選煤廠智能化建設(shè)成果專欄

為解決曹家灘礦井及選煤廠大跨度鋼結(jié)構(gòu)輸煤棧橋在復(fù)雜工況下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測手段分散、風(fēng)險預(yù)警滯后等問題，構(gòu)建了面向全生命周期的智能化安全監(jiān)測體系。研究了棧橋結(jié)構(gòu)在不同靜動荷載作用下的應(yīng)力、撓度、沉降、傾斜及振動響應(yīng)特征，建立了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合模型與分布式預(yù)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)與三維虛擬模型的耦合映射。通過模型修正與實(shí)測數(shù)據(jù)對比，提出關(guān)鍵構(gòu)件的預(yù)警閾值與報警閾值，構(gòu)建了集中式與分布式相結(jié)合的數(shù)據(jù)融合架構(gòu)。研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對輸煤棧橋結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的實(shí)時感知、趨勢預(yù)測與風(fēng)險分級預(yù)警，提高監(jiān)測精度與響應(yīng)效率，推動安全管理由“反應(yīng)性監(jiān)測”向“預(yù)防性管控”轉(zhuǎn)型。

文章來源：《智能礦山》2026年第3期“選煤廠智能化建設(shè)成果專欄”

第一作者：郭少帥，助理工程師，主要從事煤礦機(jī)電運(yùn)輸、選煤廠管理的相關(guān)研究工作。E-mail：934906394@qq.com

作者單位：陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司；南京業(yè)恒達(dá)智能系統(tǒng)有限公司

引用格式：郭少帥，陳楠，王新澤，等.曹家灘煤礦輸煤棧橋多源傳感安全監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建 [J]. 智能礦山，2026，7（3）：71-75.

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陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司（簡稱曹家灘煤礦）現(xiàn)有與生產(chǎn)相關(guān)的需要監(jiān)測的主要建筑物和構(gòu)筑物共48座，其中筒狀結(jié)構(gòu)5座，鋼筋混凝土建筑26座，大跨度鋼結(jié)構(gòu)棧橋17座，年開采規(guī)模1 500萬t，是中國近年投產(chǎn)規(guī)模最大的煤礦之一。煤炭廠鋼結(jié)構(gòu)棧橋是相對復(fù)雜、安全風(fēng)險較高的作業(yè)場所，安全生產(chǎn)形勢依然嚴(yán)峻，煤炭產(chǎn)業(yè)迫切需要智能建筑監(jiān)測設(shè)施的業(yè)務(wù)創(chuàng)新，提升建筑安全監(jiān)控信息化管理水平。

鋼結(jié)構(gòu)輸煤棧橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)

分析曹家灘煤礦廠區(qū)重要輸煤棧橋建筑高風(fēng)險構(gòu)筑物風(fēng)險隱患等級和分布，在關(guān)鍵部位部署智能監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時動態(tài)感知廠房不均勻沉降、傾斜等建筑健康狀態(tài)與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和精確信息，掌握各類風(fēng)險在現(xiàn)階段的運(yùn)行狀況，實(shí)時不間斷地連續(xù)監(jiān)控，在結(jié)構(gòu)安全事件發(fā)生后及時判斷事件影響，為科學(xué)合理的處置方案提供數(shù)據(jù)支撐。

通過實(shí)時展示、分析、研判監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到危險區(qū)間時，立刻報警，智能報警根據(jù)一段時間數(shù)據(jù)變化趨勢進(jìn)行計算，繪制預(yù)測曲線，當(dāng)預(yù)測值達(dá)到危險值時，進(jìn)行預(yù)警。在安全事件發(fā)生以后，通過科學(xué)合理地統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各相關(guān)部門，打通信息壁壘，實(shí)現(xiàn)各部門的信息暢通，進(jìn)一步根據(jù)現(xiàn)場的場景、發(fā)生故障單元運(yùn)行狀況，判斷事件影響，輔助礦業(yè)公司管理者提供科學(xué)合理的決策依據(jù)和解決方案。

開展曹家灘煤礦鋼結(jié)構(gòu)輸煤棧橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的相關(guān)研究，結(jié)合物聯(lián)傳感、實(shí)景三維建模等前沿信息技術(shù)的實(shí)踐創(chuàng)新應(yīng)用新技術(shù)，基于曹家灘礦區(qū)棧橋現(xiàn)狀，研究生產(chǎn)建筑結(jié)構(gòu)的全生命周期監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)安全的預(yù)判與安全事故的預(yù)防。提升企業(yè)安全管理的科學(xué)分析、決策和預(yù)判能力，補(bǔ)全企業(yè)安全管控技術(shù)手段、創(chuàng)新安全運(yùn)管模式，促進(jìn)企業(yè)安全管理由“反應(yīng)性監(jiān)測”向“預(yù)防性檢查”的轉(zhuǎn)型，為建設(shè)“智慧煤礦”的戰(zhàn)略發(fā)展賦能，建筑安全監(jiān)測總體定位如圖1所示。

圖1 建筑安全監(jiān)測總體定位

輸煤棧橋三維建模

針對曹家灘選煤廠工業(yè)場地中輸送棧橋建筑的傾斜、沉降、應(yīng)力應(yīng)變、撓度等主要因素，通過前端感知、日常巡查、精準(zhǔn)定位、專業(yè)評估、預(yù)警協(xié)同聯(lián)動等機(jī)制，建立三維可視化實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對輸煤棧橋結(jié)構(gòu)的分布式、無人化、無紙化遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、存儲與分析，全生命周期監(jiān)測、評估和預(yù)警輸煤棧橋的安全性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測工作的數(shù)據(jù)資源化、管理精細(xì)化、決策智慧化、控制智能化。

采用有限元法建立棧橋三維數(shù)值模型，將結(jié)構(gòu)離散為有限單元，結(jié)合靜載與動載實(shí)測數(shù)據(jù)（頻率、振型、位移、應(yīng)變等）對模型剛度與質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行修正與校核，在此基礎(chǔ)上分析不同工況下的荷載效應(yīng)與受力響應(yīng)，確定關(guān)鍵構(gòu)件的預(yù)警與報警閾值，并與多源監(jiān)測數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建量化風(fēng)險評價指標(biāo)體系，為結(jié)構(gòu)損傷識別與健康評估提供可靠的數(shù)值支撐。

在靜力分析中，通過計算不同跨度棧橋鋼桁架桿件應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)位移，找出鋼桁架強(qiáng)度的控制截面，結(jié)合大跨度鋼桁架撓度控制方法進(jìn)行對比分析。在動力分析中，考慮相鄰棧橋及棧橋支架對結(jié)構(gòu)的影響，通過模態(tài)分析得出棧橋結(jié)構(gòu)的動力特性及主要影響因素，測試結(jié)構(gòu)在不同工況下的動力響應(yīng)及動力特性，得出結(jié)構(gòu)件在不同工況下的激振力特性，結(jié)合動力特性實(shí)測值分析主要影響因素。根據(jù)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力及其應(yīng)力極限，結(jié)合現(xiàn)有振動安全評價標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)構(gòu)振動測試結(jié)果，對大跨度的振動安全進(jìn)行評價，驗證棧橋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，分析效果界面如圖2所示。

圖2 分析效果界面

除了有限元法，還可根據(jù)建構(gòu)筑物設(shè)計資料、傾斜攝影、三維激光掃描等不同來源數(shù)據(jù)，基于高效率三維建模算法和數(shù)字圖像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建構(gòu)筑物三維虛擬模型的構(gòu)建，準(zhǔn)確還原建構(gòu)筑物特征。無人機(jī)攝影測量技術(shù)為近距離地表空間測繪數(shù)據(jù)的獲取、處理和分析提供技術(shù)手段，提升了提取地物對象的精度。組合遙感、攝影測量和激光雷達(dá)點(diǎn)云的方法建模精度高。借助GIS建模功能，通過構(gòu)建模型實(shí)現(xiàn)建筑物側(cè)墻、屋頂結(jié)構(gòu)部件的空間信息和屬性信息，提升了建模的準(zhǔn)確性和模型精度，以及建模自動預(yù)處理效率。

系統(tǒng)集成現(xiàn)場多物理場監(jiān)測數(shù)據(jù)與靜態(tài)建筑模型，基于歸一化核心數(shù)據(jù)庫，在安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)加以關(guān)聯(lián)、融合、渲染與一體化呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)建構(gòu)筑物虛擬模型和動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效融合，提供時間和空間上完整的觀測視角。

利用建構(gòu)筑物三維模型進(jìn)行建筑物安全隱患分析，通過歷史和當(dāng)前的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，比較其高程沉降量及點(diǎn)位偏移量的變化，計算建構(gòu)筑物傾斜率的變化情況及特征線間角度變化情況，驗證建構(gòu)筑物的整體變形情況等。

多源傳感安全監(jiān)測系統(tǒng)

輸煤棧橋三維建模后，根據(jù)曹家灘選煤廠輸煤棧橋構(gòu)安全監(jiān)測需求，依據(jù)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)規(guī)定，結(jié)合自身運(yùn)營環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)危險性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計和監(jiān)測功能等，主要開展工業(yè)場地中井口房、驅(qū)動機(jī)房、貨倉、輸送棧橋等建筑的傾斜、沉降、應(yīng)力應(yīng)變、撓度、煤倉倉位等的監(jiān)測，輸煤棧橋主要監(jiān)測分項如圖3所示。

圖3 輸煤棧橋主要監(jiān)測分項

研究自動監(jiān)測數(shù)據(jù)組織與處理方法，分析垂直和水平位移、撓度、沉降、傾斜、應(yīng)力、振動等自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的基本特征，研究多源異構(gòu)、連續(xù)離散數(shù)據(jù)的分級分類組織方式，研究關(guān)鍵監(jiān)測部位數(shù)據(jù)融合分析模型，基于融合模型分析不同建筑荷載條件下結(jié)構(gòu)變化趨勢，1號驅(qū)動機(jī)房至粗破車間帶式輸送機(jī)棧橋儀器見表1。

表1 1號驅(qū)動機(jī)房至粗破車間帶式輸送機(jī)棧橋儀器

儀器名稱

儀器作用

規(guī)格

應(yīng)力應(yīng)變傳感器

棧橋應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

XTS-10F

靜力水準(zhǔn)儀

棧橋撓度監(jiān)測

壓力式

傾角傳感器

棧橋支架傾斜測量

XTI-1A

靜力水準(zhǔn)儀

棧橋支架沉降監(jiān)測

壓力式

加速度傳感器

棧橋桁架振動監(jiān)測

WD系列

采集模塊

數(shù)據(jù)采集匯總

在以往的結(jié)構(gòu)損傷識別研究中，多采用單個傳感器損傷和診斷結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，由于建筑結(jié)構(gòu)正在向大型化、復(fù)雜化的方向發(fā)展，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和損傷識別系統(tǒng)由若干子系統(tǒng)組成，單個傳感器采樣某時刻的1組數(shù)據(jù)，只能描述結(jié)構(gòu)的局部特征，受傳感器自身品質(zhì)、性能、噪聲等影響，采集信息不精準(zhǔn)，具有較大的不確定性。因此，多傳感器信息融合技術(shù)是結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力預(yù)警效果界面如圖4所示。

圖4 建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力預(yù)警效果界面

通過融合的多傳感器數(shù)據(jù)融合，得到更多協(xié)同作用的結(jié)果，利用多個傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢，消除單個傳感器的局限性，提高傳感器系統(tǒng)的有效性，多傳感器信息融合具有以下4個方面的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)融合的多傳感器如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)融合的多傳感器

（1）通過各傳感器的互補(bǔ)，獲得冗余、互補(bǔ)信息，降低系統(tǒng)的不確定性。

（2）安裝多個傳感器，在同一時間獲取更多的信息，減少獲取信息的代價。

（3）擴(kuò)展系統(tǒng)覆蓋范圍，準(zhǔn)確獲取被測對象或者環(huán)境信息，獲得更高的精度和可靠性。

（4）多個傳感器的相互作用，提高系統(tǒng)的魯棒性和容錯能力。

數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)模型是系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)明確系統(tǒng)組件的安排管理、數(shù)據(jù)流向及其相互關(guān)系。結(jié)構(gòu)模型分為集中式和分布式2種。

（1）集中式數(shù)據(jù)融合模型將各局部傳感器的原始數(shù)據(jù)或經(jīng)過簡單預(yù)處理的數(shù)據(jù)傳入融合中心，完成數(shù)據(jù)信息的融合并作出決策，該模型需要融合系統(tǒng)足夠帶寬和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

（2）分布式數(shù)據(jù)融合模型將各傳感器的數(shù)據(jù)先經(jīng)過局部判斷，再將局部判斷結(jié)果送到融合中心，完成數(shù)據(jù)信息的融合并作出決策，該模型減少了數(shù)據(jù)量，減輕了系統(tǒng)內(nèi)部的通信壓力，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時性。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行建筑物監(jiān)測傳感器集成和并發(fā)控制應(yīng)用的研究，開展抗復(fù)雜環(huán)境、長壽命、高可靠感知和監(jiān)測儀器設(shè)備的應(yīng)用集成，布設(shè)適用于多個建筑物的高速率、高穩(wěn)健、智能組網(wǎng)無線傳輸系統(tǒng)，建立基于云技術(shù)的千個傳感器和監(jiān)測儀器設(shè)備多線程并發(fā)控制的管理系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)借助感知層的千個前端傳感器和智能組網(wǎng)，采用多線程并發(fā)技術(shù)達(dá)到同時控制的作用。

研究基于三維數(shù)據(jù)可視化及靜力結(jié)構(gòu)有限元分析，建立地面生產(chǎn)建筑安全監(jiān)測系統(tǒng)，建立相應(yīng)的數(shù)字模型，將傳感器采集的數(shù)據(jù)與三維虛擬體結(jié)合，融合物理實(shí)體建筑物與虛擬數(shù)字建筑，實(shí)時展示監(jiān)測儀器設(shè)備的動態(tài)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過物聯(lián)傳感解析智控系統(tǒng)解算后，該模塊采集垂直和水平位移、撓度、沉降、傾斜、應(yīng)力、振動等各分項的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用圖表、曲線、柱狀圖、餅圖等直觀的方式進(jìn)行實(shí)時瀏覽、查詢，建立各類型傳感器的檔案，包括傳感器類型、量程、精度，傳感器數(shù)量信息、分布位置、工作狀態(tài)等。展示監(jiān)測儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)完整率、上報數(shù)據(jù)完整率及在運(yùn)行中、異常及運(yùn)維中各狀態(tài)設(shè)備數(shù)據(jù)量統(tǒng)計；接入環(huán)境實(shí)時數(shù)據(jù)，包括風(fēng)力、風(fēng)速、降雨等，綜合分析對地面建筑結(jié)構(gòu)的影響，主要包括以下4方面的功能，數(shù)據(jù)融合后的預(yù)警報警界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)融合后的預(yù)警報警界面

（1）動態(tài)展示監(jiān)測預(yù)警信息，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)到達(dá)危險區(qū)間時，立即進(jìn)行報警，根據(jù)一段時間數(shù)據(jù)變化趨勢，繪制預(yù)測曲線，當(dāng)預(yù)測值達(dá)到危險值時，在地圖上展示預(yù)警位置及對應(yīng)標(biāo)識，進(jìn)行預(yù)警。

（2）展示預(yù)警統(tǒng)計信息，統(tǒng)計并查看不同階段的事件明細(xì)清單及每條預(yù)警事件的信息詳情。

（3）將建筑基本信息、主體結(jié)構(gòu)信息等用于后續(xù)評估和查驗的靜態(tài)數(shù)據(jù)、每次巡視和現(xiàn)場檢測更新數(shù)據(jù)、歷史或定期評估結(jié)果的動態(tài)數(shù)據(jù)、傳感器實(shí)時上傳的數(shù)據(jù)、預(yù)警信息推送至各部門的功能，進(jìn)行任務(wù)派遣。

（4）關(guān)聯(lián)各部門的分析處置、處置反饋、綜合評價數(shù)據(jù)，支持預(yù)警、預(yù)測、高級計算等分析，建立以數(shù)據(jù)為核心的信息共享、協(xié)同分析處置功能，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)的智能協(xié)作與融合，提升工作效率。

多源傳感安全監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了建筑物外部宏觀動態(tài)監(jiān)控、內(nèi)部微觀量變分析功能?？梢暬糠挚沙尸F(xiàn)高精度、超寫實(shí)的三維虛擬體、直觀立體的表現(xiàn)傳感器信息模型、安全報警、實(shí)時監(jiān)測、智能攝像頭識別、設(shè)備狀態(tài)信息、歷史數(shù)據(jù)分析、CIM建筑的運(yùn)維和全生命周期管理、數(shù)據(jù)分析預(yù)測等功能，并結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)和安全規(guī)程進(jìn)行建筑安全性的判斷、風(fēng)險評估，對棧橋存在的安全問題進(jìn)行管理和預(yù)警。

總 結(jié)

（1）采用多源動態(tài)傳感、三維實(shí)景建模與有限元方法耦合，實(shí)時捕捉棧橋應(yīng)力、撓度、沉降與振動等變化，建立經(jīng)實(shí)測修正的數(shù)據(jù)融合模型，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測與趨勢預(yù)測，提升了變形監(jiān)測的時效性與評估精度。

（2）提出多模型-多傳感器協(xié)同的融合框架，構(gòu)建集中式與分布式并行的數(shù)據(jù)融合與預(yù)警機(jī)制，并將數(shù)字孿生用于棧橋全生命周期安全監(jiān)控，形成了從數(shù)據(jù)采集到預(yù)警處置的閉環(huán)技術(shù)流程。

（3）研究成果可支持企業(yè)由“被動響應(yīng)”向“預(yù)防性管控”轉(zhuǎn)型，輔助運(yùn)維決策、縮短處置響應(yīng)時間、降低事故風(fēng)險；同時為廠區(qū)安全管理、制度建設(shè)與智慧煤礦平臺提供可靠的數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。

（4）建議推廣到更多結(jié)構(gòu)類型與更大范圍廠區(qū)，進(jìn)一步引入深度學(xué)習(xí)與壽命預(yù)測算法完善故障識別與退化預(yù)測，健全歷史監(jiān)管數(shù)據(jù)庫與標(biāo)準(zhǔn)化流程，實(shí)現(xiàn)監(jiān)管常態(tài)化與智能化。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊中心擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8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。

期刊簡介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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