摘要

針對煤礦企業(yè)在瓦斯抽采作業(yè)中面臨的1人多機、鉆機運行狀態(tài)全局視角差等問題，基于多傳感器融合構建鉆機屬性和鉆進動作的數(shù)字孿生場景，提出了數(shù)字孿生遠程交互解決方案，實現(xiàn)了鉆機三維模型孿生仿真功能；由傳感系統(tǒng)獲取物理真實數(shù)據(jù)與孿生虛擬數(shù)據(jù)串聯(lián)，搭建多層次架構，面向鉆機的遠程交互平臺，融入遠程遙控、故障診斷及預警分析等功能；以ZYWL-3200Y全方位煤礦用雙履帶式自動鉆機為載體，驗證孿生平臺的功能性及實時性，結果表明孿生仿真動作跟隨流暢且能及時進行故障預警提示，提高了鉆孔施工的生產(chǎn)智能化水平。

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

作者簡介：秦怡，副研究員，主要從事鉆探裝備控制技術的相關研究工作。E-mail：249444610@qq.com

作者單位：中煤科工集團重慶研究院有限公司

引用格式：秦怡.基于數(shù)字孿生的煤礦自動鉆機遠程交互系統(tǒng)研發(fā)與應用[J].智能礦山，2025，6(4)：31-37.

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在煤礦瓦斯抽采作業(yè)的復雜環(huán)境中，鉆孔裝備是最重要的裝備之一，現(xiàn)有系統(tǒng)的信息化、智能化和數(shù)字化建設不能支撐通過井上遠程控制終端實現(xiàn)井下鉆機減人、無人化操作。中國煤炭科工集團重慶研究院有限公司（簡稱中國煤科重慶研究院）研發(fā)的井下鉆機遠程交互系統(tǒng)，通過多次試驗與軟硬件迭代，在鉆機遠程控制技術方面已有一定的研究基礎。在遠控系統(tǒng)監(jiān)測自動鉆機運行參數(shù)、近距離遙控鉆機等方面的技術取得了一定的進步，但未能將虛擬模型與遠程控制系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)虛實互聯(lián)。部分煤礦企業(yè)也在鉆機地面遠控方面進行了研究與實踐，實現(xiàn)了監(jiān)控鉆進過程中施工工況參數(shù)，但攝像頭采集鉆機關鍵動作信息的視角盲區(qū)，存在一定安全隱患。

針對上述問題，以ZYWL-3200Y全方位煤礦用雙履帶式自動鉆機為研究對象，開發(fā)適用于煤礦自動鉆機的數(shù)字孿生遠程交互系統(tǒng)，結合物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生虛實聯(lián)動等技術，建立自動鉆機數(shù)字孿生模型，通過采集及處理自動鉆機鉆進作業(yè)過程中的工況參數(shù)，仿真鉆機關鍵動作過程，實現(xiàn)智能監(jiān)測及故障預警等功能。

自動鉆機遠程交互系統(tǒng)

煤礦自動鉆機遠程交互系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)孿生建模、可視化交互和預警與決策，關鍵層級及功能包括6個方面，硬件交互架構如圖1所示。

圖1 煤礦自動鉆機遠程交互系統(tǒng)硬件交互架構

（1）數(shù)據(jù)采集層通過在自動鉆機關鍵機械結構和設備上布設傳感器網(wǎng)絡，實時采集和監(jiān)測溫度、位移、振動、壓力等鉆機參數(shù)，通過鉆機控制箱上傳或下發(fā)傳感器采集的數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸層將傳感器采集的位移、壓力、轉速等數(shù)據(jù)傳輸至處理層進行分析。

（3）數(shù)據(jù)處理層以PLC為核心中央處理單元，對數(shù)據(jù)進行篩選、融合、特征提取，用于驅動數(shù)字孿生建模。

（4）數(shù)字孿生建模層根據(jù)鉆機實際運行數(shù)據(jù)，構建數(shù)字孿生模型，實時反映鉆機的運行狀態(tài)、性能指標和故障情況。

（5）可視化交互層通過圖表、圖像等形式，直觀展示鉆機的運行狀態(tài)和性能指標，便于用戶進行監(jiān)控和分析。

（6）預警與決策層發(fā)現(xiàn)潛在故障風險或優(yōu)化狀態(tài)，提供預警信息，幫助用戶及時采取相應的措施，減少故障損失或優(yōu)化生產(chǎn)過程。

穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡為遠程交互系統(tǒng)提供多方面數(shù)據(jù)通道支持，網(wǎng)絡拓撲結構分為井下鉆孔施工工作面、地面操作中心機房和地面操作中心共3個層級，網(wǎng)絡拓撲架構如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡拓撲架構

（1）井下鉆孔施工工作面以PLC控制器作為中心控制單元，通過RS485線連接各傳感器和控制器擴展模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和控制。將以太網(wǎng)LAN接入井下交換機，數(shù)據(jù)傳輸至地面中心機房，實現(xiàn)對井下設備狀態(tài)和數(shù)據(jù)的監(jiān)測與管理。

（2）地面操作中心機房以相關服務器配備為基礎，存儲井下鉆機施工面采集的數(shù)據(jù)、構建數(shù)字孿生模型并進行智能分析處理。

（3）工作人員通過地面操作中心監(jiān)控井下現(xiàn)場相關信息，并對井下鉆機進行遠程操控及指導。

自動鉆機遠程交互的數(shù)字孿生系統(tǒng)建模

自動鉆機遠程交互的數(shù)字孿生模型架構包括鉆機本體、數(shù)字孿生體、PLC控制系統(tǒng)等部分，數(shù)字孿生模型架構如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生模型架構

2.1 數(shù)字孿生系統(tǒng)模型搭建

模型搭建包含幾何、數(shù)字及數(shù)學模型的搭建。用三維建模軟件3ds Max搭建幾何模型；并通過Unity3D進行系統(tǒng)UI設計，增強模型真實感；模型動作與實際鉆機動作同步，將鉆機實體與幾何模型通過數(shù)據(jù)模型進行相互映射。幾何建模以鉆機為中心，周邊環(huán)境也納入設計模型中，動態(tài)模型按照1∶1設計具有詳細動作部件模型，且每個動作與真實設備相同；靜態(tài)模型包括巷道、煤層、其他安全設備等，相關傳感器采集到環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、瓦斯?jié)舛鹊取?/span>

2.2 數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)映射

將傳感器采集數(shù)據(jù)通過映射關系與虛擬模型進行關聯(lián)，建立映射矩陣，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)更新和同步。將實際設備狀態(tài)映射到虛擬模型中，確保模型準確反映實際設備運行狀態(tài)；上位機軟件實時采集和顯示數(shù)據(jù)并通過Modbus協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)監(jiān)測和控制煤礦現(xiàn)場設備的狀態(tài)和運行情況?？刂破髟O置了傳感器編號，方便區(qū)分不同傳感器的數(shù)據(jù)來源，在數(shù)字孿生模型中，動作與PLC存儲器變量一一對應，實體數(shù)據(jù)與孿生模型數(shù)據(jù)的地址映射見表1。

表1 實體數(shù)據(jù)與孿生模型數(shù)據(jù)的地址映射

2.3 數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互

數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互分為多個層次和對象的交互，溫度傳感器、壓力傳感器等數(shù)據(jù)流為單向傳輸，采集數(shù)據(jù)傳至PLC處理，再傳輸至數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、動作模擬及預測分析；位移傳感器、編碼器、電磁閥等數(shù)據(jù)流為雙向傳輸，傳感器將采集數(shù)據(jù)發(fā)至PLC和數(shù)字孿生模型，也可接收PLC或模型下發(fā)的指令，調整或執(zhí)行特定動作，主要包含以下3個部分。

（1）遙控器與PLC控制器的交互通信

PLC與遙控器通過RS-485線連接，并使用Modbus通信協(xié)議交互。操作人員通過遙控器發(fā)送指令時，指令會通過Modbus協(xié)議被寫入到PLC寄存單元中，與寄存單元相連的控制器接收到寫入指令，并驅動電磁閥開啟執(zhí)行相關機構動作。

（2）孿生模型與PLC控制器交互

PLC控制器和Unity3D通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。在Unity3D程序中，創(chuàng)建1個Socket客戶端，把孿生模型各部件動作值傳給PLC控制器，并接收PLC控制器傳感器采集數(shù)值，完成雙向數(shù)據(jù)交互。

（3）實體與孿生模型的交互

數(shù)據(jù)交互需考慮數(shù)據(jù)采集和指令傳遞。針對不同類型實體需采用相應的通信方式和協(xié)議，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)準確傳輸和指令可靠執(zhí)行，實體與孿生模型數(shù)據(jù)交互如圖4所示。

圖4 實體與孿生模型數(shù)據(jù)交互

2.4 可視化增強

動作可視化和三維模型展示是數(shù)字孿生系統(tǒng)的2個核心功能，三維模型展示將物理實體以三維模型形式呈現(xiàn)，通過旋轉、平移、放大、縮小等操作全方位觀察數(shù)字孿生模型的動作細節(jié)，清晰觀察到鉆進過程中動力頭、機械手等關鍵部件的工作狀態(tài)。數(shù)字孿生系統(tǒng)整合故障診斷與預警功能，通過分析實時數(shù)據(jù)，識別并預測潛在的故障風險，提前預警，避免故障對生產(chǎn)造成不良影響。

數(shù)字孿生系統(tǒng)仿真、故障診斷與預警預測

3.1 運動過程仿真

實時采集鉆進現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)，并應用于仿真模型中，模型按照實際姿態(tài)運動，完整展示鉆機實際工作過程。現(xiàn)場只靠攝像頭觀察鉆進姿態(tài)，會受光線、粉塵等環(huán)境影響，存在視角盲區(qū)，融合傳感器實時采集姿態(tài)數(shù)據(jù)，運動過程仿真為遠程操作人員提供鉆機工況信息，并下發(fā)正確作業(yè)指令，提高了遠程操作的準確性、安全及高效性，運動姿態(tài)仿真原理如圖5所示。

圖5 運動姿態(tài)仿真原理

3.2 故障診斷與預測預警

故障診斷與預警是數(shù)字孿生系統(tǒng)中的重要功能，通過現(xiàn)場經(jīng)驗累積，采用故障樹邏輯建立故障模型及原因分析表，編寫相應故障診斷程序，實現(xiàn)故障自診斷功能。通過故障反演方式排查故障點，程序會按照設定內容逐一對比，快速找出故障問題。預警功能在采集數(shù)據(jù)項設置閥值，當傳感器監(jiān)測值超出閥值，預警系統(tǒng)發(fā)出報警信號，指定具體問題位置及類型，幫助操作人員及時采取相應措施，避免出現(xiàn)更大的事故。故障樹查詢代碼顯示界面如圖6所示。

圖6 故障樹查詢代碼顯示界面

數(shù)字孿生方案試驗及應用分析

以ZYWL-3200Y全方位煤礦用雙履帶式自動鉆機為載體，搭建數(shù)字孿生遠程交互系統(tǒng)平臺，進行實驗室及現(xiàn)場應用試驗，驗證數(shù)字孿生方案的功能性、實時性和可靠性。

4.1 試驗硬件條件

試驗現(xiàn)場操控鉆機設備包括遙控器、井下遠控站、地面控制站。遙控器可近距離操控鉆機，范圍為5 m內，井下控制站采用軟鍵盤遠控鉆機，具有視頻監(jiān)控及數(shù)字孿生等功能；地面控制站與井下遠控站功能相似，配有按鈕及遙柄用于地面監(jiān)控鉆機。遙控器及遠控站如圖7所示。

圖7 遙控器及遠控站

除上述鉆機操控設備外，系統(tǒng)配有多個傳感器布置在關鍵動作機構上。PLC控制器及擴展模塊置于電控箱中，網(wǎng)絡交換機接入井下環(huán)網(wǎng)。數(shù)字孿生系統(tǒng)配接的傳感器和控制器類型多、數(shù)量大，采集鉆機操控的全面信息，提高數(shù)字孿生系統(tǒng)精準度，部分傳感器及安裝點見表2。

表2 部分傳感器類別及安裝點

4.2 遠程控制試驗驗證

遙控器操作鉆機測試主機械手、副機械手、夾持器、轉移槽等關鍵部件動作，觀察遠程控制端模型動作同步情況，數(shù)字孿生模型完成的動作與實際操作的動作完全一致，真實反映鉆機的工作狀態(tài)。主機械手夾緊抓取轉移槽中鉆桿-主機械手縮回-主機械手傾角增大-主機械手水平翻轉放鉆桿等動作。孿生仿真動作跟隨流暢。試驗結果表明：鉆機參數(shù)準確性和實時性滿足遠程控制要求，采用串口調試助手對比發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，未發(fā)生數(shù)據(jù)溢出及丟失現(xiàn)象，孿生模型畫面與實物鉆機動作時延<1 s，未出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，主機械手上鉆桿遠程控制如圖8所示。

圖8 主機械手上鉆桿遠程控制

4.3 數(shù)字孿生遠程交互平臺試驗驗證

數(shù)字孿生遠程交互平臺集成功能提供了全面鉆進作業(yè)過程展示，并為決策提供依據(jù)，軟件界面顯示傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)和鉆機狀態(tài)。遙控器參數(shù)顯示主要動作控制信號及狀態(tài)，動力頭狀態(tài)、姿態(tài)參數(shù)、壓力液位參數(shù)顯示壓力、位移、液位、溫度等傳感器信號，壓力監(jiān)測包括大泵、小泵、主機械手、副機械手、轉移槽等狀態(tài)。接近開關狀態(tài)顯示傳感器開關狀態(tài)，鉆桿箱狀態(tài)顯示剩余鉆桿排布等。三維數(shù)字孿生模型同步展示鉆機動作，配合視頻窗口共同查看鉆機運行狀態(tài)，解決了操作視角盲區(qū)問題，及時了解鉆機工作狀態(tài)，減少故障發(fā)生概率。數(shù)字孿生遠程交互平臺采用了C/S設計模式，支持多點部署，可在井下、井上或辦公室等多個位置進行安裝和部署，滿足多地點監(jiān)控，方便多部門協(xié)同檢測和共同管理，提升系統(tǒng)安全性和可靠性。數(shù)字孿生遠程交互平臺軟件界面如圖9所示。

圖9 數(shù)字孿生遠程交互平臺軟件界面

4.4 故障診斷與預警驗證

為驗證故障診斷及預警功能的有效性及可靠性，人為設置故障點。觀測監(jiān)測數(shù)據(jù)觸發(fā)警報，并通過系統(tǒng)提示解決故障恢復正常。

在前夾持器動作時，小泵壓力傳感器斷電，故障診斷程序判斷出小泵壓力異常，打鉆流程未執(zhí)行下一步動作，故障程序采用故障樹反演模型算法，利用當前各傳感器反饋信號從故障數(shù)據(jù)庫中比對得出故障代碼，根據(jù)故障代碼反查原因分析表逐一排查，快速找出故障點，并給出故障排查方案。例如故障現(xiàn)象為夾持器卡在某一步，不執(zhí)行下一步動作且長時間有憋壓聲，顯示故障代碼005，程序分析夾持器夾緊、松開、正擺、反擺未完成，觀察對應壓力，此時壓力不滿足壓力判斷條件，分析原因為以下2方面，前夾持器故障及其原因分析見表3。

表3 前夾持器故障及其原因分析

（1）某種原因使夾持器壓力降低，未滿足到位條件。

（2）壓力參數(shù)值顯示異常，檢查壓力傳感器。根據(jù)故障診斷程序給出的排查方案逐一排查，定位小泵壓力傳感器為故障點，恢復壓力傳感器供電，鉆機工作正常。

通過故障診斷方法提高故障排查效率，專家數(shù)據(jù)庫故障診斷系統(tǒng)能發(fā)現(xiàn)潛在故障現(xiàn)象，后續(xù)不斷學習和優(yōu)化預測故障可能發(fā)生位置，預測信息可供工作人員參考，采取相應的維護和修復措施。

結 語

煤礦自動鉆機遠程交互系統(tǒng)研引入數(shù)字孿生技術，實現(xiàn)了數(shù)字孿生系統(tǒng)與鉆機設備仿真同步，孿生仿真動作跟隨流暢，時延<1 s，確保數(shù)字孿生系統(tǒng)準確反映實際鉆具設備狀態(tài)和行為，為鉆孔作業(yè)決策提供可靠的數(shù)據(jù)支持，解決了煤礦安全生產(chǎn)盲區(qū)問題，提供鉆機鉆進過程的詳細模擬和監(jiān)控，有助于發(fā)現(xiàn)潛在安全隱患并提前采取措施。數(shù)字孿生交互系統(tǒng)的鉆機監(jiān)測功能、故障診斷及預測功能實用性較強、反應敏捷，有助于避免生產(chǎn)中斷和安全事故的發(fā)生。下一步將結合地質勘探系統(tǒng)進行智能化、透明化地質提前探測開采，進行鉆孔自適應鉆進分析與預測，為井下無人化開采提供數(shù)據(jù)支持及借鑒。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

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