智能化煤礦建設是煤炭工業高質量發展的重要途徑。近年來，隨著煤炭產業集中度大幅提高，煤炭生產也加快推進從機械化到自動化、信息化的跨越，煤礦智能化建設基礎不斷夯實。

隨著智能化發展加快推進，如何真正實現煤礦無人化開采的問題提上日程。智能手機有安卓操作系統，機器人有ROS操作系統，數控機床有FANUC操作系統，而未來智采工作面還沒有一套包容所有智能終端的操作系統，這是智能采煤的軟件“技術短板”。

記者近日從中國礦業大學(北京)獲悉，中國礦業大學(北京)校長葛世榮團隊提出了數字孿生智采工作面技術架構，致力于進一步提高煤礦井下智能化采煤工作面系統集成度和自主交互能力，形成一個智采操作系統。

智能化開采是變革和跨越

從普通機械化開采發展到綜合機械化開采后，煤炭開采又要經歷從網絡化、數字化到智能化的轉變。網絡化解決了通訊問題，數字化解決了數據的采集和控制問題，智能化將解決哪些問題?

在葛世榮看來，智能化是利用信息感知、人工智能的先進技術，使機器具備自主感知、學習、分析、推理、決策和執行人類的智能活動;煤礦智能化的核心技術，是將高級的人工智能用到采礦過程和裝備上，形成無人化的運行或操作。

毫無疑問，煤炭生產技術革命已經對煤礦提出智能化、安全化、綠色化、低碳化新要求。該研究團隊指出，智能化煤礦將逐漸經歷從人工知識表達到學習，從數據處理到認知、學習、推理，從追求智能機器到人機、腦機協調融合，從聚焦個體智能到群體智能，從擬人化機器人向自主化機器人發展的轉變。

葛世榮認為，智采工作面和綜采工作面有本質區別，智能化開采不是綜合機械化開采的改進，而是變革，甚至是跨越。

“華為、蘋果手機有將數據、應用、平臺等統一起來針對用戶交互服務的操作系統，機器人、機床，以及煤礦現有采煤機、支架、運輸機等也都有自身操作系統，但智能化煤礦目前還缺一個操作系統。”如何把工作面、采煤機、支架、刮板運輸機和災害監控系統等聯合起來?他指出，“如果用數字孿生智采系統將這些操作統籌起來，每個設備、每個環節的智能終端只要接入這個系統，按需求獲取數據傳輸和控制服務就可以了。”

實際與虛擬同比例呈現

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

據葛世榮介紹，數字孿生是數據表征的數字化、數據交互的可視化和融合起來的智能化。“實際上，虛擬現實就是最初級的數字孿生。數字孿生用在采煤工作面上，就像一面數字化鏡子，將工作面的實際情況和數字工作面的虛擬情況1:1呈現出來，既包含物理空間信息也出現采煤運行狀態信息。”所以，數字孿生必須依賴數字信息和虛擬孿生這兩個關鍵要素。

據悉，目前我國煤礦井下的操作艙、集中監控系統等已具備了數字孿生的基本概念，能對采煤機組進行啟停、狀態監控，設有全自動運行模式和半自動運行模式。但有待進一步提高數據流的整合、運用和控制能力，形成有執行、反饋、數據匯集及分析優化等功能的閉環系統。

針對設備互聯度不夠高、信息互通性不夠強、人機交互性不夠好等問題，面向智采工作面應用場景創新，需將無人駕駛、集群協作的物理智采工作面和遠程監控、虛擬運行的數字智采工作面形成數據和信息之間交互。

此外，該團隊相關負責人指出，智采工作面的智能仿生特性也將助力數字孿生應用。機器、集群“軀干”構成物流模塊;感知、運算“大腦”形成信息模塊;5G通信、泛在網“神經”組成通信模塊;調姿、調力“腦肌”是控制模塊;另外，具象、映射“映像”為孿生模塊。對于智能裝備而言，通過構造數字孿生體，不僅能高度逼真地反映機器實體的特征、運行和性能，還能以超現實的形式實現機器狀態監測評估和健康管理。

實現一網五智一平臺融入

記者進一步了解到，葛世榮團隊提出的數字孿生智采工作面新系統，將物聯網、5G通信、云計算等新技術融于智采工作面，創建出一個精確地虛擬智采工作面的模型，實現智采工作面生產、管理的高度數字化及模塊化，為未來自主運行提供新平臺，將有助于提升當前智采工作面的自主感知和優化調控能力。

“智能礦山核心要素是一網、五智、一平臺。”葛世榮進一步指出，礦山物聯網、5G技術等構建一個智采物聯網，地質、掘進、開采、運輸、安監五大系統要實現高級智能化，最終它們融入數字孿生系統搭建的數據流處理、分析、反饋和調控平臺。

據悉，該團隊已準備在中煤集團王家嶺煤礦進行探索研究，制定了基于數字孿生的智采工作面技術方案。上述負責人介紹，他們構建了物理空間智采工作面數字孿生模型，將基于5G+AI技術，來實現數據驅動的數字孿生智能監控。目前，還需要解決智采工作面數字孿生的數據流智能匯聚、礦山設備故障預知、多模態人機交互等關鍵技術問題。

葛世榮指出，智能采煤工作面的路還很長，一定要從實際出發，不能一個模式，也不能一蹴而就，需要一步步探索，一點點實現突破。