中國煤科重慶研究院秦怡副研究員：基于數字孿生的煤礦自動鉆機遠程交互系統研發與應用

2025年06月12日 08:47 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

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摘要

針對煤礦企業在瓦斯抽采作業中面臨的1人多機、鉆機運行狀態全局視角差等問題，基于多傳感器融合構建鉆機屬性和鉆進動作的數字孿生場景，提出了數字孿生遠程交互解決方案，實現了鉆機三維模型孿生仿真功能；由傳感系統獲取物理真實數據與孿生虛擬數據串聯，搭建多層次架構，面向鉆機的遠程交互平臺，融入遠程遙控、故障診斷及預警分析等功能；以ZYWL-3200Y全方位煤礦用雙履帶式自動鉆機為載體，驗證孿生平臺的功能性及實時性，結果表明孿生仿真動作跟隨流暢且能及時進行故障預警提示，提高了鉆孔施工的生產智能化水平。

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

作者簡介：秦怡，副研究員，主要從事鉆探裝備控制技術的相關研究工作。E-mail：249444610@qq.com

作者單位：中煤科工集團重慶研究院有限公司

引用格式：秦怡.基于數字孿生的煤礦自動鉆機遠程交互系統研發與應用[J].智能礦山，2025，6(4)：31-37.

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在煤礦瓦斯抽采作業的復雜環境中，鉆孔裝備是最重要的裝備之一，現有系統的信息化、智能化和數字化建設不能支撐通過井上遠程控制終端實現井下鉆機減人、無人化操作。中國煤炭科工集團重慶研究院有限公司（簡稱中國煤科重慶研究院）研發的井下鉆機遠程交互系統，通過多次試驗與軟硬件迭代，在鉆機遠程控制技術方面已有一定的研究基礎。在遠控系統監測自動鉆機運行參數、近距離遙控鉆機等方面的技術取得了一定的進步，但未能將虛擬模型與遠程控制系統相結合，實現虛實互聯。部分煤礦企業也在鉆機地面遠控方面進行了研究與實踐，實現了監控鉆進過程中施工工況參數，但攝像頭采集鉆機關鍵動作信息的視角盲區，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為研究對象，開發適用于煤礦自動鉆機的數字孿生遠程交互系統，結合物聯網、數字孿生虛實聯動等技術，建立自動鉆機數字孿生模型，通過采集及處理自動鉆機鉆進作業過程中的工況參數，仿真鉆機關鍵動作過程，實現智能監測及故障預警等功能。

自動鉆機遠程交互系統

煤礦自動鉆機遠程交互系統主要包含數據采集、數據傳輸、數據處理、數據孿生建模、可視化交互和預警與決策，關鍵層級及功能包括6個方面，硬件交互架構如圖1所示。

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圖1 煤礦自動鉆機遠程交互系統硬件交互架構

（1）數據采集層通過在自動鉆機關鍵機械結構和設備上布設傳感器網絡，實時采集和監測溫度、位移、振動、壓力等鉆機參數，通過鉆機控制箱上傳或下發傳感器采集的數據。

（2）數據傳輸層將傳感器采集的位移、壓力、轉速等數據傳輸至處理層進行分析。

（3）數據處理層以PLC為核心中央處理單元，對數據進行篩選、融合、特征提取，用于驅動數字孿生建模。

（4）數字孿生建模層根據鉆機實際運行數據，構建數字孿生模型，實時反映鉆機的運行狀態、性能指標和故障情況。

（5）可視化交互層通過圖表、圖像等形式，直觀展示鉆機的運行狀態和性能指標，便于用戶進行監控和分析。

（6）預警與決策層發現潛在故障風險或優化狀態，提供預警信息，幫助用戶及時采取相應的措施，減少故障損失或優化生產過程。

穩定可靠的網絡為遠程交互系統提供多方面數據通道支持，網絡拓撲結構分為井下鉆孔施工工作面、地面操作中心機房和地面操作中心共3個層級，網絡拓撲架構如圖2所示。

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圖2 網絡拓撲架構

（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展模塊，實現數據的采集和控制。將以太網LAN接入井下交換機，數據傳輸至地面中心機房，實現對井下設備狀態和數據的監測與管理。

（2）地面操作中心機房以相關服務器配備為基礎，存儲井下鉆機施工面采集的數據、構建數字孿生模型并進行智能分析處理。

（3）工作人員通過地面操作中心監控井下現場相關信息，并對井下鉆機進行遠程操控及指導。

自動鉆機遠程交互的數字孿生系統建模

自動鉆機遠程交互的數字孿生模型架構包括鉆機本體、數字孿生體、PLC控制系統等部分，數字孿生模型架構如圖3所示。

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圖3 數字孿生模型架構

2.1 數字孿生系統模型搭建

模型搭建包含幾何、數字及數學模型的搭建。用三維建模軟件3ds Max搭建幾何模型；并通過Unity3D進行系統UI設計，增強模型真實感；模型動作與實際鉆機動作同步，將鉆機實體與幾何模型通過數據模型進行相互映射。幾何建模以鉆機為中心，周邊環境也納入設計模型中，動態模型按照1∶1設計具有詳細動作部件模型，且每個動作與真實設備相同；靜態模型包括巷道、煤層、其他安全設備等，相關傳感器采集到環境數據，如溫度、瓦斯濃度等。

2.2 數字孿生系統數據映射

將傳感器采集數據通過映射關系與虛擬模型進行關聯，建立映射矩陣，實現實時數據更新和同步。將實際設備狀態映射到虛擬模型中，確保模型準確反映實際設備運行狀態；上位機軟件實時采集和顯示數據并通過Modbus協議進行數據交換，實現監測和控制煤礦現場設備的狀態和運行情況。控制器設置了傳感器編號，方便區分不同傳感器的數據來源，在數字孿生模型中，動作與PLC存儲器變量一一對應，實體數據與孿生模型數據的地址映射見表1。

表1 實體數據與孿生模型數據的地址映射

2.3 數字孿生系統數據交互

數字孿生系統的數據交互分為多個層次和對象的交互，溫度傳感器、壓力傳感器等數據流為單向傳輸，采集數據傳至PLC處理，再傳輸至數字孿生模型，實現狀態監測、動作模擬及預測分析；位移傳感器、編碼器、電磁閥等數據流為雙向傳輸，傳感器將采集數據發至PLC和數字孿生模型，也可接收PLC或模型下發的指令，調整或執行特定動作，主要包含以下3個部分。

（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通信協議交互。操作人員通過遙控器發送指令時，指令會通過Modbus協議被寫入到PLC寄存單元中，與寄存單元相連的控制器接收到寫入指令，并驅動電磁閥開啟執行相關機構動作。

（2）孿生模型與PLC控制器交互

PLC控制器和Unity3D通過以太網進行數據傳輸。在Unity3D程序中，創建1個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值，完成雙向數據交互。

（3）實體與孿生模型的交互

數據交互需考慮數據采集和指令傳遞。針對不同類型實體需采用相應的通信方式和協議，以實現數據準確傳輸和指令可靠執行，實體與孿生模型數據交互如圖4所示。

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圖4 實體與孿生模型數據交互

2.4 可視化增強

動作可視化和三維模型展示是數字孿生系統的2個核心功能，三維模型展示將物理實體以三維模型形式呈現，通過旋轉、平移、放大、縮小等操作全方位觀察數字孿生模型的動作細節，清晰觀察到鉆進過程中動力頭、機械手等關鍵部件的工作狀態。數字孿生系統整合故障診斷與預警功能，通過分析實時數據，識別并預測潛在的故障風險，提前預警，避免故障對生產造成不良影響。

數字孿生系統仿真、故障診斷與預警預測

3.1 運動過程仿真

實時采集鉆進現場作業數據，并應用于仿真模型中，模型按照實際姿態運動，完整展示鉆機實際工作過程。現場只靠攝像頭觀察鉆進姿態，會受光線、粉塵等環境影響，存在視角盲區，融合傳感器實時采集姿態數據，運動過程仿真為遠程操作人員提供鉆機工況信息，并下發正確作業指令，提高了遠程操作的準確性、安全及高效性，運動姿態仿真原理如圖5所示。

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圖5 運動姿態仿真原理

3.2 故障診斷與預測預警

故障診斷與預警是數字孿生系統中的重要功能，通過現場經驗累積，采用故障樹邏輯建立故障模型及原因分析表，編寫相應故障診斷程序，實現故障自診斷功能。通過故障反演方式排查故障點，程序會按照設定內容逐一對比，快速找出故障問題。預警功能在采集數據項設置閥值，當傳感器監測值超出閥值，預警系統發出報警信號，指定具體問題位置及類型，幫助操作人員及時采取相應措施，避免出現更大的事故。故障樹查詢代碼顯示界面如圖6所示。

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圖6 故障樹查詢代碼顯示界面

數字孿生方案試驗及應用分析

以ZYWL-3200Y全方位煤礦用雙履帶式自動鉆機為載體，搭建數字孿生遠程交互系統平臺，進行實驗室及現場應用試驗，驗證數字孿生方案的功能性、實時性和可靠性。

4.1 試驗硬件條件

試驗現場操控鉆機設備包括遙控器、井下遠控站、地面控制站。遙控器可近距離操控鉆機，范圍為5 m內，井下控制站采用軟鍵盤遠控鉆機，具有視頻監控及數字孿生等功能；地面控制站與井下遠控站功能相似，配有按鈕及遙柄用于地面監控鉆機。遙控器及遠控站如圖7所示。

圖7 遙控器及遠控站

除上述鉆機操控設備外，系統配有多個傳感器布置在關鍵動作機構上。PLC控制器及擴展模塊置于電控箱中，網絡交換機接入井下環網。數字孿生系統配接的傳感器和控制器類型多、數量大，采集鉆機操控的全面信息，提高數字孿生系統精準度，部分傳感器及安裝點見表2。

表2 部分傳感器類別及安裝點

4.2 遠程控制試驗驗證

遙控器操作鉆機測試主機械手、副機械手、夾持器、轉移槽等關鍵部件動作，觀察遠程控制端模型動作同步情況，數字孿生模型完成的動作與實際操作的動作完全一致，真實反映鉆機的工作狀態。主機械手夾緊抓取轉移槽中鉆桿-主機械手縮回-主機械手傾角增大-主機械手水平翻轉放鉆桿等動作。孿生仿真動作跟隨流暢。試驗結果表明：鉆機參數準確性和實時性滿足遠程控制要求，采用串口調試助手對比發送和接收的數據，未發生數據溢出及丟失現象，孿生模型畫面與實物鉆機動作時延<1 s，未出現卡滯現象，主機械手上鉆桿遠程控制如圖8所示。

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圖8 主機械手上鉆桿遠程控制

4.3 數字孿生遠程交互平臺試驗驗證

數字孿生遠程交互平臺集成功能提供了全面鉆進作業過程展示，并為決策提供依據，軟件界面顯示傳感器監測數據和鉆機狀態。遙控器參數顯示主要動作控制信號及狀態，動力頭狀態、姿態參數、壓力液位參數顯示壓力、位移、液位、溫度等傳感器信號，壓力監測包括大泵、小泵、主機械手、副機械手、轉移槽等狀態。接近開關狀態顯示傳感器開關狀態，鉆桿箱狀態顯示剩余鉆桿排布等。三維數字孿生模型同步展示鉆機動作，配合視頻窗口共同查看鉆機運行狀態，解決了操作視角盲區問題，及時了解鉆機工作狀態，減少故障發生概率。數字孿生遠程交互平臺采用了C/S設計模式，支持多點部署，可在井下、井上或辦公室等多個位置進行安裝和部署，滿足多地點監控，方便多部門協同檢測和共同管理，提升系統安全性和可靠性。數字孿生遠程交互平臺軟件界面如圖9所示。

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圖9 數字孿生遠程交互平臺軟件界面

4.4 故障診斷與預警驗證

為驗證故障診斷及預警功能的有效性及可靠性，人為設置故障點。觀測監測數據觸發警報，并通過系統提示解決故障恢復正常。

在前夾持器動作時，小泵壓力傳感器斷電，故障診斷程序判斷出小泵壓力異常，打鉆流程未執行下一步動作，故障程序采用故障樹反演模型算法，利用當前各傳感器反饋信號從故障數據庫中比對得出故障代碼，根據故障代碼反查原因分析表逐一排查，快速找出故障點，并給出故障排查方案。例如故障現象為夾持器卡在某一步，不執行下一步動作且長時間有憋壓聲，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，觀察對應壓力，此時壓力不滿足壓力判斷條件，分析原因為以下2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）壓力參數值顯示異常，檢查壓力傳感器。根據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，恢復壓力傳感器供電，鉆機工作正常。

通過故障診斷方法提高故障排查效率，專家數據庫故障診斷系統能發現潛在故障現象，后續不斷學習和優化預測故障可能發生位置，預測信息可供工作人員參考，采取相應的維護和修復措施。

結語

煤礦自動鉆機遠程交互系統研引入數字孿生技術，實現了數字孿生系統與鉆機設備仿真同步，孿生仿真動作跟隨流暢，時延<1 s，確保數字孿生系統準確反映實際鉆具設備狀態和行為，為鉆孔作業決策提供可靠的數據支持，解決了煤礦安全生產盲區問題，提供鉆機鉆進過程的詳細模擬和監控，有助于發現潛在安全隱患并提前采取措施。數字孿生交互系統的鉆機監測功能、故障診斷及預測功能實用性較強、反應敏捷，有助于避免生產中斷和安全事故的發生。下一步將結合地質勘探系統進行智能化、透明化地質提前探測開采，進行鉆孔自適應鉆進分析與預測，為井下無人化開采提供數據支持及借鑒。

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

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