成榮杰，王 洋，王 坤

(中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司，天津 300120)

2015年國家能源局提出了“煤炭清潔高效利用行動計劃”，其中明確指出“大力發(fā)展高精度煤炭洗選加工，實現(xiàn)煤炭深度提質(zhì)和分質(zhì)分級；現(xiàn)有煤礦實施選煤設(shè)施升級改造”。這標(biāo)志著我國的選煤行業(yè)進入一個新的發(fā)展階段[1-4]。過去傳統(tǒng)的選煤工作方式已經(jīng)不再適應(yīng)現(xiàn)有的生產(chǎn)需求，粗放式的管理已經(jīng)無法滿足當(dāng)代精細化管理的趨勢，數(shù)字化、智能化、可持續(xù)化的新型選煤廠將成為未來的發(fā)展趨勢，因此，選煤企業(yè)也開始大規(guī)模的數(shù)字化和智能化建設(shè)[5-8]。

目前，我國已經(jīng)有上百個煤礦在不同程度上開啟了礦井智能開采工作，形成了在薄、中、厚3個不同層級的高效開采方式。與傳統(tǒng)的相對粗放式管理和低效率開采方式相比，已經(jīng)有了較大的進步。但是距離目前國際先進的智能化開采，數(shù)字化管理依然存在著一定的差距。集中體現(xiàn)在煤礦的系統(tǒng)性智能化關(guān)鍵技術(shù)未能得到有效突破，選煤生產(chǎn)過程監(jiān)控、復(fù)雜設(shè)備故障的定位以及全天候健康周期管理技術(shù)尚不成熟。

神華烏海能源公司選煤廠[9]為了提高選煤效率，采用PLC集成控制方式對重介質(zhì)選煤系統(tǒng)進行了改造，并取得了較好的經(jīng)濟效益。張明[10]針對目前國內(nèi)選煤廠中存在選煤工藝不合理現(xiàn)象，提出了一套工藝設(shè)計方案，并在某選煤廠進行了實驗，取得了良好的效果。

雖然不同的學(xué)者及相關(guān)選煤廠已經(jīng)做了部分有益智能化改進，但是目前我國的選煤廠依然存在著設(shè)備自動化水平低，人均工作效率低，原煤入選比例低，平均灰分高等問題，尤其是在數(shù)字化建設(shè)領(lǐng)域，更是與國際先進水平存在較大的差距。為了解決上述問題，有必要將目前在全球大型制造業(yè)中都探索使用的“數(shù)字孿生”技術(shù)引入選煤廠智能化建設(shè)中，用以完成選煤廠整體高保真工作模型搭建，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實數(shù)字交互機制，切實提高我國選煤廠的數(shù)字化水平。

1 數(shù)字孿生技術(shù)

“數(shù)字孿生”是指利用數(shù)字技術(shù)對物理實體對象的特征、行為、形成過程和性能進行描述和建模的過程方法[11]?！皩\生體”概念最早可以追溯到美國國家航空航天局的阿波羅項目，其本質(zhì)是制造了2個相同空間飛行器，留在地球的飛行器用以反映正在執(zhí)行任務(wù)的空間飛行器的狀態(tài)[12]。隨后國內(nèi)眾多學(xué)者對該概念進行了擴充，其應(yīng)用范圍不再局限于航天領(lǐng)域的飛行器模擬，而是擴充至更為寬廣的生產(chǎn)系統(tǒng)、甚至供應(yīng)鏈領(lǐng)域。特別是2010年以后，傳感器、超級算力的計算機的技術(shù)取得了突飛猛進的進展，“數(shù)字孿生”技術(shù)在理論層面和應(yīng)用層面取了較大的發(fā)展。其中，部分學(xué)者已經(jīng)將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于某些產(chǎn)品的生產(chǎn)線，構(gòu)建產(chǎn)品生產(chǎn)周期的數(shù)字化，用以實現(xiàn)全數(shù)字化車間。數(shù)字孿生人類研究現(xiàn)實世界的新技術(shù)，其采用先進的計算機技術(shù)，構(gòu)建現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中的制造、能源工業(yè)等模型，搭建現(xiàn)實世界與模型世界的橋梁，是目前的研究熱點，已經(jīng)被應(yīng)用到航空航天、高精度制造、油田開采、智慧城市等領(lǐng)域。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷成熟以及選煤廠技術(shù)升級的需求愈加迫切，可以預(yù)見，在未來的一段時間，數(shù)字孿生技術(shù)將會被在選煤廠中得到廣泛應(yīng)用。

同時，伴隨著5G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)以及云計算等領(lǐng)域的快速突破。數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)具備了在復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。而目前我國的大部分選煤廠正處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程，因此，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于選煤廠的數(shù)字化改造成為最適合的技術(shù)手段。

2 選煤廠與數(shù)字孿生技術(shù)

目前，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧礦山中的應(yīng)用已經(jīng)取得了一些研究成果[13]，但是在選煤廠應(yīng)用領(lǐng)域少見，因為有必要針對該問題展開研究。

目前，我國的常規(guī)選煤廠工藝流程如圖1所示。其中涉及的主要設(shè)備包括重介質(zhì)旋流器、脫介篩、脫水篩以及原煤的分級篩等。

圖1 常規(guī)選煤流程

根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)的要求，在構(gòu)建整個選煤廠的數(shù)字模型過程中，就是整個選煤系統(tǒng)的數(shù)字化模型。對于這個數(shù)字化模型一般具有以下2個基本的要求：

(1)模型具有高保真性，能夠真實的反映整個物理模型的實際工作特性。高保真模型的建立是目前數(shù)字孿生領(lǐng)域的關(guān)鍵性問題之一，如果模型過于復(fù)雜，雖然可以初步實現(xiàn)與現(xiàn)實模型差距較小，但是對于計算機的性能要求極高，很有可能超出現(xiàn)有計算機的硬件極限，造成“計算災(zāi)難”。如果模型過于簡化，現(xiàn)有計算能力可以快速完成仿真計算，但是與現(xiàn)實模型差距過大，則就背離了數(shù)字孿生技術(shù)的初衷。因此如何構(gòu)建一個既能保證模型的真實性，又可以在現(xiàn)有計算能力基礎(chǔ)上實現(xiàn)快速仿真的模型，是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題。

(2)模型具備數(shù)字共融性，即能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)實空間與虛擬空間的數(shù)據(jù)實時交互。數(shù)字共融性的基本要求是實現(xiàn)虛實之間的數(shù)據(jù)交互。在構(gòu)建數(shù)字共融系統(tǒng)的過程中，首先需要確定的是那些關(guān)鍵數(shù)據(jù)是必須實現(xiàn)實時交互的。如果選取的數(shù)據(jù)過多，對于現(xiàn)實空間中的傳感器配置就會有較高的要求，進一步導(dǎo)致成本增加。如果選取的數(shù)據(jù)較少，則無法反映出系統(tǒng)的關(guān)鍵性參數(shù)，因此共融參數(shù)的選取是需要注意的。

初步構(gòu)建的選煤廠數(shù)字欒生模型方案如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生與選煤廠

綜上所述，在構(gòu)建選煤廠的數(shù)字孿生模型過程中，需要完成以下幾個主要的虛擬模型建設(shè)。

(1)原煤倉數(shù)字模型，用以分析倉儲情況。倉儲模型的作用不只是簡單的分析其進入倉內(nèi)的原煤數(shù)量，還要初步給出不同品質(zhì)的原煤在倉內(nèi)的分布情況。為了達到上述2個目的，建模過程就需要采用散落顆粒的堆積理論。

(2)重介質(zhì)旋流器模型，用以分析第一次粗煤和精煤的分離過程。該模型是典型的液固耦合模型，但是其工況極度復(fù)雜，幾乎無法用現(xiàn)有商品化軟件直接進行仿真，因為必須從理論模型推導(dǎo)、工業(yè)大數(shù)據(jù)以及人工智能技術(shù)多個方面對其進行聯(lián)合建模。

(3)分級篩、脫介篩、脫水篩的運動模型以及浮選模型。分級篩是一個典型振動接觸碰撞模型，雖然目前碰撞力學(xué)已經(jīng)較為成熟，但是其主要針對的兩個物體的接觸碰撞。對于分級篩這類大量顆粒的碰撞問題尚難以突破。而現(xiàn)有動力學(xué)方正軟件也存在建模困難、計算時間不可預(yù)估的難題。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

針對需要建立的數(shù)學(xué)模型，有以下關(guān)鍵技術(shù)需要研究。

3.1 原煤倉大范圍堆積模型

由于進入原煤倉的煤品質(zhì)各不相同，導(dǎo)致整個存儲倉的煤質(zhì)分布是一種不均勻的狀態(tài)。原煤入倉過程是一個典型的大范圍小顆粒傾倒堆積問題，也是一個典型的碰撞動力學(xué)問題。建立模型的難度在于，如何通過數(shù)值算法較為精確地模擬數(shù)以萬計的顆粒碰撞。如果直接采用計算機模擬，會導(dǎo)致計算災(zāi)難。因此，需要引入強化學(xué)習(xí)理論，采用小規(guī)模模擬、大規(guī)模預(yù)測、實際數(shù)據(jù)校正相結(jié)合的方式進行模擬。

3.2 重介質(zhì)旋流器的液—固耦合模型

根據(jù)重介質(zhì)旋流器的工作原理可知，其工作過程屬于存在液固耦合和數(shù)量巨大的碰撞問題，并且介質(zhì)的狀況在時刻發(fā)生變化，所以目前常用的液相仿真軟件難以對其進行直接仿真。針對該問題，需要基于小樣機高保真模型，群組計算方法對其進行模擬。其中小樣機高保真模型是實際建立一個尺寸很小的重介質(zhì)旋流器，只需要初步模擬運動過程即可。通過導(dǎo)入不同的原煤可以獲得不同的分離數(shù)據(jù)。群組計算方法是將粗煤與精煤的顆粒度變大，降低在數(shù)值模擬過程的計算量。最后通過小樣機獲得數(shù)據(jù)校正數(shù)值計算過程中使用的參數(shù)，達到合理校正參數(shù)的效果。最后該模型應(yīng)用于實際生產(chǎn)過程，以檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性。

3.3 數(shù)據(jù)融合的傳感器技術(shù)

由于要實現(xiàn)數(shù)字模型的交互，獲取數(shù)據(jù)的傳感器則成為其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于選煤廠的工作環(huán)境極端復(fù)雜，傳統(tǒng)的傳感器難以滿足其使用要求。比如，在原煤倉儲環(huán)節(jié)，雖然可以通過視頻監(jiān)控的形式實現(xiàn)對于倉內(nèi)儲存量的監(jiān)測，但是考慮到現(xiàn)場會有粉塵的影響，如何通過圖像處理方式，實現(xiàn)準(zhǔn)確原煤倉儲監(jiān)測是一個需要突破的技術(shù)難點。重介質(zhì)旋流存在介質(zhì)工作不穩(wěn)定的現(xiàn)象，為了對其工作過程中的介質(zhì)狀況進行監(jiān)測，則需要設(shè)計一種滿足當(dāng)前工況的接觸式監(jiān)測設(shè)備。因此，如何設(shè)計出滿足其在復(fù)雜工況下的使用要求的傳感器，是目前亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié) 語

隨著我國選煤廠智能化技術(shù)的發(fā)展，以選煤廠為研究對象的數(shù)字孿生技術(shù)是未來的重要發(fā)展方向。通過對選煤廠工藝的分析，闡述了數(shù)字孿生技術(shù)與選煤廠智能化之間的技術(shù)關(guān)聯(lián)性，提出了以選煤廠為研究對象的數(shù)字孿生技術(shù)需要重點構(gòu)建的原煤倉模型和重介質(zhì)旋流器的液—固耦合模型構(gòu)建以及數(shù)據(jù)融合傳感器技術(shù)。