数字孪生时代，煤矿会变成什么样？

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「数字孪生技术将推动智能化采矿进入新时代」

数字孪生（Digital Twin，DT）是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体提供更加实时、高效、智能的运行或操作服务。数字孪生必须依赖两个关键要素，一是数字信息，二是虚拟孪生。对于智能装备而言，通过构造数字孪生体，不仅能高度逼真地反映机器实体的特征、运行和性能，还能以超现实的形式实现机器状态监测评估和健康管理。作为近年快速发展的工业数字化技术，建设数字孪生城市已列入我国“十四五”规划纲要，有15个不同领域的“十四五”规划把数字孪生作为重点突破的基础技术。

据国家能源集团消息，截至8月初，准能集团黑岱沟露天煤矿自主开发的无人驾驶矿山数字孪生系统已试运行近一年，该系统目前可实时模拟无人驾驶卡车现场运行画面，实时显示车辆运行速度、载重数值和运行状态，实现真实世界物体与虚拟世界物体的同步运行。

目前，国内外的数字孪生技术虽已广泛地应用于智慧城市、智能工业制造4.0等行业领域，但是，在煤炭和采矿这些相对传统的行业，这项技术的应用推广还处于起步阶段，准能集团黑岱沟露天煤矿矿山数字孪生系统成功应用系国内首创，填补了国内采矿行业的技术空白。

2020年，中国矿业大学（北京）葛世荣教授团队为进一步提高煤矿井下智能化采煤工作面系统自主运行和人机交互能力，达到真正的无人化开采境界，提出了数字孪生智采工作面系统（Digital Twin Smart Mining Workface）的概念、架构及构建方法，系统阐述了数字孪生的内涵，提出融合5G 通信技术、物联网技术和仿生智能技术等10项关键技术，从而搭建一个智采工作面的数字孪生远程操作平台，煤矿数字孪生概念被首次提出。

2021年5月，准能集团黑岱沟露天煤矿开始进行矿山数字孪生系统的建设，该系统采用自上而下、整体与局部相结合的方式，通过真实的物理通信环节，将无人驾驶卡车虚拟仿真系统与无人运输作业智能管理平台、无人驾驶控制器结合为一个完整的大型仿真系统平台。

煤矿数字孪生系统是以煤矿工业互联网为基础，在煤矿泛在互联操作系统平台上构建的煤炭“产、运、销、储、用”全流程透明化系统，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，实现煤矿生产条件先知先觉、生产过程可视可控、生产安全可防可测、生产要素可调可配，是在更高层次上构建煤矿智能化系统的大脑。

准能集团黑岱沟露天煤矿矿山数字孪生系统通过高逼真矿山场景构建技术，提取测绘模型资源中的8K高清纹理素材，经等比例三维模型进行拓扑、多边形表面法线烘培等一系列流程处理，在虚拟世界中还原矿山场景，使卡车模拟行驶于真实矿山。后台操作人员可以实时监控所有真实车辆的运行状态及位置，并与智能调度管理系统、卡车无人驾驶系统、5G网络通信系统、电铲及工程辅助设备协同作业系统形成了有机生态整体，使监控平台系统展示效果形象又逼真，对推进智能化矿山建设具有重要意义。

为减少人员伤亡、减轻人员劳动强度，中国采矿业此前数十年经历了机械化、自动化改造。但同时，频频发生的矿难也造成巨大的人员伤亡。“十三五”末，中国每百万吨煤矿死亡率为0.059人，虽较2016年大幅下降63.6%，但造成两位数人员死伤的矿难事故仍频频发生。实践证明，通过智能化改造，煤矿可以实现高程度、高效率的安全生产。我国现有煤矿4200余处，其中在产约3500处，截至2020年底，全国建成安全高效煤矿901处，其煤炭产量、利润总额分别占到全行业的56%和78%，智能化技术对煤矿安全高效开采发挥了重要提升作用。

基于数字孪生的煤矿智能化实施路线主要分为四个步骤：一是实现离散数字孪生的连接和可见，目前煤矿多处于这个阶段；二是实现复合数字孪生互联与数据驱动，这是目前煤矿智能化建设主要的努力方向；三是实现矿山数字孪生的数据驱动与持续智能，即通过实时数据获取与分析等手段实现决策与运营的一体化；四是实现数字孪生的生态服务与价值共生，即集合产业上下游数字孪生组织，成为以链主为核心的产业数字孪生。

准能集团黑岱沟露天煤矿矿山数字孪生系统的运用，实现了卡车的实际运行前的模拟演练，预先验证无人驾驶车辆运行的可靠性，从而降低了现实卡车的磨损及燃油消耗，在保障运行人员安全的同时，实现智能化矿山建设的进一步升级。

此前，数字孪生技术已在井工矿智能化建设的过程中发挥了重要作用。陕煤集团小保当煤矿基于数字孪生+数字仿真技术，通过对整个园区的数字化精准映射，打造了一个“孪生”的智慧园区，2021年9月，陕煤集团小保当煤矿与中科院自动化所孵化的慧拓携手建设的中国首个井工矿无人运输项目——小保当“5G＋智慧矿区”通过验收。验收组专家表示：该项目在井工矿无人驾驶领域，取得多项关键技术突破，多源异构融合感知技术，可以适应井下巷道弱光照和水汽干扰工况；多模态的高精地图等多项技术研制的高精度组合定位系统，可以实现在无GPS信号环境中的大范围精准定位。据了解，借助慧拓提供的数字孪生系统陕煤集团小保当井工矿可实时监测井下车辆状态，并让见习人员在虚拟空间中进行驾驶技术训练，规避井下实地训练时因人员误操作而产生的安全风险。

随着5G、人工智能、云计算、大数据等新兴信息技术的融合，为建设本质安全矿山，采矿业向数字化、智能化转型发展已经成为国家战略方向和行业发展趋势，数字孪生技术将推动智能化采矿进入新时代，实现全要素、全流程、全数据的集成和融合，达到矿山生产系统最优配置、装备自主协同、开采安全高效的目的。

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