）、国家重点研发计划项目（No.2017YFC0804400）等项目的资助。