摘要

針對(duì)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(xiǎn)高等問(wèn)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(guò)集成智能傳感、三維建模、多源數(shù)據(jù)融合及遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)，構(gòu)建了設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、環(huán)境感知、工藝記憶截割、虛實(shí)同步驅(qū)動(dòng)的智能集控平臺(tái)；利用數(shù)字孿生技術(shù)建立掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，結(jié)合多傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備姿態(tài)精確感知與三維場(chǎng)景動(dòng)態(tài)仿真，支持遠(yuǎn)程自動(dòng)截割軌跡規(guī)劃及多設(shè)備 （掘進(jìn)機(jī)、除塵、運(yùn)輸系統(tǒng)） 一鍵協(xié)同控制；融合AI算法實(shí)現(xiàn)超欠挖預(yù)警、碰撞預(yù)測(cè)及故障智能診斷，并通過(guò)AR眼鏡與移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)井下工況實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控。

文章來(lái)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(jí)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(jìn)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(jìn)過(guò)程的智能化和自動(dòng)化運(yùn)行，對(duì)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(jìn)機(jī)為核心，依托智能傳感、定位定向、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、通信、遠(yuǎn)程控制、多信息遠(yuǎn)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(jìn)工作系統(tǒng)；圍繞安全、高效掘進(jìn)構(gòu)建邊緣感知、平臺(tái)決策、設(shè)備執(zhí)行、遠(yuǎn)程運(yùn)維４個(gè)維度的智能掘進(jìn)系統(tǒng)基本架構(gòu)，推動(dòng)煤礦綜合掘進(jìn)裝備的協(xié)同作業(yè)；構(gòu)建數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的掘進(jìn)裝備遠(yuǎn)程智能控制模型及技術(shù)體系，研究遠(yuǎn)程虛擬呈現(xiàn)、精確位姿感知、孿生數(shù)據(jù)共享、虛實(shí)同步驅(qū)動(dòng)、工藝記憶截割、設(shè)備群碰撞預(yù)警等技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)程掘進(jìn)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(jìn)工作面智能集控系統(tǒng)平臺(tái)，以智能掘進(jìn)機(jī)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(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，通過(guò)融合多傳感器數(shù)據(jù)算法，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面設(shè)備在系統(tǒng)平臺(tái)的通信狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)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(bào)警聯(lián)動(dòng)、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(jìn)工作面設(shè)備運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面三維場(chǎng)景再現(xiàn)。通過(guò)手機(jī)APP、AR眼鏡等實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)工作面設(shè)備運(yùn)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(gè)方面。

（1）數(shù)字孿生綜掘工作面驅(qū)動(dòng)模型

通過(guò)傳感器獲取綜掘工作面現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，建立綜掘工作面場(chǎng)景和掘進(jìn)機(jī)設(shè)備相應(yīng)的數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)模型，完成模型動(dòng)作編程及三維模型與三維場(chǎng)景的耦合，同步再現(xiàn)物理場(chǎng)景變化；建立掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，利用數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)模型動(dòng)作，在虛擬場(chǎng)景中還原掘進(jìn)機(jī)運(yùn)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(yuǎn)程自動(dòng)截割

利用掘進(jìn)施工工藝及協(xié)同控制理論，分布式協(xié)同集中控制掘進(jìn)工作面掘進(jìn)機(jī)、除塵系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)截割。掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制預(yù)先獲得巷道斷面類型、掘進(jìn)工藝和截割頭外輪廓等參數(shù)，規(guī)劃截割頭運(yùn)動(dòng)軌跡，以截割軌跡規(guī)劃為目標(biāo)，視覺(jué)測(cè)量實(shí)際截割頭位姿為基礎(chǔ)坐標(biāo)點(diǎn)，控制截割頭實(shí)時(shí)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(cè)

通過(guò)掘進(jìn)機(jī)的多元傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)工況參數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)限值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警。工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境中的粉塵、瓦斯等，發(fā)生超限數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)控平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，智能監(jiān)測(cè)掘進(jìn)工作面環(huán)境的粉塵、瓦斯，并智能分析監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，以及掘、運(yùn)工序的智能聯(lián)動(dòng)。融合掘進(jìn)機(jī)和工作面高清攝像頭，滿足遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)掌握工作面真實(shí)實(shí)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(jìn)機(jī)在工作時(shí)出現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)異常報(bào)警、停機(jī)等現(xiàn)象，綜掘工作面數(shù)字孿生集控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示異常原因或停機(jī)原因，實(shí)現(xiàn)超欠挖、防碰撞等預(yù)警值設(shè)置和預(yù)警信息實(shí)時(shí)顯示，便于檢修人員維修和后期重點(diǎn)巡檢。

（5）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算與多源異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對(duì)綜掘工作面地質(zhì)、水文、鉆探、微振、沖擊地壓、掘進(jìn)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(tái)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(yùn)行，綜掘工作面井下集控室與井上調(diào)度室同時(shí)部署，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可通過(guò)防爆手機(jī)或AR眼鏡在井下實(shí)時(shí)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(diǎn)

（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(jìn)工作面實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中受粉塵、振動(dòng)等影響較大，監(jiān)測(cè)效果不佳；掘進(jìn)機(jī)采用慣導(dǎo)系統(tǒng)存在隨時(shí)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(wèn)題。

（2）缺少掘進(jìn)機(jī)模型庫(kù)展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工況

針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)缺少掘進(jìn)機(jī)模型庫(kù)，不能真實(shí)展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工況，建立基于數(shù)字孿生的掘進(jìn)機(jī)三維模型庫(kù)，將機(jī)身傳感器、攝像儀、慣性導(dǎo)航等裝置進(jìn)行數(shù)字孿生模型展示，并可通過(guò)對(duì)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(chǎng)景，滿足掘進(jìn)工作面設(shè)備差異性，三維虛擬綜掘工作面場(chǎng)景展示掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，進(jìn)行預(yù)警并對(duì)預(yù)警設(shè)備放大處理。根據(jù)數(shù)據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)回溯設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析診斷，調(diào)用現(xiàn)實(shí)畫面遠(yuǎn)程監(jiān)控可操作模型，并通過(guò)數(shù)據(jù)交互控制現(xiàn)實(shí)設(shè)備。

（3）現(xiàn)有控制系統(tǒng)是孤立掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)

針對(duì)現(xiàn)有控制系統(tǒng)為孤立的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)情況，為實(shí)現(xiàn)集控系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)設(shè)備、除塵系統(tǒng)設(shè)備、運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備等掘進(jìn)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(shí)，通過(guò)一鍵控制功能，讓所有設(shè)備按照控制邏輯順序啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)截割、行走、鏟板、星輪、轉(zhuǎn)載、輸送帶和破碎機(jī)等協(xié)同控制。

（4）現(xiàn)有控制系統(tǒng)功能不完善

通過(guò)構(gòu)建基于數(shù)字孿生的掘進(jìn)工作面設(shè)備模型，再現(xiàn)掘進(jìn)工作面真實(shí)場(chǎng)景，設(shè)備通過(guò)傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)庫(kù)，關(guān)聯(lián)基于數(shù)字孿生技術(shù)的仿真模型，在平臺(tái)頁(yè)面呈現(xiàn)與掘進(jìn)工作面設(shè)備顯示運(yùn)行狀態(tài)相匹配的動(dòng)態(tài)模擬和實(shí)時(shí)工況。實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)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(cè)分析、掘進(jìn)工作面設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制和多機(jī)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(dòng)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(guó)家和各省智慧礦山建設(shè)指南中要求，建設(shè)萬(wàn)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(shí)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(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司、山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦、潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)有限公司落地應(yīng)用。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)的工作效果與狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)采集與分析綜掘工作面數(shù)據(jù)，模擬掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀況，提前判斷掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位置、截割頭位置，智能調(diào)整掘進(jìn)機(jī)截割狀態(tài)。通過(guò)對(duì)整個(gè)綜掘工作面的三維仿真建模，并結(jié)合高清攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面運(yùn)行工況，提高掘進(jìn)效率、降低生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）應(yīng)用效果分析

國(guó)內(nèi)煤炭企業(yè)多數(shù)掘進(jìn)設(shè)備采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，裝備制造企業(yè)安裝視頻監(jiān)控設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)視掘進(jìn)面工況，但受作業(yè)環(huán)境陰暗及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等影響，實(shí)時(shí)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(guò)自動(dòng)掘進(jìn)為主、遠(yuǎn)程干預(yù)為輔的方式，降低了一線礦工的作業(yè)強(qiáng)度，保障生產(chǎn)安全。

結(jié) 語(yǔ)

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(tái)實(shí)時(shí)三維仿真，滿足煤礦生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)用性和可靠性，實(shí)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(yùn)用，對(duì)綜采工作面數(shù)字孿生應(yīng)用起到推進(jìn)作用，積累與優(yōu)化了礦用算法庫(kù)。符合國(guó)家能源局《智能化示范煤礦驗(yàn)收管理辦法》中對(duì)智能掘進(jìn)工作面的相關(guān)要求，對(duì)其他智慧礦山項(xiàng)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(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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