基于数字孪生的掘进通风智能调控系统：理论与实践

"本文提出了一种基于数字孪生技术的掘进工作面出风口风流智能调控系统，旨在解决传统局部通风系统存在的实时监测不足、风流状态无法智能调控导致的安全隐患，如风速场不合理、瓦斯积聚和粉尘污染。系统通过Zigbee自组网收集巷道环境数据，利用ARIMA模型预测瓦斯和粉尘浓度，采用小生境四段式编码遗传算法制定调控规则，并结合GPRS无线传输技术实现调控。此外，借助Unity3D构建的虚拟模型实现了物理与虚拟世界的映射交互。实验验证了系统的实时监测、决策、调控和融合功能的有效性，显著改善了风速、瓦斯浓度和粉尘质量浓度，提升了掘进工作面的安全性。" 本文主要探讨了在煤炭开采的掘进工作面中，如何利用先进的数字孪生技术优化通风系统，以解决传统通风系统存在的问题。传统的局部通风系统由于缺乏实时监测和智能调控能力，导致风速分布不均、瓦斯积聚和粉尘污染，这对工人安全构成严重威胁。为应对这些问题，研究者提出了一种全新的数字孪生驱动的风流智能调控系统。 该系统的核心是通过数字孪生技术，构建了一个能够反映实际工作面情况的虚拟模型。系统首先利用Zigbee自组网技术收集巷道内的风速、瓦斯体积分数和粉尘质量浓度等关键数据，然后通过ARIMA时间序列预测模型对这些参数进行智能预测，以便提前识别潜在的安全风险。接下来，引入小生境四段式编码遗传算法，根据预测结果制定出风口风流的智能调控策略，确保风流场分布的合理性，减少瓦斯积聚和粉尘污染。 为了实现这些调控策略，系统利用GPRS无线传输技术将控制指令发送到现场设备，实时调整风流状态。同时，借助Unity3D软件，创建了一个与物理工作面同步的虚拟环境，实现了虚实之间的交互，便于监控和调试。 通过专门设计的实验测试平台，该系统的实时监测、决策、智能调控和虚实融合等功能得到了验证。实验结果显示，经过智能调控后，司机位置的风速显著提升，上隅角瓦斯体积分数大幅度降低，粉尘质量浓度也明显下降，体现了系统在改善工作环境和保障安全方面的显著效果。 总结来说，本文提出的数字孪生驱动的掘进工作面出风口风流智能调控系统，通过集成现代信息技术和采矿通风理论，为煤炭开采提供了一种高效、安全的解决方案，有助于预防瓦斯积聚和粉尘污染，提升掘进工作的安全性与效率。未来，这种创新技术有望在更多领域得到应用，推动整个煤炭行业的智能化进程。