图扑软件：数字孪生智慧选煤厂

关于图扑软件(Hightopo)

图扑软件自主研发了基于 HTML5 的 2D、3D 图形渲染引擎。广泛应用于 2D、3D 可视化、工业组态与数字孪生领域。为工业物联网、楼宇、场馆、园区、数据中心、工厂、电站、医院、农业、学校、仓储等行业客户提供优质数字孪生解决方案。

本文介绍智慧选煤厂可视化解决方案及重点应用场景。

国家“十四五”规划，中国要实现“2060”目标，需要优化产业结构和能源结构。煤炭是我国重要的基础能源，为国民经济和社会发展提供了可靠的能源保障。在智能化发展大潮之下，煤炭行业亟待借势转型。

图扑软件应用自主研发的 HT for Web 产品，搭建了选煤厂区建筑及生产设备、管线等设施的三维场景，将生产数据采集、安全监测监控与生产时空有机结合，构建了集智能巡检、设备安全监测、预警功能、企业管理于一体的三维可视化管理系统。全方位推动选煤厂精细化管理工作，实现减人增效的目的。

通过 Hightopo 构建 Web 智慧选煤系统。整体场景采用航拍建模方式获取，利用飞机或无人机搭载多台传感器，对选煤厂进行拍摄采集，快速高效获取真实反映厂区情况的数据信息。通过纠正、平差、多视影像匹配等一系列的内业处理 *** 作，最终获得三维模型。航拍建模的成果数据具有地理坐标系信息，可以准确地和 GIS 匹配。

HT 和 GIS 的集成方案中可提供根据经纬度和海拔数据构建漫游线路，让用户以第一人称的视角按照指定线路对厂区进行巡检漫游，在制定线路的时候可以参考重点区域或智能化水平较高的区域进行制定，给用户呈现选煤厂重点发展区域以及智能化发展成效。

在线监测核心设备运行情况，对选煤厂智能管控实现全覆盖，避免监控不到位、工作人员疏忽等问题所造成的各类事故的出现，确保了选煤厂机电设备的正常、平稳、持续、高效的工作。

本次三维选煤厂可视化项目，从日常管控、企业历程、应急管控为主体进行展示。系统聚焦产品运输、洗选加工关键流程管控，化繁为简，从根本上堵塞管理漏洞，通过精准监督推动企业高质量发展。

日常管控

大气监测

在生产过程中，选煤带来的环境污染非常严重，这一问题已经引起社会各界的重视。图扑软件运用丰富的可视化图表和动画效果，实时统计各厂区、监测点的监测设备数据，数据涵盖当日室外温度、湿度、压力、二氧化硫和颗粒物等多个关键指标。为制定对控制污染源无组织排放、减少大气污染等综合管理方案，提供可靠的数据信息。

水环境监测

结合图扑软件 Web 2D 组态功能，再通过数据采集，实现水环境监测可视化。数据包括 ph 值、化学需氧量、生物化学需氧量以及细菌总数等水体资源保护及污染控制的重要指标。技术员可及时掌握洗水变化规律，做出适当调整。

固体废弃物占比监测

煤炭固体废弃物是指煤炭在生产、加工和消费过程中不再需要或者暂时没有利用价值而被遗弃的固态或半固态物质。利用图扑软件可视化图表，将固体废弃物以及占比进行等关键数据进行可视化呈现。防止固体废弃物污染环境，保障人体健康，维护矿区环境景观。

主厂房数据管控

主厂房是选煤厂生产系统的核心建筑物，选煤工艺的大部分的流程都要在此完成。图扑软件将 BIM 技术应用到主厂房建设中，BIM 技术将模型进行细化及深化之后，配合图扑软件 HT 引擎，进行贴近现实的三维渲染动画。2D 面板联动三维场景，动态更新设备指标，时刻对选煤工艺进行安全监管。

图扑软件 HT 的轻量化方式是在传统的 GIS 和 BIM 技术上做出了全新的改变：HT 具有轻量化、低成本的优点，企业无需再购置笨重昂贵的 GIS 和 BIM 软件；而且起点低、效果好，传统 Web 开发人员可轻松上手，借力 HT 强大的 3D 渲染效果即可做出高仿真场景。

点击“楼层隐藏”切换透视效果，呈现厂房内三维设备在厂房分布情况，点击“楼层展开”切换查看不同楼层内场景的设备运行情况。

3D 主厂房

主厂房设备监控系统通过 HT 3D 效果，1：1 制作 3D 可视化仿真互动模型，并将重介洗煤工艺流程整合融入，将原煤进行洗选加工和综合处理的全过程信息监控。

系统可实时显示重介旋流器、精煤皮带、振动筛、原煤皮带等重要设备的动态数据，当点选不同楼层设备时，自动d出设备多重信息，创建多参数实时在线监测。

数据信息包括运行设备的振动频率、温度、故障信号、趋势信号等数据，管理人员可通过此功能，进行调用查看设备运行状态、故障属性及导致故障发生的相关联信息历史数据。

2D 主厂房

选煤厂主厂房负责把主井提升上来的精煤进行分选加工成原煤、块煤和矸石等产品。图扑软件以二维组态图方式搭建的选煤生产线，界面中可对用户所关注的产能信息、设备运行关键指标进行监测展示。覆盖精煤、中煤、矸石、煤泥的产品形成全过程。

场景内可对脱介筛、磁选机、泄介筛、离心机等设备布局进行可视化展示，不同的产物生产线路采用不同颜色的线条标识，为作业人员提供图形注释。

同传统界面相比，图扑满足工业物联网现代化的、高性能的、跨平台（桌面 Mouse /移动 Touch /虚拟现实 VR）的图形展示效果及交互体验。同时还支持结合 VR/AR 进行展示，让用户能够沉浸在虚拟环境中进行体验，尤其对工厂、车间、生产线等大型场景更具有优势。

密控系统

通过图扑软件实现可交互的 Web 密控三维系统，针对重介系统的密度控制和数据监控而开发，可使测量密度值跟踪、趋近直至等于设定值。密控系统分为精煤密控、中煤密控和矸石密控三大板块，实现煤泥含量及旋流器入口压力的稳定控制。

浓缩车间数据管控

浓缩车间适用于选矿厂的精矿和尾矿脱水处理。图扑软件基于 HTML5 标准的组件库，构建车间三维场景。

设备可视化

浓缩设备具有以下特点：

添加絮凝剂增大沉降固体颗粒的粒径，从而加快沉降速度

装设倾斜板缩短矿粒沉降距离，增加沉降面积

发挥泥浆沉积浓相层的絮凝、过滤、压缩和提高处理量的作用

配备有完整的自控设施

其中絮凝加药机设置高亮显示，点击即可隐藏其他设备显示。

蓄水动画演示

通过图扑软件将 2D 和 3D 无缝融合，搭配数据面板以及动画驱动制作了蓄水工艺可视化。场景支持常规的旋转、平移和视角缩放。蓄水工艺包括蓄水、加药搅拌（添加絮凝剂）、放水、泵体放水等 *** 作的演示，营造具有真实沉浸感的体验。

压滤车间数据管控

压滤车间负责压滤处理煤泥、回收分离介质水，压滤机负责处理浓缩机底流。传统的压滤生产主要依靠人工 *** 作，需人工查看并判断压榨程度，工作效率低下，产品水分无法得到保证，存在液压系统破损或压滤喷料伤人的安全隐患。

图扑软件搭建的压滤车间可视化管理系统，通过 HT 引擎将压滤车间的压滤机以及楼层分布进行 1:1 还原，可随时查看设备基本信息、运行信息、故障信息等。点击左侧面板压滤机以及楼层展开，即可查看车间楼层分布情况以及压滤机工作状态。

实时监测系统内压滤机状态信息，包括松开、压紧、进料等各进程状态，打破压滤机与压滤机之间、压滤机与智能压滤检测系统相关辅助设备之间的信息孤岛。实现智能压滤检测系统内所有设备及相关信息的统一集中监管，降低岗位巡检工的劳动强度，方便生产监管。

每台压滤机增设故障信息以及运行信息，通过实时监测压滤机电流电压，结合本台压滤机运行状态、基本信息，可自动判断压滤机是否达到进料结束时机，保障压缩车间正常运行。

汽车装车站可视化

传统的汽车装车采用人工 *** 作装车。人工调度车辆位置和放料闸板开关存在人车精准配合难度大，容易出现溜槽磕碰、撒煤、超偏载等问题，装车工作效率低下。

图扑软件基于 Web 端的 UI/2D/3D、GIS、BIM 及 VR/AR 等可视化工具及应用，可以在浏览器上流畅展示，实现对车辆状态、料位状态、装载设备状态等关键信息的采集，并对设备进行控制，对司机进行提示，有效解决所需岗位人员多，职工劳动强度大等问题。

其中使用模型贴图的 UV 偏移动画模拟了煤矿运输过程。场景中还有与图纸按钮的功能交互，如溜槽展示、煤储动画以及栈桥动画的启停动画及演示，以及运输设备的单独查看。

能源管控

图扑软件自主研发的 HT 选煤厂能源管控系统，展示了厂区所有建筑用能、重要设备或工艺的能源消耗。点选内场景建筑图标，可以清晰明了地看出对应建筑当日及一周内用水、用电、用气的累计值以及变化趋势，能源管理一键触达。

用电管控

接入削峰、填谷实时数据形成峰谷时段用电柱状图表，选煤厂据此可实施"避峰就谷"生产用电管理模式，在完成生产任务的前提下，通过合理组织安排生产时间，降低电费平均价格，从而实现降低生产用电成本。

吨煤介耗

介质消耗是重介质选煤厂的主要辅助材料消耗之一，也是评价重介质选煤的一项主要技术经济指标。图扑软件通过对接数据接口，将本月吨煤介耗以及环比数值进行可视化表达，在后台，管理员可以对工厂用能进行全面检查，并及时反馈相关问题。

生产管控

选煤厂的生产是连续性很高的过程，连续的生产过程是由多个执行不同任务的工艺环节和多种工艺设备及相应的辅助设备来完成。

图扑软件通过对接生产线上所有设备数据，构建选煤厂生产管控系统。2D 面板展示实时产量、库存量以及生产数据等关键数据指标，利于明确各车间的生产任务及生产进度，实现车间生产现场管理透明化；协助车间生产管理人员及时处理突发状况，确保生产稳定进行。

传送带集中控制

煤矿输送带的运输方式与其他井下运输相比在运输速度、运输效率等方面具有十分明显的优势，可以实现短期内对大量煤炭物资的运输。图扑软件针对煤矿运输环节容易出现的各种问题，对传送带运输在线监测，降低煤矿运输成本的同时，保障运输人员的安全性，提升运输的整体速度。

支持模拟无人机视角漫游，当经过厂区建筑时，可自动d出对应设备信息及瞬时带煤量变化趋势、在线统计设备故障数量，值班人员根据实时显示的数据进行复查留存，实现对煤炭产量的实时准确监管，有效解决职工不履职、工作疏忽容易造成事故隐患的现象，防止皮带断带等事故的发生。

参观模式

企业历程及荣誉

图扑软件依托自主研发的 HT 产品，对企业的品牌文化进行整体设计，展示企业的发展历程、成就以及业务等。通过数据可视化、分布式数据展示，既能客观真实地展示出企业经营状态、未来发展前景，也能更好地赋能企业发展，助推企业的进一步升级。

企业管理

人力资源管理是现代企业管理中的一个重要环节，随着企业信息化的不断推进发展，企业人力资源管理对大数据的应用也成为必要趋势。图扑软件搭建的企业管理平台，支持通过自定义的数据指标，展示如员工数量、职位结构、公司股东等情况，清晰的展示企业组织内部人才资源的基本概况，让管理人员对企业的人才组织现状有全方位动态的掌握。

经营绩效

图扑软件建立的以经营绩效为中心的可视化面板，实时展示企业的支出、收入金额、上缴税金，实现企业运营的穿透管理，满足领导“看得见、看得清、看得远”的需求，为企业资产经营管理、生产运营管理、产业结构调整等决策提供支持。

应急管控

安全四色图

图扑软件对选煤厂所有风险进行辨识分级，不同危害级别区域选用不同的颜色显示，建立安全四色图。方便建立安全风险分级管控工作体系，明确负责安全风险分级管控工作的管理部门。

不同风险和危害级别制定具体的防控措施进行管理。在图扑软件 2D 面板展示应急预案，应急物资、剩余应急物资信息。规范厂区应急救援工作，提高应对风险和防范事故的能力，保证职工安全的健康，最大限度的减少财产损失。

疏散路线

场景内通过流动线条标示输送路线，指向疏散出口方向。支持模拟多条疏散路线并预测时间，测出最佳逃生路线。

安全监测

选煤厂内车间设备分布不规律、跨楼层，涉及的监测点多达两百多个，因此需要根据监测点位置分布特点合理设置监测子站的位置，以及每个监测子站的监测范围。通过图扑软件 HT 打造的三维可视化系统支持根据现场摄像头实际点位，接入所对应的摄像头视频画面，实现场景还原。

一旦管辖区域内的监控摄像头拍摄到异常现象，系统会把摄像头信号调到显示大屏上，同时报警装置响起，提醒相关人员查看、解决问题。

预警统计

设备在线监测与预警是现阶段选煤厂“智能化”普遍建设内容，现场使用效果较为理想。但普遍存在浅尝辄止，数据监测类型单一，没有对在线预警数据进行深度挖掘、分析等问题。图扑软件对接多类传感器，多数据的监测与健康评估，实现故障定性、定量、定位诊断，包括燃气、电气、节能等运行参数。

融合红外成像和 AI 摄像头，系统可自主设置电子围栏内容、生效范围，实时监测设备关键部位温度，通过电子围栏看板，职工可实时查看现场中的设备情况以及设备统计。

重点监测

针对选煤厂重点区域，图扑软件依靠三维可视化技术划定重点监控对象，联动 HT 视频融合技术，将监控画面以 2D 方式融合到场景的三维模型中，为 *** 作人员提供直观的视频图像和简单的视图控制，保证选煤生产的高效、有序进行。

采煤工艺全流程可视化

图扑软件还搭建了 2D 采煤工艺全流程监控可视化解决方案，对采煤工艺流程相关的设备和 *** 作进行展示。实现设备全量全要素的模拟仿真反演。

相较于 InTouch/IFIX/WinCC 这些传统组态软件，图扑基于 Web 的平台更适合 C/S 向 B/S 转型的大趋势，多元素丰富的可视化组件和支持快捷的数据绑定方式，可用于快速创建和部署。实现零代码、低代码生成页面，可以快速搭建可视化页面生产平台，大大降低页面生产成本。为各类工业场景提供 2D、25D、3D 多种清晰美观的可视化服务模式。

其中，图扑软件搭建的智慧电力可视化解决方案，可帮助决策者从微观到宏观地掌握全省电网运行态势，形成数据和服务闭环。虚拟电厂既可以作为“正电厂”向系统供电调峰，又可作为“负电厂”加大负荷消纳配合系统填谷。

打造健康舒适厂区

系统对接环境监测系统，实时采集厂区内各监测指标，以及选煤厂房内各有害气体，并选用图扑软件丰富的图表、平面图等形式形象展示，通过设置环境数据预警值和告警值实现平台环境监测的自动告警。

优化选煤厂用能

HT 能耗监测系统的监测范畴涵盖厂区的电、水、气，通过智能设备对能源消耗进行全面感知，对各类能耗进行采集统计，并经过能耗分析挖掘对厂区生产生活的整体用能优化。

完善选煤厂安全建设

通过搭载智慧化物联网设备，对厂区资产信息进行统计分析，实现厂区资产的数字化管理。同时也能进行物资定位与盘点，实现管理人员对物资的全生命周期管理。

保障厂区生产生活安全

图扑软件对每日巡更计划的实施情况进行有效监测，并可联动 3D 场景查看巡更计划在厂区中路线、视频点位等信息。同时图表化展示巡更过程中的异常上报趋势，分析出巡更异常的高发时间段与区域。

目前，随着人工智能、5G 等新一代信息技术的迅猛发展，正处于从工业经济向数字经济转型过渡的大变革时代。图扑软件以“黑色煤炭、绿色发展、高碳能源、低碳利用”的管理理念，以精细化的管理模式，建立的智能化洗煤厂平台，最大限度以用户需要提供优质信息，发掘业务协同价值，多维度多层次展现，帮助用户迅速做出决策，提高选煤厂业务效率及质量。未来，图扑软件将紧跟 5G 时代的脚步，为选煤厂管理及技术创新、减人提效、降低成本、转型发展注入新动能。

物联网发展的主要前景和趋势包括以下4个方面:
趋势1：人机交互性增强的数据和设备增长 到2019年底，将有约36亿台设备主动连接到Internet并用于日常任务。随着5G的推出，将为更多设备和数据流量打开大门。
趋势2：人工智能再次成为物联网的重要参与者 充分利用数据，需要通过人工智能提供计算机帮助。人工智能是理解收集的大量数据并提高其业务价值所必需的基本要素。人工智能将在以下领域帮助物联网数据分析：数据准备，数据发现，流数据的可视化，数据的时间序列准确性，预测和高级分析以及实时地理空间和位置(后勤数据)。 包括亚马逊，微软和谷歌在内的主要云供应商越来越多地希望基于其AI功能进行竞争。各种初创企业希望通过能够利用机器学习和深度学习的AI算法使企业能够从不断增长的数据量中提取更多的价值。
趋势3：VUI：语音用户界面将成为现实
语音占了我们日常通讯的80%，就像科幻中一样，与机器人交谈应该是常见的通讯方式，例如R2D2，C-3PO和Jarvis。在设置设备、更改设置、发出命令和接收结果中使用语音不仅在智能房屋，工厂中，而且在诸如汽车，可穿戴设备之类的设备之间都是常见的。
趋势4：在物联网上的更多投资
物联网是少数新兴和传统风险投资家都感兴趣的市场之一。智能设备的普及以及客户越来越依赖于使用它们执行许多日常任务，将增加对物联网初创企业投资的兴趣。客户将等待物联网的下一个重大创新，例如可以对您的面部进行分析的智能镜，如果您生病了，可以打电话给您的医生;将结合智能监控摄像头的智能ATM机;可以告诉您如何进食和饮食的智能叉子。吃什么，以及每个人都在睡觉时会关灯的智能床。

IOT网关，接收sensor数据的总入口，主要是日志，安全防护，流控，协议转换等功能，

图1 IOT网关

之前有提到IOT网关是基于python的twisted框架实现的，初期的时候该IOT网关主要实现的功能是 数据接收和转换功能 和 安全防护 。

数据接收和转换功能 ，这里很简单，拟定好数据交互格式后，IOT网关按照约定好的格式进行解析，然后转发给后端服务进行进一步的处理

安全防护 ，设备的区分主要是依靠烧录到硬件的SN号来实现，SN号包含的信息比较多，如生产批次，设备型号等，受制于厂商我安全防护不能做的非常完善，同时sensor与IOT网关的交互不能非常复杂。安全防护这一块理论上是设备接入要一型一密或者一机一密，协议上还应该启用tls/ssl安全通信协议。

图2 鉴权

安全防护要做ssl这类的安全通信协议的话，要考虑设备厂商实现通信模块能力，设备功耗，设备性能（低端设备cpu性能可能比较差，可考虑对称加密形式），IOT网关也需要引入相应模块。

另外认证从性能方面考虑，后期在设备比较多的情况下，可以加入redis等内存型key-value数据库，缓存设备信息，提高鉴权模块性能。

实践中，我们的sensor基本都是依靠电池供电，因此我们的IOT网关基本是面向短链接（后期我们有监测设备，依靠外部电源直接供电，为长连接），因此在每次发起连接我们都要进行一次鉴权，鉴权通过后，设备方可上传传感器监测数据和设备自身状态。

图3 数据交互流程

这一块的调试工作长达半年左右，才基本稳定下来，主要集中在设备商处除了硬件稳定性，还有在调试中发现传输的字符串乱码（c语言处理问题），沾包（厂商开发人员tcp协议不熟），优化传输效率，关闭cork或者 Nagle 算法（传输包很小）。

因为IOT网关不能主动断连接，理论 *** 作中，IOT网关应该和sensor有心跳协议，保证连接的有效性。设备商在数据流程交互完成后，竟然没有close 连接，直接休眠，导致网关所在服务器的连接的文件描述符一直没有正常释放，后面为了预防这种现象，我开启了 *** 作系统层面的keepalve定时器，回收失效连接（系统默认时间是2小时左右，我缩短了失效时间），理论上来说应该是应用层面去实现心跳协议。

整个IOT网关的设计，是无状态，可伸缩的，单网关在普通型ecs上可轻松达到数百tps。

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