上海煤科信息公司總經理閆東：綜掘工作面數字孿生集控系統研發與應用

2025年06月09日 15:32 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

語音播報

點擊播放

摘要

針對煤礦綜掘工作面智能化水平不足、設備協同效率低及安全風險高等問題，上海煤科信息科技有限公司研發了綜掘工作面數字孿生集控系統。通過集成智能傳感、三維建模、多源數據融合及遠程協同控制技術，構建了設備實時監測、環境感知、工藝記憶截割、虛實同步驅動的智能集控平臺；利用數字孿生技術建立掘進機運動學模型，結合多傳感器數據實現設備姿態精確感知與三維場景動態仿真，支持遠程自動截割軌跡規劃及多設備（掘進機、除塵、運輸系統）一鍵協同控制；融合AI算法實現超欠挖預警、碰撞預測及故障智能診斷，并通過AR眼鏡與移動終端實現井下工況實時可視化監控。

文章來源：《智能礦山》2025年第5期“數字孿生技術研發及應用專題”欄目

第一作者：閆東，高級工程師，現任上海煤科信息科技有限公司執行董事、總經理，主要從事煤炭行業智能化及信息化建設的相關研究工作。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. 綜掘工作面數字孿生集控系統研發與應用[J]. 智能礦山，2025，6(4)：28-30.

點擊文末左下角閱讀原文，免費下載閱讀pdf全文

隨著礦山智能化技術應用的進步，其生產和組織方式向安全、高效、綠色、智能方向發展，掘進過程的智能化和自動化運行，對于提升煤礦安全生產水平和生產效率具有重要意義。上海煤科信息科技有限公司以智能化掘進機為核心，依托智能傳感、定位定向、監測監控、通信、遠程控制、多信息遠程重現、多設備協同以及集中控制等技術，構建智能化掘進工作系統；圍繞安全、高效掘進構建邊緣感知、平臺決策、設備執行、遠程運維４個維度的智能掘進系統基本架構，推動煤礦綜合掘進裝備的協同作業；構建數字孿生驅動的掘進裝備遠程智能控制模型及技術體系，研究遠程虛擬呈現、精確位姿感知、孿生數據共享、虛實同步驅動、工藝記憶截割、設備群碰撞預警等技術是實現智能遠程掘進常態化應用的有效途徑。

綜掘工作面數字孿生集控系統研發內容

研發掘進工作面智能集控系統平臺，以智能掘進機和工作面輔助設備為終端，借助多元傳感系統采集設備的運行狀態和參數，通過融合多傳感器數據算法，實現掘進工作面設備在系統平臺的通信狀態、設備運行狀態、關鍵元件的生命周期、數據曲線、災害智能感知、報警聯動、設備協調控制等功能。利用基于數字孿生的仿真技術，模擬掘進工作面設備運行狀況，實現掘進工作面三維場景再現。通過手機APP、AR眼鏡等實現對掘進工作面設備運行工況展示、預警、故障診斷和控制等功能，綜掘工作面數字孿生集控系統主要內容包括6個方面。

（1）數字孿生綜掘工作面驅動模型

通過傳感器獲取綜掘工作面現場數據，建立綜掘工作面場景和掘進機設備相應的數字孿生驅動模型，完成模型動作編程及三維模型與三維場景的耦合，同步再現物理場景變化；建立掘進機運動學模型，利用數字孿生驅動模型動作，在虛擬場景中還原掘進機運行狀態，綜掘工作面數字孿生集控系統界面如圖1所示。

undefined

圖1 綜掘工作面數字孿生集控系統界面

（2）綜掘工作面的遠程自動截割

利用掘進施工工藝及協同控制理論，分布式協同集中控制掘進工作面掘進機、除塵系統、運輸系統等設備，實現掘進機遠程自動截割。掘進機自動截割控制預先獲得巷道斷面類型、掘進工藝和截割頭外輪廓等參數，規劃截割頭運動軌跡，以截割軌跡規劃為目標，視覺測量實際截割頭位姿為基礎坐標點，控制截割頭實時位置及行走軌跡，綜掘工作面智能監控中心如圖2所示。

undefined

圖2 綜掘工作面智能監控中心

（3）綜掘工作面信息融合監測

通過掘進機的多元傳感器，實時監測掘進機工況參數，當數據超過限值時，發出聲光報警。工況監測系統實時監測現場作業環境中的粉塵、瓦斯等，發生超限數據時進行聲光報警。掘進機遠控平臺的環境監測系統，智能監測掘進工作面環境的粉塵、瓦斯，并智能分析監測環境數據，以及掘、運工序的智能聯動。融合掘進機和工作面高清攝像頭，滿足遠程實時掌握工作面真實實施工作情況。

（4）綜掘工作面安全預警與故障診斷

智能化掘進機在工作時出現運行參數異常報警、停機等現象，綜掘工作面數字孿生集控系統會自動顯示異常原因或停機原因，實現超欠挖、防碰撞等預警值設置和預警信息實時顯示，便于檢修人員維修和后期重點巡檢。

（5）數據實時計算與多源異構數據存儲

通過標準的springCloud+Hadoop大數據架構，綜掘工作面數字孿生集控系統實現對綜掘工作面地質、水文、鉆探、微振、沖擊地壓、掘進設備、視頻等數據匯總和融合分析，滿足采掘工作的智能決策。

（6）跨系統多平臺協同控制

綜掘工作面數字孿生集控系統支持windows、安卓系統、iOS系統環境運行，綜掘工作面井下集控室與井上調度室同時部署，現場操作人員可通過防爆手機或AR眼鏡在井下實時監控綜掘工作面，井下AR眼鏡如圖3所示。

undefined

圖3 井下AR眼鏡

2. 綜掘工作面數字孿生集控系統研發難點

（1）設備自感知不足、定位難度大

井下綜掘工作面環境惡劣，設備傳感器或高清攝像頭在掘進工作面實際生產過程中受粉塵、振動等影響較大，監測效果不佳；掘進機采用慣導系統存在隨時間積累誤差逐步增大，需不斷修正，導致綜掘設備自感知不足、定位難度大等問題。

（2）缺少掘進機模型庫展現現場設備工況

針對現有系統缺少掘進機模型庫，不能真實展現現場設備工況，建立基于數字孿生的掘進機三維模型庫，將機身傳感器、攝像儀、慣性導航等裝置進行數字孿生模型展示，并可通過對設備數字模型拖拽方式，自主搭建虛擬綜掘工作面可視化場景，滿足掘進工作面設備差異性，三維虛擬綜掘工作面場景展示掘進機實時工作狀態，進行預警并對預警設備放大處理。根據數據時間節點回溯設備狀態進行分析診斷，調用現實畫面遠程監控可操作模型，并通過數據交互控制現實設備。

（3）現有控制系統是孤立掘進機控制系統

針對現有控制系統為孤立的掘進機控制系統情況，為實現集控系統對掘進設備、除塵系統設備、運輸系統設備等掘進工作面主要設備的一鍵控制，當多系統具備控制條件時，通過一鍵控制功能，讓所有設備按照控制邏輯順序啟動，實現截割、行走、鏟板、星輪、轉載、輸送帶和破碎機等協同控制。

（4）現有控制系統功能不完善

通過構建基于數字孿生的掘進工作面設備模型，再現掘進工作面真實場景，設備通過傳感系統實時傳輸的數據庫，關聯基于數字孿生技術的仿真模型，在平臺頁面呈現與掘進工作面設備顯示運行狀態相匹配的動態模擬和實時工況。實現掘進工作面基于數字孿生技術的仿真、輔助管理系統、環境智能監測分析、掘進工作面設備監測與控制和多機協同控制。

（5）井下網絡不穩定易造成數據延遲或丟包

煤礦自動化、信息化、智能化的快速發展，各類設備和系統不斷增加，井下通信網絡傳輸不穩定，易出現數據延遲或丟包現象，根據國家和各省智慧礦山建設指南中要求，建設萬兆工業環網或井下5G網絡覆蓋。

綜掘工作面數字孿生集控系統應用效果

（1）實際應用情況

目前，上海煤科信息科技有限公司研發的綜掘工作面數字孿生集控系統已在彬縣煤炭有限責任公司蔣家河煤礦、山西潞安集團潞寧孟家窯煤業有限公司、山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司李村煤礦、潞安集團蒲縣伊田煤業有限公司落地應用。通過數字孿生技術，實時監測掘進機的工作效果與狀態，實現掘進工作面的遠程監控。通過采集與分析綜掘工作面數據，模擬掘進機運動狀況，提前判斷掘進機機身位置、截割頭位置，智能調整掘進機截割狀態。通過對整個綜掘工作面的三維仿真建模，并結合高清攝像頭，實時監測工作面運行工況，提高掘進效率、降低生產安全風險。

（2）應用效果分析

國內煤炭企業多數掘進設備采用懸臂式掘進機，掘進設備在實際生產過程中，裝備制造企業安裝視頻監控設施遠程監視掘進面工況，但受作業環境陰暗及網絡時延等影響，實時工況信息展示效果較差，綜掘工作面數字孿生集控系統通過自動掘進為主、遠程干預為輔的方式，降低了一線礦工的作業強度，保障生產安全。

結語

基于數字孿生的綜掘工作面集控系統三維仿真滿足煤礦智能化建設需求，自主研發的大數據平臺實時三維仿真，滿足煤礦生產環境的實用性和可靠性，實現了綜掘工作面數字孿生集控系統在井下集控室和井上調度指揮室的應用；融合AI與三維仿真技術在綜掘工作面的運用，對綜采工作面數字孿生應用起到推進作用，積累與優化了礦用算法庫。符合國家能源局《智能化示范煤礦驗收管理辦法》中對智能掘進工作面的相關要求，對其他智慧礦山項目具有示范意義。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學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劃入選期刊4種，是煤炭行業最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業最大最權威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產學研用新進展的綜合性技術刊物。

主編：王國法院士

投稿網址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯系人：李編輯 010-87986441

往期薦讀