中国煤科重庆研究院秦怡副研究员：基于数字孪生的煤矿自动钻机远程交互系统研发与应用
摘要
针对煤矿企业在瓦斯抽采作业中面临的1人多机、钻机运行状态全局视角差等问题，基于多传感器融合构建钻机属性和钻进动作的数字孪生场景，提出了数字孪生远程交互解决方案，实现了钻机三维模型孪生仿真功能；由传感系统获取物理真实数据与孪生虚拟数据串联，搭建多层次架构，面向钻机的远程交互平台，融入远程遥控、故障诊断及预警分析等功能；以ZYWL-3200Y全方位煤矿用双履带式自动钻机为载体，验证孪生平台的功能性及实时性，结果表明孪生仿真动作跟随流畅且能及时进行故障预警提示，提高了钻孔施工的生产智能化水平。
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
作者简介：秦怡，副研究员，主要从事钻探装备控制技术的相关研究工作。E-mail：249444610@qq.com
作者单位：中煤科工集团重庆研究院有限公司
引用格式：秦怡.基于数字孪生的煤矿自动钻机远程交互系统研发与应用[J].智能矿山，2025，6(4)：31-37.
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在煤矿瓦斯抽采作业的复杂环境中，钻孔装备是最重要的装备之一，现有系统的信息化、智能化和数字化建设不能支撑通过井上远程控制终端实现井下钻机减人、无人化操作。中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司（简称中国煤科重庆研究院）研发的井下钻机远程交互系统，通过多次试验与软硬件迭代，在钻机远程控制技术方面已有一定的研究基础。在远控系统监测自动钻机运行参数、近距离遥控钻机等方面的技术取得了一定的进步，但未能将虚拟模型与远程控制系统相结合，实现虚实互联。部分煤矿企业也在钻机地面远控方面进行了研究与实践，实现了监控钻进过程中施工工况参数，但摄像头采集钻机关键动作信息的视角盲区，存在一定安全隐患。
针对上述问题，以ZYWL-3200Y全方位煤矿用双履带式自动钻机为研究对象，开发适用于煤矿自动钻机的数字孪生远程交互系统，结合物联网、数字孪生虚实联动等技术，建立自动钻机数字孪生模型，通过采集及处理自动钻机钻进作业过程中的工况参数，仿真钻机关键动作过程，实现智能监测及故障预警等功能。
自动钻机远程交互系统
煤矿自动钻机远程交互系统主要包含数据采集、数据传输、数据处理、数据孪生建模、可视化交互和预警与决策，关键层级及功能包括6个方面，硬件交互架构如图1所示。
图1 煤矿自动钻机远程交互系统硬件交互架构
（1）数据采集层通过在自动钻机关键机械结构和设备上布设传感器网络，实时采集和监测温度、位移、振动、压力等钻机参数，通过钻机控制箱上传或下发传感器采集的数据。
（2）数据传输层将传感器采集的位移、压力、转速等数据传输至处理层进行分析。
（3）数据处理层以PLC为核心中央处理单元，对数据进行筛选、融合、特征提取，用于驱动数字孪生建模。
（4）数字孪生建模层根据钻机实际运行数据，构建数字孪生模型，实时反映钻机的运行状态、性能指标和故障情况。
（5）可视化交互层通过图表、图像等形式，直观展示钻机的运行状态和性能指标，便于用户进行监控和分析。
（6）预警与决策层发现潜在故障风险或优化状态，提供预警信息，帮助用户及时采取相应的措施，减少故障损失或优化生产过程。
稳定可靠的网络为远程交互系统提供多方面数据通道支持，网络拓扑结构分为井下钻孔施工工作面、地面操作中心机房和地面操作中心共3个层级，网络拓扑架构如图2所示。
图2 网络拓扑架构
（1）井下钻孔施工工作面以PLC控制器作为中心控制单元，通过RS485线连接各传感器和控制器扩展模块，实现数据的采集和控制。将以太网LAN接入井下交换机，数据传输至地面中心机房，实现对井下设备状态和数据的监测与管理。
（2）地面操作中心机房以相关服务器配备为基础，存储井下钻机施工面采集的数据、构建数字孪生模型并进行智能分析处理。
（3）工作人员通过地面操作中心监控井下现场相关信息，并对井下钻机进行远程操控及指导。
自动钻机远程交互的数字孪生系统建模
自动钻机远程交互的数字孪生模型架构包括钻机本体、数字孪生体、PLC控制系统等部分，数字孪生模型架构如图3所示。
图3 数字孪生模型架构
2.1 数字孪生系统模型搭建
模型搭建包含几何、数字及数学模型的搭建。用三维建模软件3ds Max搭建几何模型；并通过Unity3D进行系统UI设计，增强模型真实感；模型动作与实际钻机动作同步，将钻机实体与几何模型通过数据模型进行相互映射。几何建模以钻机为中心，周边环境也纳入设计模型中，动态模型按照1∶1设计具有详细动作部件模型，且每个动作与真实设备相同；静态模型包括巷道、煤层、其他安全设备等，相关传感器采集到环境数据，如温度、瓦斯浓度等。
2.2 数字孪生系统数据映射
将传感器采集数据通过映射关系与虚拟模型进行关联，建立映射矩阵，实现实时数据更新和同步。将实际设备状态映射到虚拟模型中，确保模型准确反映实际设备运行状态；上位机软件实时采集和显示数据并通过Modbus协议进行数据交换，实现监测和控制煤矿现场设备的状态和运行情况。控制器设置了传感器编号，方便区分不同传感器的数据来源，在数字孪生模型中，动作与PLC存储器变量一一对应，实体数据与孪生模型数据的地址映射见表1。
表1 实体数据与孪生模型数据的地址映射
2.3 数字孪生系统数据交互
数字孪生系统的数据交互分为多个层次和对象的交互，温度传感器、压力传感器等数据流为单向传输，采集数据传至PLC处理，再传输至数字孪生模型，实现状态监测、动作模拟及预测分析；位移传感器、编码器、电磁阀等数据流为双向传输，传感器将采集数据发至PLC和数字孪生模型，也可接收PLC或模型下发的指令，调整或执行特定动作，主要包含以下3个部分。
（1）遥控器与PLC控制器的交互通信
PLC与遥控器通过RS-485线连接，并使用Modbus通信协议交互。操作人员通过遥控器发送指令时，指令会通过Modbus协议被写入到PLC寄存单元中，与寄存单元相连的控制器接收到写入指令，并驱动电磁阀开启执行相关机构动作。
（2）孪生模型与PLC控制器交互
PLC控制器和Unity3D通过以太网进行数据传输。在Unity3D程序中，创建1个Socket客户端，把孪生模型各部件动作值传给PLC控制器，并接收PLC控制器传感器采集数值，完成双向数据交互。
（3）实体与孪生模型的交互
数据交互需考虑数据采集和指令传递。针对不同类型实体需采用相应的通信方式和协议，以实现数据准确传输和指令可靠执行，实体与孪生模型数据交互如图4所示。
图4 实体与孪生模型数据交互
2.4 可视化增强
动作可视化和三维模型展示是数字孪生系统的2个核心功能，三维模型展示将物理实体以三维模型形式呈现，通过旋转、平移、放大、缩小等操作全方位观察数字孪生模型的动作细节，清晰观察到钻进过程中动力头、机械手等关键部件的工作状态。数字孪生系统整合故障诊断与预警功能，通过分析实时数据，识别并预测潜在的故障风险，提前预警，避免故障对生产造成不良影响。
数字孪生系统仿真、故障诊断与预警预测
3.1 运动过程仿真
实时采集钻进现场作业数据，并应用于仿真模型中，模型按照实际姿态运动，完整展示钻机实际工作过程。现场只靠摄像头观察钻进姿态，会受光线、粉尘等环境影响，存在视角盲区，融合传感器实时采集姿态数据，运动过程仿真为远程操作人员提供钻机工况信息，并下发正确作业指令，提高了远程操作的准确性、安全及高效性，运动姿态仿真原理如图5所示。
图5 运动姿态仿真原理
3.2 故障诊断与预测预警
故障诊断与预警是数字孪生系统中的重要功能，通过现场经验累积，采用故障树逻辑建立故障模型及原因分析表，编写相应故障诊断程序，实现故障自诊断功能。通过故障反演方式排查故障点，程序会按照设定内容逐一对比，快速找出故障问题。预警功能在采集数据项设置阀值，当传感器监测值超出阀值，预警系统发出报警信号，指定具体问题位置及类型，帮助操作人员及时采取相应措施，避免出现更大的事故。故障树查询代码显示界面如图6所示。
图6 故障树查询代码显示界面
数字孪生方案试验及应用分析
以ZYWL-3200Y全方位煤矿用双履带式自动钻机为载体，搭建数字孪生远程交互系统平台，进行实验室及现场应用试验，验证数字孪生方案的功能性、实时性和可靠性。
4.1 试验硬件条件
试验现场操控钻机设备包括遥控器、井下远控站、地面控制站。遥控器可近距离操控钻机，范围为5 m内，井下控制站采用软键盘远控钻机，具有视频监控及数字孪生等功能；地面控制站与井下远控站功能相似，配有按钮及遥柄用于地面监控钻机。遥控器及远控站如图7所示。
图7 遥控器及远控站
除上述钻机操控设备外，系统配有多个传感器布置在关键动作机构上。PLC控制器及扩展模块置于电控箱中，网络交换机接入井下环网。数字孪生系统配接的传感器和控制器类型多、数量大，采集钻机操控的全面信息，提高数字孪生系统精准度，部分传感器及安装点见表2。
表2 部分传感器类别及安装点
4.2 远程控制试验验证
遥控器操作钻机测试主机械手、副机械手、夹持器、转移槽等关键部件动作，观察远程控制端模型动作同步情况，数字孪生模型完成的动作与实际操作的动作完全一致，真实反映钻机的工作状态。主机械手夹紧抓取转移槽中钻杆-主机械手缩回-主机械手倾角增大-主机械手水平翻转放钻杆等动作。孪生仿真动作跟随流畅。试验结果表明：钻机参数准确性和实时性满足远程控制要求，采用串口调试助手对比发送和接收的数据，未发生数据溢出及丢失现象，孪生模型画面与实物钻机动作时延<1 s，未出现卡滞现象，主机械手上钻杆远程控制如图8所示。
图8 主机械手上钻杆远程控制
4.3 数字孪生远程交互平台试验验证
数字孪生远程交互平台集成功能提供了全面钻进作业过程展示，并为决策提供依据，软件界面显示传感器监测数据和钻机状态。遥控器参数显示主要动作控制信号及状态，动力头状态、姿态参数、压力液位参数显示压力、位移、液位、温度等传感器信号，压力监测包括大泵、小泵、主机械手、副机械手、转移槽等状态。接近开关状态显示传感器开关状态，钻杆箱状态显示剩余钻杆排布等。三维数字孪生模型同步展示钻机动作，配合视频窗口共同查看钻机运行状态，解决了操作视角盲区问题，及时了解钻机工作状态，减少故障发生概率。数字孪生远程交互平台采用了C/S设计模式，支持多点部署，可在井下、井上或办公室等多个位置进行安装和部署，满足多地点监控，方便多部门协同检测和共同管理，提升系统安全性和可靠性。数字孪生远程交互平台软件界面如图9所示。
图9 数字孪生远程交互平台软件界面
4.4 故障诊断与预警验证
为验证故障诊断及预警功能的有效性及可靠性，人为设置故障点。观测监测数据触发警报，并通过系统提示解决故障恢复正常。
在前夹持器动作时，小泵压力传感器断电，故障诊断程序判断出小泵压力异常，打钻流程未执行下一步动作，故障程序采用故障树反演模型算法，利用当前各传感器反馈信号从故障数据库中比对得出故障代码，根据故障代码反查原因分析表逐一排查，快速找出故障点，并给出故障排查方案。例如故障现象为夹持器卡在某一步，不执行下一步动作且长时间有憋压声，显示故障代码005，程序分析夹持器夹紧、松开、正摆、反摆未完成，观察对应压力，此时压力不满足压力判断条件，分析原因为以下2方面，前夹持器故障及其原因分析见表3。
表3 前夹持器故障及其原因分析
（1）某种原因使夹持器压力降低，未满足到位条件。
（2）压力参数值显示异常，检查压力传感器。根据故障诊断程序给出的排查方案逐一排查，定位小泵压力传感器为故障点，恢复压力传感器供电，钻机工作正常。
通过故障诊断方法提高故障排查效率，专家数据库故障诊断系统能发现潜在故障现象，后续不断学习和优化预测故障可能发生位置，预测信息可供工作人员参考，采取相应的维护和修复措施。
结 语
煤矿自动钻机远程交互系统研引入数字孪生技术，实现了数字孪生系统与钻机设备仿真同步，孪生仿真动作跟随流畅，时延<1 s，确保数字孪生系统准确反映实际钻具设备状态和行为，为钻孔作业决策提供可靠的数据支持，解决了煤矿安全生产盲区问题，提供钻机钻进过程的详细模拟和监控，有助于发现潜在安全隐患并提前采取措施。数字孪生交互系统的钻机监测功能、故障诊断及预测功能实用性较强、反应敏捷，有助于避免生产中断和安全事故的发生。下一步将结合地质勘探系统进行智能化、透明化地质提前探测开采，进行钻孔自适应钻进分析与预测，为井下无人化开采提供数据支持及借鉴。
END
编辑丨李莎
审核丨赵瑞
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