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(jī)、鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)全局視角差等問題，基于多傳感器融合構(gòu)建鉆機(jī)屬性和鉆進(jìn)動作的數(shù)字孿生場景，提出了數(shù)字孿生遠(yuǎn)程交互解決方案，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)三維模型孿生仿真功能；由傳感系統(tǒng)獲取物理真實(shí)數(shù)據(jù)與孿生虛擬數(shù)據(jù)串聯(lián)，搭建多層次架構(gòu)，面向鉆機(jī)的遠(yuǎn)程交互平臺，融入遠(yuǎn)程遙控、故障診斷及預(yù)警分析等功能；以ZYWL-3200Y全方位煤礦用雙履帶式自動鉆機(jī)為載體，驗(yàn)證孿生平臺的功能性及實(shí)時(shí)性，結(jié)果表明孿生仿真動作跟隨流暢且能及時(shí)進(jìn)行故障預(yù)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(shù)研發(fā)及應(yīng)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(shù)的相關(guān)研究工作。E-mail：249444610@qq.com

作者單位：中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司

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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在煤礦瓦斯抽采作業(yè)的復(fù)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(shè)不能支撐通過井上遠(yuǎn)程控制終端實(shí)現(xiàn)井下鉆機(jī)減人、無人化操作。中國煤炭科工集團(tuán)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(jī)遠(yuǎn)程交互系統(tǒng)，通過多次試驗(yàn)與軟硬件迭代，在鉆機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)方面已有一定的研究基礎(chǔ)。在遠(yuǎn)控系統(tǒng)監(jiān)測自動鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)、近距離遙控鉆機(jī)等方面的技術(shù)取得了一定的進(jìn)步，但未能將虛擬模型與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互聯(lián)。部分煤礦企業(yè)也在鉆機(jī)地面遠(yuǎn)控方面進(jìn)行了研究與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控鉆進(jìn)過程中施工工況參數(shù)，但攝像頭采集鉆機(jī)關(guān)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(jī)為研究對象，開發(fā)適用于煤礦自動鉆機(jī)的數(shù)字孿生遠(yuǎn)程交互系統(tǒng)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生虛實(shí)聯(lián)動等技術(shù)，建立自動鉆機(jī)數(shù)字孿生模型，通過采集及處理自動鉆機(jī)鉆進(jìn)作業(yè)過程中的工況參數(shù)，仿真鉆機(jī)關(guān)鍵動作過程，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測及故障預(yù)警等功能。

自動鉆機(jī)遠(yuǎn)程交互系統(tǒng)

煤礦自動鉆機(jī)遠(yuǎn)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(yù)警與決策，關(guān)鍵層級及功能包括6個(gè)方面，硬件交互架構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦自動鉆機(jī)遠(yuǎn)程交互系統(tǒng)硬件交互架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)采集層通過在自動鉆機(jī)關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)和設(shè)備上布設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測溫度、位移、振動、壓力等鉆機(jī)參數(shù)，通過鉆機(jī)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(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)傳輸至處理層進(jìn)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(jìn)行篩選、融合、特征提取，用于驅(qū)動數(shù)字孿生建模。

（4）數(shù)字孿生建模層根據(jù)鉆機(jī)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實(shí)時(shí)反映鉆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、性能指標(biāo)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(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和性能指標(biāo)，便于用戶進(jìn)行監(jiān)控和分析。

（6）預(yù)警與決策層發(fā)現(xiàn)潛在故障風(fēng)險(xiǎn)或優(yōu)化狀態(tài)，提供預(yù)警信息，幫助用戶及時(shí)采取相應(yīng)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(luò)為遠(yuǎn)程交互系統(tǒng)提供多方面數(shù)據(jù)通道支持，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為井下鉆孔施工工作面、地面操作中心機(jī)房和地面操作中心共3個(gè)層級，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

（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(kuò)展模塊，實(shí)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(jī)，數(shù)據(jù)傳輸至地面中心機(jī)房，實(shí)現(xiàn)對井下設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)的監(jiān)測與管理。

（2）地面操作中心機(jī)房以相關(guān)服務(wù)器配備為基礎(chǔ)，存儲井下鉆機(jī)施工面采集的數(shù)據(jù)、構(gòu)建數(shù)字孿生模型并進(jìn)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(guān)信息，并對井下鉆機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控及指導(dǎo)。

自動鉆機(jī)遠(yuǎn)程交互的數(shù)字孿生系統(tǒng)建模

自動鉆機(jī)遠(yuǎn)程交互的數(shù)字孿生模型架構(gòu)包括鉆機(jī)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(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生模型架構(gòu)

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(xué)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(jìn)行系統(tǒng)UI設(shè)計(jì)，增強(qiáng)模型真實(shí)感；模型動作與實(shí)際鉆機(jī)動作同步，將鉆機(jī)實(shí)體與幾何模型通過數(shù)據(jù)模型進(jìn)行相互映射。幾何建模以鉆機(jī)為中心，周邊環(huán)境也納入設(shè)計(jì)模型中，動態(tài)模型按照1∶1設(shè)計(jì)具有詳細(xì)動作部件模型，且每個(gè)動作與真實(shí)設(shè)備相同；靜態(tài)模型包括巷道、煤層、其他安全設(shè)備等，相關(guān)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(guān)系與虛擬模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立映射矩陣，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新和同步。將實(shí)際設(shè)備狀態(tài)映射到虛擬模型中，確保模型準(zhǔn)確反映實(shí)際設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)采集和顯示數(shù)據(jù)并通過Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和控制煤礦現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)和運(yùn)行情況?？刂破髟O(shè)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(yīng)，實(shí)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(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、動作模擬及預(yù)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(diào)整或執(zhí)行特定動作，主要包含以下3個(gè)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(shí)，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(qū)動電磁閥開啟執(zhí)行相關(guān)機(jī)構(gòu)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在Unity3D程序中，創(chuàng)建1個(gè)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(shí)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(shí)體需采用相應(yīng)的通信方式和協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸和指令可靠執(zhí)行，實(shí)體與孿生模型數(shù)據(jù)交互如圖4所示。

圖4 實(shí)體與孿生模型數(shù)據(jù)交互

2.4 可視化增強(qiáng)

動作可視化和三維模型展示是數(shù)字孿生系統(tǒng)的2個(gè)核心功能，三維模型展示將物理實(shí)體以三維模型形式呈現(xiàn)，通過旋轉(zhuǎn)、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(xì)節(jié)，清晰觀察到鉆進(jìn)過程中動力頭、機(jī)械手等關(guān)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(yù)警功能，通過分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，識別并預(yù)測潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)，提前預(yù)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(yù)警預(yù)測

3.1 運(yùn)動過程仿真

實(shí)時(shí)采集鉆進(jìn)現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用于仿真模型中，模型按照實(shí)際姿態(tài)運(yùn)動，完整展示鉆機(jī)實(shí)際工作過程?，F(xiàn)場只靠攝像頭觀察鉆進(jìn)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(shí)時(shí)采集姿態(tài)數(shù)據(jù)，運(yùn)動過程仿真為遠(yuǎn)程操作人員提供鉆機(jī)工況信息，并下發(fā)正確作業(yè)指令，提高了遠(yuǎn)程操作的準(zhǔn)確性、安全及高效性，運(yùn)動姿態(tài)仿真原理如圖5所示。

圖5 運(yùn)動姿態(tài)仿真原理

3.2 故障診斷與預(yù)測預(yù)警

故障診斷與預(yù)警是數(shù)字孿生系統(tǒng)中的重要功能，通過現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)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(yīng)故障診斷程序，實(shí)現(xiàn)故障自診斷功能。通過故障反演方式排查故障點(diǎn)，程序會按照設(shè)定內(nèi)容逐一對比，快速找出故障問題。預(yù)警功能在采集數(shù)據(jù)項(xiàng)設(shè)置閥值，當(dāng)傳感器監(jiān)測值超出閥值，預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號，指定具體問題位置及類型，幫助操作人員及時(shí)采取相應(yīng)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(yàn)及應(yīng)用分析

以ZYWL-3200Y全方位煤礦用雙履帶式自動鉆機(jī)為載體，搭建數(shù)字孿生遠(yuǎn)程交互系統(tǒng)平臺，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，驗(yàn)證數(shù)字孿生方案的功能性、實(shí)時(shí)性和可靠性。

4.1 試驗(yàn)硬件條件

試驗(yàn)現(xiàn)場操控鉆機(jī)設(shè)備包括遙控器、井下遠(yuǎn)控站、地面控制站。遙控器可近距離操控鉆機(jī)，范圍為5 m內(nèi)，井下控制站采用軟鍵盤遠(yuǎn)控鉆機(jī)，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(yuǎn)控站功能相似，配有按鈕及遙柄用于地面監(jiān)控鉆機(jī)。遙控器及遠(yuǎn)控站如圖7所示。

圖7 遙控器及遠(yuǎn)控站

除上述鉆機(jī)操控設(shè)備外，系統(tǒng)配有多個(gè)傳感器布置在關(guān)鍵動作機(jī)構(gòu)上。PLC控制器及擴(kuò)展模塊置于電控箱中，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)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(jī)操控的全面信息，提高數(shù)字孿生系統(tǒng)精準(zhǔn)度，部分傳感器及安裝點(diǎn)見表2。

表2 部分傳感器類別及安裝點(diǎn)

4.2 遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)驗(yàn)證

遙控器操作鉆機(jī)測試主機(jī)械手、副機(jī)械手、夾持器、轉(zhuǎn)移槽等關(guān)鍵部件動作，觀察遠(yuǎn)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(shí)際操作的動作完全一致，真實(shí)反映鉆機(jī)的工作狀態(tài)。主機(jī)械手夾緊抓取轉(zhuǎn)移槽中鉆桿-主機(jī)械手縮回-主機(jī)械手傾角增大-主機(jī)械手水平翻轉(zhuǎn)放鉆桿等動作。孿生仿真動作跟隨流暢。試驗(yàn)結(jié)果表明：鉆機(jī)參數(shù)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性滿足遠(yuǎn)程控制要求，采用串口調(diào)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(shí)物鉆機(jī)動作時(shí)延<1 s，未出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，主機(jī)械手上鉆桿遠(yuǎn)程控制如圖8所示。

圖8 主機(jī)械手上鉆桿遠(yuǎn)程控制

4.3 數(shù)字孿生遠(yuǎn)程交互平臺試驗(yàn)驗(yàn)證

數(shù)字孿生遠(yuǎn)程交互平臺集成功能提供了全面鉆進(jìn)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(jī)狀態(tài)。遙控器參數(shù)顯示主要?jiǎng)幼骺刂菩盘柤盃顟B(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(jī)械手、副機(jī)械手、轉(zhuǎn)移槽等狀態(tài)。接近開關(guān)狀態(tài)顯示傳感器開關(guān)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(jī)動作，配合視頻窗口共同查看鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，解決了操作視角盲區(qū)問題，及時(shí)了解鉆機(jī)工作狀態(tài)，減少故障發(fā)生概率。數(shù)字孿生遠(yuǎn)程交互平臺采用了C/S設(shè)計(jì)模式，支持多點(diǎn)部署，可在井下、井上或辦公室等多個(gè)位置進(jìn)行安裝和部署，滿足多地點(diǎn)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(yuǎn)程交互平臺軟件界面如圖9所示。

圖9 數(shù)字孿生遠(yuǎn)程交互平臺軟件界面

4.4 故障診斷與預(yù)警驗(yàn)證

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

在前夾持器動作時(shí)，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(dāng)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(diǎn)，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(shí)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(yīng)壓力，此時(shí)壓力不滿足壓力判斷條件，分析原因?yàn)橐韵?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(diǎn)，恢復(fù)壓力傳感器供電，鉆機(jī)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(xué)習(xí)和優(yōu)化預(yù)測故障可能發(fā)生位置，預(yù)測信息可供工作人員參考，采取相應(yīng)的維護(hù)和修復(fù)措施。

結(jié) 語

煤礦自動鉆機(jī)遠(yuǎn)程交互系統(tǒng)研引入數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生系統(tǒng)與鉆機(jī)設(shè)備仿真同步，孿生仿真動作跟隨流暢，時(shí)延<1 s，確保數(shù)字孿生系統(tǒng)準(zhǔn)確反映實(shí)際鉆具設(shè)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(jī)鉆進(jìn)過程的詳細(xì)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(jī)監(jiān)測功能、故障診斷及預(yù)測功能實(shí)用性較強(qiáng)、反應(yīng)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(jié)合地質(zhì)勘探系統(tǒng)進(jìn)行智能化、透明化地質(zhì)提前探測開采，進(jìn)行鉆孔自適應(yīng)鉆進(jìn)分析與預(yù)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

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(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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