數(shù)字孿生礦山之:基礎設施

數(shù)字孿生體聯(lián)盟
結合到工業(yè)4.0研究院對數(shù)字孿生化水平定義,應用數(shù)字孿生基礎設施思路,在礦山行業(yè)數(shù)字化轉型中引入數(shù)字孿生體技術,力求以低成本的方式,圍繞安全高效目標打造數(shù)字孿生礦山

礦山勘探開采是一個系統(tǒng)工程,對采掘工作面的地質條件進行數(shù)字孿生化是實現(xiàn)少人化或無人化開采的基礎和前提。傳統(tǒng)的地質探測技術以三維地震技術為主,輔助引入地質動態(tài)解釋等技術,然而這樣的方式并不能保障礦山自動化運行,其主要瓶頸在于構建的數(shù)字地質精度不夠,這使得引入數(shù)字孿生體技術成為一種必要的選擇。

為了彌補傳統(tǒng)地震勘探開采過程中采掘工作面情況變化的挑戰(zhàn),采用地質動態(tài)解釋技術,而不是數(shù)學建模方式,能夠大大減輕計算量,使得該技術方法具有一定的可行性。隨著數(shù)字孿生體、人工智能、數(shù)據(jù)科學和物聯(lián)網(wǎng)等新一代數(shù)字技術的發(fā)展,發(fā)揮數(shù)字孿生體開放架構特點,能夠高效的實現(xiàn)三維地質動態(tài)建模,這是我國“十四五”時期智能化礦山發(fā)展的重要方向。

結合到工業(yè)4.0研究院對數(shù)字孿生化水平定義,應用數(shù)字孿生基礎設施思路,在礦山行業(yè)數(shù)字化轉型中引入數(shù)字孿生體技術,力求以低成本的方式,圍繞安全高效目標打造數(shù)字孿生礦山。特別通過對地質模型進行分類和分精度建設,實現(xiàn)可持續(xù)改進的動態(tài)更新,推進礦山數(shù)字孿生化進程,采用“基礎設施化”的手段,在地理信息系統(tǒng)基礎上實現(xiàn)數(shù)字孿生礦山基礎設施,真正起到驅動礦山企業(yè)數(shù)字化轉型之目的。

地質、地表及設備數(shù)字孿生化

一般情況下,礦山模型分為地質模型、地表模型、機電模型和其他模型等四大類,正如前文所講,建立礦山模型是實現(xiàn)少人化或無人化勘探開采的基本條件,特別是地質模型存在動態(tài)變化的情況,涉及到開采人員的安全以及開采目的的實現(xiàn),要求一定的精度和實時性,這需要引入新型技術來實現(xiàn)地質模型動態(tài)建模的目標。

通過引入工業(yè)4.0研究院數(shù)字孿生化水平,對礦山四大類模型進行分級描述,為開展相關關鍵技術研發(fā)奠定基礎。需要指出的是,數(shù)字孿生化跟傳統(tǒng)的地質模型更新有一定的差別,前者是建立在開放架構之下的,后者不一定采用開放架構來實現(xiàn),這對統(tǒng)一數(shù)據(jù)源有可能造成障礙,不利于礦山企業(yè)數(shù)字化轉型工作的開展。

地質模型包含礦井、采區(qū)、回采工作面、斷層、采空區(qū)、積水區(qū)、陷落柱和巷道等的數(shù)字孿生模型;地表模型包含地形、建筑物、構筑物、管線、交通設施、植被和水體等數(shù)字孿生模型;機電模型包含綜采設備、掘進設備、提升設備、運輸設備和通風設備等數(shù)字孿生模型。這三類模型數(shù)字孿生化的特點不盡相同,隨著開采過程中的采掘工作面推進,地質模型變化最為突出;除了露天礦山一些地形會有變化,其他建筑物、構筑物、交通設施等變化頻度較??;礦山所用各種機電設備通常不會發(fā)生動態(tài)變化,它只會跟其他設備或地質產生交互。

不管是哪類模型,第1級數(shù)字孿生化都是必要的,即建立幾何模型,這是數(shù)據(jù)機制要求的第一個層面,它是建立物理世界和數(shù)字空間交互的基礎和單一數(shù)據(jù)源。除了地質模型在開采過程中會發(fā)生變化,需要根據(jù)傳感器獲得的數(shù)據(jù)更新和補充原有勘探獲得的數(shù)字孿生模型,以體現(xiàn)采掘工作面的變化,其他兩類模型通常不會發(fā)生高頻和大的變化,這使得我們在建設數(shù)字孿生礦山的時候,應該把技術攻堅力量放到地質模型及數(shù)字孿生化上來。

按照5級數(shù)字孿生化水平的定義,空間定位、材質數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)應歸到第2-3級上,這個階段采集的數(shù)據(jù)可以提升描述地質的精度。據(jù)相關報道稱,澳大利亞經(jīng)過長期研發(fā),已經(jīng)做到采掘工作面地質建模精度達到5厘米,這使得自動化作業(yè)成為可能。常規(guī)采掘工作面地質建模方法通常能夠達到1-10米級精度,遠遠達不到全自動化作業(yè)的程度,因此,突破地質建模精度是無人化礦山的前提條件。通過數(shù)字孿生化第2-3級的工作,在地質基礎數(shù)據(jù)模型融入材質和屬性數(shù)據(jù),能夠大大改善數(shù)據(jù)精度挑戰(zhàn),簡單講,采取綜合數(shù)據(jù)融合治理的方式迫在眉睫。

表格6基于動態(tài)數(shù)據(jù)更新的數(shù)字孿生地質體系[1]

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當解決了采掘工作面數(shù)據(jù)融合的問題,數(shù)字孿生化進入第4級,這個階段比較強調人在環(huán)路(Workers in Loop)的優(yōu)化。眾所周知,在生產現(xiàn)場最不確定的因素是人,因為人很容易受到難以預料的因素影響,從而無法控制和管理,但隨著一些先進人工智能技術的引入,把人的行為數(shù)據(jù)加入到數(shù)字孿生礦山體系中來,例如,基于人體姿態(tài)的識別技術,能夠提升礦山工作的安全保障能力。

當?shù)V山各個要素都實現(xiàn)了數(shù)字化,則能考慮進入數(shù)字孿生化第5級,這個階段各個子系統(tǒng)實現(xiàn)自主運行,需要人干預和管理的場景逐漸減少,這將實現(xiàn)人們一直追求的無人勘探開采。毫無疑問,通過數(shù)字孿生化逐步解決了地質模型精度問題,為少人化或無人化礦山提供了必要的條件。

建設單一數(shù)據(jù)源的基礎設施

一直以來,礦山行業(yè)推動數(shù)字化轉型工作的時候,都比較強調“一張圖”的價值,其含義主要是要求把數(shù)據(jù)建立在地理信息系統(tǒng)之上。因為礦山是一個物理系統(tǒng),它們具有空間上的分布,不管是地質或地表模型的分布,還是機電模型的安防,其正常和安全運行都跟空間位置有非常重要的關系,因此,建立基于地理信息系統(tǒng)基礎上的礦山系統(tǒng),具有實際應用價值。

然而僅僅如此,并不能保證各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換、流動和分享(即數(shù)據(jù)機制),因為各個子系統(tǒng)之間的交互,需要一套既能保障開放又有保證安全的體系。數(shù)字孿生體技術本質上是一套開放架構,它通過建立簡單的物理世界和數(shù)字空間交互體系,滿足各自的獨立性同時,又可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化(Data Automation),這是實現(xiàn)智能化礦山的基本條件。

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圖表7地質相關系統(tǒng)數(shù)字孿生基礎設施[2]

礦山各種數(shù)據(jù)具有“時態(tài)”特征。在礦山勘探階段,主要是應用地震勘探等技術獲得礦產在地質上的分布狀況,隨后進入開采階段,安全生產管理關注的重點是巷道掘進、工作面開采、環(huán)境監(jiān)測、煤層的賦存狀態(tài)等內容,為了適應這樣的變化,通常應更新原有數(shù)字孿生礦山平臺上的各種數(shù)據(jù)。

根據(jù)工業(yè)4.0研究院分析,在地質模型實現(xiàn)了數(shù)字孿生化之后,應把這些基礎數(shù)據(jù)作為基礎設施來運行,有助于在礦山整個生命周期實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和利用,這通常是通過建設數(shù)字孿生礦山基礎設施來完成的。

數(shù)字孿生礦山基礎設施的基本內容是各種數(shù)據(jù)模型,跟時下時髦的數(shù)據(jù)中臺不同,數(shù)字孿生礦山基礎設施強調兩個方面:數(shù)字孿生模型和基礎設施化。這兩個方面具有以下特征:

數(shù)據(jù)中臺比較強調各種數(shù)據(jù)的集中保存和管理,數(shù)字孿生礦山基礎設施從數(shù)字孿生模型的角度關注數(shù)據(jù)精度,正如前文所講地質模型、地表模型和機電模型的數(shù)字孿生化;

對于基礎設施化,體現(xiàn)了這些數(shù)字孿生模型服務于整個礦山,而不僅僅是某個平臺或系統(tǒng),這樣有助于數(shù)據(jù)的共享共用,雖然一些平臺也建立管理數(shù)字模型的數(shù)據(jù)庫,但它們跟特定平臺和系統(tǒng)的耦合度很高,不利于未來新平臺和系統(tǒng)的建設,通過平臺和模型的“分離”,方便新建平臺或系統(tǒng),提高了數(shù)字孿生模型的應用率,實現(xiàn)了相關數(shù)據(jù)的唯一性。

表格7基于國家標準的礦山數(shù)據(jù)類型[3]

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在《中國煤礦智能化發(fā)展報告(2020)》中,參考國家相關標準指導思想、制定原則、分類編碼規(guī)則、完整性和可擴展性要求等內容的基礎上,結合到我國煤礦的實際情況,提出了空間數(shù)據(jù)規(guī)范框架,可以作為數(shù)字孿生礦山基礎設施建設時的數(shù)據(jù)分類參考。

按照書中所講,煤礦空間數(shù)據(jù)標準包含分類標準、編碼標準、分層標準及要素數(shù)據(jù)詞典等。煤炭數(shù)據(jù)類型分為大類、種類、小類、子類和要素類五個層次,其中大類根據(jù)數(shù)據(jù)的來源,即根據(jù)煤礦各專業(yè)部門產生的煤礦數(shù)據(jù)分為六大類,具體請參考以上表格。

在建設數(shù)字孿生礦山基礎設施的時候,由于是基于物理世界的地形、地表和機電設備建立的數(shù)字孿生模型來存儲數(shù)據(jù),將大大簡化使用者的復雜性。通過把以上列舉的六大類數(shù)據(jù)附著在各種模型上,專家建立一套物與物、物與人及人與人之間的交互機制,屏蔽了各種技術細節(jié),幫助運行管理人員降低復雜度。

數(shù)字孿生礦山基礎設施除了可以降低運行管理的復雜度,還可以促使新應用場景的研發(fā)更為簡單,實現(xiàn)“輕量化”的開發(fā)過程,甚至一些普通工程師也可以根據(jù)現(xiàn)場管理需要應用一些規(guī)則,通過配置建立新的數(shù)字孿生應用場景,迅速滿足生產運行的需要。

[1]本表格內容來自CSIRO研究成果,工業(yè)4.0研究院翻譯。

[2]本圖來自山東省地質調研院、武漢中地數(shù)碼科技有限公司和上海英賽智勘數(shù)據(jù)科技有限公司聯(lián)合提供的資料。

[3]參考的國家標準為《基礎地理信息要素分類分類與代碼》,結合到礦山勘探開采相關專業(yè)部門產生的數(shù)據(jù)進行劃分。

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