選煤廠智能化建設(shè)成果專欄

以不連溝選煤廠的智能化建設(shè)為背景，為了將選煤廠生產(chǎn)、管理、培訓(xùn)等智能應(yīng)用場景多維度、多方式生動展示、查詢、應(yīng)用，最終實現(xiàn)不同應(yīng)用角色的多層級數(shù)據(jù)分析、立體指揮，研究建設(shè)數(shù)字孿生系統(tǒng)。首先用三維技術(shù)構(gòu)建三維場景，實現(xiàn)定制化數(shù)據(jù)接入與下置，支持定制化模型驅(qū)動和定制化業(yè)務(wù)融合，將以時間為變量的過程數(shù)據(jù)和以空間為變量的三維模型結(jié)合，實現(xiàn)了智能系統(tǒng)和物理環(huán)境全融合、多業(yè)務(wù)協(xié)同聯(lián)動、綜合調(diào)度預(yù)警，實現(xiàn)數(shù)字孿生、孿生控制和平行空間，助力洗煤廠高效生產(chǎn)和管理。

文章來源：《智能礦山》2025年第8期“選煤廠智能化建設(shè)成果專欄”

第一作者：段俊生，主要從事智能化煤礦的信息化建設(shè)工作。E-mail：76427386@qq.com

作者單位：內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司

引用格式：段俊生，溫云峰，王占興，等.不連溝選煤廠數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用實踐[J].智能礦山，2025，6(8)：26-33.

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內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司不連溝選煤廠（簡稱不連溝選煤廠）為大型礦井型動力煤選煤廠，設(shè)計規(guī)模為10 Mt/a，選煤工藝簡單，機(jī)械化及自動化程度較高，具備良好的智能化建設(shè)基礎(chǔ)。

不連溝選煤廠新增的智能監(jiān)測設(shè)備、控制系統(tǒng)和單一場景式管理系統(tǒng)，使得集控和生產(chǎn)管理模式面臨系統(tǒng)和環(huán)境融合的全局感知分析難、單一系統(tǒng)業(yè)務(wù)調(diào)度作業(yè)管理效率低、孤島數(shù)據(jù)跨場景業(yè)務(wù)聯(lián)動難等方面的問題。

因此，亟須建設(shè)數(shù)字孿生系統(tǒng)智能選煤廠管理平臺，實現(xiàn)智能系統(tǒng)和物理環(huán)境全融合、多業(yè)務(wù)協(xié)同聯(lián)動、綜合調(diào)度預(yù)警功能，為選煤廠智能生產(chǎn)、安全生產(chǎn)提供保障，為選煤廠穩(wěn)定、高效管理提供幫助，最大限度地實現(xiàn)選煤廠提質(zhì)增效。

數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)體系和建設(shè)內(nèi)容

1.1 數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)體系

數(shù)字孿生系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)體系主要包括5個方面，數(shù)字孿生系統(tǒng)總體框架體系如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生系統(tǒng)總體框架體系

（1）基礎(chǔ)支撐層：包括各類設(shè)備、人員、工藝環(huán)節(jié)，是數(shù)字孿生的對象。

（2）數(shù)據(jù)互動層：包括數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理3個部分。數(shù)據(jù)采集部分主要是通過PLC、SCADA系統(tǒng)、各類儀器儀表、傳感器、ZigBee節(jié)點等完成，實現(xiàn)從基礎(chǔ)支撐層的各類設(shè)備上獲取實時運行數(shù)據(jù)，保證及時、準(zhǔn)確獲得數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)傳輸部分利用各種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，把數(shù)據(jù)從現(xiàn)場傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，保證實時、有效傳輸數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理部分采用大數(shù)據(jù)處理框架和實時數(shù)據(jù)處理框架，對傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理、離線處理和統(tǒng)計分析，形成各種實時數(shù)據(jù)集、分析報告和統(tǒng)計報表。

（3）建模仿真層：支持虛擬現(xiàn)實對象的3D模型構(gòu)建，仿真模型構(gòu)建，并提供對應(yīng)的控制接口，供上層調(diào)用，實現(xiàn)對虛擬對象的控制。

（4）業(yè)務(wù)應(yīng)用層：融入既有的實際業(yè)務(wù)應(yīng)用功能，包括智能管理、智能控制、智能決策等。

（5）行業(yè)應(yīng)用層：整合業(yè)務(wù)應(yīng)用層功能，面向具體應(yīng)用場景，提供完整的解決方案。

1.2 數(shù)字孿生子系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

選煤廠數(shù)字孿生包括選煤廠業(yè)務(wù)子系統(tǒng)、基礎(chǔ)平臺、核心平臺和選煤廠數(shù)字孿生4個層次，數(shù)字孿生建設(shè)內(nèi)容框架如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生建設(shè)內(nèi)容框架

（1）選煤廠業(yè)務(wù)子系統(tǒng)：包括選煤廠現(xiàn)有的多種經(jīng)營管理類子系統(tǒng)、生產(chǎn)類應(yīng)用子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)是選煤廠數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)來源和交互對象。

（2）基礎(chǔ)平臺包括網(wǎng)絡(luò)、開放云平臺，通過網(wǎng)絡(luò)和開放云平臺，連接多個選煤廠業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，支持多個子系統(tǒng)交互。

（3）核心平臺包括智能綜合管控平臺、基礎(chǔ)業(yè)務(wù)平臺、數(shù)據(jù)融合平臺和智能分析平臺，是選煤廠智能化方案的核心。

（4）智能綜合管控平臺負(fù)責(zé)對接個應(yīng)用，全面實現(xiàn)各子系統(tǒng)智能化管理的綜合集成管理系統(tǒng)；基礎(chǔ)業(yè)務(wù)平臺提供標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)協(xié)同管理；

數(shù)據(jù)融合平臺集成選煤廠各子系統(tǒng)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)都統(tǒng)一存儲在數(shù)據(jù)融合平臺，通過數(shù)據(jù)規(guī)范治理形成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，為智能分析平臺和數(shù)字孿生選煤廠提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（5）智能分析平臺完成設(shè)計數(shù)據(jù)處理流程，分配管理計算資源，管理數(shù)據(jù)集、算法庫、模型庫等資產(chǎn)，管理智能算法研發(fā)過程、知識沉淀、模型遷移，提供資源統(tǒng)籌、團(tuán)隊協(xié)作等人工智能工程化需求。

選煤廠數(shù)字孿生體系建設(shè)

2.1 設(shè)備數(shù)字孿生

（1）設(shè)備運行數(shù)字孿生

根據(jù)生產(chǎn)要素實體模型的實體設(shè)備，綁定對應(yīng)的設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物理設(shè)備與虛擬設(shè)備模型連接，顯示設(shè)備的運行數(shù)據(jù)；根據(jù)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，驅(qū)動設(shè)備動效，實現(xiàn)設(shè)備運作孿生。根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)變化，啟動或停止相應(yīng)的動效，包括振動篩振動、閘門開閉、輸送帶與刮板轉(zhuǎn)動、倉位液位升降等。通過對各環(huán)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)單體的開關(guān)量、模擬量數(shù)值動態(tài)展示，直觀了解車間內(nèi)各設(shè)備當(dāng)前運行情況，實時監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行異常，提升設(shè)備管理效率。設(shè)備數(shù)字孿生見表1。

表1 設(shè)備數(shù)字孿生

（2）設(shè)備保護(hù)數(shù)字孿生

基于AI識別模塊實現(xiàn)淺槽刮板保護(hù)孿生、運輸刮板保護(hù)孿生、輸送帶綜合保護(hù)孿生、桶篦子異常檢測孿生。

（a）淺槽刮板保護(hù)孿生

通過重介淺槽刮板AI視覺識別，實時監(jiān)測和識別淺槽刮板輸送機(jī)運行狀態(tài)，實現(xiàn)對刮板輸送機(jī)鏈條、刮板、物料流動等關(guān)鍵部件和過程的自動識別與監(jiān)測，淺槽刮板保護(hù)孿生界面如圖3所示。

圖3 淺槽刮板保護(hù)孿生界面

（b）運輸刮板保護(hù)孿生

通過高清攝像頭采集刮板輸送機(jī)運行圖像，利用AI算法處理和分析圖像，實現(xiàn)對刮板輸送機(jī)各種狀態(tài)（如正常運行、異常振動、鏈條斷裂、物料堵塞等）的自動識別與監(jiān)測，運輸刮板孿生保護(hù)界面如圖4所示。

圖4 運輸刮板孿生保護(hù)界面

（c）輸送帶綜合保護(hù)孿生

帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)專為選煤廠帶式輸送機(jī)安全運行設(shè)計。通過高清攝像頭采集輸送帶運行過程，AI算法智能分析運行圖像，實時監(jiān)測和識別帶式輸送機(jī)運行狀態(tài)和傳輸物，確保帶式輸送機(jī)的安全、高效運行，輸送帶保護(hù)孿生界面如圖5所示。

圖5 輸送帶保護(hù)孿生界面

（d）桶篦子異常檢測孿生

通過高清攝像頭采集桶篦子實時圖像，AI算法智能分析實時圖像，識別桶篦子出現(xiàn)的堵塞、破損、變形等異常情況，并及時發(fā)出預(yù)警信號，桶篦子監(jiān)測孿生界面如圖6所示。

圖6 桶篦子監(jiān)測孿生界面

2.2 流程數(shù)字孿生

（1）工藝流程孿生

根據(jù)工藝流程特點，在廠區(qū)模型和設(shè)備模型上實現(xiàn)透視模式，顯示液位、料位、煤流、矸石動效，全方位模擬不同物質(zhì)流（煤流、矸石流）走向，直觀展現(xiàn)選煤工藝流程。

煤流孿生根據(jù)輸送帶秤讀數(shù)，在輸送帶上孿生不同煤流量；介質(zhì)流孿生實現(xiàn)介質(zhì)循環(huán)中，合介管、稀介管和濃介管的介質(zhì)流動；孿生水流清水管的清水流動情況；煤泥水孿生煤泥水管的煤泥水流動情況。

（2）智慧廠區(qū)數(shù)字孿生

建立出廠區(qū)的內(nèi)部情況，包含倉儲、桶液位、廠區(qū)整體設(shè)備情況、水流、介質(zhì)流等情況和倉儲效果。

（3）啟停車數(shù)字孿生

數(shù)字孿生整個廠區(qū)的啟停和正常生產(chǎn)情況，根據(jù)實際生產(chǎn)啟停過程，實現(xiàn)輸送帶運轉(zhuǎn)、篩子振動、淺槽運行、磁選機(jī)旋轉(zhuǎn)的數(shù)字孿生，直觀了解生產(chǎn)啟停過程。

2.3 人員數(shù)字孿生

集成人員定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人員孿生，包括人員建模、廠區(qū)人員定位孿生、智能點巡檢孿生、歷史軌跡回放和人員活動分析，人員定位孿生界面如圖7所示。

圖7 人員定位孿生界面

（1）人員建模

人員建模包括骨骼網(wǎng)絡(luò)體，確定材質(zhì)并貼圖，實現(xiàn)人員動畫，人員與位置信息綁定。

（2）廠區(qū)人員定位孿生

孿生廠區(qū)內(nèi)定位系統(tǒng)中人員的具體位置，快速檢索特定巡檢人員信息，包括行走路線、停留時間等；展示定位人員的詳細(xì)信息，實時監(jiān)測廠區(qū)內(nèi)人員具體位置，幫助管理者了解員工工作狀態(tài)；孿生為不同人員、不同分類或角色，顯示不同標(biāo)簽或圖標(biāo)。

（3）智能點巡檢孿生

在數(shù)字孿生場景下，根據(jù)路線提示，完成巡檢路線，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控和故障預(yù)警，提高巡檢效率和管理水平。

（4）歷史軌跡回放

查詢并回放設(shè)定時間內(nèi)人員行動軌跡，了解人員在事件發(fā)生時的位置和行動路徑，用于事后分析和事件追溯。

（5）人員活動分析

分析人員停留時間、頻繁訪問區(qū)域等活動情況，幫助管理者與安全員發(fā)現(xiàn)潛在安全隱患或生產(chǎn)問題。

數(shù)字孿生控制

3.1 設(shè)備孿生控制

通過設(shè)備虛擬操作面板，控制設(shè)備啟停、故障、運行參數(shù)（運行頻率、正反轉(zhuǎn)、開度等）。

（1）原煤準(zhǔn)備-配倉刮板閘板控制孿生：孿生控制閘板開度，向控制系統(tǒng)發(fā)送指令，調(diào)整閘板位置?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)指令驅(qū)動實際閘板執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)閘板開度調(diào)整。

（2）原煤準(zhǔn)備-給煤機(jī)閘板控制孿生：給煤機(jī)閘板控制孿生，通過控制閘板開度，實現(xiàn)原煤輸送帶煤量均衡。

（3）重介分選-補(bǔ)水閥控制孿生：輸入補(bǔ)水閥設(shè)定開度值，補(bǔ)水閥門自行調(diào)整至設(shè)定開度。

（4）塊煤脫泥-配篩刮板控制孿生：通過控制配篩刮板閘板開動，實現(xiàn)脫泥篩的給料均衡。

（5）產(chǎn)品儲備-配倉刮板控制孿生：點擊閘板對開度進(jìn)行控制，從而根據(jù)需要實現(xiàn)倉位均衡。

3.2 智能孿生控制

（1）智能重介孿生

展示與智能重介系統(tǒng)相關(guān)的實時數(shù)據(jù)，詳細(xì)呈現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，直觀展示稀介桶、合介桶及分流箱等設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)；提升生產(chǎn)過程的透明度和可控性，為優(yōu)化生產(chǎn)流程和確保產(chǎn)品質(zhì)量提供有力支持，智能重介孿生界面如圖8所示。

圖8 智能重介孿生界面

（2）智能濃縮孿生

隱藏濃縮車間泵房頂部結(jié)構(gòu)，直觀展示介質(zhì)流、水流及煤流的動態(tài)流向，通過箭頭指示，讓用戶能夠清晰掌握濃縮過程中的流體動態(tài)，增強(qiáng)生產(chǎn)過程可視化效果，提高對濃縮工藝的理解與監(jiān)控能力，智能濃縮孿生界面如圖9所示。

圖9 智能濃縮孿生界面

（3）智能壓濾孿生

展示與智能壓濾系統(tǒng)緊密相關(guān)的設(shè)備及其數(shù)據(jù)。壓濾桶液位高度根據(jù)實時數(shù)據(jù)自動調(diào)整顯示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的可視化監(jiān)控，提升壓濾作業(yè)透明度，為企業(yè)優(yōu)化壓濾過程、提高生產(chǎn)效率提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，智能壓濾孿生界面如圖10所示。

圖10 智能壓濾孿生界面

（4）智能配電室孿生

建立選煤廠高、低壓配電室數(shù)字孿生體，通過智能分析和遠(yuǎn)程控制，提高配電系統(tǒng)安全性和可靠性，降低運維成本，實現(xiàn)節(jié)能降耗的管理目標(biāo)。

（5）智能照明孿生

根據(jù)用戶所處位置，由系統(tǒng)自動打開對應(yīng)區(qū)域光源燈光，實現(xiàn)數(shù)字孿生的人來燈亮，人走燈滅。

（6）智能沖洗孿生

實現(xiàn)在數(shù)字孿生中控制生產(chǎn)區(qū)域輸送帶廊的沖洗工作。

（7）智能加介孿生

在數(shù)字孿生中控制加介庫的加介操作。

數(shù)字孿生平行空間

數(shù)字孿生平行空間支持從虛擬世界進(jìn)入現(xiàn)實，支持與智能管理系統(tǒng)、智能配電室、智能集控室等現(xiàn)實系統(tǒng)和虛擬場景連接，建立對應(yīng)現(xiàn)實場景的虛擬空間，實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能和操作；實現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)和虛擬場景的對接，并建立數(shù)字孿生體，打通虛擬系統(tǒng)和現(xiàn)實系統(tǒng)的邊界。

（1）智能管理系統(tǒng)

對接數(shù)字孿生系統(tǒng)與選煤廠智能管理系統(tǒng)，支持?jǐn)?shù)字孿生場景下，訪問選煤廠智能管理系統(tǒng)，包括生產(chǎn)管理、調(diào)度管理、機(jī)電管理、安全管理、能耗管理和煤質(zhì)管理功能，實現(xiàn)在數(shù)字孿生體系下的全員、全場景、全流程覆蓋，完成全廠全業(yè)務(wù)的生產(chǎn)管理閉環(huán)。

（2）智能集控室孿生

建立選煤廠智能集控室的數(shù)字孿生體，在平行空間-智能集控室，可快速切換進(jìn)入現(xiàn)實世界系統(tǒng)，數(shù)字孿生平行空間界面如圖11所示。

圖11 數(shù)字孿生平行空間界面

（3）地理信息孿生

利用數(shù)字孿生映射，將實體在虛擬世界中的位置變動實時映射到地理坐標(biāo)系統(tǒng)，并在界面動態(tài)顯示此坐標(biāo)，增強(qiáng)用戶體驗，直觀了解實體在GIS環(huán)境中精確位置。

（4）虛擬現(xiàn)實設(shè)備

數(shù)字孿生結(jié)合虛擬現(xiàn)實設(shè)備，建立沉浸式交互界面，實時顯示數(shù)字孿生模型的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，允許用戶通過簡單操作對生產(chǎn)過程進(jìn)行干預(yù)和控制，交互界面提高用戶使用體驗和工作效率，虛擬現(xiàn)實功能示意界面如圖12所示。

圖12 虛擬現(xiàn)實功能示意界面

總 結(jié)

（1）不連溝選煤廠數(shù)字孿生建設(shè)實踐，將視頻畫面、報警聯(lián)動、設(shè)備檔案、設(shè)備參數(shù)等數(shù)據(jù)與三維模型配合使用，融合實體空間和虛擬呈現(xiàn)，高精度數(shù)字孿生模型，真實反映選煤廠實際布局和設(shè)備狀態(tài)；實現(xiàn)選煤廠各傳感器、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)融合，利用高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)確保數(shù)字孿生系統(tǒng)與真實選煤廠的實時數(shù)據(jù)交互，實時反映選煤廠的生產(chǎn)狀態(tài)，并支持智能化決策和遠(yuǎn)程控制。

（2）建立了智能重介、智能濃縮和智能壓濾的數(shù)字孿生系統(tǒng)，直觀監(jiān)測與智能控制關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提升工作效率20%。在數(shù)字孿生環(huán)境中展現(xiàn)更多的監(jiān)控、分析、推演、預(yù)警，實現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)、人員狀態(tài)、信息事件的可視化，提升選煤廠綜合管理效率20%。

（3）不連溝選煤廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的實時監(jiān)控和預(yù)測功能，及時發(fā)現(xiàn)并處理生產(chǎn)過程中的問題和隱患，減少事故發(fā)生概率；智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高能源利用效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低運營成本，增強(qiáng)市場競爭力。

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