基于數字孿生的煤礦企業調車作業監控系統

胡志強，李季濤，王洪鑫

（1. 撫順礦業集團有限責任公司 運輸部，撫順 113008；2. 大連交通大學 交通運輸工程學院，大連 116028）

煤炭運輸是煤礦生產的重要環節，煤礦企業編組站的主要生產活動就是調車作業，中間站的調車作業也很普遍。此外，煤礦企業調車作業不僅涉及到站內走行，還存在大量的正線運行，途經各種限速區段和平交道口。因此，煤礦企業調車作業具有點多面廣、情況多變的特點。受調車作業地點多變、工作對象不固定、人員技能水平差別較大、天氣環境多樣等多方面因素的影響，調車作業安全管理難度較大。

數字孿生以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體行為，為物理實體擴展新的能力[1]。目前已在工業制造[2]、智能交通[3]等眾多領域得到應用。數字孿生技術能精確模擬現實環境的具體活動，對解決具有高時效性及高安全性要求的調車作業監控有天然優勢。

因此，為解決煤礦企業在動態多變環境下調車作業全過程的實時監測問題，破解安全管理“看不見、管不好、難預料”的困境，本文針對煤礦企業鐵路運輸突出的安全和效率痛點，以解決數據采集、遠程控制等技術難題為突破口，設計基于數字孿生的煤礦企業調車作業監控系統（簡稱：監控系統）。

1 調車作業實時監控需求分析

從煤礦企業的實際業務和數字孿生技術在調車工作中的潛在應用出發，調車作業實時監控的業務需求可分為作業安全需求、可視化需求、管理需求3方面。

1.1 作業安全需求

目前，煤礦企業鐵路調車作業安全防護主要依靠無線平面調車燈顯設備[4-5]，由于該設備的操作和使用效果較大程度上取決于調車司機的技能和操作經驗，因此受人的因素影響較大。在調車作業過程中，因為人為麻痹和疏忽導致的調車機車越過阻擋信號機所造成的擠岔事故，超速行駛造成的沖突事故和脫軌事故等慣性事故時有發生，嚴重威脅煤礦企業的鐵路運輸生產安全。

1.2 可視化需求

煤礦企業在過去10多年間實現了部分設備和流程的信息化，提高了管理的效率和效果[6-7]。然而，對于現場作業仍做不到實時或預防性管理，主要原因之一是管理者無法知曉生產現場的實際情況，決策周期較長?？梢?，提高調車作業管理水平的關鍵之一是可視化。如果能結合調機移動定位、煤炭企業專線鐵路網地圖顯示和安全防護設置，再輔以計算機聯鎖系統進路和信號機狀態，就能夠及時發現調車作業過程中的異?，F象，及時報警或采取遠程控制措施，從而避免因疲勞、疏忽等問題帶來的安全隱患，提升調車作業安全的主動防護能力。

1.3 管理需求

（1）煤礦企業專線鐵路管轄范圍較大、線路里程長、車站眾多，日常運營涉及機車、車輛、信號、傳感設備、裝卸設備、電力設備等，設備數量龐大、種類繁多，管理復雜度高；（2）企業運輸部門雖已有一些監控系統，但報警信息分散，故障根因追溯困難；（3）企業運輸部門現有應用系統眾多，數據分散，且不能在同一個平臺展示，管理者難以基于分散數據實現正確決策。

數字孿生作為一種充分利用模型、數據、智能算法并集成多學科的技術，能夠充分發揮連接物理世界和信息世界的紐帶作用，可在虛擬空間再現調車作業運營場景，通過虛實融合的系統實現方式，提高基礎設施的感知能力、分析能力、管理能力和服務能力。

2 監控系統構建

煤礦企業調車作業的數字孿生不是對調機、信號機、路網等物理對象的簡單數字化，而是根據具體業務需求，從模型處理、可視化渲染、虛實融合等多方面進行全過程、全交互、全實時的監控[8-9]。

2.1 技術架構

監控系統是基于煤礦企業調車工作安全管理需求構建的，主要由5類技術緊密結合而成，系統的技術架構，如圖1所示。

圖1 監控系統技術架構

其中，（1）感知與標識技術為監控系統提供了數據采集和傳輸能力，如從調機車載系統采集機車實時運行數據（速度、經緯度坐標），從計算機聯鎖（CI）系統采集信號機實時狀態數據等，并通過全域設施標識與路網模型集成；（2）空間地理信息技術為監控系統提供了集成底板、參照基準和調機實時位置地圖匹配服務；（3）建模與渲染技術為監控系統提供了基礎骨架，以實現對煤礦企業物理路網的精準刻畫與可視化呈現；（4）算法與仿真技術通過作業回溯、關聯分析對問題進行診斷總結，通過態勢模擬、深度學習將預測結果等呈現給管理人員用于決策；（5）交互與控制技術為管理者和工作人員對日常調車作業監控與管理提供了互動操作支撐。

2.2 系統總體架構

監控系統按照中心平臺與鐵路現場相結合的方式，設計了中心集中監測與管控方案，系統總體架構，如圖2所示。

圖2 監控系統總體架構

（1）基礎支撐層主要實現鐵路現場數據的采集，以及少量遠程控制功能，采集數據主要包括調機速度和位置數據、進路和信號機狀態數據、調車作業計劃、股道現車數據、線路環境數據及司機實時狀態；（2）基礎支撐層通過鐵路有線、無線通信網與路網數字孿生模型相連接，路網數字孿生模型為監控系統提供了數據、平臺和計算能力；（3）功能應用層為調度中心工作人員和管理人員提供了路網全部調車機車作業全過程可視化監控和調車司機狀態監控功能，在緊急情況下中心工作人員可對調機進行遠程控制，管理人員可對歷史作業過程進行回溯、分析、診斷，以滿足科學合理的決策需求。

3 關鍵技術

數字孿生技術是通過構建物理對象的數字化鏡像來描述物理對象在現實世界中的變化，以實現狀態監測、趨勢預測和安全管理。為此，需要解決數據采集與傳輸、路網數字孿生模型和遠程控制3方面的關鍵技術。

3.1 數據采集與傳輸

數字孿生的核心是模型和數據，建立完善的路網數字孿生模型是第一步，而融入更多的數據才是關鍵。調車作業監控系統需要獲取的主要數據是調機數據和線路信號數據，要想充分發揮監控系統的潛能，數據的準確性、一致性和傳輸的穩定性也至關重要。

（1）調機數據

為獲取調機位置、速度等實時數據，本文利用射頻識別技術（RFID，Radio Frequency Identification）、衛星定位模塊、視頻攝像頭等感知設備，實現對調車機車的實時數據采集，并對采集到的數據進行預處理；利用無線通信技術，將采集到的數據傳輸到地面服務器，實現在虛擬路網上對調車作業信息的持續更新，為生產管理、安全預警、遠程控制提供數據基礎。

（2）信號數據

研究多源數據融合技術，開發了與計算機聯鎖系統的數據交換接口；采用基于離散事件的觸發方式和推送協議，從計算機聯鎖系統實時獲取路網信號機狀態數據；采用全域標識技術為線路信號機、區段等物理對象賦予唯一的身份編碼，從而確保調車作業過程中的路網物理實體能與孿生空間中的路網數字虛體實現精準映射，從而實現了信號機狀態數據的采集、傳輸與可視化顯示。

3.2 路網數字孿生模型

為實現對調車作業的可視化實時監控，在獲取調機和信號數據基礎上，構建了與真實路網相映射的數字孿生路網，如圖3（a）所示，支持WGS84和CGCS2000投影坐標系。實現了以點和線段作為基本單位，對路網內進出站信號機、平交道口等關鍵位置進行個性化安全防護設置，為調車作業主動安全防護和調度中心遠程控制提供數據支持，如圖3（b）所示。對路網模型的有效管理，為監控系統提供了集成底板和參照基準。

圖3 路網數字孿生模型

3.3 遠程控制技術

為消除嚴重安全隱患，如違規冒進信號等行為，調車作業監控系統可根據調機實時位置和速度數據，結合路網數字孿生模型安全防護設置的信號機安全防護區段，判斷調機是否存在冒進信號行為；在調車機車駕駛室安裝了控制主機箱，如圖4（a）所示，實時接收調度中心監控系統發出的遠程控制指令；在機車制動風管處加裝電磁閥，如圖4（b）所示，在接收到主機箱指令后自動排風，調車機車緊急制動，實現了在緊急情況下對調車機車的遠程制動控制，可有效防止事故的發生。

圖4 調車機車遠程控制裝置

4 系統應用

目前，本文研發的基于數字孿生的煤礦企業調車作業監控系統已在撫順礦業集團有限公司運輸部上線運行。該公司運輸部路網線路總延長415 km，主要擔負著撫順礦業集團與國家鐵路的交接和礦內的列車運行、調車及裝卸作業。監控系統路網調車作業實時監控界面，如圖5所示，在路網模型上實時顯示了全部作業調機的位置和速度信息；單臺調機運行監控界面，如圖6所示，可更詳細地看到作業進路上的信號機狀態；實現了對調車司機作業過程的實時可視化監控?，F場實際應用表明，該系統能對該公司運輸部調車作業全過程進行較高精度的實時監控，有效降低了日常違規作業現象，消除了嚴重違規作業風險，提升了主動安全防護水平。

圖5 路網調車作業實時監控界面

圖6 單臺調機運行監控界面

5 結束語

在加快煤礦智能化發展的時代背景下，本文研制了基于數字孿生的煤礦企業調車作業監控系統，實現了對調車作業全過程的實時監控和安全管理，同時，支持跨設備、跨系統、跨流程的孿生一體化和決策控制一體化，具有一定的推廣應用價值。