基于数字孪生的煤矿多元业务全局动态协同管控方法与流程

本发明涉及矿山管控，具体涉及一种基于数字孪生的煤矿多元业务全局动态协同管控方法。

背景技术：

1、智慧矿山是以矿山数字化、信息化为前提和基础，对矿山生产、职业健康与安全、技术支持与后勤保障等进行主动感知、自动分析、快速处理，建设智慧矿山，最终实现安全矿山、无人矿山、高效矿山、清洁矿山的建设。智慧矿山建设主要包括：智慧生产系统、智慧职业健康与安全系统、智慧技术支持与后勤保障系统建设。

2、目前，智慧矿山中的各系统之间都是独立管控的，各个环节之间的信息没有进行共享或联动，导致矿山的管控出现不及时、不到位等问题。例如，对矿山中各类灾害的监测，如果煤矿采空区发生火灾，还会引起采空区的瓦斯爆炸，矿井外因火灾产生的火风压会导致风流逆转，瓦斯灾害会导致风流下游有害气体超标等一系列事故。因此，仅仅从单一灾害甚至单一系统的角度来分析和解决问题是孤立的、静止的、不全面的。又比如，煤矿生产业务中，各生产环节环环相扣，主煤流生产线通常包括生产单元、运输单元、提升单元、洗选单元、运销单元，如果各环节的子系统独立运行，环节之间掣肘导致生产流程频繁中断，因此，仅仅从各单一环节监测数据考虑问题也是滞后的。

3、以安全、生产和经营为代表的三大业务群是煤炭企业运转的三个重要因素，业务群之间的协同模式直接决定了煤矿企业全局的运转效果。在现有的运行模式中，安全、生产和经营业务分别由多个不同的业务部门承担，由于部门利益最大化为目标的约束条件下，不同部门或环节之间无法进行有效的协同和信息共享，决策制订时往往顾此失彼，难以平衡煤矿企业整体的安全状态、生产进度和经济效益。因此，必须从煤矿全局高度优化以安全、生产、经营业务为主体的业务群之间的协同度，从而实现煤矿整体运行的最优化。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术存在的技术问题之一。

2、为此，本发明提供一种基于数字孪生的煤矿多元业务全局动态协同管控方法，借助数字孪生技术，以安全、生产、经营业务三者协同管控为目标，进行业务数据整体融合及协同管控，从而更好的为煤矿工人营造安全的生产环境、为经营者提供高效的协同办公流程、为煤矿企业创造更多的效益。

3、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于数字孪生的煤矿多元业务全局动态协同管控方法，包括以下步骤：

4、步骤s1、构建基于数字孪生的多元业务动态协同管控架构；

5、步骤s2、构建多元业务协同管控策略；

6、步骤s3、构建多元业务共同作用模型；

7、步骤s4、利用所述多元业务动态协同管控架构运行多元业务共同作用模型输出多元业务之间的最优解，再结合多元业务协同管控策略对煤矿的多元业务进行协同管控。

8、进一步的，所述多元业务动态协同管控架构包括：

9、物理对象感知层，所述物理对象感知层用于接收煤矿各系统的实时数据以及作为指令执行载体；

10、虚拟空间仿真层，所述虚拟空间仿真层用于以物理对象感知层的实时数据为基础，通过数字孪生技术构建与物理世界对应的虚拟模型，并建立所述虚拟模型与物理世界之间的动态链接；

11、协同管控决策层，所述协同管控决策层用于运行多元业务共同作用模型并结合多元业务协同管控策略得到优化的协同管控方案。

12、进一步的，所述多元业务协同管控策略包括：预测性协同管控策略和实时动态协同管控策略。

13、进一步的，所述预测性协同管控策略包括：

14、确定干扰事件的影响指数c＝f(αiper,βisco,γideg,ηirec)，其中，iper表示影响时长，isco表示影响范围，ideg表示影响程度，irec表示可恢复程度，α、β、γ、η、分别表示各个影响因素的权重系数；

15、根据所述影响指数c的大小对干扰事件进行等级划分。

16、进一步的，实时动态协同管控策略包括：

17、根据物理对象感知层的初始数据结合多元业务共同作用模型，制定当前最优的协同管控初始方案；

18、利用协同管控决策层采用协同管控初始方案对虚拟模型进行运行，若出现干扰事件，则对虚拟模型及时采取相应的管控措施，所述管控措施得到验证后，生成预测性管控方案；

19、根据物理对象感知层的实时数据结合多元业务共同作用模型、预测性管控方案输出最优的管控方案。

20、进一步的，构建多元业务共同作用模型包括：

21、确定决策变量，所述决策变量包括：安全风险影响指标、生产效率影响指标和经营成本影响指标；

22、分别构建安全风险指数、生产效率指数和经营成本指数的目标函数；

23、确定所述目标函数的约束条件；

24、构建所述安全风险指数、生产效率指数和经营成本指数三者之间的共同作用模型。

25、进一步的，所述安全风险指数的目标函数为，其中，i∈n1，n1表示安全风险影响指标的一级指标的集合，xij表示一级指标下包含的第j个二级指标的归一化数据，μij表示一级指标下包含的第j个二级指标的权重，表示一级指标的权重；

26、所述安全风险指数的目标函数的约束条件为：f1(x)≥adt，其中，adt为基于数字孪生的多元业务动态协同管控架构运行过程中的最小安全指数。

27、进一步的，所述生产效率指数的目标函数为，其中，i∈n2，n2表示生产效率影响指标的一级指标的集合，ti表示各环节的标准生产周期，c表示影响指数，t表示影响时间，表示各环节的资源支撑系数；

28、其中，，tim表示第i个环节最长消耗时间，tia表示第i个环节实际消耗时间，xi表示第i个环节实际资源数据；

29、所述生产效率指数的目标函数的约束条件为：f2(x)≤tdt，tdt为基于数字孪生的多元业务动态协同管控架构运行过程中的最长生产周期。

30、进一步的，所述经营成本指数的目标函数为其中，i∈n2，n2表示煤矿生产环节的集合，δi为第i个环节成本增加系数，tim表示第i个环节最长消耗时间，tia表示第i个环节实际消耗时间，τ表示间接成本系数，t表示施工总实际周期；eit表示第i个环节的总直接成本，其表达式为：，其中j∈m，xj表示经营成本影响指标中的直接成本的类别；

31、所述经营成本指数的目标函数的约束条件为：f3(x)≤edt，edt为基于数字孪生的多元业务动态协同管控架构运行过程中的最大经营成本。

32、进一步的，所述共同作用模型为：其中，fk(x)表示目标函数，表示约束条件的数值，x表示决策变量。

33、本发明的有益效果是，本发明借助数字孪生技术构建多元业务动态协同管控架构，结合多元业务共同作用模型和多元业务协同管控策略，挖掘出煤矿安全、生产、经营等业务的关联规则，从单一业务层面上升到全局业务数据融合及协同管控层面，能够增强煤矿灾害监测可靠性、减少各生产环节掣肘，提高经营业务协同效率，有效促进煤矿企业安全、生产高效率、经营低成本运行，为煤矿企业创造更多的效益。