内蒙古蒙泰不连沟选煤厂数字孪生系统应用实践

选煤厂智能化建设成果专栏

以不连沟选煤厂的智能化建设为背景，为了将选煤厂生产、管理、培训等智能应用场景多维度、多方式生动展示、查询、应用，最终实现不同应用角色的多层级数据分析、立体指挥，研究建设数字孪生系统。首先用三维技术构建三维场景，实现定制化数据接入与下置，支持定制化模型驱动和定制化业务融合，将以时间为变量的过程数据和以空间为变量的三维模型结合，实现了智能系统和物理环境全融合、多业务协同联动、综合调度预警，实现数字孪生、孪生控制和平行空间，助力洗煤厂高效生产和管理。

文章来源：《智能矿山》2025年第8期“选煤厂智能化建设成果专栏”

第一作者：段俊生，主要从事智能化煤矿的信息化建设工作。E-mail：76427386@qq.com

作者单位：内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司

引用格式：段俊生，温云峰，王占兴，等.不连沟选煤厂数字孪生系统应用实践[J].智能矿山，2025，6(8)：26-33.

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内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司不连沟选煤厂（简称不连沟选煤厂）为大型矿井型动力煤选煤厂，设计规模为10 Mt/a，选煤工艺简单，机械化及自动化程度较高，具备良好的智能化建设基础。

不连沟选煤厂新增的智能监测设备、控制系统和单一场景式管理系统，使得集控和生产管理模式面临系统和环境融合的全局感知分析难、单一系统业务调度作业管理效率低、孤岛数据跨场景业务联动难等方面的问题。

因此，亟须建设数字孪生系统智能选煤厂管理平台，实现智能系统和物理环境全融合、多业务协同联动、综合调度预警功能，为选煤厂智能生产、安全生产提供保障，为选煤厂稳定、高效管理提供帮助，最大限度地实现选煤厂提质增效。

数字孪生系统架构体系和建设内容

1.1 数字孪生系统总体架构体系

数字孪生系统基础架构体系主要包括5个方面，数字孪生系统总体框架体系如图1所示。

图1 数字孪生系统总体框架体系

（1）基础支撑层：包括各类设备、人员、工艺环节，是数字孪生的对象。

（2）数据互动层：包括数据的采集、传输和处理3个部分。数据采集部分主要是通过PLC、SCADA系统、各类仪器仪表、传感器、ZigBee节点等完成，实现从基础支撑层的各类设备上获取实时运行数据，保证及时、准确获得数据；

数据传输部分利用各种工业网络和协议，把数据从现场传输到数据中心，保证实时、有效传输数据；数据处理部分采用大数据处理框架和实时数据处理框架，对传输到数据中心的数据进行实时处理、离线处理和统计分析，形成各种实时数据集、分析报告和统计报表。

（3）建模仿真层：支持虚拟现实对象的3D模型构建，仿真模型构建，并提供对应的控制接口，供上层调用，实现对虚拟对象的控制。

（4）业务应用层：融入既有的实际业务应用功能，包括智能管理、智能控制、智能决策等。

（5）行业应用层：整合业务应用层功能，面向具体应用场景，提供完整的解决方案。

1.2 数字孪生子系统建设内容

选煤厂数字孪生包括选煤厂业务子系统、基础平台、核心平台和选煤厂数字孪生4个层次，数字孪生建设内容框架如图2所示。

图2 数字孪生建设内容框架

（1）选煤厂业务子系统：包括选煤厂现有的多种经营管理类子系统、生产类应用子系统，各子系统是选煤厂数字孪生的数据来源和交互对象。

（2）基础平台包括网络、开放云平台，通过网络和开放云平台，连接多个选煤厂业务子系统，支持多个子系统交互。

（3）核心平台包括智能综合管控平台、基础业务平台、数据融合平台和智能分析平台，是选煤厂智能化方案的核心。

（4）智能综合管控平台负责对接个应用，全面实现各子系统智能化管理的综合集成管理系统；基础业务平台提供标准的业务基础数据和业务协同管理；

数据融合平台集成选煤厂各子系统的多源异构数据，系统内所有基础数据、关键数据和实时数据都统一存储在数据融合平台，通过数据规范治理形成标准化数据，为智能分析平台和数字孪生选煤厂提供数据基础。

（5）智能分析平台完成设计数据处理流程，分配管理计算资源，管理数据集、算法库、模型库等资产，管理智能算法研发过程、知识沉淀、模型迁移，提供资源统筹、团队协作等人工智能工程化需求。

选煤厂数字孪生体系建设

2.1 设备数字孪生

（1）设备运行数字孪生

根据生产要素实体模型的实体设备，绑定对应的设备运行状态数据，实现物理设备与虚拟设备模型连接，显示设备的运行数据；根据设备当前状态，驱动设备动效，实现设备运作孪生。根据设备运行状态和运行数据变化，启动或停止相应的动效，包括振动筛振动、闸门开闭、输送带与刮板转动、仓位液位升降等。通过对各环节执行机构单体的开关量、模拟量数值动态展示，直观了解车间内各设备当前运行情况，实时监控生产设备，发现设备运行异常，提升设备管理效率。设备数字孪生见表1。

表1 设备数字孪生

（2）设备保护数字孪生

基于AI识别模块实现浅槽刮板保护孪生、运输刮板保护孪生、输送带综合保护孪生、桶篦子异常检测孪生。

（a）浅槽刮板保护孪生

通过重介浅槽刮板AI视觉识别，实时监测和识别浅槽刮板输送机运行状态，实现对刮板输送机链条、刮板、物料流动等关键部件和过程的自动识别与监测，浅槽刮板保护孪生界面如图3所示。

图3 浅槽刮板保护孪生界面

（b）运输刮板保护孪生

通过高清摄像头采集刮板输送机运行图像，利用AI算法处理和分析图像，实现对刮板输送机各种状态（如正常运行、异常振动、链条断裂、物料堵塞等）的自动识别与监测，运输刮板孪生保护界面如图4所示。

图4 运输刮板孪生保护界面

（c）输送带综合保护孪生

带式输送机综合保护专为选煤厂带式输送机安全运行设计。通过高清摄像头采集输送带运行过程，AI算法智能分析运行图像，实时监测和识别带式输送机运行状态和传输物，确保带式输送机的安全、高效运行，输送带保护孪生界面如图5所示。

图5 输送带保护孪生界面

（d）桶篦子异常检测孪生

通过高清摄像头采集桶篦子实时图像，AI算法智能分析实时图像，识别桶篦子出现的堵塞、破损、变形等异常情况，并及时发出预警信号，桶篦子监测孪生界面如图6所示。

图6 桶篦子监测孪生界面

2.2 流程数字孪生

（1）工艺流程孪生

根据工艺流程特点，在厂区模型和设备模型上实现透视模式，显示液位、料位、煤流、矸石动效，全方位模拟不同物质流（煤流、矸石流）走向，直观展现选煤工艺流程。

煤流孪生根据输送带秤读数，在输送带上孪生不同煤流量；介质流孪生实现介质循环中，合介管、稀介管和浓介管的介质流动；孪生水流清水管的清水流动情况；煤泥水孪生煤泥水管的煤泥水流动情况。

（2）智慧厂区数字孪生

建立出厂区的内部情况，包含仓储、桶液位、厂区整体设备情况、水流、介质流等情况和仓储效果。

（3）启停车数字孪生

数字孪生整个厂区的启停和正常生产情况，根据实际生产启停过程，实现输送带运转、筛子振动、浅槽运行、磁选机旋转的数字孪生，直观了解生产启停过程。

2.3 人员数字孪生

集成人员定位系统数据，实现人员孪生，包括人员建模、厂区人员定位孪生、智能点巡检孪生、历史轨迹回放和人员活动分析，人员定位孪生界面如图7所示。

图7 人员定位孪生界面

（1）人员建模

人员建模包括骨骼网络体，确定材质并贴图，实现人员动画，人员与位置信息绑定。

（2）厂区人员定位孪生

孪生厂区内定位系统中人员的具体位置，快速检索特定巡检人员信息，包括行走路线、停留时间等；展示定位人员的详细信息，实时监测厂区内人员具体位置，帮助管理者了解员工工作状态；孪生为不同人员、不同分类或角色，显示不同标签或图标。

（3）智能点巡检孪生

在数字孪生场景下，根据路线提示，完成巡检路线，实现对设备状态的实时监控和故障预警，提高巡检效率和管理水平。

（4）历史轨迹回放

查询并回放设定时间内人员行动轨迹，了解人员在事件发生时的位置和行动路径，用于事后分析和事件追溯。

（5）人员活动分析

分析人员停留时间、频繁访问区域等活动情况，帮助管理者与安全员发现潜在安全隐患或生产问题。

数字孪生控制

3.1 设备孪生控制

通过设备虚拟操作面板，控制设备启停、故障、运行参数（运行频率、正反转、开度等）。

（1）原煤准备-配仓刮板闸板控制孪生：孪生控制闸板开度，向控制系统发送指令，调整闸板位置。控制系统根据指令驱动实际闸板执行机构，实现闸板开度调整。

（2）原煤准备-给煤机闸板控制孪生：给煤机闸板控制孪生，通过控制闸板开度，实现原煤输送带煤量均衡。

（3）重介分选-补水阀控制孪生：输入补水阀设定开度值，补水阀门自行调整至设定开度。

（4）块煤脱泥-配筛刮板控制孪生：通过控制配筛刮板闸板开动，实现脱泥筛的给料均衡。

（5）产品储备-配仓刮板控制孪生：点击闸板对开度进行控制，从而根据需要实现仓位均衡。

3.2 智能孪生控制

（1）智能重介孪生

展示与智能重介系统相关的实时数据，详细呈现关键数据，直观展示稀介桶、合介桶及分流箱等设备的内部状态；提升生产过程的透明度和可控性，为优化生产流程和确保产品质量提供有力支持，智能重介孪生界面如图8所示。

图8 智能重介孪生界面

（2）智能浓缩孪生

隐藏浓缩车间泵房顶部结构，直观展示介质流、水流及煤流的动态流向，通过箭头指示，让用户能够清晰掌握浓缩过程中的流体动态，增强生产过程可视化效果，提高对浓缩工艺的理解与监控能力，智能浓缩孪生界面如图9所示。

图9 智能浓缩孪生界面

（3）智能压滤孪生

展示与智能压滤系统紧密相关的设备及其数据。压滤桶液位高度根据实时数据自动调整显示，实现数据驱动的可视化监控，提升压滤作业透明度，为企业优化压滤过程、提高生产效率提供强有力的技术支持，智能压滤孪生界面如图10所示。

图10 智能压滤孪生界面

（4）智能配电室孪生

建立选煤厂高、低压配电室数字孪生体，通过智能分析和远程控制，提高配电系统安全性和可靠性，降低运维成本，实现节能降耗的管理目标。

（5）智能照明孪生

根据用户所处位置，由系统自动打开对应区域光源灯光，实现数字孪生的人来灯亮，人走灯灭。

（6）智能冲洗孪生

实现在数字孪生中控制生产区域输送带廊的冲洗工作。

（7）智能加介孪生

在数字孪生中控制加介库的加介操作。

数字孪生平行空间

数字孪生平行空间支持从虚拟世界进入现实，支持与智能管理系统、智能配电室、智能集控室等现实系统和虚拟场景连接，建立对应现实场景的虚拟空间，实现业务功能和操作；实现现实系统和虚拟场景的对接，并建立数字孪生体，打通虚拟系统和现实系统的边界。

（1）智能管理系统

对接数字孪生系统与选煤厂智能管理系统，支持数字孪生场景下，访问选煤厂智能管理系统，包括生产管理、调度管理、机电管理、安全管理、能耗管理和煤质管理功能，实现在数字孪生体系下的全员、全场景、全流程覆盖，完成全厂全业务的生产管理闭环。

（2）智能集控室孪生

建立选煤厂智能集控室的数字孪生体，在平行空间-智能集控室，可快速切换进入现实世界系统，数字孪生平行空间界面如图11所示。

图11 数字孪生平行空间界面

（3）地理信息孪生

利用数字孪生映射，将实体在虚拟世界中的位置变动实时映射到地理坐标系统，并在界面动态显示此坐标，增强用户体验，直观了解实体在GIS环境中精确位置。

（4）虚拟现实设备

数字孪生结合虚拟现实设备，建立沉浸式交互界面，实时显示数字孪生模型的状态和数据，允许用户通过简单操作对生产过程进行干预和控制，交互界面提高用户使用体验和工作效率，虚拟现实功能示意界面如图12所示。

图12 虚拟现实功能示意界面

总 结

（1）不连沟选煤厂数字孪生建设实践，将视频画面、报警联动、设备档案、设备参数等数据与三维模型配合使用，融合实体空间和虚拟呈现，高精度数字孪生模型，真实反映选煤厂实际布局和设备状态；实现选煤厂各传感器、控制系统和数据库的数据融合，利用高效数据传输技术确保数字孪生系统与真实选煤厂的实时数据交互，实时反映选煤厂的生产状态，并支持智能化决策和远程控制。

（2）建立了智能重介、智能浓缩和智能压滤的数字孪生系统，直观监测与智能控制关键生产环节，提升工作效率20%。在数字孪生环境中展现更多的监控、分析、推演、预警，实现了设备状态、人员状态、信息事件的可视化，提升选煤厂综合管理效率20%。

（3）不连沟选煤厂数字孪生系统的实时监控和预测功能，及时发现并处理生产过程中的问题和隐患，减少事故发生概率；智能化控制系统的应用优化生产流程，提高能源利用效率和产品质量，降低运营成本，增强市场竞争力。

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