基于數(shù)字孿生的煤礦企業(yè)調(diào)車(chē)作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

胡志強(qiáng)，李季濤，王洪鑫

（1. 撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 運(yùn)輸部，撫順 113008；2. 大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，大連 116028）

煤炭運(yùn)輸是煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，煤礦企業(yè)編組站的主要生產(chǎn)活動(dòng)就是調(diào)車(chē)作業(yè)，中間站的調(diào)車(chē)作業(yè)也很普遍。此外，煤礦企業(yè)調(diào)車(chē)作業(yè)不僅涉及到站內(nèi)走行，還存在大量的正線運(yùn)行，途經(jīng)各種限速區(qū)段和平交道口。因此，煤礦企業(yè)調(diào)車(chē)作業(yè)具有點(diǎn)多面廣、情況多變的特點(diǎn)。受調(diào)車(chē)作業(yè)地點(diǎn)多變、工作對(duì)象不固定、人員技能水平差別較大、天氣環(huán)境多樣等多方面因素的影響，調(diào)車(chē)作業(yè)安全管理難度較大。

數(shù)字孿生以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體行為，為物理實(shí)體擴(kuò)展新的能力[1]。目前已在工業(yè)制造[2]、智能交通[3]等眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)能精確模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的具體活動(dòng)，對(duì)解決具有高時(shí)效性及高安全性要求的調(diào)車(chē)作業(yè)監(jiān)控有天然優(yōu)勢(shì)。

因此，為解決煤礦企業(yè)在動(dòng)態(tài)多變環(huán)境下調(diào)車(chē)作業(yè)全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，破解安全管理“看不見(jiàn)、管不好、難預(yù)料”的困境，本文針對(duì)煤礦企業(yè)鐵路運(yùn)輸突出的安全和效率痛點(diǎn)，以解決數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)難題為突破口，設(shè)計(jì)基于數(shù)字孿生的煤礦企業(yè)調(diào)車(chē)作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)：監(jiān)控系統(tǒng)）。

1 調(diào)車(chē)作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控需求分析

從煤礦企業(yè)的實(shí)際業(yè)務(wù)和數(shù)字孿生技術(shù)在調(diào)車(chē)工作中的潛在應(yīng)用出發(fā)，調(diào)車(chē)作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控的業(yè)務(wù)需求可分為作業(yè)安全需求、可視化需求、管理需求3方面。

1.1 作業(yè)安全需求

目前，煤礦企業(yè)鐵路調(diào)車(chē)作業(yè)安全防護(hù)主要依靠無(wú)線平面調(diào)車(chē)燈顯設(shè)備[4-5]，由于該設(shè)備的操作和使用效果較大程度上取決于調(diào)車(chē)司機(jī)的技能和操作經(jīng)驗(yàn)，因此受人的因素影響較大。在調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程中，因?yàn)槿藶槁楸院褪韬鰧?dǎo)致的調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)越過(guò)阻擋信號(hào)機(jī)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(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅煤礦企業(yè)的鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全。

1.2 可視化需求

煤礦企業(yè)在過(guò)去10多年間實(shí)現(xiàn)了部分設(shè)備和流程的信息化，提高了管理的效率和效果[6-7]。然而，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)仍做不到實(shí)時(shí)或預(yù)防性管理，主要原因之一是管理者無(wú)法知曉生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，決策周期較長(zhǎng)。可見(jiàn)，提高調(diào)車(chē)作業(yè)管理水平的關(guān)鍵之一是可視化。如果能結(jié)合調(diào)機(jī)移動(dòng)定位、煤炭企業(yè)專(zhuān)線鐵路網(wǎng)地圖顯示和安全防護(hù)設(shè)置，再輔以計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)路和信號(hào)機(jī)狀態(tài)，就能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程中的異常現(xiàn)象，及時(shí)報(bào)警或采取遠(yuǎn)程控制措施，從而避免因疲勞、疏忽等問(wèn)題帶來(lái)的安全隱患，提升調(diào)車(chē)作業(yè)安全的主動(dòng)防護(hù)能力。

1.3 管理需求

（1）煤礦企業(yè)專(zhuān)線鐵路管轄范圍較大、線路里程長(zhǎng)、車(chē)站眾多，日常運(yùn)營(yíng)涉及機(jī)車(chē)、車(chē)輛、信號(hào)、傳感設(shè)備、裝卸設(shè)備、電力設(shè)備等，設(shè)備數(shù)量龐大、種類(lèi)繁多，管理復(fù)雜度高；（2）企業(yè)運(yùn)輸部門(mén)雖已有一些監(jiān)控系統(tǒng)，但報(bào)警信息分散，故障根因追溯困難；（3）企業(yè)運(yùn)輸部門(mén)現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)眾多，數(shù)據(jù)分散，且不能在同一個(gè)平臺(tái)展示，管理者難以基于分散數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)正確決策。

數(shù)字孿生作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能算法并集成多學(xué)科的技術(shù)，能夠充分發(fā)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(xiàn)調(diào)車(chē)作業(yè)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，通過(guò)虛實(shí)融合的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，提高基礎(chǔ)設(shè)施的感知能力、分析能力、管理能力和服務(wù)能力。

2 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

煤礦企業(yè)調(diào)車(chē)作業(yè)的數(shù)字孿生不是對(duì)調(diào)機(jī)、信號(hào)機(jī)、路網(wǎng)等物理對(duì)象的簡(jiǎn)單數(shù)字化，而是根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求，從模型處理、可視化渲染、虛實(shí)融合等多方面進(jìn)行全過(guò)程、全交互、全實(shí)時(shí)的監(jiān)控[8-9]。

2.1 技術(shù)架構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)是基于煤礦企業(yè)調(diào)車(chē)工作安全管理需求構(gòu)建的，主要由5類(lèi)技術(shù)緊密結(jié)合而成，系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

其中，（1）感知與標(biāo)識(shí)技術(shù)為監(jiān)控系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)采集和傳輸能力，如從調(diào)機(jī)車(chē)載系統(tǒng)采集機(jī)車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)（速度、經(jīng)緯度坐標(biāo)），從計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）系統(tǒng)采集信號(hào)機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)等，并通過(guò)全域設(shè)施標(biāo)識(shí)與路網(wǎng)模型集成；（2）空間地理信息技術(shù)為監(jiān)控系統(tǒng)提供了集成底板、參照基準(zhǔn)和調(diào)機(jī)實(shí)時(shí)位置地圖匹配服務(wù)；（3）建模與渲染技術(shù)為監(jiān)控系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)骨架，以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦企業(yè)物理路網(wǎng)的精準(zhǔn)刻畫(huà)與可視化呈現(xiàn)；（4）算法與仿真技術(shù)通過(guò)作業(yè)回溯、關(guān)聯(lián)分析對(duì)問(wèn)題進(jìn)行診斷總結(jié)，通過(guò)態(tài)勢(shì)模擬、深度學(xué)習(xí)將預(yù)測(cè)結(jié)果等呈現(xiàn)給管理人員用于決策；（5）交互與控制技術(shù)為管理者和工作人員對(duì)日常調(diào)車(chē)作業(yè)監(jiān)控與管理提供了互動(dòng)操作支撐。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)按照中心平臺(tái)與鐵路現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了中心集中監(jiān)測(cè)與管控方案，系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)支撐層主要實(shí)現(xiàn)鐵路現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，以及少量遠(yuǎn)程控制功能，采集數(shù)據(jù)主要包括調(diào)機(jī)速度和位置數(shù)據(jù)、進(jìn)路和信號(hào)機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)、調(diào)車(chē)作業(yè)計(jì)劃、股道現(xiàn)車(chē)數(shù)據(jù)、線路環(huán)境數(shù)據(jù)及司機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)；（2）基礎(chǔ)支撐層通過(guò)鐵路有線、無(wú)線通信網(wǎng)與路網(wǎng)數(shù)字孿生模型相連接，路網(wǎng)數(shù)字孿生模型為監(jiān)控系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)、平臺(tái)和計(jì)算能力；（3）功能應(yīng)用層為調(diào)度中心工作人員和管理人員提供了路網(wǎng)全部調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)作業(yè)全過(guò)程可視化監(jiān)控和調(diào)車(chē)司機(jī)狀態(tài)監(jiān)控功能，在緊急情況下中心工作人員可對(duì)調(diào)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，管理人員可對(duì)歷史作業(yè)過(guò)程進(jìn)行回溯、分析、診斷，以滿足科學(xué)合理的決策需求。

3 關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)是通過(guò)構(gòu)建物理對(duì)象的數(shù)字化鏡像來(lái)描述物理對(duì)象在現(xiàn)實(shí)世界中的變化，以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和安全管理。為此，需要解決數(shù)據(jù)采集與傳輸、路網(wǎng)數(shù)字孿生模型和遠(yuǎn)程控制3方面的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù)，建立完善的路網(wǎng)數(shù)字孿生模型是第一步，而融入更多的數(shù)據(jù)才是關(guān)鍵。調(diào)車(chē)作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)需要獲取的主要數(shù)據(jù)是調(diào)機(jī)數(shù)據(jù)和線路信號(hào)數(shù)據(jù)，要想充分發(fā)揮監(jiān)控系統(tǒng)的潛能，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性和傳輸?shù)姆€(wěn)定性也至關(guān)重要。

（1）調(diào)機(jī)數(shù)據(jù)

為獲取調(diào)機(jī)位置、速度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，本文利用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID，Radio Frequency Identification）、衛(wèi)星定位模塊、視頻攝像頭等感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；利用無(wú)線通信技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娣?wù)器，實(shí)現(xiàn)在虛擬路網(wǎng)上對(duì)調(diào)車(chē)作業(yè)信息的持續(xù)更新，為生產(chǎn)管理、安全預(yù)警、遠(yuǎn)程控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）信號(hào)數(shù)據(jù)

研究多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，開(kāi)發(fā)了與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換接口；采用基于離散事件的觸發(fā)方式和推送協(xié)議，從計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取路網(wǎng)信號(hào)機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)；采用全域標(biāo)識(shí)技術(shù)為線路信號(hào)機(jī)、區(qū)段等物理對(duì)象賦予唯一的身份編碼，從而確保調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程中的路網(wǎng)物理實(shí)體能與孿生空間中的路網(wǎng)數(shù)字虛體實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)映射，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、傳輸與可視化顯示。

3.2 路網(wǎng)數(shù)字孿生模型

為實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)車(chē)作業(yè)的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控，在獲取調(diào)機(jī)和信號(hào)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了與真實(shí)路網(wǎng)相映射的數(shù)字孿生路網(wǎng)，如圖3（a）所示，支持WGS84和CGCS2000投影坐標(biāo)系。實(shí)現(xiàn)了以點(diǎn)和線段作為基本單位，對(duì)路網(wǎng)內(nèi)進(jìn)出站信號(hào)機(jī)、平交道口等關(guān)鍵位置進(jìn)行個(gè)性化安全防護(hù)設(shè)置，為調(diào)車(chē)作業(yè)主動(dòng)安全防護(hù)和調(diào)度中心遠(yuǎn)程控制提供數(shù)據(jù)支持，如圖3（b）所示。對(duì)路網(wǎng)模型的有效管理，為監(jiān)控系統(tǒng)提供了集成底板和參照基準(zhǔn)。

圖3 路網(wǎng)數(shù)字孿生模型

3.3 遠(yuǎn)程控制技術(shù)

為消除嚴(yán)重安全隱患，如違規(guī)冒進(jìn)信號(hào)等行為，調(diào)車(chē)作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)調(diào)機(jī)實(shí)時(shí)位置和速度數(shù)據(jù)，結(jié)合路網(wǎng)數(shù)字孿生模型安全防護(hù)設(shè)置的信號(hào)機(jī)安全防護(hù)區(qū)段，判斷調(diào)機(jī)是否存在冒進(jìn)信號(hào)行為；在調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)駕駛室安裝了控制主機(jī)箱，如圖4（a）所示，實(shí)時(shí)接收調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的遠(yuǎn)程控制指令；在機(jī)車(chē)制動(dòng)風(fēng)管處加裝電磁閥，如圖4（b）所示，在接收到主機(jī)箱指令后自動(dòng)排風(fēng)，調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)緊急制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在緊急情況下對(duì)調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)的遠(yuǎn)程制動(dòng)控制，可有效防止事故的發(fā)生。

圖4 調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)遠(yuǎn)程控制裝置

4 系統(tǒng)應(yīng)用

目前，本文研發(fā)的基于數(shù)字孿生的煤礦企業(yè)調(diào)車(chē)作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)已在撫順礦業(yè)集團(tuán)有限公司運(yùn)輸部上線運(yùn)行。該公司運(yùn)輸部路網(wǎng)線路總延長(zhǎng)415 km，主要擔(dān)負(fù)著撫順礦業(yè)集團(tuán)與國(guó)家鐵路的交接和礦內(nèi)的列車(chē)運(yùn)行、調(diào)車(chē)及裝卸作業(yè)。監(jiān)控系統(tǒng)路網(wǎng)調(diào)車(chē)作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，如圖5所示，在路網(wǎng)模型上實(shí)時(shí)顯示了全部作業(yè)調(diào)機(jī)的位置和速度信息；單臺(tái)調(diào)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控界面，如圖6所示，可更詳細(xì)地看到作業(yè)進(jìn)路上的信號(hào)機(jī)狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)車(chē)司機(jī)作業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能對(duì)該公司運(yùn)輸部調(diào)車(chē)作業(yè)全過(guò)程進(jìn)行較高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效降低了日常違規(guī)作業(yè)現(xiàn)象，消除了嚴(yán)重違規(guī)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提升了主動(dòng)安全防護(hù)水平。

圖5 路網(wǎng)調(diào)車(chē)作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

圖6 單臺(tái)調(diào)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控界面

5 結(jié)束語(yǔ)

在加快煤礦智能化發(fā)展的時(shí)代背景下，本文研制了基于數(shù)字孿生的煤礦企業(yè)調(diào)車(chē)作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)車(chē)作業(yè)全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和安全管理，同時(shí)，支持跨設(shè)備、跨系統(tǒng)、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(yīng)用價(jià)值。