數(shù)字孿生技術(shù)在煤礦安全管理中的應(yīng)用

張宏偉

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 河北 定州 073000）

0 引言

煤礦安全管理在煤炭生產(chǎn)中起著非常重要的作用，是決定礦區(qū)發(fā)展的關(guān)鍵因素。據(jù)中國國家煤礦安全監(jiān)察局及相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計，2012—2021 年間，全國共發(fā)生煤礦死亡事故3 342 起，死亡人數(shù)5 978 人。由此可見，在煤礦事故的預(yù)防和管理方面，還有很大的提升空間。雖然現(xiàn)階段煤礦安全管理情況正在改善，煤礦開采死亡人數(shù)逐年減少，但煤礦安全仍是采礦活動的重中之重。因此，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如何將現(xiàn)代技術(shù)或方法應(yīng)用到煤礦的安全管理中，減少礦區(qū)安全事故的發(fā)生，達(dá)到礦區(qū)安全管理水平的目的，是一個亟需解決的難題[1-2]。

數(shù)字孿生技術(shù)是一項新興的數(shù)字化技術(shù)，在數(shù)據(jù)和模型的驅(qū)動下，可以達(dá)到對研究對象進(jìn)行監(jiān)測、模擬、預(yù)測和優(yōu)化的目的。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)在許多領(lǐng)域開展，制造業(yè)是應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一。例如，數(shù)字孿生技術(shù)被應(yīng)用于研究制造工廠中的機(jī)器人生產(chǎn)裝配的質(zhì)量和效率問題；Vrabi 等人研究移動機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用；王等人提出了由數(shù)字孿生驅(qū)動的艦船智能制造系統(tǒng)應(yīng)用框架。除了在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)在其他領(lǐng)域也有研究。Lee等人開發(fā)了將數(shù)字孿生技術(shù)與區(qū)塊鏈相結(jié)合的技術(shù)框架，實現(xiàn)了工程項目中的信息共享；魏等人討論了孿生技術(shù)在能源利用和管理領(lǐng)域的應(yīng)用[3-7]。

數(shù)字孿生技術(shù)雖然是一項新興技術(shù)，但由于其顯著的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，在很多領(lǐng)域都開展了相關(guān)研究，包括智能制造、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)科學(xué)、能源利用、建筑工程等。因此，數(shù)字孿生技術(shù)在煤礦安全管理中也具有良好的應(yīng)用前景，因此本文將數(shù)字孿生技術(shù)與煤礦安全管理相結(jié)合，探索一種以數(shù)字孿生為驅(qū)動的煤礦安全管理模式。

1 煤礦安全管理與數(shù)字孿生技術(shù)

1.1 煤礦安全管理

煤礦安全管理是煤礦企業(yè)的基礎(chǔ)，目前，隨著企業(yè)安全管理理念的強(qiáng)化、先進(jìn)技術(shù)設(shè)備的引進(jìn)、職工安全意識的提高，煤礦安全管理水平有了很大的進(jìn)步。但是，大多數(shù)煤礦企業(yè)仍是采用以人為本的煤礦安全監(jiān)管模式，雖然人員安全意識有所提高，但在實際情況中仍存在一些不足，也隨之會導(dǎo)致煤礦安全事故頻發(fā)。這其中主要原因是礦山工作環(huán)境復(fù)雜，事故隱患的成因越來越隱蔽，依靠人員的煤礦安全管理模式存在主觀意識性強(qiáng)的問題。針對傳統(tǒng)煤礦安全管理模式中存在的問題，不少學(xué)者也進(jìn)行了研究，如運(yùn)用博弈論、尋租理論、約束理論、系統(tǒng)動力學(xué)等方法，完善安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)、優(yōu)化監(jiān)管體系等。但隨著科技的發(fā)展，煤礦企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生了很大的變化，煤礦安全事故的促成因素增多，僅靠改變礦山安全管理模式并不能實現(xiàn)安全管理的顯著改善，主要是因為以人為主導(dǎo)的管理形態(tài)意識沒有改變，并且隨著礦山機(jī)械水平的提高，正逐步由單一工程向聯(lián)合作業(yè)轉(zhuǎn)變，以人為中心的管理模式更難以解決問題。因此，現(xiàn)有的安全監(jiān)管模式已經(jīng)不能滿足煤礦安全發(fā)展的需要，急需從快速反應(yīng)、聯(lián)合分析的角度，建立能夠充分發(fā)揮各要素協(xié)同互補(bǔ)作用的安全監(jiān)管模式。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生的概念最初在2003 年由Michael Grieves在密歇根大學(xué)的產(chǎn)品生命周期管理課程中提出。起初，數(shù)字孿生主要應(yīng)用于軍事和航空航天領(lǐng)域。國家航天局在阿波羅計劃中應(yīng)用了數(shù)字孿生技術(shù)，主要是用于航天器的健康維護(hù)和保障。目前，數(shù)字孿生主要是指以數(shù)字形式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在真實環(huán)境中的行為，通過虛擬與真實的交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等方式為物理實體添加了新的能力。從定義上看，數(shù)字孿生在一定程度上類似于虛擬仿真，但又不同于傳統(tǒng)仿真技術(shù)，其特點如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢

在傳統(tǒng)的仿真軟件中，仿真過程中的實體和仿真對象是分離的。而數(shù)字孿生的對象可以實現(xiàn)與實體的信息共享和實時同步，具有很強(qiáng)的交互性。此外，數(shù)字孿生比傳統(tǒng)仿真更加生動逼真，它可以實現(xiàn)虛擬實體與物理實體在外觀、內(nèi)容、性質(zhì)上的完全一致，具有高度的真實感，能夠準(zhǔn)確反映出物理實體的真實狀態(tài)。自我學(xué)習(xí)能力是指可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)實實際情況進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，利用認(rèn)知機(jī)制和規(guī)則推導(dǎo)出未來特定時刻的所有場景，并預(yù)測各自狀態(tài)的發(fā)生概率和未來發(fā)展趨勢。

1.3 數(shù)字孿生模型架構(gòu)

五維模型（見圖2）由物理實體（PE）、虛擬實體（VE）、業(yè)務(wù)系統(tǒng)（SS）、孿生數(shù)據(jù)（DD）和連接（CN）組成。PE 指的是現(xiàn)實中的真實實體，是研究的對象，也是構(gòu)建數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)。VE 是PE 的超高保真、全數(shù)字化仿真模型，它通過實時數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對生產(chǎn)全過程的實時模擬和趨勢預(yù)測，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供優(yōu)化策略，實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程。SS 是一套服務(wù)系統(tǒng)，由生產(chǎn)過程中的制造系統(tǒng)組成，可以為產(chǎn)品的制造提供支持和服務(wù)。DD 指的是PE、VE、SS 的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，以及以上三部分的數(shù)據(jù)交叉融合，這是數(shù)字孿生技術(shù)的驅(qū)動源。CN 是實現(xiàn)實體、服務(wù)、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的必要途徑，它通過傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等方式來實現(xiàn)。

圖2 數(shù)字孿生的五維模型

2 數(shù)字孿生模型的構(gòu)建

2.1 煤礦瓦斯事故

煤礦安全事故主要可以分為頂板、瓦斯、機(jī)電、水害、運(yùn)輸以及爆破等，通過查詢中國國家礦山安全監(jiān)察局和中國煤礦統(tǒng)計年鑒的數(shù)據(jù)，繪制了2013—2020 年不同類型煤礦安全事故死亡人數(shù)（見圖3）。

圖3 中國2013—2020 年各類煤礦事故死亡人數(shù)

從圖3 可以看出，在各類煤礦事故中，頂板事故和瓦斯事故造成的死亡人數(shù)最多。雖然近年來頂板和瓦斯事故死亡人數(shù)明顯下降，但在各類煤礦事故中，仍占安全事故的最高比例。另外，按單次事故死亡人數(shù)分析，頂板事故為1.34 人/次事故死亡，瓦斯事故為5.00 人/次事故死亡，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂板事故，這說明瓦斯事故比頂板事故嚴(yán)重，瓦斯事故一旦發(fā)生，其對礦山安全能力的破壞程度要高于其他類型的安全事故。更重要的是，瓦斯事故死亡人數(shù)容易出現(xiàn)重復(fù)現(xiàn)象，波動性較大且難以控制。

此外，通過對煤礦事故相關(guān)文獻(xiàn)的分析可以發(fā)現(xiàn)，近年來，煤礦地下開采長期是一個危險的職業(yè)，瓦斯突出是煤礦可能發(fā)生的嚴(yán)重事故。中國瓦斯爆炸事故頻發(fā)，煤礦瓦斯事故占所有煤礦事故的一半，且極易造成煤礦大量人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失，是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要事故類型。

2.2 煤氣事故的雙模型構(gòu)件

瓦斯是煤礦開采過程中所有有害氣體的總稱，一般來說，煤礦井下瓦斯事故可分為瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出和中毒窒息三類。瓦斯爆炸指的是氣體處于高溫明火環(huán)境時，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成二氧化碳和水，并釋放大量熱量，然后產(chǎn)生的二氧化碳和水迅速膨脹汽化，以非常高的速度向外撞擊的現(xiàn)象。煤與瓦斯突出是指在一定壓力作用下，破碎的煤與瓦斯突然大量從煤體噴射到開采空間的現(xiàn)象。中毒室息是指當(dāng)煤礦內(nèi)有毒氣體達(dá)到一定濃度時，煤礦工人中毒或窒息的現(xiàn)象。從以上分析可以看出，煤礦瓦斯事故具有突發(fā)性和偶然性的特點，但瓦斯事故的發(fā)生一般需要滿足特定條件才會發(fā)生，所以煤礦瓦斯事故也具有可預(yù)測性的特點。

在傳統(tǒng)的煤礦瓦斯事故管理方式中，可以通過光學(xué)氣體檢測儀、氧氣計、溫度計等獲取瓦斯、濕度、溫度數(shù)據(jù)。但是，由于煤礦工作環(huán)境的復(fù)雜性，在出現(xiàn)危險預(yù)警信號時，很難在短時間內(nèi)采取行動。此外，由于檢測設(shè)備只能實現(xiàn)實時狀態(tài)檢測，難以作出合理預(yù)測，無法達(dá)到及時響應(yīng)、提前預(yù)防瓦斯事故的目的。因此，在上述分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字孿生五維模型構(gòu)建了數(shù)字孿生驅(qū)動的氣體事故孿生模型。

在實際操作中，物理實體與虛擬實體實時交換數(shù)據(jù)，使虛擬實體與物理實體具有高度的一致性，保證了礦山安全管理者能夠?qū)μ摂M實體進(jìn)行監(jiān)控，了解實際礦山的狀況。此外，物理實體和虛擬實體向?qū)\生數(shù)據(jù)傳輸各種數(shù)據(jù)，孿生數(shù)據(jù)中心對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并根據(jù)實際數(shù)據(jù)的趨勢特征，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測該條件下可能的數(shù)據(jù)狀況，同時將可能的狀況數(shù)據(jù)傳輸給虛擬實體，驅(qū)動虛擬實體進(jìn)行模擬，從而準(zhǔn)確地預(yù)測了物理實體未來可能的趨勢狀態(tài)。在預(yù)測可能的情況后，虛擬實體將其預(yù)測結(jié)果反饋給業(yè)務(wù)系統(tǒng)，業(yè)務(wù)系統(tǒng)將針對可能的危險情況生成一些解決方案并將解決方案同步到虛擬實體，在虛擬實體中再次模擬驗證每個解決方案以確定最優(yōu)解，然后將最優(yōu)解饋送給業(yè)務(wù)系統(tǒng)，業(yè)務(wù)系統(tǒng)將指導(dǎo)物理實體根據(jù)最優(yōu)解合理運(yùn)行，可以達(dá)到快速響應(yīng)和預(yù)防燃?xì)馐鹿实哪康?。此外，?dāng)物理實體發(fā)生緊急情況時，雙數(shù)據(jù)可以根據(jù)歷史記錄決定最佳決策場景，并將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M實體進(jìn)行模擬，以確保場景合理，然后通過服務(wù)系統(tǒng)反饋給物理實體，實現(xiàn)事件造成的損害最小。所有這些操作都在孿生模型內(nèi)進(jìn)行，可以大幅減少時間和快速響應(yīng)，其效率是傳統(tǒng)方法無法比擬的?；ヂ?lián)互通是信息互操作性和快速響應(yīng)模型的重要組成部分，也是這種孿生模型的基本要素之一。此外，孿生數(shù)據(jù)在這一過程中發(fā)揮著非常重要的作用，它可以從與物理實體和虛擬實體的交互中獲得大量數(shù)據(jù)，存儲和自學(xué)習(xí)這些數(shù)據(jù)，并根據(jù)大量可用數(shù)據(jù)對實際情況做出科學(xué)決策，并將數(shù)據(jù)傳輸給虛擬實體和服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行模擬和驗證，它是這種氣體事故孿生模型的驅(qū)動部分。

與傳統(tǒng)煤礦事故管理模型相比，瓦斯事故安全管理孿生模型具有快速響應(yīng)和事前預(yù)防的特點。例如，地下瓦斯爆炸應(yīng)具備以下三個條件：瓦斯?jié)舛雀?、氧氣濃度低和有明火源。因此，在?gòu)建瓦斯事故雙生模型時，設(shè)定濃度值低于瓦斯爆炸，一般來說，瓦斯?jié)舛葹?%～16%，氧氣濃度不低于10%，而遇到火花就可能爆炸。因此，在構(gòu)建瓦斯事故孿生模型時，可以將瓦斯?jié)舛仍O(shè)置為4%，氧氣濃度設(shè)置為8%，當(dāng)?shù)叵颅h(huán)境的濃度值達(dá)到設(shè)定的閾值時，孿生模型就可以響應(yīng)，從而保證在瓦斯事故發(fā)生前有足夠的響應(yīng)時間。因此瓦斯事故孿生模型中的孿生數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)確定不同礦井發(fā)生瓦斯事故時的閾值分析處理，從而達(dá)到事前預(yù)防的目的。

3 結(jié)論

分析了瓦斯事故孿生模型與傳統(tǒng)煤礦安全管理模式相比的優(yōu)勢，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)管理模式的不足，降低煤礦事故的發(fā)生率。通過對煤礦事故類型的分析，發(fā)現(xiàn)瓦斯事故是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要事故類型，瓦斯事故一旦發(fā)生，可能會導(dǎo)致大量人員傷亡和財產(chǎn)的損失?；跀?shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢和應(yīng)用場景，將數(shù)字孿生技術(shù)引入了煤炭安全管理，構(gòu)建了煤礦瓦斯事故孿生模型，分析其優(yōu)勢，為煤礦事故安全管理研究提供了新思路。

由于煤礦開采復(fù)雜性的增加和煤礦機(jī)械設(shè)備的增加，在開采過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)字信息，傳統(tǒng)的方法將無法應(yīng)對煤礦安全中信息的激增。因此，本文將數(shù)字孿生技術(shù)引入了煤礦安全管理，創(chuàng)新性地提出了煤礦安全管理新模式，為大數(shù)據(jù)驅(qū)動背景下的煤礦安全管理提供了新的研究方向，為智慧礦山建設(shè)和數(shù)字孿生技術(shù)在多場景下的應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)。