摘要

針對煤礦綜掘工作面智能化水平不足、設(shè)備協(xié)同效率低及安全風(fēng)險高等問題，上海煤科信息科技有限公司研發(fā)了綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)。通過集成智能傳感、三維建模、多源數(shù)據(jù)融合及遠程協(xié)同控制技術(shù)，構(gòu)建了設(shè)備實時監(jiān)測、環(huán)境感知、工藝記憶截割、虛實同步驅(qū)動的智能集控平臺；利用數(shù)字孿生技術(shù)建立掘進機運動學(xué)模型，結(jié)合多傳感器數(shù)據(jù)實現(xiàn)設(shè)備姿態(tài)精確感知與三維場景動態(tài)仿真，支持遠程自動截割軌跡規(guī)劃及多設(shè)備 （掘進機、除塵、運輸系統(tǒng)） 一鍵協(xié)同控制；融合AI算法實現(xiàn)超欠挖預(yù)警、碰撞預(yù)測及故障智能診斷，并通過AR眼鏡與移動終端實現(xiàn)井下工況實時可視化監(jiān)控。

文章來源：《智能礦山》2025年第5期“數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用專題”欄目

第一作者：閆東，高級工程師，現(xiàn)任上海煤科信息科技有限公司執(zhí)行董事、總經(jīng)理，主要從事煤炭行業(yè)智能化及信息化建設(shè)的相關(guān)研究工作。E-mail：Huanfen22@163.com

作者單位：上海煤科信息科技有限公司

引用格式：閆東，佘曉帆，董玉琴. 綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[J]. 智能礦山，2025，6(4)：28-30.

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隨著礦山智能化技術(shù)應(yīng)用的進步，其生產(chǎn)和組織方式向安全、高效、綠色、智能方向發(fā)展，掘進過程的智能化和自動化運行，對于提升煤礦安全生產(chǎn)水平和生產(chǎn)效率具有重要意義。上海煤科信息科技有限公司以智能化掘進機為核心，依托智能傳感、定位定向、監(jiān)測監(jiān)控、通信、遠程控制、多信息遠程重現(xiàn)、多設(shè)備協(xié)同以及集中控制等技術(shù)，構(gòu)建智能化掘進工作系統(tǒng)；圍繞安全、高效掘進構(gòu)建邊緣感知、平臺決策、設(shè)備執(zhí)行、遠程運維４個維度的智能掘進系統(tǒng)基本架構(gòu)，推動煤礦綜合掘進裝備的協(xié)同作業(yè)；構(gòu)建數(shù)字孿生驅(qū)動的掘進裝備遠程智能控制模型及技術(shù)體系，研究遠程虛擬呈現(xiàn)、精確位姿感知、孿生數(shù)據(jù)共享、虛實同步驅(qū)動、工藝記憶截割、設(shè)備群碰撞預(yù)警等技術(shù)是實現(xiàn)智能遠程掘進常態(tài)化應(yīng)用的有效途徑。

綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)研發(fā)內(nèi)容

研發(fā)掘進工作面智能集控系統(tǒng)平臺，以智能掘進機和工作面輔助設(shè)備為終端，借助多元傳感系統(tǒng)采集設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)，通過融合多傳感器數(shù)據(jù)算法，實現(xiàn)掘進工作面設(shè)備在系統(tǒng)平臺的通信狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)、關(guān)鍵元件的生命周期、數(shù)據(jù)曲線、災(zāi)害智能感知、報警聯(lián)動、設(shè)備協(xié)調(diào)控制等功能。利用基于數(shù)字孿生的仿真技術(shù)，模擬掘進工作面設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)掘進工作面三維場景再現(xiàn)。通過手機APP、AR眼鏡等實現(xiàn)對掘進工作面設(shè)備運行工況展示、預(yù)警、故障診斷和控制等功能，綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)主要內(nèi)容包括6個方面。

（1）數(shù)字孿生綜掘工作面驅(qū)動模型

通過傳感器獲取綜掘工作面現(xiàn)場數(shù)據(jù)，建立綜掘工作面場景和掘進機設(shè)備相應(yīng)的數(shù)字孿生驅(qū)動模型，完成模型動作編程及三維模型與三維場景的耦合，同步再現(xiàn)物理場景變化；建立掘進機運動學(xué)模型，利用數(shù)字孿生驅(qū)動模型動作，在虛擬場景中還原掘進機運行狀態(tài)，綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)界面如圖1所示。

圖1 綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)界面

（2）綜掘工作面的遠程自動截割

利用掘進施工工藝及協(xié)同控制理論，分布式協(xié)同集中控制掘進工作面掘進機、除塵系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)等設(shè)備，實現(xiàn)掘進機遠程自動截割。掘進機自動截割控制預(yù)先獲得巷道斷面類型、掘進工藝和截割頭外輪廓等參數(shù)，規(guī)劃截割頭運動軌跡，以截割軌跡規(guī)劃為目標，視覺測量實際截割頭位姿為基礎(chǔ)坐標點，控制截割頭實時位置及行走軌跡，綜掘工作面智能監(jiān)控中心如圖2所示。

圖2 綜掘工作面智能監(jiān)控中心

（3）綜掘工作面信息融合監(jiān)測

通過掘進機的多元傳感器，實時監(jiān)測掘進機工況參數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過限值時，發(fā)出聲光報警。工況監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境中的粉塵、瓦斯等，發(fā)生超限數(shù)據(jù)時進行聲光報警。掘進機遠控平臺的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，智能監(jiān)測掘進工作面環(huán)境的粉塵、瓦斯，并智能分析監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，以及掘、運工序的智能聯(lián)動。融合掘進機和工作面高清攝像頭，滿足遠程實時掌握工作面真實實施工作情況。

（4）綜掘工作面安全預(yù)警與故障診斷

智能化掘進機在工作時出現(xiàn)運行參數(shù)異常報警、停機等現(xiàn)象，綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)會自動顯示異常原因或停機原因，實現(xiàn)超欠挖、防碰撞等預(yù)警值設(shè)置和預(yù)警信息實時顯示，便于檢修人員維修和后期重點巡檢。

（5）數(shù)據(jù)實時計算與多源異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲

通過標準的springCloud+Hadoop大數(shù)據(jù)架構(gòu)，綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)實現(xiàn)對綜掘工作面地質(zhì)、水文、鉆探、微振、沖擊地壓、掘進設(shè)備、視頻等數(shù)據(jù)匯總和融合分析，滿足采掘工作的智能決策。

（6）跨系統(tǒng)多平臺協(xié)同控制

綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)支持windows、安卓系統(tǒng)、iOS系統(tǒng)環(huán)境運行，綜掘工作面井下集控室與井上調(diào)度室同時部署，現(xiàn)場操作人員可通過防爆手機或AR眼鏡在井下實時監(jiān)控綜掘工作面，井下AR眼鏡如圖3所示。

圖3 井下AR眼鏡

2. 綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)研發(fā)難點

（1）設(shè)備自感知不足、定位難度大

井下綜掘工作面環(huán)境惡劣，設(shè)備傳感器或高清攝像頭在掘進工作面實際生產(chǎn)過程中受粉塵、振動等影響較大，監(jiān)測效果不佳；掘進機采用慣導(dǎo)系統(tǒng)存在隨時間積累誤差逐步增大，需不斷修正，導(dǎo)致綜掘設(shè)備自感知不足、定位難度大等問題。

（2）缺少掘進機模型庫展現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備工況

針對現(xiàn)有系統(tǒng)缺少掘進機模型庫，不能真實展現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備工況，建立基于數(shù)字孿生的掘進機三維模型庫，將機身傳感器、攝像儀、慣性導(dǎo)航等裝置進行數(shù)字孿生模型展示，并可通過對設(shè)備數(shù)字模型拖拽方式，自主搭建虛擬綜掘工作面可視化場景，滿足掘進工作面設(shè)備差異性，三維虛擬綜掘工作面場景展示掘進機實時工作狀態(tài)，進行預(yù)警并對預(yù)警設(shè)備放大處理。根據(jù)數(shù)據(jù)時間節(jié)點回溯設(shè)備狀態(tài)進行分析診斷，調(diào)用現(xiàn)實畫面遠程監(jiān)控可操作模型，并通過數(shù)據(jù)交互控制現(xiàn)實設(shè)備。

（3）現(xiàn)有控制系統(tǒng)是孤立掘進機控制系統(tǒng)

針對現(xiàn)有控制系統(tǒng)為孤立的掘進機控制系統(tǒng)情況，為實現(xiàn)集控系統(tǒng)對掘進設(shè)備、除塵系統(tǒng)設(shè)備、運輸系統(tǒng)設(shè)備等掘進工作面主要設(shè)備的一鍵控制，當(dāng)多系統(tǒng)具備控制條件時，通過一鍵控制功能，讓所有設(shè)備按照控制邏輯順序啟動，實現(xiàn)截割、行走、鏟板、星輪、轉(zhuǎn)載、輸送帶和破碎機等協(xié)同控制。

（4）現(xiàn)有控制系統(tǒng)功能不完善

通過構(gòu)建基于數(shù)字孿生的掘進工作面設(shè)備模型，再現(xiàn)掘進工作面真實場景，設(shè)備通過傳感系統(tǒng)實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)庫，關(guān)聯(lián)基于數(shù)字孿生技術(shù)的仿真模型，在平臺頁面呈現(xiàn)與掘進工作面設(shè)備顯示運行狀態(tài)相匹配的動態(tài)模擬和實時工況。實現(xiàn)掘進工作面基于數(shù)字孿生技術(shù)的仿真、輔助管理系統(tǒng)、環(huán)境智能監(jiān)測分析、掘進工作面設(shè)備監(jiān)測與控制和多機協(xié)同控制。

（5）井下網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定易造成數(shù)據(jù)延遲或丟包

煤礦自動化、信息化、智能化的快速發(fā)展，各類設(shè)備和系統(tǒng)不斷增加，井下通信網(wǎng)絡(luò)傳輸不穩(wěn)定，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)延遲或丟包現(xiàn)象，根據(jù)國家和各省智慧礦山建設(shè)指南中要求，建設(shè)萬兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)或井下5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)應(yīng)用效果

（1）實際應(yīng)用情況

目前，上海煤科信息科技有限公司研發(fā)的綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)已在彬縣煤炭有限責(zé)任公司蔣家河煤礦、山西潞安集團潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司、山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦、潞安集團蒲縣伊田煤業(yè)有限公司落地應(yīng)用。通過數(shù)字孿生技術(shù)，實時監(jiān)測掘進機的工作效果與狀態(tài)，實現(xiàn)掘進工作面的遠程監(jiān)控。通過采集與分析綜掘工作面數(shù)據(jù)，模擬掘進機運動狀況，提前判斷掘進機機身位置、截割頭位置，智能調(diào)整掘進機截割狀態(tài)。通過對整個綜掘工作面的三維仿真建模，并結(jié)合高清攝像頭，實時監(jiān)測工作面運行工況，提高掘進效率、降低生產(chǎn)安全風(fēng)險。

（2）應(yīng)用效果分析

國內(nèi)煤炭企業(yè)多數(shù)掘進設(shè)備采用懸臂式掘進機，掘進設(shè)備在實際生產(chǎn)過程中，裝備制造企業(yè)安裝視頻監(jiān)控設(shè)施遠程監(jiān)視掘進面工況，但受作業(yè)環(huán)境陰暗及網(wǎng)絡(luò)時延等影響，實時工況信息展示效果較差，綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)通過自動掘進為主、遠程干預(yù)為輔的方式，降低了一線礦工的作業(yè)強度，保障生產(chǎn)安全。

結(jié) 語

基于數(shù)字孿生的綜掘工作面集控系統(tǒng)三維仿真滿足煤礦智能化建設(shè)需求，自主研發(fā)的大數(shù)據(jù)平臺實時三維仿真，滿足煤礦生產(chǎn)環(huán)境的實用性和可靠性，實現(xiàn)了綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)在井下集控室和井上調(diào)度指揮室的應(yīng)用；融合AI與三維仿真技術(shù)在綜掘工作面的運用，對綜采工作面數(shù)字孿生應(yīng)用起到推進作用，積累與優(yōu)化了礦用算法庫。符合國家能源局《智能化示范煤礦驗收管理辦法》中對智能掘進工作面的相關(guān)要求，對其他智慧礦山項目具有示范意義。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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