基于數(shù)字孿生技術(shù)的大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控研究

李 偉，葉 鷗，劉 輝，黃天塵

(1.陜西陜煤爾林兔一號(hào)煤礦有限公司，陜西 榆林 719000；2.西安科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710000；3.陜西涌鑫礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

煤礦是指在富煤地區(qū)進(jìn)行煤炭開(kāi)發(fā)的一種地區(qū)，通?？蓜澐譃榫っ号c露天煤。在距離地面較遠(yuǎn)的情況下，人們通常采用在井下開(kāi)挖巷道來(lái)開(kāi)采煤，這就是井工礦井。在靠近地面的情況下，人們通常采用直接剝開(kāi)地面開(kāi)采，這種開(kāi)采方式稱為露天礦。井工煤礦是我國(guó)主要的煤炭生產(chǎn)基地。礦井范圍包含了一大片地面和與之有關(guān)的設(shè)施。礦井是指人們?yōu)榱碎_(kāi)采含煤豐富的地層而進(jìn)行的一種合理的活動(dòng)場(chǎng)所，它一般包括巷道、坑道、工作面等[1]。煤是一種可燃有機(jī)質(zhì)巖石，是一種重要的固體燃料。在特定的地質(zhì)時(shí)期，植被茂盛，在合適的地質(zhì)條件下，逐步積累成厚層狀，再經(jīng)長(zhǎng)期的自然煤化作用，最終形成了煤層。與中小型煤礦相比，大型煤礦的開(kāi)采難度更大、工作量更多，同時(shí)發(fā)生安全事故的概率更高。為了保證大型煤礦的開(kāi)采效率和安全性，提出大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法。

遠(yuǎn)程控制指的是管理人員在異地，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的異地?fù)芴?hào)或雙方都接入 Internet等方式，與需被控制的計(jì)算機(jī)或終端設(shè)備進(jìn)行連通，利用本地計(jì)算機(jī)對(duì)遠(yuǎn)方設(shè)備進(jìn)行配置、軟件安裝程序、修改等工作。而智能監(jiān)控主要是對(duì)遠(yuǎn)距離場(chǎng)景中的事物和它們的狀態(tài)展開(kāi)識(shí)別和判斷，并在合適的條件下，產(chǎn)生報(bào)警，并提醒用戶。在大型煤礦場(chǎng)景中，遠(yuǎn)程智能監(jiān)控的目的就是判斷煤礦是否存在設(shè)備運(yùn)行故障以及環(huán)境異常等現(xiàn)象，并控制施工設(shè)備按照規(guī)定程序執(zhí)行煤礦的開(kāi)采工作?，F(xiàn)階段發(fā)展較為成熟的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法主要包括：文獻(xiàn)[1]提出的基于無(wú)線傳感器的煤礦監(jiān)控方法、文獻(xiàn)[2]提出的基于控制安全的煤礦監(jiān)控方法以及文獻(xiàn)[3]提出的基于機(jī)器視覺(jué)的煤礦監(jiān)控方法，其中文獻(xiàn)[1]提出方法主要利用煤礦中的無(wú)線傳感器設(shè)備對(duì)環(huán)境相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，并根據(jù)傳感數(shù)據(jù)的分析結(jié)果生成相應(yīng)的控制指令。文獻(xiàn)[2]提出方法是將控制邏輯分級(jí)分層管理，將不同的權(quán)利分配給操作命令，并執(zhí)行函數(shù)鎖定，更加側(cè)重控制指令的安全性。而文獻(xiàn)[3]提出方法通過(guò)監(jiān)控設(shè)備采集煤礦視頻圖像，通過(guò)對(duì)圖像內(nèi)容的分析，判斷輸送帶是否出現(xiàn)偏移故障，從而生成針對(duì)設(shè)備的控制指令。將上述監(jiān)控方法應(yīng)用到大型煤礦的遠(yuǎn)程監(jiān)控工作中，存在明顯的監(jiān)測(cè)與控制誤差大、監(jiān)控范圍小等問(wèn)題，為此引入數(shù)字孿生技術(shù)。

數(shù)字孿生技術(shù)指的是將物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)進(jìn)行充分利用，將多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程集成起來(lái)，在虛擬空間中完成映射，從而反映出與之相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。數(shù)字孿生是一種超乎實(shí)際的概念，它可以看作是一組相互依存的重要設(shè)備之間的數(shù)字化映射。利用數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法，以期能夠在擴(kuò)大監(jiān)控范圍的同時(shí)，提高對(duì)大型煤礦的監(jiān)控精度。

1 大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法的基本工作原理為：利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建與監(jiān)控大型煤礦對(duì)象結(jié)構(gòu)相同、功能相同的虛擬模型，通過(guò)對(duì)模型的模擬與分析確定真實(shí)大型煤礦下容易發(fā)生安全事故的位置，以此作為遠(yuǎn)程智能監(jiān)控點(diǎn)位置[2]。在硬件設(shè)備和遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的支持下，收集大型煤礦的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析判斷當(dāng)前煤礦的安全狀態(tài)，以此作為遠(yuǎn)程控制程序的啟動(dòng)條件，最終從煤礦開(kāi)采設(shè)備和煤礦開(kāi)采環(huán)境兩個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型煤礦的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控任務(wù)。

1.1 利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建大型煤礦虛擬模型

在大型煤礦開(kāi)挖施工過(guò)程中，數(shù)字孿生模型主要由開(kāi)挖設(shè)備、環(huán)境以及施工人員等部分組成，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間對(duì)實(shí)體空間的同步映射，首先要對(duì)相應(yīng)的物理裝置進(jìn)行建模，再利用虛擬服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的多個(gè)空間同時(shí)操作，因此確定數(shù)字孿生技術(shù)下，構(gòu)建的大型煤礦虛擬模型架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生技術(shù)下煤礦模型架構(gòu)

從圖1中可以看出，構(gòu)建的大型煤礦虛擬模型由服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)、物理實(shí)體以及虛擬實(shí)體4個(gè)部分組成，其中物理實(shí)體就是真實(shí)環(huán)境中大型煤礦物體，它是一個(gè)多個(gè)子系統(tǒng)相互配合、相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。并利用部署在物理實(shí)體上的傳感器，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬體的運(yùn)行，從而對(duì)該物理對(duì)象的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，物理實(shí)體也是虛擬模型的對(duì)標(biāo)對(duì)象，虛擬實(shí)體也就是模型構(gòu)建目標(biāo)，在虛擬空間中反映出物理實(shí)體的屬性、運(yùn)動(dòng)規(guī)律[3]。而孿生數(shù)據(jù)反映的是物理實(shí)體和虛擬實(shí)體之間的映射關(guān)系，服務(wù)是虛擬模型相關(guān)功能的有機(jī)連接與運(yùn)行需要虛擬服務(wù)的支撐。實(shí)體對(duì)象和虛擬對(duì)象之間以虛擬連接作為橋梁，將基于規(guī)范協(xié)議的實(shí)體和虛擬主體間的數(shù)據(jù)鏈接起來(lái)，在保持真實(shí)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)交互”，確保兩個(gè)主體間的時(shí)間和空間上的一致性。大型煤礦虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建流程如圖2所示。

圖2 大型煤礦虛擬模型構(gòu)建流程圖

在大型煤礦虛擬模型構(gòu)建過(guò)程中，首先利用傳感器設(shè)備獲取煤礦中所有實(shí)體對(duì)象的位置信息和幾何結(jié)構(gòu)信息，將其標(biāo)記為Xphysics，那么對(duì)應(yīng)的虛擬模型構(gòu)建結(jié)果可以表示為：

M={Wphysics，Wvirtually，F(xiàn)，D，L}

(1)

公式(1)中參數(shù)Wphysics、Wvirtually、F、D和L分別表示物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)以及各部分之間的連接，其中Wphysics和Wvirtually之間的關(guān)系可以表示為：

Wvirtually=κmappingWphysics

(2)

其中：參數(shù)κmapping代表大型煤礦物理空間與虛擬空間之間的映射系數(shù)，另外孿生數(shù)據(jù)D的具體取值為：

D=Xphysics+κmappingXphysics

(3)

孿生數(shù)據(jù)包括煤礦環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)與運(yùn)行數(shù)據(jù)等，能夠反映煤礦開(kāi)挖運(yùn)行過(guò)程中的所有動(dòng)態(tài)過(guò)程。同理可以得出虛擬模型中服務(wù)與連接的量化表示結(jié)果，將其代入到公式(1)中，即可得出大型煤礦中各個(gè)組成對(duì)象的虛擬模型構(gòu)建結(jié)果，最終考慮組成對(duì)象在實(shí)體空間中的分布情況以及幾何結(jié)構(gòu)，按照一定的縮放比例，將其布設(shè)到虛擬環(huán)境中[4]。為滿足大型煤礦的開(kāi)挖功能，需要設(shè)備各個(gè)虛擬實(shí)體的屬性，剛體是具備物理屬性的物體，在引力的作用下會(huì)發(fā)生自由落體，在虛擬環(huán)境中，它可以與其他物質(zhì)產(chǎn)生互動(dòng)。選中需要設(shè)置的對(duì)象，彈出剛性元件，為對(duì)象添加組件即可獲得剛體屬性。在剛性參數(shù)的設(shè)定上，盡可能少地設(shè)定與要求不相關(guān)的參數(shù)，從而降低了模型的運(yùn)算量[5]。在給了一個(gè)剛性的屬性之后，再給相關(guān)聯(lián)的物體加一個(gè)碰撞體的屬性，同時(shí)具有剛體和碰撞體屬性的物體能觸發(fā)碰撞效果，在進(jìn)行煤礦開(kāi)挖模擬時(shí)，與場(chǎng)景中的組成元件能夠產(chǎn)生相應(yīng)的碰撞效果，而不會(huì)穿透模型。最后，可以添加控制器充當(dāng)用戶的漫游體驗(yàn)視角，并編寫(xiě)出相應(yīng)的控制腳本，利用鼠標(biāo)控制方向、鍵盤(pán)控制移動(dòng)方式，從而實(shí)現(xiàn)3D機(jī)房的用戶視角巡視功能，并在虛擬世界中與模型產(chǎn)生各種交互[6]。除此之外，還需要在構(gòu)建的虛擬模型中加設(shè)遠(yuǎn)程通信接口，保證虛擬環(huán)境中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能夠成功傳輸?shù)奖O(jiān)控終端。綜合幾何結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)理、遠(yuǎn)程通信等方面得出大型煤礦虛擬模型的構(gòu)建結(jié)果。

1.2 遠(yuǎn)程采集大型煤礦實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)

在構(gòu)建的大型煤礦數(shù)字孿生虛擬模型下，確定實(shí)際大型煤礦監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置位置，具體包括開(kāi)挖設(shè)備實(shí)體、安全調(diào)度實(shí)體等，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置上安裝傳感器設(shè)備，用于收集大型煤礦實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)[7]。需要采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以分為設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)兩個(gè)部分，其中設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集對(duì)象具體包括開(kāi)挖設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速、設(shè)備實(shí)際工作位置、給進(jìn)速度、負(fù)載電流等，以大型煤礦中的開(kāi)挖設(shè)備為例，其運(yùn)行轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的采集結(jié)果為：

(4)

式中，p和n分別表示開(kāi)挖設(shè)備內(nèi)部發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的磁極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)數(shù)，同理可以得出大型煤礦中所有工作設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集結(jié)果[8]。而大型煤礦環(huán)境數(shù)據(jù)的采集對(duì)象包括：瓦斯氣體含量、風(fēng)量、溫度等，將上述數(shù)據(jù)采集結(jié)果記為xgas、xAir volume和xT。為保證大型煤礦實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量，需要對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，處理結(jié)果為：

(5)

式中，fmax()和fmin()分別為最大值和最小值的求解函數(shù)[9]。將處理完成的異構(gòu)數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控終端，監(jiān)控終端實(shí)際接收到的遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)結(jié)果為：

xreceive=x·κmodulation-demodulation·κtransmission

(6)

其中：x為大型煤礦虛擬模型空間下運(yùn)行數(shù)據(jù)的初始采集與處理結(jié)果，κmodulation-demodulation和κtransmission分別對(duì)應(yīng)的是遠(yuǎn)程傳輸信道的調(diào)制解調(diào)系數(shù)和傳輸系數(shù)[10]。通過(guò)上述流程完成大型煤礦實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集工作。

1.3 監(jiān)測(cè)大型煤礦運(yùn)行狀態(tài)

采用特征提取與匹配的方式，在構(gòu)建的大型煤礦虛擬模型中，以遠(yuǎn)程采集的煤礦實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，得出大型煤礦運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1.3.1 施工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

大型煤礦環(huán)境中施工設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)可以分為停機(jī)狀態(tài)、生產(chǎn)狀態(tài)、故障狀態(tài)3種，停機(jī)狀態(tài)表示施工設(shè)備未執(zhí)行任何操作指令，生產(chǎn)狀態(tài)證明設(shè)備正執(zhí)行施工操作，且設(shè)備運(yùn)行參數(shù)正常，而故障狀態(tài)則表示設(shè)備啟動(dòng)，但無(wú)法正常執(zhí)行相應(yīng)操作，或設(shè)備運(yùn)行參數(shù)存在異常[11]。在優(yōu)化設(shè)計(jì)的大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控過(guò)程中，首先需要判斷設(shè)備的基本運(yùn)行狀態(tài)，以開(kāi)挖設(shè)備為例，在故障狀態(tài)下其運(yùn)行特征為：

(7)

式中，j和d分別表示開(kāi)挖設(shè)備內(nèi)部直徑和節(jié)徑，θ為接觸角，M為開(kāi)挖設(shè)備中包含的內(nèi)部元件數(shù)量，計(jì)算結(jié)果fwithin、foutside和fframework分別對(duì)應(yīng)的是開(kāi)挖設(shè)備內(nèi)圈、外圈和架構(gòu)在故障狀態(tài)下的工作頻率[12]。同理可以得出故障狀態(tài)下開(kāi)挖設(shè)備其他參數(shù)的運(yùn)行特征，以此作為施工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，利用公式(8)提取大型煤礦中開(kāi)挖設(shè)備的運(yùn)行特征。

(8)

其中：Nx表示采集的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)量，τavg為運(yùn)行數(shù)據(jù)的均方根特征量，特征提取結(jié)果τmean value、τkurtosis和τskewness分別為均值特征、峭度特征和偏斜度特征[13]。將公式(7)的特征提取結(jié)果與設(shè)置的設(shè)備故障標(biāo)準(zhǔn)特征進(jìn)行匹配，得出當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

(9)

其中：τset為設(shè)置的設(shè)備故障狀態(tài)下的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)特征，τextract表示當(dāng)前大型煤礦環(huán)境下開(kāi)挖設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行提取特征，變量τextract的計(jì)算公式如下：

τextract=?1τmean value+?2τkurtosis+?3τskewness

(10)

式中，?1、?2和?3分別表示均值、峭度和偏斜度特征的權(quán)重值。聯(lián)立公式(8)、公式(9)和公式(10)，得出特征匹配度的度量結(jié)果，若得出匹配度取值高于閾值τ0，說(shuō)明當(dāng)前開(kāi)挖設(shè)備處于故障狀態(tài)，若提取特征取值為0，證明當(dāng)前設(shè)備處于停機(jī)狀態(tài)，否則認(rèn)為開(kāi)挖設(shè)備處于生產(chǎn)狀態(tài)[14]。按照上述方式，可以得出大型煤礦虛擬模型下，所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1.3.2 施工環(huán)境安全狀態(tài)

施工環(huán)境的安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要就是監(jiān)測(cè)當(dāng)前大型煤礦中的瓦斯?jié)舛仁欠襁_(dá)到爆炸閾值、溫度是否高于施工的最佳舒適值、通風(fēng)情況是否滿足施工標(biāo)準(zhǔn)[15]。瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)值可以表示為：

(11)

其中：V為大型煤礦空間的瓦斯含量的監(jiān)測(cè)體積，將遠(yuǎn)程采集的瓦斯含量數(shù)據(jù)代入到公式(11)中，即可得出大型煤礦中瓦斯?jié)舛葏?shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。按照上述方式，可以得出通風(fēng)量、溫度等環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)的輸出結(jié)果，設(shè)置瓦斯?jié)舛鹊臉O限值為5%，通風(fēng)量和溫度的極限值分別為1 m3和25.5 ℃，若大型煤礦中的監(jiān)測(cè)值低于設(shè)置的極限值，證明當(dāng)前煤礦施工環(huán)境正常，否則認(rèn)為當(dāng)前大型煤礦施工環(huán)境異常，需要啟動(dòng)遠(yuǎn)程智能控制程序。

1.4 改裝大型煤礦遠(yuǎn)程智能控制器

大型煤礦遠(yuǎn)程智能控制器是煤礦控制程序的執(zhí)行單元，要求優(yōu)化設(shè)計(jì)的智能控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤礦中所有開(kāi)挖設(shè)備的控制，同時(shí)還能控制煤礦環(huán)境。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中改裝的智能控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

從圖3中可以看出，改裝的大型煤礦遠(yuǎn)程智能控制器內(nèi)部包含兩個(gè)事件管理器，分別為EVA和EVB，該元件由兩個(gè)16比特的通用計(jì)時(shí)器、8個(gè)16比特的脈寬調(diào)制信道、3個(gè)采集單元和16比特的模數(shù)變換器組成?？蓴U(kuò)充的外存容量是192 K，包含64 K的程序存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和輸入輸出容量[16]。具備SCI接口，SPI接口和CAN接口。大型煤礦遠(yuǎn)程智能控制器采用多總線結(jié)構(gòu)，置入多處理單元和硬件乘法器元件，使得智能控制器不僅具備了高速的數(shù)據(jù)處理能力，而且還具備了邏輯控制功能，可以很好地實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法。智能控制器芯片本身的FLASH、RAM無(wú)法滿足四向伺服控制系統(tǒng)的需求，因此，必須從外部進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、程序存儲(chǔ)等外部擴(kuò)充[17]。圖4表示智能控制器中的DSP元件，主要用來(lái)完成每個(gè)位置伺服周期內(nèi)的位置速度控制、每個(gè)插補(bǔ)周期的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及加減速控制的算法，并對(duì)外部8路限位開(kāi)關(guān)信號(hào)及4路原點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行中斷處理，并讀取外部編碼器的計(jì)時(shí)器值，獲得編碼器反饋的位置增量，從而確定開(kāi)挖設(shè)備電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、角位置和轉(zhuǎn)速。另外，在大型煤礦遠(yuǎn)程智能控制器中內(nèi)置一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，其工作原理如圖4所示。

圖4 大型煤礦遠(yuǎn)程智能控制器驅(qū)動(dòng)電路圖

驅(qū)動(dòng)器以大型煤礦開(kāi)挖設(shè)備以及環(huán)境的狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果為驅(qū)動(dòng)指令，若發(fā)現(xiàn)設(shè)備或環(huán)境出現(xiàn)異常，閉合驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將大型煤礦遠(yuǎn)程智能控制器調(diào)整至啟動(dòng)狀態(tài)[18]。最終連接驅(qū)動(dòng)元件與控制核心元件，完成大型煤礦遠(yuǎn)程智能控制器的改裝。

1.5 實(shí)現(xiàn)大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控

在數(shù)學(xué)孿生技術(shù)的支持下，大型煤礦的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控原理如圖5所示。

圖5 數(shù)字孿生技術(shù)下大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控原理圖

在開(kāi)挖設(shè)備遠(yuǎn)程控制過(guò)程中，確定大型煤礦的期望挖煤量與施工時(shí)間，得出開(kāi)挖設(shè)備工作速度的期望值為：

(12)

其中：Ncoal表示挖煤量，ΔtDownloading對(duì)應(yīng)的是挖煤時(shí)間，結(jié)合當(dāng)前開(kāi)挖設(shè)備工作速度的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以得出開(kāi)挖設(shè)備工作速度的控制量為：

ΔvExcavation=vExcavation-Expectations-vExcavation(t)

(13)

其中：vExcavation(t)為t時(shí)刻開(kāi)挖設(shè)備工作速度的監(jiān)測(cè)結(jié)果。按照上述方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)挖設(shè)備加速與減速控制操作，同理能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤礦中其他工作設(shè)備的控制[19]。而在大型煤礦環(huán)境的控制主要是通過(guò)空調(diào)和通風(fēng)機(jī)設(shè)備的啟停實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)煤礦中的瓦斯含量高于正常值時(shí)，利用控制器啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)，通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以表示為：

υventilate=V(csecure-cgas)·γ

(14)

公式(14)中變量csecure表示煤礦瓦斯?jié)舛鹊陌踩担簿褪窃O(shè)置的極限值，γ為通風(fēng)效率，用來(lái)表示通風(fēng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)能夠通過(guò)的空間量，同理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦中其他環(huán)境參數(shù)的控制。在實(shí)際大型煤礦的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控過(guò)程中，需要利用數(shù)學(xué)孿生技術(shù)對(duì)煤礦設(shè)備以及環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行反饋與更新，確定煤礦最新的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，判斷遠(yuǎn)程控制程序是否終止。

2 監(jiān)控性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

以測(cè)試優(yōu)化設(shè)計(jì)基于數(shù)字孿生技術(shù)的大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法的監(jiān)測(cè)與控制性能為目的，采用對(duì)比 測(cè)試的方式設(shè)計(jì)監(jiān)控性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，此次實(shí)驗(yàn)分別從煤礦開(kāi)挖設(shè)備監(jiān)控和煤礦環(huán)境監(jiān)控兩個(gè)方面進(jìn)行，煤礦開(kāi)挖設(shè)備監(jiān)控就是判斷在優(yōu)化設(shè)計(jì)方法作用下，是否能夠精準(zhǔn)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并控制該設(shè)備按照指令完成相應(yīng)任務(wù)，而煤礦環(huán)境監(jiān)控性能測(cè)試就是判斷優(yōu)化設(shè)計(jì)輸出的環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果是否與真實(shí)煤礦環(huán)境一致，且能夠在短時(shí)間內(nèi)將煤礦環(huán)境恢復(fù)至安全狀態(tài)。此次實(shí)驗(yàn)設(shè)置的傳統(tǒng)煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法為：基于無(wú)線傳感器的煤礦監(jiān)控方法和基于控制安全的煤礦監(jiān)控方法，為保證監(jiān)控性能之間的可比性，要求對(duì)比方法與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的監(jiān)控對(duì)象相同，最大程度的保證實(shí)驗(yàn)變量的唯一性，最終通過(guò)與對(duì)比方法的比對(duì)，體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在監(jiān)控性能方面的優(yōu)勢(shì)。

2.1 大型煤礦實(shí)驗(yàn)環(huán)境

此次實(shí)驗(yàn)選擇了一個(gè)具有單斜結(jié)構(gòu)的大型煤田礦井為試驗(yàn)環(huán)境。巖層方向?yàn)楸睎|-南西，向西北方向傾斜，一般為12度，部分地區(qū)低于3度，最高達(dá)到21度。斷層構(gòu)造發(fā)育良好，并受巖漿巖的侵染。該地區(qū)的地質(zhì)情況屬于中度。大型煤礦礦山以山西組-上石炭紀(jì)太原群為主，共有16個(gè)煤層，其中可開(kāi)采層為4層，平均可開(kāi)采層厚11.2米，對(duì)煤炭資源的利用具有重要意義。主控煤層的平均厚度在280米左右，可開(kāi)采的煤層含煤率在5.2%左右。該礦區(qū)煤質(zhì)較穩(wěn)定，屬于中等變質(zhì)的煙煤，主要有瓦斯煤、焦煤和肥煤[20]。根據(jù)前期鉆孔取樣得到的數(shù)據(jù)，以及礦井歷年瓦斯鑒定結(jié)果，可以看出，所選擇的大型煤礦都具有一定的瓦斯含量，屬于中沼氣煤礦，各個(gè)煤層都存在著爆炸危險(xiǎn)性和自燃發(fā)火傾向。針對(duì)大型礦井的地質(zhì)特征，提出了豎井分塊、集中下落的開(kāi)采方法，并提出了綜合放頂煤開(kāi)采方法。

2.2 配置大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法運(yùn)行環(huán)境

為了滿足數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)建模的要求，必須要有一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)字空間建模環(huán)境，此次試驗(yàn)使用的是Visual Components工具，該工具可以讓自動(dòng)化設(shè)備制造商、系統(tǒng)集成商以一種快速且高效的方式，對(duì)工廠內(nèi)部的整體可視化制造流程進(jìn)行構(gòu)建，同時(shí)還具備了快速設(shè)計(jì)3D機(jī)械設(shè)備的支撐及組件庫(kù)。Visual Components工具是一款全面的數(shù)字規(guī)劃工具，能夠模擬離散物流、機(jī)器人離線編程和PLC虛擬調(diào)試三大功能。同時(shí)，它還提供了OPCUA通信接口，實(shí)現(xiàn)了虛擬調(diào)試、數(shù)字孿生的在線監(jiān)測(cè)等功能?？梢暬M件可以提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 OPCUA通信界面，以支持大量數(shù)據(jù)通信，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的安全性。Visual Components工具的運(yùn)行需要硬件設(shè)備的支持，大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法的硬件運(yùn)行環(huán)境有顯示層和功能層兩部分組成，顯示層裝設(shè)的實(shí)LED顯示屏，用來(lái)現(xiàn)實(shí)數(shù)字孿生虛擬環(huán)境以及大型煤礦的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制結(jié)果，功能層包括煤礦現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)、設(shè)備數(shù)據(jù)采集器等。大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法運(yùn)行環(huán)境配置完成后，需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)試，判斷硬件設(shè)備連接與通電是否正常、軟件程序是否能夠成功調(diào)度，保證優(yōu)化設(shè)計(jì)的監(jiān)控方法能夠在配置的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中正常運(yùn)行。

2.3 設(shè)定大型煤礦初始狀態(tài)與控制目標(biāo)

設(shè)置大型煤礦中開(kāi)挖設(shè)備的初始值，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備初始狀態(tài)的控制，而煤礦初始環(huán)境的設(shè)置，需要控制通風(fēng)設(shè)備和空調(diào)設(shè)備的工作參數(shù)。在大型煤礦環(huán)境中設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)的初始狀態(tài)和控制目標(biāo)設(shè)定結(jié)果如表1所示。

表1中設(shè)定的大型煤礦初始狀態(tài)即為大型煤礦的監(jiān)測(cè)真實(shí)值，將監(jiān)控方法輸出結(jié)果與表1數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得出反映方法監(jiān)測(cè)與控制性能的測(cè)試結(jié)果。

2.4 描述監(jiān)控性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在配置需要的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，開(kāi)發(fā)并運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法，由于優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用了數(shù)字孿生技術(shù)，因此實(shí)驗(yàn)采取虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的操作方式，即根據(jù)虛擬空間的反饋結(jié)果生成控制指令，控制指令作用在

表1 大型煤礦初始狀態(tài)與控制目標(biāo)設(shè)定表

大型煤礦真實(shí)環(huán)境中，并根據(jù)真實(shí)環(huán)境的變換更新數(shù)字孿生虛擬空間，所以此次實(shí)驗(yàn)的直接監(jiān)測(cè)對(duì)象為大型煤礦對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生虛擬空間。圖6表示的是基于數(shù)字孿生技術(shù)的大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法的運(yùn)行界面。

圖6 大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法運(yùn)行界面

按照上述方式在控制器的支持下，完成對(duì)大型煤礦的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控任務(wù)，并將實(shí)時(shí)控制結(jié)果反饋給監(jiān)控終端。同理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)比監(jiān)控方法的開(kāi)發(fā)，并得出對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控結(jié)果。

2.5 設(shè)置監(jiān)控性能量化測(cè)試指標(biāo)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢⑿阅軠y(cè)試實(shí)驗(yàn)分成設(shè)備監(jiān)控性能測(cè)試、環(huán)境監(jiān)控性能測(cè)試以及監(jiān)控范圍測(cè)試三部分，設(shè)置大型煤礦開(kāi)挖設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控性能的測(cè)試指標(biāo)為：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度和設(shè)備狀態(tài)成功控制率，上述指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果為：

(15)

其中：變量Ncorrect、Ndevice和Nsuccess分別表示的是狀態(tài)監(jiān)測(cè)正確的設(shè)備數(shù)量、大型煤礦中安裝的開(kāi)挖設(shè)備總數(shù)量以及成功控制的設(shè)備數(shù)量。計(jì)算得出ηEquipment-Monitoring和ηEquipment-Control取值越大，證明對(duì)應(yīng)方法的設(shè)備監(jiān)控性能越優(yōu)。環(huán)境監(jiān)測(cè)性能的量化測(cè)試指標(biāo)包括：瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)誤差和溫度監(jiān)測(cè)誤差，環(huán)境控制性能測(cè)試指標(biāo)為瓦斯?jié)舛瓤刂普`差和溫度控制誤差，其中環(huán)境監(jiān)測(cè)性能的測(cè)試結(jié)果為：

(16)

其中：cmonitor和cset分別表示瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)結(jié)果和設(shè)置值，Tmonitor和Tset對(duì)應(yīng)的是溫度的監(jiān)測(cè)值與實(shí)際值，另外環(huán)境控制誤差的測(cè)試指標(biāo)結(jié)果如下：

(17)

式中，變量ccontrol、Tcontrol、ctarget和Ttarget分別表示瓦斯?jié)舛群蜏囟鹊目刂浦岛涂刂颇繕?biāo)值。計(jì)算得出εmonitor-gas和εmonitor-T的值越小，說(shuō)明對(duì)應(yīng)方法的環(huán)境監(jiān)測(cè)精度越高，εcontrol-gas和εcontrol-T取值越小，證明對(duì)應(yīng)方法的環(huán)境控制效果越優(yōu)。另外控制范圍的測(cè)試指標(biāo)為監(jiān)測(cè)面積，該指標(biāo)的計(jì)算公式為：

(18)

公式(18)中(xc，yc)為監(jiān)測(cè)中心位置坐標(biāo)，(xfarthest，yfarthest)表示監(jiān)測(cè)范圍中距離監(jiān)測(cè)中心最遠(yuǎn)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。計(jì)算得出監(jiān)測(cè)面積Amonitor越大，說(shuō)明對(duì)應(yīng)方法的監(jiān)測(cè)范圍越廣。

2.6 監(jiān)控性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.6.1 大型煤礦設(shè)備監(jiān)測(cè)性能測(cè)試結(jié)果

統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)公式(15)的計(jì)算，得出3種大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法在開(kāi)挖設(shè)備監(jiān)控中的性能測(cè)試結(jié)果，如圖7所示。

圖7 大型煤礦設(shè)備監(jiān)測(cè)性能測(cè)試結(jié)果

從圖7中可以直觀的看出，與兩種傳統(tǒng)監(jiān)控方法相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度和成功控制率均得到明顯提升，提升量約為13.9%和34.6%。

2.6.2 大型煤礦環(huán)境監(jiān)測(cè)性能測(cè)試結(jié)果

3種大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法下，煤礦環(huán)境監(jiān)測(cè)性能的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

將表1和表2中的數(shù)據(jù)代入到公式(16)中，計(jì)算得出兩種傳統(tǒng)方法的平均瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)誤差分別為0.37%和0.27%，平均溫度監(jiān)測(cè)誤差分別為0.45 ℃和0.25 ℃，而優(yōu)化設(shè)計(jì)方法得出的瓦斯?jié)舛扰c溫度的平均監(jiān)測(cè)誤差分別為0.07%和0.07 ℃。

表2 大型煤礦環(huán)境監(jiān)測(cè)性能測(cè)試數(shù)據(jù)表

2.6.3 大型煤礦環(huán)境控制性能測(cè)試結(jié)果

在3種大型煤礦環(huán)境控制程序下，收集程序運(yùn)行1小時(shí)后的環(huán)境數(shù)據(jù)，得出反映大型煤礦環(huán)境控制性能的測(cè)試結(jié)果，如表3所示。

表3 大型煤礦環(huán)境控制性能測(cè)試數(shù)據(jù)表

通過(guò)與表1中控制目標(biāo)數(shù)據(jù)的對(duì)比以及公式(17)的計(jì)算，得出3種監(jiān)控方法控制下，瓦斯?jié)舛鹊钠骄刂普`差為0.20%、0.12%和0.07%，溫度控制誤差的平均值分別為0.20 ℃、0.23 ℃和0.07 ℃，由此可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有更優(yōu)的控制性能。

2.6.4 大型煤礦監(jiān)控范圍測(cè)試結(jié)果

通過(guò)公式(18)的計(jì)算，得出3種方法監(jiān)控范圍的測(cè)試對(duì)比結(jié)果，如圖8所示。

圖8 大型煤礦監(jiān)控范圍測(cè)試對(duì)比結(jié)果

從圖8中可以直觀的看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)基于數(shù)字孿生技術(shù)的大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法的監(jiān)控范圍更大，監(jiān)控范圍擴(kuò)大約27.4%。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前煤炭行業(yè)正處于高速發(fā)展時(shí)期，如果有關(guān)人員要想確保煤炭開(kāi)采工作的質(zhì)量，就必須在煤礦開(kāi)采工作中，強(qiáng)化對(duì)大型煤礦遠(yuǎn)程智能監(jiān)控方法的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，24小時(shí)對(duì)煤礦開(kāi)采工作進(jìn)行監(jiān)控，如果煤礦開(kāi)采工作中發(fā)生了安全事故，可以在第一時(shí)間發(fā)出警告，并加以處理，這樣才能確保煤礦開(kāi)采人員的生命安全，提高煤炭企業(yè)的經(jīng)營(yíng)效益，進(jìn)而推動(dòng)煤炭企業(yè)的迅速發(fā)展。