綜采工作面設(shè)備繁多、環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)管控方式難以滿足智能化需求。以三道溝煤礦45205綜采工作面為研究對(duì)象，構(gòu)建了涵蓋物理層、數(shù)字孿生平臺(tái)、數(shù)字孿生應(yīng)用平臺(tái)和后臺(tái)管理4個(gè)模塊的數(shù)字孿生的綜采工作面協(xié)同控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括場(chǎng)景虛實(shí)映射、三維地質(zhì)模型與孿生動(dòng)態(tài)優(yōu)化、規(guī)劃截割以及設(shè)備智能決策。實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了地面遠(yuǎn)程操作、三維漫游和規(guī)劃開采，顯著提升了設(shè)備開機(jī)率，降低了事故率和大型部件更換率，減少了作業(yè)人員數(shù)量，有效提高了煤礦智能化水平與安全生產(chǎn)能力。

文章來源：《智能礦山》2025年第3期“學(xué)術(shù)園地”欄目

第一作者：米彥軍，現(xiàn)任國(guó)能集團(tuán)陜西德源府谷能源有限公司三道溝煤礦機(jī)電副礦長(zhǎng)，主要從事煤礦機(jī)電、智能化建設(shè)等相關(guān)工作。E-mail：38178936@qq.com

通訊作者：張弼強(qiáng)，主要從事煤礦智能化建設(shè)工作。E-mail：362064837@qq.com

作者單位：國(guó)能集團(tuán)陜西德源府谷能源有限公司三道溝煤礦

引用格式：米彥軍，梁偉鋒，張侯，等.三道溝煤礦數(shù)字孿生綜采工作面協(xié)同控制系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(3)：64-68.

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綜采工作面設(shè)備眾多，環(huán)境復(fù)雜，面向采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)的狀態(tài)信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、動(dòng)作決策與執(zhí)行等環(huán)節(jié)是數(shù)字孿生的關(guān)鍵。國(guó)能集團(tuán)陜西德源府谷能源有限公司三道溝煤礦（簡(jiǎn)稱三道溝煤礦）根據(jù)45205綜采工作面實(shí)際情況，以5G網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)鏈路，結(jié)合將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算，利用深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等算法，研發(fā)了數(shù)字孿生智能協(xié)同控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面三維建模、智能通風(fēng)、災(zāi)害預(yù)警等場(chǎng)景的精確感知，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程進(jìn)行精細(xì)化管控、智能化控制。

綜采工作面數(shù)字孿生協(xié)同控制系統(tǒng)架構(gòu)

三道溝煤礦45205綜采工作面位于5-2煤層四盤區(qū)?？刹砷L(zhǎng)度為2675.8m，傾向長(zhǎng)度291.5m，回采5-2煤層。煤層厚度2.65～4.27m，平均3.24m，設(shè)計(jì)采高3.2m。工作面供電設(shè)備19臺(tái)、液壓支架171臺(tái)、超前支架5組。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、泵站等環(huán)境及設(shè)備信息采集點(diǎn)8024個(gè)，接入三維地質(zhì)模型、智能通風(fēng)、災(zāi)害預(yù)警等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)合計(jì)10246個(gè)。

三道溝煤礦45205工作面數(shù)字孿生協(xié)同控制系統(tǒng)分為物理層、數(shù)字孿生平臺(tái)、數(shù)字孿生應(yīng)用平臺(tái)、后臺(tái)管理等4個(gè)模塊，數(shù)字孿生協(xié)同控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生協(xié)同控制系統(tǒng)架構(gòu)

（1）物理層主要功能是通過傳感器、相機(jī)、激光掃描等對(duì)采煤機(jī)、帶式輸送機(jī)、支架等物理設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)完成對(duì)井下工作面、巷道等狀態(tài)的感知。

（2）數(shù)字孿生平臺(tái)為系統(tǒng)核心，分為映射工具和虛擬空間2個(gè)部分。映射工具主要將現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，供虛擬空間使用；虛擬空間將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為孿生體信息，通過視覺渲染、接口技術(shù)等向外展示信息。

（3）數(shù)字孿生應(yīng)用平臺(tái)是基于數(shù)字孿生平臺(tái)建立環(huán)境和設(shè)備信息感知、控制、運(yùn)維等服務(wù)。

（4）后臺(tái)管理統(tǒng)一管理數(shù)字孿生平臺(tái)和應(yīng)用實(shí)施。

三道溝煤礦45205工作面以5G網(wǎng)絡(luò)為信息通道，以數(shù)字孿生技術(shù)為核心，構(gòu)建了綜采工作面信息感知模型，實(shí)現(xiàn)了虛擬空間對(duì)物理層環(huán)境和設(shè)備的實(shí)時(shí)跟蹤和可視化展示，通過虛實(shí)融合，共智互驅(qū)，實(shí)現(xiàn)工作面成套裝備的智能協(xié)同控制。

綜采數(shù)字孿生協(xié)同控制系統(tǒng)核心技術(shù)

2.1 綜采工作面場(chǎng)景虛實(shí)映射

針對(duì)三道溝煤礦45205工作面實(shí)際情況，對(duì)環(huán)境和設(shè)備分類建模。共建立37類設(shè)備、386個(gè)模型組件、155萬個(gè)三角面的綜采數(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生通過在物理實(shí)體和數(shù)字孿生體之間全面建立精確映射的孿生關(guān)系，進(jìn)而對(duì)操作對(duì)象全生命周期的狀態(tài)、過程及變化進(jìn)行建模、仿真、分析和預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體1∶1的忠實(shí)映射和復(fù)制，綜采工作面場(chǎng)景虛實(shí)映射效果界面如圖2所示。

圖2 綜采工作面場(chǎng)景虛實(shí)映射效果界面

2.2 三維地質(zhì)模型與孿生動(dòng)態(tài)優(yōu)化

三維地質(zhì)模型是透明工作面、規(guī)劃開采的核心基礎(chǔ)信息，也是設(shè)備智能控制與決策的支撐信息。三維地質(zhì)模型與數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛擬環(huán)境信息相融合，建立從實(shí)際地質(zhì)信息到環(huán)境孿生體的映射關(guān)系是協(xié)同孿生控制系統(tǒng)的核心。

通過地質(zhì)鉆孔、地震全波形反演、采掘工程等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用GIS建立粗略三維地質(zhì)模型；依托在工作面及兩巷道安裝的激光點(diǎn)云掃描設(shè)備，獲取工作面實(shí)時(shí)激光點(diǎn)云地質(zhì)信息；對(duì)點(diǎn)云信息進(jìn)行體系化處理，得到工作面實(shí)時(shí)柵格矢量數(shù)據(jù)；將矢量柵格信息與工作面回采位置匹配；采用BIM工具修正和優(yōu)化GIS三維地質(zhì)模型，三維地質(zhì)模型界面如圖3所示。

圖3 三維地質(zhì)模型界面

由于GIS三維地質(zhì)模型以地質(zhì)探測(cè)為基礎(chǔ)，在工作面回采過程中，只能反映少量地質(zhì)信息，BIM將實(shí)時(shí)工作面激光點(diǎn)云信息轉(zhuǎn)化為虛擬空間孿生體，是GIS三維地質(zhì)模型的細(xì)化信息，為規(guī)劃開采提供了重要決策信息。

2.3 基于數(shù)字孿生的綜采工作面規(guī)劃截割

三道溝煤礦45205工作面的GIS地質(zhì)模型與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化、融合生成的環(huán)境孿生體，可真實(shí)反映工作面的實(shí)際狀態(tài)。在虛擬空間中，采煤機(jī)孿生體的動(dòng)作可根工作面環(huán)境孿生體和支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備孿生體的狀態(tài)信息，規(guī)劃采煤機(jī)動(dòng)作。通過實(shí)時(shí)環(huán)境孿生體和設(shè)備孿生體數(shù)據(jù)，規(guī)劃開采決策算法，生成采煤機(jī)截割三維曲線，提前將下一開采循環(huán)的截割曲線下發(fā)至采煤機(jī)，實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃截割，基于數(shù)字孿生的規(guī)劃截割規(guī)劃如圖4所示。

圖4 基于數(shù)字孿生的規(guī)劃截割規(guī)劃

2.4 數(shù)字孿生的設(shè)備智能決策

數(shù)字孿生將工作面環(huán)境和設(shè)備均映射到虛擬空間，并與真實(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息交互，為設(shè)備自分析、自診斷、自調(diào)整、自運(yùn)行等智能決策提供了平臺(tái)。數(shù)字孿生的設(shè)備智能決策如圖5所示。

圖5 數(shù)字孿生的設(shè)備智能決策

傳感器檢測(cè)為時(shí)序信號(hào)，攝像頭、激光掃描為檢測(cè)手段的信息分別形成二維和三維信息，全面反映開采環(huán)境和設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)。三道溝煤礦45205工作面以環(huán)境和設(shè)備信息為基礎(chǔ)，形成設(shè)備智能決策數(shù)據(jù)源。利用5G網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)信息傳送至大數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)字孿生映射模型到虛擬空間；設(shè)備狀態(tài)感知、故障預(yù)測(cè)診斷、環(huán)境感知、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警等數(shù)字孿生應(yīng)用，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備、環(huán)境和操作人員信息，推理設(shè)備動(dòng)作決策，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割與行走姿態(tài)、支架支撐動(dòng)作與平衡調(diào)節(jié)、刮板輸送機(jī)運(yùn)載速度等智能協(xié)同控制。

綜采數(shù)字孿生協(xié)同控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程操作

根據(jù)智能綜采數(shù)字孿生模型架構(gòu)，建立滿足幾何、物理、行為、規(guī)則、約束的虛擬綜采工作面，將工作面機(jī)電設(shè)備、地理環(huán)境、人員位置監(jiān)測(cè)、智能通風(fēng)、災(zāi)害預(yù)警等同步映射到孿生體大平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)工作面數(shù)字化描述，創(chuàng)建映射物理工作面的虛擬形態(tài)，跟蹤物理工作面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面從井下移至地面操控室人員的地面遠(yuǎn)程操作，綜采工作面地面遠(yuǎn)程操作如圖6所示。

圖6 綜采工作面地面遠(yuǎn)程操作

3.2 綜采工作面三維漫游

基于PBR物理光照模型，對(duì)井下綜采設(shè)備高精度建模，地面真實(shí)還原綜采工作面的原生場(chǎng)景，模型支持自動(dòng)漫游與手動(dòng)漫游，通過多方向、多角度將井下采煤工作面以直觀、全面的方式展示，為使用者帶來沉浸式體驗(yàn)，綜采工作面沉浸式漫游如圖7所示。

圖7 綜采工作面沉浸式漫游

3.3 綜采工作面規(guī)劃開采

基于綜采工作面地質(zhì)模型與綜采設(shè)備歷史數(shù)據(jù)（支架姿態(tài)數(shù)據(jù)、采煤機(jī)位姿數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)測(cè)繪數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)），通過實(shí)時(shí)計(jì)算構(gòu)建截割模型，生成截割預(yù)測(cè)三維曲線，提前將下一開采循環(huán)截割曲線下發(fā)至采煤機(jī)，實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃截割，綜采工作面規(guī)劃開采界面如圖8所示。

圖8 綜采工作面規(guī)劃開采界面

結(jié)語(yǔ)

三道溝煤礦45205綜采工作面數(shù)字孿生應(yīng)用表明，設(shè)備開機(jī)率提升了19%，設(shè)備事故率降低了31%，大型部件更換率降低了30%；生產(chǎn)班平均作業(yè)人員減至3～4人。數(shù)字孿生技術(shù)在煤礦綜采工作面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了三維建模和可視化、遠(yuǎn)程智能操作，以及數(shù)據(jù)共享與協(xié)同作業(yè)等功能，更好地管理和控制煤礦生產(chǎn)過程和安全保障，提高了煤礦智能化水平和安全生產(chǎn)能力。

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(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)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(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)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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