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自動化、智能化開采已成為世界煤炭開采行業共同追求的目標。8月12日，科技部發布《關于支持建設新一代人工智能示范應用場景》的通知，智能礦山位列其中?！锻ㄖ分赋?，智能礦山建設應針對我國礦山高質量安全發展需求，聚焦井工礦和露天礦，運用人工智能、5G通信、基礎軟件等新一代自主可控信息技術，建成井工礦“數字網聯、無人操作、智能巡視、遠程干預”的常態化運行示范采掘工作面，開展露天礦礦車無人駕駛、鏟運裝協同自主作業示范應用，通過智能化技術減人換人，全面提升我國礦山行業本質安全水平。
近日，中國礦業大學（北京）葛世榮院士團隊聯合太重煤機、無錫雪浪數制科技有限公司的科研人員，在系統分析智能綜采工作面面臨的挑戰基礎上，指出智能化綜采工作面數字孿生模型宜采用基于仿真的數字孿生建模方法，并建立了綜采工作面數字孿生系統架構。成果以《數字孿生?應對智能化綜采工作面技術挑戰》為題發表于《工礦自動化》2022年第7期。
綜采工作面是由滾筒采煤機、液壓支架、刮板輸送機、破碎機、橋式轉載機、帶式輸送機等十幾種、300 多臺設備構成的機械裝備和煤巖交互的復雜系統。智能化綜采工作面的目標為自主完成工作面可靠割煤、保持工作面幾何關系、頂板可靠支護。但當前面臨的主要挑戰為：決策層的自主決策能力不能適應復雜多變的工況、感知與執行層不能支撐決策層的信息需求和決策指令的可靠執行。
雖然數字孿生至今沒有一個被普遍接受的統一定義，但其包括物理實體、虛擬實體、二者之間的連接數據（孿生數據）這一基本概念模型已被廣大學者認可。
數字孿生模型具有動態特性，其與傳統仿真模型最主要的區別是通過傳感器隨時獲取物理實體的數據，并隨著實體一起演變，一起成熟甚至一起衰老。從仿真角度可認為數字孿生技術屬于一種在線數字仿真技術。
數字孿生模型需具備以下功能：① 準確地再現物理對象的性能、行為和規則，從而形成物理對象的準確映射。② 模型自主運行以模擬物理對象的各種行為，進而指導物理對象的操控。③ 實現物理對象的遠程狀態監測。④ 可預測潛在問題。⑤ 在產品制造完成前驗證產品性能。
數字孿生建模方法通常包括數據驅動的數字孿生和基于模型（仿真）的數字孿生 2 種。通過分析，葛世榮院士認為，智能化綜采工作面數字孿生模型宜采用基于仿真的數字孿生建模方法。
基于仿真的數字孿生模型也稱作機理模型。這種建模方法的基本原理是第一原理模型，即利用工程、物理或化學機理描述刻畫物理對象的行為過程和特征。
基于仿真的數字孿生原理及其應用
綜采工作面數字孿生系統架構
綜采工作面數字孿生系統虛擬實體包括機理模型和行為模型，利用綜采裝備機理模型可獲得綜采裝備物理系統的不可測數據，行為模型可為綜采工作面智能控制系統提供反映物理裝備運行狀態的全息信息，解決決策層數據信息匱乏問題；綜采裝備機理模型與其控制系統組合的離線運行模式形成綜采工作面硬件在環仿真系統，為基于工藝規則的智能控制算法提供測試平臺；綜采裝備機理模型、行為模型與其控制系統組合的離線運行模式形成綜采工作面計算實驗系統，為綜采工作面智能控制系統真正的自主決策復雜算法開發提供測試平臺。
這項研究得到了國家自然科學基金面上項目的資金支持。
