作为我国最为重要的一次能源，煤炭在工业发展和民生用能方面都发挥着不可替代的作用，2022年全国原煤产量达到了45.6亿t^[1]。煤矿井下钻探施工是实现煤矿地质透明化、致灾隐患超前精准治理、矿山事故救援的重要手段，钻探技术及相关装备的先进程度代表着煤矿坑道钻探技术的发展水平，但煤矿井下一直面临着工作环境差、安全风险高、人员配比不足等问题，制约了煤炭资源的安全高效生产^[2-4]。

国内科研院所和企业在电控液驱钻机的基础上，提出了通过在井上远程控制井下钻机来实现井下减人少人化，试图将煤矿工人从危险工作环境中解放出来，从根本上避免安全隐患，其中中煤科工西安研究院（集团）有限公司（以下简称“西安研究院”）在这方面的研究处于领先地位，研制了钻机远程控制系统^[5]，并在之后进行了多次迭代^[6-7]，实现了在几十公里的地面控制井下钻机，并能监测钻机运行参数，此外，还创新性地将虚拟监测引入钻机监测系统中，充实了操作人员对钻机本身运动部件的信息认知，但未能将虚拟监测与远程控制相结合，钻机虚拟模型只是钻机实体的虚拟形象，其本身不能自主运动，无法为钻机的施工提供先验参考^[8]。西山煤电、大同煤矿集团等企业也在钻机远程控制方面进行了研究和实践，但其远程监测参数仅有钻进参数和钻机油温、液位等基本参数，对于钻机各运动部件的运动状态只能通过井下摄像机进行监控，摄像机盲区即是操作人员信息盲区，仍存在安全隐患^[9-10]。

本文将数字孪生技术引入钻探领域中，以西安研究院ZDY25000LDK钻机及其配套杆车为载体^[11]，将钻机远程控制、数字孪生模型和参数远程监测相融合，研制开发了钻机远程服务平台，运用现代通信技术、控制技术、数字孪生技术和计算机技术等，从全局视角上映射和监测钻机运行过程，又能通过数字孪生体进行实验，为钻机施工效果提供先验参考。钻机远程服务平台为煤矿井下钻探施工的减人增效和智能化升级提供了解决方案。

1   远程服务平台总体方案

该远程服务平台是以西安研究院ZDY25000LDK钻机及其配套杆车为载体设计开发的^[11]，钻机及杆车如图1所示，施工时杆车平行布置在钻机托盘一侧，钻机与杆车协同配合实现上卸钻杆和自动钻进，井下施工过程中由于视野有限，施工人员很难在操作遥控器的同时观察到钻机和杆车各运动部件的运动状态和位置，因此很有必要通过全局视角进行施工工作，该远程服务平台就是针对这种需求而开发的，其总体方案如图2所示。

图  1  ZDY25000LDK钻机及杆车

Figure  1.  ZDY25000LDK drilling rig and rod car

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图  2  钻机远程服务平台总体方案

Figure  2.  Overall scheme of remote service platform for drilling rig

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远程服务平台从架构和设计角度分为远程控制系统、数字孪生模型和参数监测系统3部分，其中数字孪生模型通过建立钻机和杆车的数字孪生体为施工人员提供设备的全局视角，指导和辅助操作人员通过远程控制进行钻探施工，同时，数字孪生模型支持操作人员在钻探施工之前进行模拟动作，为实际施工提供先验参考，此外，参数监测系统为操作人员提供钻进参数、设备参数、故障诊断参数等全方位信息，实现钻场施工透明化。

远程服务平台在功能设计上进行了分层实现，底层为检测与执行层，实现钻机、杆车各运动部件位置、液压系统压力等数据的采集以及控制指令的最终执行；中间层为数据传输层，将底层数据进行处理、打包和传输，并将控制指令下发；最上层为远程集控层，实现人机交互，读取操作人员远控指令，处理下层数据，建立数字孪生模型，并将关键参数进行集中清晰显示。

其中数据采集和动作执行层包括17个用于检测钻机液压系统中各油缸压力的压力传感器、19个用于判断机械零部件运动是否到位的接近开关、油箱油温传感器、油箱液位传感器、动力头位移传感器、钻杆质量称重传感器等，以及钻机上20路电磁阀、杆车6路电磁阀，还包括4个摄像头，采集钻机不同角度的视频图像，用于直观验证数字孪生模型的正确性。机载控制箱可以实现模拟信号和数字信号的实时采集与处理，还具有多种信号输出端口以及总线通信功能，可实现多路采集、多路输出。远程集控中心包含远程控制面板、任务大屏等硬件设备以及嵌入其中的服务器、浏览器和数据库等。通信系统作为联通机载控制箱、传感器和远程集控中心等设备的血脉，实现多机通信与数据传输，主要包括钻机控制箱和杆车控制箱之间的CAN总线通信^[12-13]、远程集控中心与井下钻机控制器之间的光纤通信及光纤−以太网转换等。

2   远程服务平台架构

2.1   远程控制系统

钻机远程控制系统的设计目的是实现远距离操作井下钻机，设计关键点在于如何通过硬件结构读取操作人员的控制指令，并将控制指令及时下发至井下钻机控制箱。

根据ZDY25000LDK钻机及其配套杆车的上卸杆动作需求，设计了如图3所示的远程控制面板，控制面板上装有25个三位复位开关，2个三位自锁开关，6个两位自锁开关，5个自复位手柄，2个摩擦定位手柄，4个旋钮电位器，1个按键开关，1个急停开关和3个指示灯，包含了钻机、杆车、泵车各机组中所需的单动、联动和全自动动作的控制。考虑到STM32系统PLC具有高性能、低成本、低功耗等优势，控制面板采用STM32F103ZET6单片机控制，单片机GPIO模块用来读取按键开关状态和输出LED指示灯显示, 单片机ADC模块将手柄和电位器的模拟量通过模拟信号处理电路转换成数字量^[14]，对于钻机中开关阀控制的动作，使用STM32单片机数字量输出引脚输出高低电平控制，从而控制开关阀线圈的通断，对于钻机中比例阀控制的动作，使用STM32单片机PWM引脚输出的脉冲信号控制比例阀开度，控制电路还配置电源管理、USB-RS485等模块，控制面板控制系统原理如图4所示。

图  3  控制面板样机

Figure  3.  Prototype of control panel

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图  4  控制面板控制系统

Figure  4.  Control system of control panel

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控制面板采集到指令并处理为数字量信息后，经USB-RS485通信与控制主机相连，主机根据TCP协议接入矿井环网，进而将指令信息下发至井下钻机控制箱，从而实现控制指令的远距离传输，钻机控制箱具有CAN、RS485通信接口及多路开关量和比例量的输入输出接口^[15-16]，控制钻机及杆车电磁阀动作，执行预期动作。钻机远程控制系统还包含电控桌、控制主机、显示器、话筒音箱、鼠标键盘、高清刻录机等，远程控制系统架构如图5所示。

图  5  远程控制系统架构

Figure  5.  Architecture of remote control system

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ZDY25000LDK钻机系统控制程序分为钻机控制程序和杆车控制程序，分别烧写在钻机和杆车控制箱核心中，两者通过CAN总线通信，钻机控制程序为主控程序，杆车控制程序进行辅助控制。钻机控制程序主要接收远程控制面板或遥控器下发的命令指令和钻机上传感器采集到的数据，包括17路压力传感器、10个接近开关、动力头位移传感器、油箱温度传感器、油箱液位传感器以及泵车泥浆泵流量传感器采集到的数据信息，此外，钻机控制箱输出34路模拟量和数字量信号，驱动钻机电磁阀动作，实现钻机动力头给进起拔、回转、机械臂伸缩、履带行走等功能，钻机程序模块主要有设备配置模块、通信模块、输入模块、输出模块、函数功能块、逻辑功能模块，其中逻辑功能模块定义了钻机各部件单动、联动和全自动动作的执行逻辑，函数功能块定义了PID方法、数据格式转换等使用函数。杆车控制程序输入包括钻机控制程序传输的任务指令和杆车上传感器采集到的数据，包括9个接近开关、1个杆仓位移传感器及1个钻杆质量称重传感器的数据，输出包括16路模拟量和数字量信号，驱动杆槽、卡槽移动和履带行走等功能。杆车程序模块与钻机程序模块类似，只是功能逻辑不同，钻机系统控制程序组成和结构如图6所示。

图  6  ZDY25000LDK钻机系统程序结构

注：A1为模拟信号输入；D1为数字信号输入；AO为模拟信号输出；DO为数字信号输出。

Figure  6.  Structure of ZDY25000LDK drilling rig system control program

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2.2   数字孪生模型

数字孪生技术作为实现信息物理融合的重要使能技术，备受各行各业关注。数字孪生是以多维虚拟模型和融合数据双驱动，通过虚实闭环交互，来实现监控、仿真、预测、优化等实际功能服务和应用需求^[17-18]。本文将数字孪生技术引入钻探技术中，旨在通过数字孪生体实时监控钻机各运动部件的运动状态，并在线优化决策和反馈控制。

设计的钻机及杆车数字孪生模型架构如图7所示，数字孪生模型以钻机和杆车物理模型为基础，将钻机动力头、机械臂、主夹持器、卸扣器、杆车卡槽等运动部件单独建模，并根据运动和配合关系进行状态装配形成数字孪生体三维模型，同时，钻机和杆车上搭载的压力传感器、接近开关等采集钻机和杆车实体的运行参数，经总线或网关传输至钻机远程服务平台主机，驱动数字孪生体跟随钻机实体运动，实现运动监测功能，同时，在施工之前可以在数字孪生模型上进行施工仿真分析，为施工提供先验参考。钻机及杆车实体与数字孪生模型之前的历史存入数字孪生体数据库中，可通过对这些数据的融合、分析和挖掘，实现施工状态的多维度分析。

图  7  数字孪生模型架构

Figure  7.  Digital twin model framework

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数字孪生模型的具体实现是将钻机系统结构模型导入3DMAX中，建立孪生三维模型，建模完成后利用WebGL中标准的、跨平台的OpenGL接口实现了模型渲染，利用WebGL第三方库中的Three.js实现钻机运行时摄影机、光影、材质等效果，达到与真实钻机一样的动作和视觉效应^[19-20]。此外，利用TCP/IP协议矿井环网上传的数据存入服务器中，再利用WebSocket协议实现Web浏览器和Web服务器之间通信，数据驱动Web端的钻机模型动作，实现虚拟和现实的同步。

2.3   参数监测系统

数字孪生模型实现了对钻机和杆车各运动部件的实时监测，但在钻探施工中钻机液压油泵压力、油温等设备参数以及回转速度、给进速度等钻进参数对于指导施工也非常关键。因此，设计了参数监测系统，旨在将各种类型的传感器数据集中化、模块化显示。

参数监测系统采用B/S架构，B/S架构拥有分布性强、维护方便、开发较简单且共享性强、总体成本较低的优势^[21-22]，系统采用分离式设计方法，在Web开发平台上进行开发，将整个系统分为Web服务端和Web浏览器端两部分开发，同时将服务端和浏览器之间交互的数据提取，形成数据库^[23]。

Web服务端部分的开发是由PHP语言实现的，采用Nginx+Thinkphp+php +MySql+Redis+Swoole等技术进行构建。Web浏览器用于实现人机交互功能，采用Vue.js+Element-UI技术搭建，包括主机端应用系统，通过浏览器展示。数据库采用MySQL数据库，缓存采用Redis非关系型数据库，在Web应用方面，MySQL是最好的关系数据库管理系统应用软件之一。MySQL是开放源码软件，可靠性好且开发成本低。Redis是最好的非关系型数据库之一，性能极高，索引性能极强，并发能力远超直接读取数据库，因此可以大大提高软件性能和数据库的承压能力^[24]。

Web浏览器和Web服务器之间采用WebSocket协议实现的通信，WebSocket协议支持服务器直接推送数据而不用等待客户端的请求，同时建立连接之后可以不断发送请求，实时性好。参数监测系统设计逻辑如图8所示。

图  8  参数监测系统设计逻辑

Figure  8.  Design logic of parameter monitoring system

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本文设计的钻机和杆车参数监测系统界面如图9所示，界面中部为数字孪生模型，界面的左、右和下部区域为钻机和杆车参数远程监测区，将所有状态参数根据钻探施工人员的使用习惯进行分类分区，界面下部用较大区域呈现了动力头给进/起拔压力、正转/反转压力以及泥浆泵流量等施工人员最为关注的参数，界面右侧中部实时显示钻机主夹持器、副夹持器、卸扣油缸和三轴机械臂的大臂、横梁、小臂的位置状态，监控界面内还包含钻机动力头位移、司钻/行走状态、定向/复合钻进状态、杆车杆仓状态、施工进度、故障数据等信息，远程服务平台的工作人员可以非常直观简单地获取井下钻机和杆车的设备参数和钻进参数。

图  9  参数监测系统界面

Figure  9.  Interface of parameter monitoring system

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3   远程服务平台试验验证

依据第2节描述的原理和方法，搭建了ZDY25000LDK钻机远程服务平台，并进行了试验验证。主要目的是验证系统的功能性和实时性，即一方面操作人员能够使用控制面板远程操控钻机动作，并通过数字孪生模型监测钻机各运动部件的运动状态，通过参数监测系统获取钻机设备信息和钻进信息。另一方面远程操控和监测应具有较高的实时性，防止因为系统延迟导致井下设备和人员出现意外情况。

试验过程如图10所示，试验内容包括：(1)远程控制功能性试验：通过远程控制面板反复向钻机和杆车下发单动、联动和全自动上卸杆指令，观察钻机是否正确执行对应动作。(2)远程控制实时性试验：记录指令下达到钻机和杆车开始动作的时间延时，研究远程控制实时性。(3)数字孪生模型功能性试验：观察钻机和杆车执行动作时数字孪生模型是否能与杆机和杆车实体同步动作，通过数字孪生模型仿真钻机上钻杆时的上扣过程，获取上扣时动力头给进和起拔的速度匹配值，并通过钻机实体验证。(4)参数监测系统功能性：参数监测区显示的参数数值与钻机上压力表、油温表、机械结构件位置等对应。

图  10  钻机远程服务平台试验

Figure  10.  Experiment of remote service platform for drilling rig

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试验研究结果表明：(1)操作远程集控中心控制面板上的各个开关和按钮，钻机能够正确动作，效果与使用无线遥控器相同，验证了远程控制的功能性。(2)表1为远控指令下发和钻机开始动作之间的时间延时记录，结果表明远控面板的第一次控制指令下发后，钻机动作会有1~2 s延迟，这可能是由于系统需要首次建立通信，且设备多、距离远导致的延迟，通信一旦建立后，从第二次控制指令下发开始，控制无延迟，验证了远程控制的实时性。(3)钻机动作时，远程集控中心监测系统的数字孪生模型能够与钻机的动作同步，且支持自动或手动调节视角方向和大小。如图11所示为钻机自动上杆过程中3个不同时刻的数字孪生模型和钻机实体的对比图，图中模型红色部分结构为运动状态，可见数字孪生体可与钻机实体的运动状态实时同步。试验还在数字孪生模型上仿真钻机的上扣过程，以8 MPa为上扣压力阈值，得到上扣过程中动力头回转和给进速度比为4.28(回转速度单位为r/min，给进速度单位为mm/s)，使用该速度配比进行实际上扣，发现上扣过程平缓无冲击，验证了数字孪生模型的功能性。(4)钻机施工状态下，参数监测系统的参数数值与各传感器采集所得数值相同，机械状态显示和工作状态显示与实际情况相同，且能跟随实际情况变化，验证了参数监测系统的功能性。

表  1  远程控制时钻机动作延时统计表

Table  1.  Statistics on action delay of rig under remote control

序号	首次动作延时/s	后续动作延时/s
1	1.2	<0.5
2	1.5	<0.5
3	0.8	<0.5
4	1.6	<0.5
5	1.2	<0.5
6	1.2	<0.5
7	1.8	<0.5
8	1.0	<0.5
9	2.0	<0.5
10	1.3	<0.5

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图  11  数字孪生模型试验验证

Figure  11.  Experimental validation of digital twin

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4   结 论

a. 以ZDY25000LDK钻机为载体，将数字孪生技术应用到钻探领域中，设计开发了钻机远程服务平台，融合了远程控制、数字孪生模型和远程参数监测功能，为煤矿井下钻探施工的减人增效和智能化升级提供了解决方案。

b. 开发的钻机远程服务平台能够实现对钻机的远程实时控制；参数监测系统能够实时正确显示钻机的设备参数和钻进参数，指导钻探施工过程。

c. 开发的钻机远程服务平台中数字孪生从全局视角映射了钻机各运动部件的运动状态，并能够在数字孪生模型上进行仿真试验，仿真所得钻机上扣过程中动力头回转速度和给进速度的最优比值为4.28，与实际上扣情况相符，仿真结果为钻探施工提供了先验参考。

d. 开发的钻机远程服务平台在对设备参数和钻进参数的数据分析和信息挖掘方面仍有欠缺，也未将环境参数纳入平台数据体系中，建议后续在这方面进行研究和探索。