隨著科技的不斷進步，數字孿生智慧礦井系統將在礦業行業發揮越來越重要的作用，數字孿生三維可視化技術的應用，通過三維仿真建模、實時監測、數據分析、設備控制和信息共享等手段，提高了礦井生產的效率、安全性和可持續發展水平。

1.行業需求概述

（1）透徹感知

透徹感知是數字孿生智慧礦井的基礎。通過井里的攝像機、傳感器、可穿戴設備等，對人員、設備、環境和災害的透徹感知，確保煤礦企業生產系統安全、正常運轉。

（2）深度互聯

深度互聯是智能處理的基礎?；诘V企自身環境的特殊性和復雜性，數字孿生智慧礦井會建設各類綜合自動化系統、管理信息化系統和工程數字化系統。為了更好的為智能處理服務，通過電信網、互聯網和廣播電視網以及三網融合的網絡平臺，將傳感器、電腦、手持設備、移動終端等相連交互，實現深度互聯。

（3）高度共享

利用云計算、大數據、海量數據存儲等技術，采取標準化、規范化等手段，將礦井所有的信息進行匯聚、存儲以及整合，使得來自于各個系統的數據及信息進行關聯，實現信息的高度共享，為礦企業各部門之間的協同工作提供支持。

（4）智能服務

數字孿生智慧礦井與礦井綜合自動化、數字礦井和感知礦井最大的不同在于智能化的服務，這也是數字孿生智慧礦井的核心所在。面對透徹感知采集的實時數據和深度互聯產生的關系型數據，數字孿生智慧礦井企業需要采用統一的數據描述方法和統一的數據倉庫平臺確保數據的統一，再采用專家模型、數據挖掘等進行數據處理、分析和挖掘，為煤礦企業員工提供其需要的服務，最終實現面向數字孿生智慧礦井的智能化服務。

（5）可視化展現

數字孿生智慧礦井注重用戶體驗和認知效率，在礦井建設過程中著重運用可視化技術和數字孿生理念對真實的礦井進行三維場景還原，利用數據挖掘技術、人工智能系統挖掘各系統之間數據的關聯、隱形內涵等，并依托圖形渲染、組態等技術對生產、經營、管理類信息及時、直觀、高效的展現，引導用戶在最短的時間內獲取最有價值的信息，增強數字孿生智慧礦井信息的準確性和易理解程度。

1.數字孿生系統架構

感知層：感知層主要包括物理實體中搭載先進物聯網技術的各類新型基礎設施。

數據層：數據層主要包括保證運算準確性的高精度的數據采集、保證交互實時性的高速率數據傳輸、保證存取可靠性的全生命周期數據管理。

運算層：運算層是數字孿生體的核心，其充分借助各項先進關鍵技術實現對下層數據的利用，以及對上層功能的支撐。

功能層：功能層是數字變生體的直接價值體現，實現系統認知、系統分析、故障診斷、預測推演功能，從而起到輔助決策作用。系統認知，數字孿生體能夠真實描述及呈現物理實體的狀態，它是實現數字孿生體其它高級和智能化功能的基礎。系統分析可實現數字孿生體的狀態監測功能，發揮對物理實體的早期預警作用。故障診斷，通過分析物理實體的運行狀態，了解現象背后的原因。預測推演，是利用仿真技術來預見物理實體未來的狀態演變，從而指導當前的運行決策。

應用層：應用層是面向各類場景的數字孿生體的最終價值體現，具體表現為不同行業的各種產品，能夠明顯推動各行各業的數字化轉型。

2.數字孿生系統的典型特征

等價映射：數字孿生體是對物理實體的等價描述，是對物理實體進行數字化而松建的模型數字孿生體的變化能夠真實反映現實世界中的物理實體的變化。數字孿生體能夠實現雙向映射、數據連接和狀態交互，起到“數化”、“保真”效果。

實時交互：基于實時傳感等多元數據的獲取，孿生體可全面、精準、動態反映物理對象的狀態變化，包括外觀、性能、位置、異常等?！皩崟r”體現數字孿生體所處狀態是物理實體狀態的實時虛擬映射;“交互”體現數字孿生體與物理實體間存在數據及指令互動。

共生演進：“共生”體現在數字孿生體與物理實體同步構建，在全生面周期中相互依存，孿生體隨著孿生對象的生長而不斷演變。共智體現在三個層面:孿生體與孿生對象間共享智慧(包括:數據、算法)、孿生體內部各種孿生模型間共享智慧、不同生命周期階段的孿生體間共享智慧。

預測優化：根據物理實體的各項真實數據，通過數字孿生體進行仿真，實現對物理實體未來狀態的預測，預先知曉未來狀態能夠輔助用戶做出更合理的決策。根據物理實體的實時運行狀態，通過數字孿生體進行監測，實現對系統不穩定狀態的預測，預先覺察即將可能發生的不穩定狀態，使用戶更從容地處理該問題。

建立數字孿生體的最終目的，是通過描述物理實體集合內在機理，分析規律、洞察趨勢，基于分析與仿真對物理世界形成優化指令或策略，實現對物理實體決策優化功能的閉壞。根據數字孿生的典型特征，可以得出數字孿生的體系架構。

4.系統功能

數字孿生煤礦是將數字孿生技術應用于煤礦領域，通過構建煤礦的數字模型，實現煤礦全生命周期的監控和管理。具體應用包括以下幾個方面：

• 礦井安全監控：數字孿生煤礦可以通過傳感器采集礦井內部的各種數據，如溫度、濕度、氧氣濃度、瓦斯濃度等，并對數據進行實時分析，實現礦井安全監控。

• 礦井生產管理：數字孿生煤礦可以通過對礦井生產過程的全面監控，優化生產流程，提高生產效率。

• 礦井設備維護：數字孿生煤礦可以通過對礦井設備的運行數據的分析，預測設備可能出現的問題，提前進行維護，避免設備損壞造成的生產中斷。

• 礦井災害預警：數字孿生煤礦可以通過對礦井內部環境數據的分析，預測可能發生的災害，如瓦斯爆炸、水災等，提前采取防范措施。

5.系統特點

• 智能化管理：隨著人工智能技術的發展，數字孿生煤礦更加智能化，通過對大量數據的分析和學習，自動進行礦井安全監控、生產管理、設備維護和災害預警等工作，提高煤礦的管理效率和管理水平。

• 高度集成：數字孿生煤礦實現高度的信息集成，將來自不同來源的數據進行整合和分析，為煤礦管理提供全面的數據支持。例如，將礦井安全監控、生產管理、設備維護和災害預警等數據進行整合，實現統一管理和分析。

• 預測性維護：通過數字孿生技術，煤礦能夠實現預測性維護，通過對設備運行數據的分析，提前預測設備可能出現的問題，提前進行維護，避免設備損壞造成的生產中斷。這不僅可以提高生產效率，還可以降低維修成本。

• 無人化開采：自動化技術和機器人技術的發展，數字孿生煤礦實現無人化開采。通過自動化設備和機器人代替人工進行開采和運輸等工作，降低工人的勞動強度和危險性，提高生產效率和質量。

• 綠色開采：隨著環保意識的提高，數字孿生煤礦更加注重綠色開采。通過優化生產流程和采取環保措施，減少對環境的影響和污染，實現可持續發展。

• 遠程管理：數字孿生煤礦實現遠程管理，管理人員可以通過互聯網或移動設備隨時隨地查看礦井的實時數據和歷史數據，實現對礦井的遠程監控和管理。

• 數據分析與優化：數字孿生煤礦注重數據分析與優化。通過對大量數據的分析和學習，優化生產流程和管理方式，提高生產效率和管理水平。同時，還可以通過對數據的挖掘和分析，發現潛在的風險和問題，及時采取措施加以解決。

• 與物聯網技術的結合：數字孿生煤礦與物聯網技術緊密地結合在一起。通過物聯網技術實現對礦井設備、人員和環境的全面感知和信息共享，提高煤礦的智能化程度和管理水平。同時，還可以通過物聯網技術實現與其他工業領域的聯動和信息交互。

• 增強現實（AR）技術的應用：數字孿生煤礦將注重增強現實（AR）技術的應用。通過AR技術將虛擬模型與現實場景相結合，實現對礦井的全面可視化和直觀化管理。同時還可以通過AR技術實現人員培訓、設備維修和災害防控等方面的應用。

• 網絡安全保障：隨著信息化程度的提高網絡安全性問題也越來越突出，數字孿生煤礦注重網絡安全保障工作通過建立完善的網絡安全體系實現對煤礦信息的全面保護和安全管理確保煤礦的安全穩定運行。