基于數(shù)字孿生的煤礦瓦斯事故安全管理

王佳奇，盧明銀

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

煤炭資源一直以來(lái)都是我國(guó)主要的能源支柱產(chǎn)業(yè)，而煤炭的安全開采在煤炭生產(chǎn)中占有重要地位，是決定一個(gè)礦區(qū)發(fā)展的關(guān)鍵因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2013 年至2018 年間，全國(guó)煤礦發(fā)生死亡事故2 169起，死亡人數(shù)達(dá)4 104 人[1-2]。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段該技術(shù)已被成功應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。陶飛[3]等人基于數(shù)字孿生技術(shù)提出了數(shù)字孿生車間；鄭小虎[4]等人提出數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)下的智能紡織工廠；李柏松[5]等人探討了數(shù)字孿生在油氣管道中應(yīng)用的可行性；將數(shù)字孿生應(yīng)用到物質(zhì)文化遺產(chǎn)的建設(shè)、保護(hù)、傳承與開發(fā)中[6]；周瑜[7]等人則首創(chuàng)“數(shù)字孿生城市”這一概念，將數(shù)字孿生應(yīng)用到城市發(fā)展中；都伊林[8]等人則是基于數(shù)字孿生技術(shù)下的城市數(shù)字鏡像模型，構(gòu)建了城市應(yīng)急預(yù)測(cè)預(yù)警體系；除此之外，醫(yī)學(xué)研究學(xué)者參考數(shù)字孿生思想，構(gòu)建“虛擬胎兒”用以篩查家族遺傳病[9]。由此可以看出數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣泛，因此可以將數(shù)字孿生技術(shù)引入到煤礦安全管理中來(lái)。

1 煤礦安全管理與數(shù)字孿生

1.1 煤礦安全管理

傳統(tǒng)的煤礦安全管理主要有安全生產(chǎn)檢查法、安全目標(biāo)管理法和系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)法等幾類，但實(shí)施效果并不理想，其原因主要是傳統(tǒng)方法過(guò)多強(qiáng)調(diào)對(duì)已發(fā)生事故的分析，忽視了事故發(fā)生前的預(yù)測(cè)與防范[10]，或者過(guò)多追究人的責(zé)任，忽視了工作環(huán)境的重要性。此外隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤礦企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境也發(fā)生了巨大變化，導(dǎo)致事故誘因增多，造成了傳統(tǒng)的煤礦安全管理模式難以適應(yīng)新的煤礦生產(chǎn)狀況要求，因此需要一種新的方法來(lái)應(yīng)對(duì)新形勢(shì)下的煤礦企業(yè)安全管理工作。

1.2 數(shù)字孿生概念

“數(shù)字孿生”這一概念最早是由美國(guó)國(guó)家航天局在進(jìn)行阿波羅項(xiàng)目時(shí)提出的，主要用于航天飛行器的健康維護(hù)與保障[11]?，F(xiàn)如今，數(shù)字孿生是指以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力[12]。它具有傳統(tǒng)仿真技術(shù)所不具備的特點(diǎn)，比如實(shí)時(shí)同步、忠實(shí)映射、自學(xué)習(xí)能力等，因此將數(shù)字孿生技術(shù)引入到煤礦的安全管理工作中來(lái)。

1.3 數(shù)字孿生模型架構(gòu)

選取五維模型作為建模基礎(chǔ)[12]。數(shù)字孿生五維模型如圖1。

圖1 數(shù)字孿生五維模型Fig.1 Five-dimensional model of digital twin

五維模型由物理實(shí)體PE、虛擬實(shí)體VE、服務(wù)SS、孿生數(shù)據(jù)DD 和連接CN 組成。物理實(shí)體是指現(xiàn)實(shí)中真實(shí)存在的實(shí)體，也就是數(shù)字孿生研究的對(duì)象。虛擬實(shí)體是物理實(shí)體的一種超高保真、全數(shù)字化的映射，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸保證與物理實(shí)體的同步。服務(wù)是一套服務(wù)系統(tǒng)，由生產(chǎn)過(guò)程中的多個(gè)制造系統(tǒng)組成，可以為生產(chǎn)制造提供支持和服務(wù)。孿生數(shù)據(jù)是指PE、VE、SS 產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)集，以及上述3 部分的交叉、融合數(shù)據(jù)，它是數(shù)字孿生的驅(qū)動(dòng)力。連接是一種硬件設(shè)施，是實(shí)現(xiàn)實(shí)體、服務(wù)和數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的必要途徑。

2 構(gòu)建數(shù)字孿生模型

2.1 煤礦瓦斯事故

2013—2017 年煤礦事故統(tǒng)計(jì)情況見表1，瓦斯事故發(fā)生次數(shù)在所有煤礦事故中占比為11.2%，卻在死亡人數(shù)方面占比達(dá)30.2%，且每起瓦斯事故的死亡人數(shù)是頂板事故的3.96 倍，而且根據(jù)近2 年的數(shù)據(jù)可以看出，瓦斯事故的安全管理工作并不理想，有反彈的趨勢(shì)。此外，參考我國(guó)煤礦各類事故的百萬(wàn)噸死亡率發(fā)現(xiàn)，瓦斯事故的百萬(wàn)噸死亡率位居煤礦事故之首[13]。因此選擇瓦斯事故作為研究對(duì)象。

表1 2013—2017 年煤礦事故統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of coal mine accidents in 2013—2017

2.2 瓦斯事故孿生模型

瓦斯是指在煤礦采掘過(guò)程中所有有害氣體的總稱。通常來(lái)講，煤礦井下瓦斯事故類型分為瓦斯爆炸(含瓦斯燃燒與煤塵爆炸)、煤與瓦斯突出和中毒窒息這3 類[14]。依據(jù)瓦斯事故的特點(diǎn)，構(gòu)造的瓦斯事故孿生模型如圖2。

在實(shí)際工作時(shí)，物理實(shí)體與虛擬實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，這樣就使得虛擬實(shí)體和物理實(shí)體具有高度一致的工作狀態(tài)，從而保證安全管理者可以通過(guò)對(duì)虛擬實(shí)體的監(jiān)測(cè)來(lái)了解實(shí)際礦井的狀況。

圖2 瓦斯事故孿生模型Fig.2 Twin model of gas accident

此外，物理實(shí)體與虛擬實(shí)體將各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄\生數(shù)據(jù)，孿生數(shù)據(jù)中心將傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)的趨勢(shì)特征、結(jié)合歷史數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)該狀況下未來(lái)可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)狀況，將可能出現(xiàn)的狀況數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M實(shí)體，驅(qū)動(dòng)虛擬實(shí)體進(jìn)行仿真模擬，這樣就可以準(zhǔn)確的預(yù)判物理實(shí)體未來(lái)可能出現(xiàn)的情況。在預(yù)測(cè)出可能出現(xiàn)的情況后，虛擬實(shí)體會(huì)將其預(yù)測(cè)結(jié)果反饋到服務(wù)系統(tǒng)，此時(shí)服務(wù)系統(tǒng)針對(duì)可能出現(xiàn)的各種危險(xiǎn)情況，迅速地生成多個(gè)解決方案，并將各個(gè)解決方案同步傳向虛擬實(shí)體，在虛擬實(shí)體中對(duì)各個(gè)方案再次進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行方案評(píng)選，找出最優(yōu)的解決方案，然后將最優(yōu)的解決方案反饋到服務(wù)系統(tǒng)，服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)最優(yōu)的解決方案再來(lái)指導(dǎo)物理實(shí)體進(jìn)行合理操作，這樣就可以達(dá)到瓦斯事故的事前預(yù)防目的。

除此之外，當(dāng)物理實(shí)體發(fā)生緊急情況時(shí)，孿生數(shù)據(jù)可以根據(jù)歷史情況做出最佳的決策方案，并將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M實(shí)體進(jìn)行模擬，來(lái)保證方案的合理性，然后通過(guò)服務(wù)系統(tǒng)反饋到物理實(shí)體來(lái)達(dá)到事故傷害最小的目的。而這些操作都是在孿生模型內(nèi)進(jìn)行的，可以大大縮短時(shí)間，達(dá)到快速響應(yīng)的目的，具有傳統(tǒng)方法不可比擬的高效性。

連接是該模型實(shí)現(xiàn)信息互通、快速響應(yīng)的重要部分，也是該孿生模型必不可少的要素之一。孿生數(shù)據(jù)在整個(gè)過(guò)程中起到十分重要的作用，它可以從與物理實(shí)體與虛擬實(shí)體的交互過(guò)程中獲得大量的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)記憶，根據(jù)大量的數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際狀況進(jìn)行合理的預(yù)判，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M實(shí)體與服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，是此模型的核心組成部分。

3 瓦斯事故孿生模型的實(shí)現(xiàn)

3.1 產(chǎn)品需求與設(shè)計(jì)特性的確定

瓦斯事故孿生模型是一個(gè)針對(duì)瓦斯事故的預(yù)警系統(tǒng)。在參考現(xiàn)有的瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)與礦井下作業(yè)流程后，總結(jié)出孿生模型應(yīng)具備的產(chǎn)品需求有：易于操作、精確定位、全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控、快速反應(yīng)、智能化程度、輔助功能的數(shù)量、數(shù)據(jù)的安全性與豐富性、數(shù)據(jù)查詢的便利性、人機(jī)界面友好、數(shù)據(jù)的合并與分享、模型的可靠性、模型的自學(xué)習(xí)能力。并結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，將上述產(chǎn)品需求轉(zhuǎn)化為技術(shù)特性[15]。用戶需求及其技術(shù)特性為：易于操作（工作原理，菜單設(shè)計(jì)明確，教程的全面性）；全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控（監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，傳感器種類）；智能化（語(yǔ)音控制，信息處理自動(dòng)化）；數(shù)據(jù)的安全性（數(shù)據(jù)的自動(dòng)備份，解鎖權(quán)限設(shè)置）；數(shù)據(jù)的豐富性（區(qū)塊鏈瀏覽器）；數(shù)據(jù)的兼容性（模塊化數(shù)據(jù)，藍(lán)牙與局域網(wǎng)）；模型的自學(xué)習(xí)能力（算法的引入）；精確定位（導(dǎo)航系統(tǒng)，定位系統(tǒng)）；快速反應(yīng)（傳感器靈敏度，數(shù)據(jù)處理速度，報(bào)警濃度，虛擬模型運(yùn)行速度）；輔助功能多（功能模塊類型）；數(shù)據(jù)查詢的便利性（數(shù)據(jù)庫(kù)）；人機(jī)界面友好（圖標(biāo)的辨識(shí)度，引導(dǎo)界面標(biāo)準(zhǔn)化）；模型的可靠性（引導(dǎo)界面標(biāo)準(zhǔn)化，備用模型的設(shè)置，傳感器的容錯(cuò)度）。

3.2 用戶需求重要度的確定

結(jié)合卡諾模型將上述13 種用戶需求分為3 類：①A 基本需求（a1易于操作，a2精確定位，a3全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，a4快速反應(yīng)）；②B 期望需求（b1智能化，b2輔助功能多，b3數(shù)據(jù)的安全性，b4數(shù)據(jù)查詢的便利性，b5數(shù)據(jù)的豐富性）；③C 魅力需求（c1人機(jī)界面友好，c2數(shù)據(jù)的兼容性，c3模型的可靠性，c4模型的自學(xué)習(xí)能力）。利用層次分析法對(duì)用戶需求重要度進(jìn)行排序。把技術(shù)總需求作為基本需求、期望需求和魅力需求的比較準(zhǔn)則，得出下面的判斷矩陣：

借助Matlab 進(jìn)行計(jì)算，求得上述矩陣特征值，作歸一化處理可以得到向量W=（0.637，0.258，0.104），并且保證了CR=CI/RI=0.037＜0.1。所以此向量可認(rèn)為是其權(quán)重向量。同理，重復(fù)以上步驟可以分別求出各指標(biāo)的權(quán)重值，重要度排序情況見表2。

3.3 質(zhì)量屋的建立

根據(jù)構(gòu)建的產(chǎn)品特性與技術(shù)需求關(guān)系表以及對(duì)用戶需求重要度的確定，可以建立瓦斯事故孿生模型的質(zhì)量屋。需要說(shuō)明的是在用戶需求與技術(shù)特性的關(guān)系矩陣中，數(shù)值“1”、“3”、“5”分別為用戶需求與技術(shù)特性是弱相關(guān)、相關(guān)和強(qiáng)相關(guān)的關(guān)系，而數(shù)字“2”和“4”則為弱相關(guān)與相關(guān)、相關(guān)與強(qiáng)相關(guān)之間的關(guān)系；而在技術(shù)特性的自相關(guān)矩陣中，符號(hào)“＋”為技術(shù)特性間呈正相關(guān)，符號(hào)“－”為技術(shù)特性之間呈負(fù)相關(guān)。

表2 重要度排序表Table 2 Importance ranking table

在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)分析階段，選取的是瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器、井下分站、信息傳輸系統(tǒng)和地面中心站這4 部分組成[16]，是現(xiàn)階段煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分，是防止礦井通風(fēng)、瓦斯等重大事故發(fā)生，保障安全生產(chǎn)的重要措施。但是當(dāng)前瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)也存在不足之處，比如不同廠家生產(chǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，導(dǎo)致瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)相互之間的兼容性較差，而且還存在通信協(xié)議不規(guī)范以及井下信息傳輸設(shè)備物理接口協(xié)議不規(guī)范等問題。因此依據(jù)上述分析，構(gòu)建的瓦斯事故孿生模型的質(zhì)量屋如圖3。

圖3 瓦斯事故孿生模型質(zhì)量屋Fig.3 House of quality of twin model of gas accident

質(zhì)量屋實(shí)現(xiàn)了從用戶對(duì)瓦斯事故孿生模型的各種需求到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)技術(shù)特性的轉(zhuǎn)化，它可以更加快速的推動(dòng)瓦斯事故孿生模型的落地應(yīng)用。從構(gòu)建出的質(zhì)量屋可以看出：在后期產(chǎn)品實(shí)施時(shí)應(yīng)更加注重監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量、定位系統(tǒng)的布置以及虛擬實(shí)體的運(yùn)行速度等方面問題的處理，這樣才可以更好地滿足用戶的需求；此外，相比于瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，提出的瓦斯事故孿生模型在快速反應(yīng)、數(shù)據(jù)的兼容性、模型可靠性和自學(xué)習(xí)性都有較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也可彌補(bǔ)傳統(tǒng)煤礦安全管理存在的不足之處。

3.4 實(shí)際意義

1）提出的瓦斯事故孿生模型和傳統(tǒng)的煤礦安全管理方式相比具有明顯的優(yōu)越性，它可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)管理方式中的不足，降低煤礦事故的發(fā)生率。此外，瓦斯事故孿生模型質(zhì)量屋的構(gòu)建，給出了煤礦企業(yè)在實(shí)際構(gòu)建模型時(shí)的技術(shù)要求，解決了孿生模型從功能需求到技術(shù)實(shí)現(xiàn)的問題，對(duì)煤礦企業(yè)構(gòu)建瓦斯孿生模型具有指導(dǎo)意義。

2）構(gòu)建的模型將有助于利用數(shù)字化技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)煤礦安全管理工作研究的進(jìn)行。由于現(xiàn)階段煤礦開采復(fù)雜度的提高，煤礦機(jī)械設(shè)備的增多，在開采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)字信息，傳統(tǒng)的方法將無(wú)法處理信息量激增下的煤礦安全問題。因此未來(lái)的煤礦安全管理必將是以數(shù)字化為驅(qū)動(dòng)的煤礦安全管理研究，而構(gòu)建瓦斯事故孿生模型就是以數(shù)字信息為基礎(chǔ)的，是依靠大量信息來(lái)進(jìn)行判斷的，因此構(gòu)建的孿生模型在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)煤礦安全管理方面具有先進(jìn)性。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)煤礦事故類型的分析，選取瓦斯事故作為研究對(duì)象，引入數(shù)字孿生技術(shù)，將數(shù)字孿生與瓦斯事故相結(jié)合，依據(jù)現(xiàn)有的數(shù)字孿生五維模型建立了瓦斯事故五維孿生模型，對(duì)瓦斯事故孿生模型的作用機(jī)理進(jìn)行了闡述，指出了瓦斯事故孿生模型的優(yōu)勢(shì)所在。另外為了加速瓦斯事故孿生模型的落地應(yīng)用，引入質(zhì)量功能展開中的質(zhì)量屋，以瓦斯事故孿生模型為對(duì)象，提出了孿生模型的用戶需求和技術(shù)特性，對(duì)用戶需求的重要度進(jìn)行計(jì)算排序，構(gòu)建了瓦斯事故孿生模型的質(zhì)量屋，指出下一階段煤礦企業(yè)構(gòu)建孿生模型時(shí)的技術(shù)要求，促進(jìn)了瓦斯事故孿生模型的落地應(yīng)用，并且也為將來(lái)數(shù)字化驅(qū)動(dòng)下的煤礦安全管理研究提供參考價(jià)值。