上海煤科信息公司总经理闫东：综掘工作面数字孪生集控系统研发与应用

2025年06月09日 15:32 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

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摘要

针对煤矿综掘工作面智能化水平不足、设备协同效率低及安全风险高等问题，上海煤科信息科技有限公司研发了综掘工作面数字孪生集控系统。通过集成智能传感、三维建模、多源数据融合及远程协同控制技术，构建了设备实时监测、环境感知、工艺记忆截割、虚实同步驱动的智能集控平台；利用数字孪生技术建立掘进机运动学模型，结合多传感器数据实现设备姿态精确感知与三维场景动态仿真，支持远程自动截割轨迹规划及多设备（掘进机、除尘、运输系统）一键协同控制；融合AI算法实现超欠挖预警、碰撞预测及故障智能诊断，并通过AR眼镜与移动终端实现井下工况实时可视化监控。

文章来源：《智能矿山》2025年第5期“数字孪生技术研发及应用专题”栏目

第一作者：闫东，高级工程师，现任上海煤科信息科技有限公司执行董事、总经理，主要从事煤炭行业智能化及信息化建设的相关研究工作。E-mail：Huanfen22@163.com

作者单位：上海煤科信息科技有限公司

引用格式：闫东，佘晓帆，董玉琴. 综掘工作面数字孪生集控系统研发与应用[J]. 智能矿山，2025，6(4)：28-30.

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随着矿山智能化技术应用的进步，其生产和组织方式向安全、高效、绿色、智能方向发展，掘进过程的智能化和自动化运行，对于提升煤矿安全生产水平和生产效率具有重要意义。上海煤科信息科技有限公司以智能化掘进机为核心，依托智能传感、定位定向、监测监控、通信、远程控制、多信息远程重现、多设备协同以及集中控制等技术，构建智能化掘进工作系统；围绕安全、高效掘进构建边缘感知、平台决策、设备执行、远程运维４个维度的智能掘进系统基本架构，推动煤矿综合掘进装备的协同作业；构建数字孪生驱动的掘进装备远程智能控制模型及技术体系，研究远程虚拟呈现、精确位姿感知、孪生数据共享、虚实同步驱动、工艺记忆截割、设备群碰撞预警等技术是实现智能远程掘进常态化应用的有效途径。

综掘工作面数字孪生集控系统研发内容

研发掘进工作面智能集控系统平台，以智能掘进机和工作面辅助设备为终端，借助多元传感系统采集设备的运行状态和参数，通过融合多传感器数据算法，实现掘进工作面设备在系统平台的通信状态、设备运行状态、关键元件的生命周期、数据曲线、灾害智能感知、报警联动、设备协调控制等功能。利用基于数字孪生的仿真技术，模拟掘进工作面设备运行状况，实现掘进工作面三维场景再现。通过手机APP、AR眼镜等实现对掘进工作面设备运行工况展示、预警、故障诊断和控制等功能，综掘工作面数字孪生集控系统主要内容包括6个方面。

（1）数字孪生综掘工作面驱动模型

通过传感器获取综掘工作面现场数据，建立综掘工作面场景和掘进机设备相应的数字孪生驱动模型，完成模型动作编程及三维模型与三维场景的耦合，同步再现物理场景变化；建立掘进机运动学模型，利用数字孪生驱动模型动作，在虚拟场景中还原掘进机运行状态，综掘工作面数字孪生集控系统界面如图1所示。

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图1 综掘工作面数字孪生集控系统界面

（2）综掘工作面的远程自动截割

利用掘进施工工艺及协同控制理论，分布式协同集中控制掘进工作面掘进机、除尘系统、运输系统等设备，实现掘进机远程自动截割。掘进机自动截割控制预先获得巷道断面类型、掘进工艺和截割头外轮廓等参数，规划截割头运动轨迹，以截割轨迹规划为目标，视觉测量实际截割头位姿为基础坐标点，控制截割头实时位置及行走轨迹，综掘工作面智能监控中心如图2所示。

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图2 综掘工作面智能监控中心

（3）综掘工作面信息融合监测

通过掘进机的多元传感器，实时监测掘进机工况参数，当数据超过限值时，发出声光报警。工况监测系统实时监测现场作业环境中的粉尘、瓦斯等，发生超限数据时进行声光报警。掘进机远控平台的环境监测系统，智能监测掘进工作面环境的粉尘、瓦斯，并智能分析监测环境数据，以及掘、运工序的智能联动。融合掘进机和工作面高清摄像头，满足远程实时掌握工作面真实实施工作情况。

（4）综掘工作面安全预警与故障诊断

智能化掘进机在工作时出现运行参数异常报警、停机等现象，综掘工作面数字孪生集控系统会自动显示异常原因或停机原因，实现超欠挖、防碰撞等预警值设置和预警信息实时显示，便于检修人员维修和后期重点巡检。

（5）数据实时计算与多源异构数据存储

通过标准的springCloud+Hadoop大数据架构，综掘工作面数字孪生集控系统实现对综掘工作面地质、水文、钻探、微振、冲击地压、掘进设备、视频等数据汇总和融合分析，满足采掘工作的智能决策。

（6）跨系统多平台协同控制

综掘工作面数字孪生集控系统支持windows、安卓系统、iOS系统环境运行，综掘工作面井下集控室与井上调度室同时部署，现场操作人员可通过防爆手机或AR眼镜在井下实时监控综掘工作面，井下AR眼镜如图3所示。

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图3 井下AR眼镜

2. 综掘工作面数字孪生集控系统研发难点

（1）设备自感知不足、定位难度大

井下综掘工作面环境恶劣，设备传感器或高清摄像头在掘进工作面实际生产过程中受粉尘、振动等影响较大，监测效果不佳；掘进机采用惯导系统存在随时间积累误差逐步增大，需不断修正，导致综掘设备自感知不足、定位难度大等问题。

（2）缺少掘进机模型库展现现场设备工况

针对现有系统缺少掘进机模型库，不能真实展现现场设备工况，建立基于数字孪生的掘进机三维模型库，将机身传感器、摄像仪、惯性导航等装置进行数字孪生模型展示，并可通过对设备数字模型拖拽方式，自主搭建虚拟综掘工作面可视化场景，满足掘进工作面设备差异性，三维虚拟综掘工作面场景展示掘进机实时工作状态，进行预警并对预警设备放大处理。根据数据时间节点回溯设备状态进行分析诊断，调用现实画面远程监控可操作模型，并通过数据交互控制现实设备。

（3）现有控制系统是孤立掘进机控制系统

针对现有控制系统为孤立的掘进机控制系统情况，为实现集控系统对掘进设备、除尘系统设备、运输系统设备等掘进工作面主要设备的一键控制，当多系统具备控制条件时，通过一键控制功能，让所有设备按照控制逻辑顺序启动，实现截割、行走、铲板、星轮、转载、输送带和破碎机等协同控制。

（4）现有控制系统功能不完善

通过构建基于数字孪生的掘进工作面设备模型，再现掘进工作面真实场景，设备通过传感系统实时传输的数据库，关联基于数字孪生技术的仿真模型，在平台页面呈现与掘进工作面设备显示运行状态相匹配的动态模拟和实时工况。实现掘进工作面基于数字孪生技术的仿真、辅助管理系统、环境智能监测分析、掘进工作面设备监测与控制和多机协同控制。

（5）井下网络不稳定易造成数据延迟或丢包

煤矿自动化、信息化、智能化的快速发展，各类设备和系统不断增加，井下通信网络传输不稳定，易出现数据延迟或丢包现象，根据国家和各省智慧矿山建设指南中要求，建设万兆工业环网或井下5G网络覆盖。

综掘工作面数字孪生集控系统应用效果

（1）实际应用情况

目前，上海煤科信息科技有限公司研发的综掘工作面数字孪生集控系统已在彬县煤炭有限责任公司蒋家河煤矿、山西潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司、山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司李村煤矿、潞安集团蒲县伊田煤业有限公司落地应用。通过数字孪生技术，实时监测掘进机的工作效果与状态，实现掘进工作面的远程监控。通过采集与分析综掘工作面数据，模拟掘进机运动状况，提前判断掘进机机身位置、截割头位置，智能调整掘进机截割状态。通过对整个综掘工作面的三维仿真建模，并结合高清摄像头，实时监测工作面运行工况，提高掘进效率、降低生产安全风险。

（2）应用效果分析

国内煤炭企业多数掘进设备采用悬臂式掘进机，掘进设备在实际生产过程中，装备制造企业安装视频监控设施远程监视掘进面工况，但受作业环境阴暗及网络时延等影响，实时工况信息展示效果较差，综掘工作面数字孪生集控系统通过自动掘进为主、远程干预为辅的方式，降低了一线矿工的作业强度，保障生产安全。

结语

基于数字孪生的综掘工作面集控系统三维仿真满足煤矿智能化建设需求，自主研发的大数据平台实时三维仿真，满足煤矿生产环境的实用性和可靠性，实现了综掘工作面数字孪生集控系统在井下集控室和井上调度指挥室的应用；融合AI与三维仿真技术在综掘工作面的运用，对综采工作面数字孪生应用起到推进作用，积累与优化了矿用算法库。符合国家能源局《智能化示范煤矿验收管理办法》中对智能掘进工作面的相关要求，对其他智慧矿山项目具有示范意义。

END

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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《智能矿山》

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