数字孪生概念

　　数字孪生(Digital Twin)起源于美国国家航空航天局(NASA)的“阿波罗计划”。数字孪生的设想是Michael Grieves教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上首次提出;1999年，中国科学院首届国际数字地球大会中有一个议题就是“数字矿山”;直到2010年，数字孪生一词在NASA的技术报告中被正式提出，被定义为“充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程”;2012年，NASA与美国空军联合发表了关于数字孪生的论文，提出数字孪生是驱动未来飞行器发展的关键技术之一。澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CommonwealthScientific and Industrial Research Organisation,CSIRO)开展了“玻璃地球”相关工作，启动了“深度地球成像”科学平台，并于2021年发布了《空间驱动的数字孪生体架构》，明确要求建立矿山数字孪生体。

　　针对数字孪生的定义，目前业界有2种定义：

(1)标准化组织定义

　　数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。

(2)学术界定义

　　数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。

　　随着计算机图形学、大数据、工业互联网、先进传感器、工业控制等技术的飞速发展，大尺度、高精度的三维地质建模技术与人工智能、数据、通信技术的深度融合，推动了数字孪生技术在煤炭行业的应用，使得传统煤炭行业向智能化方向转变，实现综采、综掘工作面的少人化、无人化作业，达透明工作面数字孪生系统关键技术及实现安全、高效、绿色开采的目标。据统计，截至目前，有来自40多个国家、 超过160家机构的工业界和学术界的500多位研究人员开展了数字孪生理论和应用方面的研究。

透明工作面数字孪生系统关键技术

（1）多级多属性高精度地质模型构建技术

　　将三维地震数据体作为基础框架，以钻探数据、采掘数据、钻孔多参数测量数据为动态标定参数，以电磁法探测数据为构造、含水体为属性填充，以其他物探手段为同步实时映射依据，基于多源异构数据融合方法，结合揭露的煤层底板标高及起伏形态、工作面钻孔穿煤层顶底板空间位置等地质条件，采用槽波地震勘探煤层厚度反演、贝叶斯克里金插值理论、序贯高斯模拟等技术手段显示出异常的地质构造、煤层厚度等地质信息，构建面向矿井、采区、工作面的多级多属性地质模型。

（2）智能综采“三机”协同控制技术

　　智能综采“三机”协同控制技术的核心：在感知综采条件(设备、环境、人)参数的基础上，以高精度透明工作面三维地质模型为依托，借助万兆工业以太环网+工作面4G网络技术、高精度传感器技术、远程实时控制技术、采煤工艺自动化技术、工作面水平自动控制技术、工作面自适应调高技术、采煤机记忆截割技术、液压支架姿态自适应技术等，通过大数据分析得出决策数据，对采煤机截割曲线和液压支架自动跟机拉架、推移刮板输送机行程等关键数据进行修正更新，从而达到动态生产过程中对综采设备精准控制的目的。最重要的是因地制宜地结合采煤工艺，依据工作面顶板压力、倾角、液压支架姿态、采煤机运行状态和位姿等信息，将整个生产过程划分为不同阶段，完成自动决策并控制液压支架全工作面跟机、自动找直等各个工序动作，然后根据完成情况决定是否触发下一道工序，从而实现工作面的协同控制和连续生产，克服因“上窜下滑”及工作面直线度差等问题导致的采煤机和液压支架相对于煤壁位置发生位移的问题，确保“三机”协同控制的精准性。其中采煤机、液压支架、刮板输送机协同工作包括协同动作、数据共享、采煤工艺协同等。

（3）采煤机空间定位技术

　　采煤机空间定位通过惯性导航系统实现，可实时采集采煤机的姿态信息(俯仰角、横滚角、航向角)，结合里程计或激光雷达测距数据，实现采煤机在透明工作面地质模型所处地理坐标系中的精准定位，通过记录惯性导航系统运行轨迹，实时反映当前采煤机的三维位姿状况，通过位姿变化情况来进一步修正更新规划截割模型中的采高、坡度等数据，为精准控制提供依据。

　　惯性导航系统由惯性测量组件(三轴重力加速度计传感器、光纤陀螺组件)、采集处理电路板、稳压电路电路、解算软件等组成。组件采集的信号经过采集处理电路板的处理、补偿、导航数据解算后，以姿态和位置数据的方式输出。采煤机姿态和位置数据的更新解算算法是采煤机空间定姿定位的核心，也是影响系统精度的重要因素之一。惯性导航系统固定安装在采煤机的中心位置并作为坐标原点，选择地理坐标系作为导航坐标系，取采煤机前进方向为X轴正方向，采煤机自身重力方向相反的方向为Y轴正方向(竖直向上)，与机身平面垂直的方向为Z轴正方向。

　　选择地理坐标系作为导航坐标系(3个轴分别指向东、北、竖直方向)，以采煤机中心为坐标原点，建立采煤机姿态更新的姿态四元数微分方程，求解得到采煤机所在位置的经纬度和高度。轴连接器连接的里程计与采煤机齿轨轮共同采集采煤机的移动距离，采用卡尔曼滤波算法融合里程计和齿轨轮的速度信息，将融合后的参数进行反馈，从而修正惯性导航与里程计的姿态角、速度、位置参数。

（4）实时数据驱动的同步映射技术

　　针对地质信息变化对实时监测技术的需求，设计科学的监测方法和观测系统，利用地质雷达、高密度电法、微震裂缝监测、压力监测、光纤光栅、三维激光扫描等手段获取地质数据，以及采掘活动中的采煤机、液压支架、刮板输送机和视频监控等实时数据流，通过井下万兆工业环网+4G混合网络或5G专网提供的高速传输通道进行实时上传，地面调度中心快速获取、处理后结合采煤工艺对综采设备姿态、环境、运行参数进行动态调整和矿井三维地质模型实时动态更新，实现基于实时采掘活动的矿井实际生产场景、地质信息与虚拟采掘场景之间的同步映射和虚实融合再现。

来源：《透明工作面数字孪生系统关键技术及实现》