中煤科工集团南京设计研究院有限公司（以下简称南京设计院）自主研发了数字孪生、重介智能控制、生产数据管理融合等技术，助力推动选煤厂安全、节能、环保、高效智能化建设，相关成果获国家授权专利6项、软件著作权20余项，研发了一系列适用于煤炭洗选领域的技术与设备。

数字孪生选煤智能控制系统（三代）

南京设计院首创了数字孪生选煤智能控制系统（图1，专利号202010844469.9），首次将数字孪生技术应用于选煤厂智能化建设领域。基于为选煤厂打造数字孪生平台，创新性地将BIM、仿真、管理、控制等领域技术进行有效融合，以选煤厂各项实际运行参数为基础，构建了1套提前模拟预测的仿真选煤厂运行模型，并为工作人员提供人性化的窗口前端进行使用，有效地指导了现场生产和管理。

数字孪生选煤厂是煤炭洗选领域生产发展的趋势。数字孪生选煤厂应用了可视化、建模、仿真、虚实交互、感知、物联网、云计算与边缘计算等技术，此外还需应用基础网络、5G、大数据、人工智能、区块链等相关技术作为支撑。

第一代数字孪生平台达到了“数化”，即实现了对物理世界数字化的过程；第二代数字孪生平台达到了“互动”，即数字对象间及其与物理对象之间实现了实时动态互动；第三代数字孪生平台可达到“先知、先觉”，即利用仿真技术对物理世界实现1个全周期的动态预测，同时依据不完整的信息和不明确的机理，通过工业大数据和机器学习技术预测数字孪生体的未来。

 

图1 数字孪生选煤智能控制系统（大屏端）

 

图2 数字孪生选煤智能控制系统应用

 

图3 数字孪生技术监测分析界面效果

数字孪生平台功能

随着数字孪生技术不断地应用于生产实践（图2），南京设计院数字孪生技术已发展到第三代，研发的数字孪生平台具有以下3项功能：

（1）通过自主研发的数据信息管理系统对数据进行高效采集、分析、处理、实时显示，实现了信息精准对照功能。数字孪生技术监测分析界面效果如图3所示。

（2）运用有效数据结合有限元分析方法，实时反映设备或零部件运转情况，通过三维可视化方式直观地展示有限元分析数据，让工作人员能快速直观地获取信息，并结合人工智能算法，对实时分析数据做出敏捷反馈，提供设备优化具体建议，以足够数量的设备优化数据为基础，并通过有限元分析结合中心服务器，实现远程在线监测、预测性分析。

（3）数字孪生平台将加入用户可自行编辑和自行发布的低代码展示模块，来满足用户各种自定义需求。

数字孪生选煤智能控制系统技术参数

南京设计院数字孪生选煤智能控制系统技术参数如下：

（1）模型比例、外观、定位与实物一致，设备结构误差不超过0.02 m，定位误差不超过0.1 m。

（2）全场设备信息采集覆盖率不低于95%。

（3）可接入Modbus、Profibus等现场总线，实现了多业务数据采集及同一对外接口。

（4）可评估设备健康状况，设备故障率降低了10%~15%。

（ 5 ）可评估决策，管理费用减少了，变更工期缩短了20%~30%。

（ 6 ）化工艺，工业试验成本节省了，精煤回收率提高了约0.5%。

（7）软件性能延时≤100 ms，拟真还原程度≥90%，三维场景实时渲染帧率≥30 F/s。

数字孪生平台实践应用

目前，数字孪生平台已在山东能源集团鲁西煤矿选煤厂、陕煤集团曹家滩煤矿选煤厂和小保当煤矿选煤厂等项目中得到了充分应用，为选煤厂智能化建设提供了助力。

煤矸干式洗选机（一代）

RADS煤矸干式洗选机应用智能识别技术和机械洗选装置，具有智能、安全、高效、节能、环保等优势，可满足实际生产需求；并可根据洗选需求进行组合或独立配置，既可选矸也可除杂。

RADS煤矸干式洗选机的识别系统包括应用与大块和杂物识别的视觉识别系统以及中小块矸石识别的光电识别系统（难选矸配合视觉识别）。

RADS洗选执行机构包括机器人（图4）和高压吹气装置（图5）。RADS煤矸干式洗选机技术参数见表1。

 

图4 RADS煤矸干式洗选机机器人

图5 RADS煤矸干式洗选机高压吹气装置 

表1 RADS煤矸干式洗选机技术参数

 

原煤进入矸选系统后经过视觉识别区域，视觉识别装置（图6）可根据煤炭和煤矸石在图像中灰度、纹理等不同而识别出煤矸石和杂物，识别出目标物后会将位置信息发至控制装置，控制装置根据该位置信息调控机器人和机械夹爪（图7）进行初分拣。

图6 RADS煤矸干式洗选机视觉识别装置 

 图7 RADS煤矸干式洗选机机械夹爪

初分拣后的原煤再经过射线识别区域，识别出煤流中较小的煤矸石，然后控制高压气阀吹动目标物，使得煤矸石和煤的落料轨迹不同，进而完成精细筛选。

智能照明与人员定位管理平台

南京设计院智能照明与人员定位管理平台（图8）将智能照明技术与人员定位技术相融合，通过先进的物联网技术实现危险作业场所灯具的智能管控与人员位置的有效管理，提升选煤厂智能化建设水平，有效保障安全生产。

 

图8 智能照明与人员定位管理平台 

图9 智能人员定位卡

图10 智能照明灯具（多传感器）

南京设计院智能照明与人员定位管理平台具有以下特点：

（1）实现了UWB精准定位，静态定位精度小于30 cm，动态定位精度小于1 m，实现了持卡作业人员的实时位置监测、历史轨迹查询、SOS报警、电子围栏等。 智能人员定位卡如图9所示。

（2）智能照明灯具（图10）内置光照度传感器，实现了环境光照度实时采集，采集范围。

（3）智能照明灯具实现了灯具全电参数实时采集与监控，远程控灯时延小于1 s，实现了灯具的远程单灯控制，分组控制，智能调光。

（4）智能照明灯具可实现人来灯亮、人走灯灭，感应距离可灵活设置，范围为0~30 m。

智能照明与人员定位管理平台目前已在陕煤集团小保当煤矿选煤厂、张家峁煤矿选煤厂上线，应用效果显著。

随着我国选煤企业的智能化发展，我国选煤设备在开发、研制、推广等各方面都有了快速发展，未来选煤机械设备将朝着大型化、自动化和智能化方向发展；同时，选煤机械设备的发展对选煤工艺的高效、快速、稳定进行也起着至关重要的作用，南京设计院将发挥自身的设计优势及研发优势，促进煤矿能源的有效利用，继续为煤炭行业的高质量发展贡献力量。