CN113741442B - 一种基于数字孪生驱动的单轨吊车自动驾驶系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于矿山设备技术领域，具体涉及一种基于数字孪生驱动的单轨吊车自动驾驶系统及方法，该系统包括道岔传感器模块、定位系统模块、数据中转系统、智能控制系统、数字孪生系统以及自动驾驶模块。道岔传感器模块用于感知单轨吊道岔轨道中活动轨的连接位置状态；数据中转系统用于井上、井下的数据传输；智能控制系统与道岔传感器模块之间双向传输，智能控制系统与定位系统模块之间双向传输；数字孪生系统与智能控制系统双向传输。该方法将数字孪生技术应用于单轨吊车的自动驾驶，通过自动驾驶模块对进行单轨吊车的调度，减少矿下人员的投入，避免由于管理不规范或驾驶员操作不当而导致的安全事故。

Description

一种基于数字孪生驱动的单轨吊车自动驾驶系统及方法
技术领域
本发明属于矿山设备技术领域，具体涉及一种基于数字孪生驱动的单轨吊车自动驾驶系统及方法。
背景技术
当前，我国正在大力推进煤矿智能化建设，矿山运输系统正逐步由“有人化运输”向“机械化换人”直至“无人化运输”发展。煤炭运输属于高危行业，在煤矿事故中，由于运输发生的煤炭事故不占少数。传统单轨吊机车需要驾驶员在座舱内进行操作，但由于管理不规范或驾驶员操作不当等因素，易发生安全事故；同时由于巷道环境较差，对驾驶人员也会造成健康问题。
发明内容
本发明提供一种基于数字孪生驱动的单轨吊车自动驾驶系统及方法，实现单轨吊的无人化运输，减少矿下人员的投入，避免由于管理不规范或驾驶员操作不当而导致的安全事故，获知井下单轨吊的位置分布情况，实现单轨吊运输调度的高效化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于数字孪生驱动的单轨吊车自动驾驶系统及方法，所述自动驾驶系统包括数据中转系统、高速通讯链路、自动驾驶模块、位于井下的道岔传感器模块和定位系统模块以及位于井上的智能控制系统和数字孪生系统，其中：
所述数据中转系统包括若干矿灯，若干所述矿灯间隔安装在巷道内壁，所述数据中转系统用于井上、井下数据传输；
所述高速通讯链路用于所述道岔传感器模块与所述数据中转系统之间、所述定位系统模块与所述数据中转系统之间以及所述数据中转系统与所述智能控制系统之间的数据传输；
所述自动驾驶模块与所述数据中转系统连接，且所述自动驾驶模块安装于每辆单轨吊车上，所述自动驾驶模块用于控制单轨吊车实现无人驾驶；
所述道岔传感器模块包括若干道岔传感器，若干所述道岔传感器一一设置于每个道岔的每个活动轨处，所述道岔传感器用于感知每个道岔的每个活动轨连接位置状态；
所述定位系统模块用于对巷道内表面的轮廓进行拾取，对轨道装置进行定位以及实时定位井下每辆单轨吊车的地理位置，并将拾取、定位以及地理位置信息传输至所述数据中转系统；
所述智能控制系统与所述数据中转系统之间双向传输，所述数据中转系统与所述道岔传感器模块之间双向传输，所述数据中转系统与所述定位系统模块之间双向传输；
所述数字孪生系统与所述智能控制系统双向传输。
作为本发明的进一步优选，所述智能控制系统包括数据收发单元、数据处理单元以及控制单元，其中：
所述数据收发单元通过所述数据中转系统与所述道岔传感器模块进行双向传输，所述数据收发单元通过所述数据中转系统与所述定位系统模块进行双向传输；
所述数据处理单元接收所述数据收发单元传输的信息，所述数据处理单元将信息优化处理后，将信息传输至所述数字孪生系统；
所述数字孪生系统传输信息至所述控制单元，所述控制单元发出指令至所述数据收发单元。
作为本发明的进一步优选，所述高速通讯链路还用于所述数据收发单元与所述数据中转系统之间、所述数据收发单元与所述数据处理单元之间、所述数据处理单元与所述数字孪生系统之间、所述数字孪生系统与所述控制单元之间以及所述控制单元与所述数据收发单元之间的数据传输。
作为本发明的进一步优选，所述定位系统模块包括定位标签与定位基站，其中：
所述定位标签安装于巷道内表面对巷道内表面的轮廓进行拾取，并将拾取的位置信息传输至就近的所述定位基站；
所述定位标签还安装于轨道装置上对轨道装置进行定位，并将定位的位置信息传输至就近的所述定位基站；
所述定位标签还安装于单轨吊车上实时定位井下每辆单轨吊车的地理位置，并将地理位置信息传输至就近的所述定位基站；
所述定位基站间隔布置在巷道内，所述定位基站与所述定位标签之间通过无线网连接，所述定位基站接收所述定位标签的位置信息，再将位置信息传输给井上的所述数据收发单元。
作为本发明的进一步优选，所述轨道装置包括巷道、单轨吊轨道、链条、锚杆。
作为本发明的进一步优选，所述矿灯包括第一无线信号接收装置、第一无线信号发射装置、第一LIFI无线信号接收装置以及第一LIFI无线信号发射装置，所述数据收发单元连接与所述第一无线信号接收装置、所述第一无线信号发射装置分别连接；所述第一无线信号接收装置与所述第一LIFI无线信号发射装置有线连接；所述第一无线信号发射装置与所述第一LIFI无线信号接收装置有线连接；
所述自动驾驶模块包括第二LIFI无线信号接收装置，所述第二LIFI无线信号接收装置通过LIFI无线通讯链路与所述第一LIFI无线信号发射装置连接；
所述定位基站包括第二LIFI无线信号发射装置，所述第二LIFI无线信号发射装置通过LIFI无线通讯链路与所述第一LIFI无线信号接收装置连接；
所述道岔传感器模块包括第三LIFI无线信号接收装置和第三LIFI无线信号发射装置，所述第三LIFI无线信号接收装置通过LIFI无线通讯链路与所述第一LIFI无线信号发射装置输出端连接；所述第三LIFI无线信号发射装置通过LIFI无线通讯链路与所述第一LIFI无线信号接收装置连接。
作为本发明的进一步优选，从井上至井下的数据传输路径为：所述数据收发单元传输数据至所述第一无线信号接收装置，所述第一无线信号接收装置传输数据至所述第一LIFI无线信号发射装置，所述第一LIFI无线信号发射装置再将数据分别传输至所述第二LIFI无线信号接收装置、所述第三LIFI无线信号接收装置；
从井下至井上的数据传输路径为：所述第二LIFI无线信号发射装置与所述第三LIFI无线信号发射装置分别将数据传输至所述第一LIFI无线信号接收装置，所述第一LIFI无线信号接收装置将数据传输至所述第一无线信号发射装置，所述第一无线信号发射装置将数据传输传至所述数据收发单元。
还提供了一种基于数字孪生驱动的单轨吊自动驾驶方法，所述自动驾驶方法包括以下步骤：
步骤S1：建立巷道静态数字孪生体模型
S1-1、所述道岔传感器模块与所述定位系统模块将每个道岔的每个活动轨连接位置状态、巷道的截面大小以及巷道的走向经所述数据中转系统传输至所述智能控制系统；
S1-2、所述智能控制系统将接收到的信息传输至所述数字孪生系统；
S1-3、所述数字孪生系统根据其接收的信息进行巷道静态数字孪生体模型的建立；
步骤S2：建立单轨吊车静态数字孪生体模型
S2-1、所述定位系统模块将每辆单轨吊车的地理位置信息经所述数据中转系统传输至所述智能控制系统；
S1-2、所述智能控制系统将信息传输至所述数字孪生系统；
S1-3、所述数字孪生系统根据其接收的信息对每辆单轨吊车进行独立的静态数字孪生体模型的建立；
步骤S3：获得完整的静态数字孪生体模型
S3-1、将步骤S2中建立的单轨吊车静态数字孪生体模型导入至步骤S1中建立的巷道静态数字孪生体模型中，从而整合为一个完整的静态数字孪生体模型；
步骤S4：数据导入
S4-1、对每辆单轨吊车依次按照001、002、003……的形式依次进行编号；
S4-2、将步骤S4-1中的编号信息导入至单轨吊车的自动驾驶模块以及每辆单轨吊车对应的数字孪生体模型中；
步骤S5：获得动态数字孪生体模型
S5-1、所述定位系统模块实时捕捉每辆单轨吊车整个车身的动态位置，并将每辆单轨吊车整个车身的动态位置传输至所述智能控制系统中；
S5-2、所述智能控制系统将得到的每辆单轨吊车整个车身的动态位置信息实时传输至步骤S3中获得的完整静态数字孪生体模型中，从而能实时更新每辆单轨吊车数字孪生体在巷道静态数字孪生体模型中的位置；
S5-3、至此，完成了静态数字孪生体到动态数字孪生体的过程，得到了每个编号对应的单轨吊车整个车身在巷道中的动态位置信息，从而得到每辆单轨吊车在巷道中的动态数字孪生体模型；
步骤S6：对单轨吊车进行无人化调度控制
S6-1、所述数字孪生体系统连接至所述智能控制系统的所述控制单元；
S6-2、所述控制单元实时读取步骤S5中动态数字孪生体的数据，并对读取的数据进行分析；
S6-3、依据步骤S6-2的分析，所述控制单元做出相应指令传输至所述数据收发单元，所述数据收发单元将指令经所述数据中转系统传输至所述自动驾驶模块；
S6-4、所述自动驾驶模块进而对相应的单轨吊车进行无人化调度控制。
作为本发明的进一步优选，还包括实施于步骤3之前的步骤7，所述步骤7具体如下：
步骤7：建立轨道装置静态数字孪生体模型
S7-1、所述定位系统模块中的若干所述定位标签对巷道、单轨吊轨道、链条、锚杆进行地理位置上的定位；
S7-2、将步骤S7-1中得到的轨道装置地理位置信息经所述数据中转系统传输至所述智能控制系统中；
S7-3、所述智能控制系统将接收到的信息传输至所述数字孪生系统；
S7-4、所述数字孪生系统根据其接收的信息进行轨道装置静态数字孪生体模型的建立。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将每辆单轨吊车作编号处理，通过自动驾驶模块中的状态检测模块，对每个编号的单轨吊车的状态做出判断：忙碌状态/空闲状态。
2、本发明智能控制系统在对动态数字孪生体模型中的单轨吊车搜索时跳过忙碌状态的单轨吊车。
3、本发明应用超宽带定位技术，超宽带信号有很强的穿透性能，能很好的解决定位过程中有障碍物的阻挡问题，进而能够实现单轨吊车的精确定位，可以获知在需要单轨吊车转载机械设备/人员的地点处，调用距离最近且正处于非工作状态的单轨吊车，实现单轨吊运输调度的高效化。
4、本发明将数字孪生技术应用于单轨吊车的自动驾驶，实现了单轨吊车的无人化运输，减少矿下人员的投入，避免由于管理不规范或驾驶员操作不当而导致的安全事故。
5、本发明通过对矿下巷道进行三维模型复现，可以在工人的身上安装定位装置，如果因特殊原因导致矿井塌方及人员被困的紧急事件时，利用数字孪生构建的三维数字孪生体可以快速进行人员搜救，保障人员安全。
6、本发明中的矿灯用于照明，数据中转系统作为井上与井下进行数据传输的中介。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明自动驾驶系统的结构示意图；
图2是本发明自动驾驶方法流程图。
图中：1.巷道；2.单轨吊车。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种优选实施方案，一种基于数字孪生驱动的单轨吊车自动驾驶系统，如图1所示，上述自动驾驶系统包括数据中转系统、高速通讯链路、自动驾驶模块、位于井下的道岔传感器模块和定位系统模块以及位于井上的智能控制系统和数字孪生系统，其中：
上述智能控制系统与上述数据中转系统之间双向传输，上述智能控制系统与上述数字孪生系统之间双向传输，上述数据中转系统与上述道岔传感器模块之间双向传输，上述数据中转系统与上述定位系统模块之间双向传输。
上述智能控制系统包括数据收发单元、数据处理单元以及控制单元，上述数据收发单元通过上述数据中转系统与上述道岔传感器模块进行双向传输，数据收发单元通过数据中转系统与定位系统模块进行双向传输；上述数据处理单元接收数据收发单元传输的信息，数据处理单元将信息优化处理后，传输信息至数字孪生系统；上述数字孪生系统传输信息至控制单元，控制单元发出指令至数据收发单元。
上述数字孪生系统包括三维建模软件，三维建模软件用于建立数字孪生体。数字孪生系统用于实时反映井下每辆单轨吊车2的实时位置、每个道岔的每个活动轨连接位置状态的可视化信息。活动轨的变轨通过活动轨控制器进行控制，活动轨控制器与数据收发单元连接。
上述道岔传感器模块包括若干道岔传感器，若干道岔传感器一一设置于每个道岔的每个活动轨处，道岔传感器用于感知每个道岔的每个活动轨连接位置状态，并将感知到的信息经数据中转系统传输至智能控制系统中的数据收发单元。
上述定位系统模块采用超宽带定位技术；定位系统模块包括若干定位标签和若干定位基站。若干定位标签安装在单轨吊车2上、巷道1内表面以及轨道装置上，轨道装置包括巷道1、单轨吊轨道（包括道岔）、链条、锚杆，也就是巷道1、单轨吊轨道（包括道岔）、链条、锚杆上均安装有定位标签，通过若干定位标签感知单轨吊车2上地理位置、巷道1内表面截面大小以及轨道装置中的巷道1、单轨吊轨道（包括道岔）、链条、锚杆的地理位置信息，并将感知到的信息传输至智能控制系统中的数据收发单元。巷道1内表面上的定位标签按一定规律布置（布置规律：布置效果能够最大限度上体现巷道1轮廓），定位标签用于拾取航道的点状轮廓，在计算机中施加拟合算法，将离散化的点状轮廓拟合为连续性的曲面轮廓，即获得了巷道1的三维模型此三维模型包括巷道1的截面大小与走向。在巷道1内部每间隔150-200米安装一个定位基站，定位标签与定位基站之间通过无线网连接，定位基站接收定位标签的位置信息，再将位置信息传输给井上的数据收发单元。进一步地，在每辆单轨吊车2前后两端安装若干定位标签，用于实时定位每辆单轨吊车2整个车身的地理位置，并将定位到的单轨吊车2地理位置信息经无线网络传输至就近的定位基站内，并经由数据中转系统传输至智能控制系统中的数据收发单元。
上述高速通讯链路用于道岔传感器模块与数据中转系统之间、定位系统模块与数据中转系统之间、数据收发单元与数据中转系统之间、数据收发单元与数据处理单元之间、数据处理单元与数字孪生系统之间、数字孪生系统与控制单元之间以及控制单元与数据收发单元之间的数据传输。
上述自动驾驶模块经数据中转系统与智能控制系统中的数据收发单元连接，自动驾驶模块安装于每辆单轨吊车2前后两端，用于控制单轨吊车2实现无人驾驶。
本实施方案还提供了一种基于数字孪生驱动的单轨吊自动驾驶方法，如图2所示，自动驾驶方法包括以下步骤：
步骤S1：建立巷道静态数字孪生体模型
S1-1、道岔传感器模块中的道岔传感器将每个道岔的每个活动轨连接位置状态、若干定位标签将拾取的航道点状轮廓经数据中转系统传输至智能控制系统；
S1-2、智能控制系统将接收到的信息传输至数字孪生系统；
S1-3、数字孪生系统根据其接收的信息进行巷道静态数字孪生体模型的建立，巷道静态数字孪生体模型包括巷道1的截面大小与走向；
步骤S2：建立单轨吊车静态数字孪生体模型
S2-1、定位系统模块将每辆单轨吊车2的地理位置信息经数据中转系统传输至智能控制系统；
S1-2、智能控制系统将信息传输至数字孪生系统；
S1-3、数字孪生系统根据其接收的信息对每辆单轨吊车2进行独立的静态数字孪生体模型的建立；
步骤S3：获得完整的静态数字孪生体模型
S3-1、将步骤S2中建立的单轨吊车静态数字孪生体模型导入至步骤S1中建立的巷道静态数字孪生体模型中，从而整合为一个完整的静态数字孪生体模型；
步骤S4：数据导入
S4-1、对每辆单轨吊车2依次按照001、002、003……的形式依次进行编号；
S4-2、将步骤S4-1中的编号信息导入至单轨吊车2的自动驾驶模块以及每辆单轨吊车2对应的数字孪生体模型中；
步骤S5：获得动态数字孪生体模型
S5-1、定位系统模块实时捕捉每辆单轨吊车2整个车身的动态位置，并将每辆单轨吊车2整个车身的动态位置传输至智能控制系统中；
S5-2、智能控制系统将得到的每辆单轨吊车2整个车身的动态位置信息实时传输至步骤S3中获得的完整静态数字孪生体模型中，从而能实时更新每辆单轨吊车2数字孪生体在巷道静态数字孪生体模型中的位置；
S5-3、至此，完成了静态数字孪生体到动态数字孪生体的过程，得到了每个编号对应的单轨吊车2整个车身在巷道1中的动态位置信息，从而得到每辆单轨吊车2在巷道1中的动态数字孪生体模型；
步骤S6：对单轨吊车2进行无人化调度控制
S6-1、数字孪生体系统连接至智能控制系统的控制单元；
S6-2、控制单元实时读取步骤S5中动态数字孪生体的数据，并对读取的数据进行分析；
S6-3、依据步骤S6-2的分析，控制单元做出相应指令传输至数据收发单元，数据收发单元将指令经数据中转系统传输至自动驾驶模块；
S6-4、自动驾驶模块进而对相应的单轨吊车2进行无人化调度控制。
进一步地，上述自动驾驶模块包括状态检测模块和单轨吊车2控制模块，其中：
上述状态检测模块用于判断单轨吊车2的两种工作状态，其一为忙碌状态，其二为空闲状态。进一步地，单轨吊车2的起吊链条上安装有应力传感器，当起吊链条上的应力传感器测得应力值超出预设范围时，自动驾驶模块判断单轨吊车2处于忙碌状态；自动驾驶模块将单轨吊车2的状态信号传输至井上的智能控制系统，智能控制系统再传输至数字孪生系统，数字孪生系统中的动态数字孪生体模型对应单轨吊车2标记为忙碌状态。当应力传感器测得的应力值未超出预设范围时，自动驾驶模块判断单轨吊车2处于空闲状态；自动驾驶模块将单轨吊的状态信号传输至井上的智能控制系统，智能控制系统再传输至数字孪生系统，数字孪生系统中的动态数字孪生体模型对应单轨吊车2标记为空闲状态。
上述单轨吊车2控制模块安装于单轨吊车2上，单轨吊车2控制模块接收数据收发单元发出的控制指令，依据指令对单轨吊车2进行自动驾驶。
上述自动驾驶方法涉及的具体调度方法如下：
上述智能控制系统读取井下巷道1三维截面与走向、读取每辆单轨吊车2所在位置及所对应的编号以及读取道岔所在地理位置以及道岔中活动轨的连接位置状态。
当其他单轨吊车2将机械设备或人员运输至指定的单轨吊车2运载点后，需要单轨吊车2运载时，智能控制系统立即判断转载点与需要运至的目标点的位置；确定转载点与目标点的位置后，智能控制系统中内置有人工智能算法，智能控制系统运用人工智能算法，在建立的动态数字孪生体模型内寻找距离运载点最近、且处于空闲状态的单轨吊车2。
当对运载点与目标点之间的路径进行路线规划时，寻找所需路径较短、巷道1斜度较缓的路径作为最优行走路线。进一步地，当智能控制系统通过人工智能算法寻找距离运载点最近、且处于空闲状态的单轨吊车2时，被标记为忙碌的单轨吊车2将被忽略，只在被标记为空闲状态的单轨吊车2中搜索。
确定好行走路径后，智能控制系统首先在动态数字孪生体模型中标记运载点与目标点的位置和最优的行走路线，确定距离运载点最近的、且处于空闲状态的单轨吊车2后，智能控制系统通过高速通讯链路对单轨吊车2上的自动驾驶模块发出指令，自动驾驶模块控制单轨吊车2前往转载点完成机械设备或人员的装载，转载过程完成后，自动驾驶模块驱动单轨吊车2沿最优的行走路线到达目标点。本实施方案对数字化的三维信息进行分析，并通过单轨吊车2上的自动驾驶模块控制单轨吊车2的运行，完成了井上控制井下每辆单轨吊车2的高效、有序的调度。
进一步地，上述自动驾驶方法中涉及道岔控制，道岔控制指：在智能控制系统向自动驾驶模块发出指令，自动驾驶模块控制单轨吊车2向目标点行驶的过程中，不免会遇到道岔，此时，需要智能控制系统读取动态数字孪生体模型中的数据，当智能控制系统通过人工智能算法算出动态数字孪生体模型中的单轨吊车2到达前方道岔的距离在预设范围内时，智能控制系统首先在动态数字孪生体模型中读取此刻道岔的位置信息，若此刻道岔中的活动轨处于正确位置上时，智能控制系统不作任何反应；若此刻道岔中的活动轨未处于正确位置时，智能控制系统向井下道岔处的上述活动轨控制器发出指令，活动轨控制器控制活动轨转动至正确的位置上，使得单轨吊车2顺利经过。
进一步地，数据中转系统包括若干矿灯，若干矿灯间隔安装在巷道1内壁，第一无线信号接收装置、第一无线信号发射装置、第一LIFI无线信号接收装置以及第一LIFI无线信号发射装置，数据收发单元与第一无线信号接收装置、第一无线信号发射装置分别连接；第一无线信号接收装置与第一LIFI无线信号发射装置有线连接；第一无线信号发射装置与第一LIFI无线信号接收装置有线连接；
上述自动驾驶模块包括第二LIFI无线信号接收装置，第二LIFI无线信号接收装置通过LIFI无线通讯链路与第一LIFI无线信号发射装置连接；
上述定位基站包括第二LIFI无线信号发射装置，第二LIFI无线信号发射装置通过LIFI无线通讯链路与所述第一LIFI无线信号接收装置连接；
上述道岔传感器模块包括第三LIFI无线信号接收装置和第三LIFI无线信号发射装置，第三LIFI无线信号接收装置通过LIFI无线通讯链路与第一LIFI无线信号发射装置输出端连接；第三LIFI无线信号发射装置通过LIFI无线通讯链路与第一LIFI无线信号接收装置连接。
从井上至井下的数据传输路径为：数据收发单元传输数据至第一无线信号接收装置，第一无线信号接收装置传输数据至第一LIFI无线信号发射装置，第一LIFI无线信号发射装置再将数据分别传输至第二LIFI无线信号接收装置、第三LIFI无线信号接收装置；
从井下至井上的数据传输路径为：第二LIFI无线信号发射装置与第三LIFI无线信号发射装置分别将数据传输至第一LIFI无线信号接收装置，第一LIFI无线信号接收装置将数据传输至第一无线信号发射装置，第一无线信号发射装置将数据传输传至数据收发单元。
从井上将控制信息（用于控制单轨吊车2的无人化自动驾驶）传递到井下的过程：数据收发单元→（通过高速通讯链路）第一无线信号接收模块→（通过有线电路）第一LIFI无线信号发射装置→（通过LIFI无线通讯链路）第二LIFI无线信号接收装置（自动驾驶模块）与所述第三LIFI无线信号接收装置（控制道岔）；
从井下将道岔信息与位置信息（用于更新数字孪生体）传递到井上的过程：第二LIFI无线信号发射装置（位置信息）与第三LIFI无线信号发射装置（道岔信息）→（通过LIFI无线通讯链路）第一LIFI无线信号接收装置→（通过有线电路）第一无线信号发射模块→（通过高速通讯链路）数据收发单元。至于作用，都是用于数据传输的中介。
进一步地，上述定位系统模块通过将若干定位标签的位置信息传输至就近的定位基站，定位基站通过第二LIFI无线信号发射装置将位置信息通过LIFI无线通讯链路传输至数据中转系统，进而确定巷道1内表面的轮廓、单轨吊车2以及轨道装置在井下的位置信息；道岔传感器模块内置有第三LIFI无线信号发射装置，道岔传感器模块通过第三LIFI无线信号发射装置将道岔信息通过LIFI无线通讯链路输送至数据中转系统，第一LIFI无线信号发射装置再将信息传输至数据收发单元，然后通过数据处理单元优化处理后传输至数字孪生系统中的动态数字孪生体模型；数字孪生系统根据道岔传感器模块的各个道岔传感器采集的信息与定位标签采集的位置信息（包括单轨吊车2、巷道1及轨道装置）实时更新动态数字孪生体模型，将井下矿道与单轨吊运行状态的真实三维信息转化为虚拟世界的数字化三维信息，从而完成数据传输过程。
进一步地，道岔上设有道岔传感器、道岔控制器、第三LIFI无线信号接收装置和第三LIFI无线信号发射装置，其中：
上述道岔控制器安装于每个巷道1中的每个活动轨处，用于控制道岔上的活动轨的转动，且道岔传感器将道岔中活动轨的连接位置状态信息发送至第三LIFI无线信号发射装置，然后第三LIFI无线信号发射装置将道岔中活动轨的连接位置状态信息发送至矿灯内的第一LIFI无线信号接收装置，第一LIFI无线信号接收装置再将信息传输至数据处理单元，然后通过数据处理单元传输至数字孪生系统中的动态数字孪生体模型；当井上的智能控制系统判断某个道岔中的活动轨需要转动时，控制单元发出控制信号，传输至数据收发单元，数据收发单元再将控制指令传输至矿灯，矿灯中的第一LIFI无线信号发射装置将控制信号输送至道岔上的第三LIFI无线信号接收装置，第三LIFI无线信号接收装置将控制信号传输至道岔控制器，道岔控制器控制道岔转动至正确位置，保证单轨吊车2的顺利通过。当需要控制单轨吊车2自动驾驶时，智能控制系统中的数据收发单元将控制信号输送至矿灯内的第一LIFI无线信号发射装置，灯内的第一LIFI无线信号发射装置将控制信息经LIFI无线通讯链路传输至自动驾驶模块中的第二LIFI无线信号接收装置，从而通过自动驾驶模块控制单轨吊车2进行无人化调度。
本实施方案还包括实施于步骤3之前的步骤7，步骤7具体如下：
步骤7：建立轨道装置静态数字孪生体模型
S7-1、定位系统模块中的若干第一定位装置对巷道1、单轨吊轨道（包括道岔）、链条、锚杆等进行地理位置上的定位；
S7-2、将步骤S7-1中得到的轨道装置地理位置信息传输至智能控制系统中；
S7-3、智能控制系统将接收到的信息传输至数字孪生系统；
S7-4、数字孪生系统根据其接收的信息进行轨道装置静态数字孪生体模型的建立。
将步骤7中建立的轨道装置静态数字孪生体模型与步骤S2中建立的单轨吊车静态数字孪生体模型一起导入至步骤S1中建立的巷道静态数字孪生体模型中，从而整合为一个完整的静态数字孪生体模型。此能更清晰详细的模拟井下环境，便于直观的观察单轨吊车2行驶状态。
本实施方案将所有的单轨吊车2作编号处理，通过自动驾驶模块中的状态检测模块，对每个编号的单轨吊车2的状态做出判断：忙碌状态/空闲状态；
本实施方案智能控制系统在对动态数字孪生体模型中的单轨吊车2搜索时跳过忙碌状态的单轨吊车2；
本发明应用超宽带定位技术，超宽带信号有很强的穿透性能， 能很好的解决定位过程中有障碍物的阻挡问题，进而能够实现单轨吊车2的精确定位，可以获知在需要单轨吊车2转载机械设备/人员的地点处，调用距离最近且正处于非工作状态的单轨吊车2，实现单轨吊运输调度的高效化。
本实施方案将数字孪生技术应用于单轨吊车2的自动驾驶，实现了单轨吊车2的无人化运输，减少矿下人员的投入，避免由于管理不规范或驾驶员操作不当而导致的安全事故。
本实施方案通过对矿下巷道1进行三维模型复现，可以在工人的身上安装定位装置，如果因特殊原因导致矿井塌方及人员被困的紧急事件时，利用数字孪生构建的三维数字孪生体可以快速进行人员搜救，保障人员安全。
本实施方案中的矿灯不仅用于照明，还通过在矿灯中的第一LIFI装置用于井上与井下（井上指矿井上面（地面），井下就是矿井下面（地底））进行数据传输的中介。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种基于数字孪生驱动的单轨吊车自动驾驶系统，其特征在于：所述自动驾驶系统包括数据中转系统、高速通讯链路、自动驾驶模块、位于井下的道岔传感器模块和定位系统模块以及位于井上的智能控制系统和数字孪生系统，其中：
所述数据中转系统包括若干矿灯，若干所述矿灯间隔安装在巷道内壁，所述数据中转系统用于井上、井下数据传输；
所述高速通讯链路用于所述道岔传感器模块与所述数据中转系统之间、所述定位系统模块与所述数据中转系统之间以及所述数据中转系统与所述智能控制系统之间的数据传输；
所述自动驾驶模块与所述数据中转系统连接，且所述自动驾驶模块安装于每辆单轨吊车上，所述自动驾驶模块用于控制单轨吊车实现无人驾驶；所述自动驾驶模块包括状态检测模块和单轨吊车控制模块，其中：状态检测模块用于判断单轨吊车的两种工作状态，其一为忙碌状态，其二为空闲状态；单轨吊车的起吊链条上安装有应力传感器，当起吊链条上的应力传感器测得应力值超出预设范围时，自动驾驶模块判断单轨吊车处于忙碌状态；当应力传感器测得的应力值未超出预设范围时，自动驾驶模块判断单轨吊车处于空闲状态；
智能控制系统通过人工智能算法寻找距离运载点最近、且处于空闲状态的单轨吊车；
所述道岔传感器模块包括若干道岔传感器，若干所述道岔传感器一一设置于每个道岔的每个活动轨处，所述道岔传感器用于感知每个道岔的每个活动轨连接位置状态；
所述定位系统模块用于对巷道内表面的轮廓进行拾取，对轨道装置进行定位以及实时定位井下每辆单轨吊车的地理位置，并将拾取、定位以及地理位置信息传输至所述数据中转系统；
所述智能控制系统与所述数据中转系统之间双向传输，所述数据中转系统与所述道岔传感器模块之间双向传输，所述数据中转系统与所述定位系统模块之间双向传输；
所述数字孪生系统与所述智能控制系统双向传输；
所述定位系统模块包括定位标签与定位基站，其中：所述定位标签安装于巷道内表面对巷道内表面的轮廓进行拾取，并将拾取的位置信息传输至就近的所述定位基站，施加拟合算法将离散化的点状轮廓拟合为连续性的曲面轮廓，即获得巷道的三维模型；所述定位标签还安装于轨道装置上对轨道装置进行定位，并将定位的位置信息传输至就近的所述定位基站；所述定位标签还安装于单轨吊车上实时定位井下每辆单轨吊车的地理位置，并将地理位置信息传输至就近的所述定位基站；所述定位基站间隔布置在巷道内，所述定位基站与所述定位标签之间通过无线网连接，所述定位基站接收所述定位标签的位置信息；
所述智能控制系统包括数据收发单元、数据处理单元以及控制单元；
所述矿灯包括第一无线信号接收装置、第一无线信号发射装置、第一LIFI无线信号接收装置以及第一LIFI无线信号发射装置，所述数据收发单元连接与所述第一无线信号接收装置、所述第一无线信号发射装置分别连接；所述第一无线信号接收装置与所述第一LIFI无线信号发射装置有线连接；所述第一无线信号发射装置与所述第一LIFI无线信号接收装置有线连接；
所述自动驾驶模块包括第二LIFI无线信号接收装置，所述第二LIFI无线信号接收装置通过LIFI无线通讯链路与所述第一LIFI无线信号发射装置连接；
所述定位基站包括第二LIFI无线信号发射装置，所述第二LIFI无线信号发射装置通过LIFI无线通讯链路与所述第一LIFI无线信号接收装置连接；
所述道岔传感器模块包括第三LIFI无线信号接收装置和第三LIFI无线信号发射装置，所述第三LIFI无线信号接收装置通过LIFI无线通讯链路与所述第一LIFI无线信号发射装置输出端连接；所述第三LIFI无线信号发射装置通过LIFI无线通讯链路与所述第一LIFI无线信号接收装置连接；
定位系统模块通过将若干定位标签的位置信息传输至就近的定位基站，定位基站通过第二LIFI无线信号发射装置将位置信息通过LIFI无线通讯链路传输至数据中转系统，进而确定巷道内表面的轮廓、单轨吊车以及轨道装置在井下的位置信息；道岔传感器模块通过第三LIFI无线信号发射装置将道岔信息通过LIFI无线通讯链路输送至数据中转系统，第一LIFI无线信号发射装置再将信息传输至数据收发单元，然后通过数据处理单元优化处理后传输至数字孪生系统中的动态数字孪生体模型；数字孪生系统根据道岔传感器模块的各个道岔传感器采集的信息与定位标签采集的位置信息，包括单轨吊车、巷道及轨道装置，实时更新动态数字孪生体模型，将井下矿道与单轨吊运行状态的真实三维信息转化为虚拟世界的数字化三维信息，从而完成数据传输过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生驱动的单轨吊车自动驾驶系统，其特征在于：所述数据收发单元通过所述数据中转系统与所述道岔传感器模块进行双向传输，所述数据收发单元通过所述数据中转系统与所述定位系统模块进行双向传输；
所述数据处理单元接收所述数据收发单元传输的信息，所述数据处理单元将信息优化处理后，将信息传输至所述数字孪生系统；
所述数字孪生系统传输信息至所述控制单元，所述控制单元发出指令至所述数据收发单元。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生驱动的单轨吊车自动驾驶系统，其特征在于：所述高速通讯链路还用于所述数据收发单元与所述数据中转系统之间、所述数据收发单元与所述数据处理单元之间、所述数据处理单元与所述数字孪生系统之间、所述数字孪生系统与所述控制单元之间以及所述控制单元与所述数据收发单元之间的数据传输。
4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生驱动的单轨吊车自动驾驶系统，其特征在于：所述定位基站将位置信息传输给井上的所述数据收发单元。
5.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生驱动的单轨吊车自动驾驶系统，其特征在于：所述轨道装置包括巷道、单轨吊轨道、链条、锚杆。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生驱动的单轨吊车自动驾驶系统，其特征在于：
从井上至井下的数据传输路径为：所述数据收发单元传输数据至所述第一无线信号接收装置，所述第一无线信号接收装置传输数据至所述第一LIFI无线信号发射装置，所述第一LIFI无线信号发射装置再将数据分别传输至所述第二LIFI无线信号接收装置、所述第三LIFI无线信号接收装置；
从井下至井上的数据传输路径为：所述第二LIFI无线信号发射装置与所述第三LIFI无线信号发射装置分别将数据传输至所述第一LIFI无线信号接收装置，所述第一LIFI无线信号接收装置将数据传输至所述第一无线信号发射装置，所述第一无线信号发射装置将数据传输传至所述数据收发单元。
7.一种基于数字孪生驱动的单轨吊自动驾驶方法，其特征在于，所述自动驾驶方法包括以下步骤：
步骤S1：建立巷道静态数字孪生体模型
S1-1、道岔传感器模块与定位系统模块将每个道岔的每个活动轨连接位置状态、巷道的截面大小以及巷道的走向经数据中转系统传输至智能控制系统；
S1-2、所述智能控制系统将接收到的信息传输至数字孪生系统；
S1-3、所述数字孪生系统根据其接收的信息进行巷道静态数字孪生体模型的建立；定位标签安装于巷道内表面对巷道内表面的轮廓进行拾取，施加拟合算法将离散化的点状轮廓拟合为连续性的曲面轮廓，即获得巷道的三维模型；
步骤S2：建立单轨吊车静态数字孪生体模型
S2-1、所述定位系统模块将每辆单轨吊车的地理位置信息经所述数据中转系统传输至所述智能控制系统；
S1-2、所述智能控制系统将信息传输至所述数字孪生系统；
S1-3、所述数字孪生系统根据其接收的信息对每辆单轨吊车进行独立的静态数字孪生体模型的建立；
步骤S3：获得完整的静态数字孪生体模型
S3-1、将步骤S2中建立的单轨吊车静态数字孪生体模型导入至步骤S1中建立的巷道静态数字孪生体模型中，从而整合为一个完整的静态数字孪生体模型；
步骤S4：数据导入
S4-1、对每辆单轨吊车依次按照001、002、003……的形式依次进行编号；
S4-2、将步骤S4-1中的编号信息导入至单轨吊车的自动驾驶模块以及每辆单轨吊车对应的数字孪生体模型中；
步骤S5：获得动态数字孪生体模型
S5-1、所述定位系统模块实时捕捉每辆单轨吊车整个车身的动态位置，并将每辆单轨吊车整个车身的动态位置传输至所述智能控制系统中；
S5-2、所述智能控制系统将得到的每辆单轨吊车整个车身的动态位置信息实时传输至步骤S3中获得的完整静态数字孪生体模型中，从而能实时更新每辆单轨吊车数字孪生体在巷道静态数字孪生体模型中的位置；
S5-3、至此，完成了静态数字孪生体到动态数字孪生体的过程，得到了每个编号对应的单轨吊车整个车身在巷道中的动态位置信息，从而得到每辆单轨吊车在巷道中的动态数字孪生体模型；
定位系统模块通过将若干定位标签的位置信息传输至就近的定位基站，定位基站通过第二LIFI无线信号发射装置将位置信息通过LIFI无线通讯链路传输至数据中转系统，进而确定巷道内表面的轮廓、单轨吊车以及轨道装置在井下的位置信息；道岔传感器模块通过第三LIFI无线信号发射装置将道岔信息通过LIFI无线通讯链路输送至数据中转系统，第一LIFI无线信号发射装置再将信息传输至数据收发单元，然后通过数据处理单元优化处理后传输至数字孪生系统中的动态数字孪生体模型；数字孪生系统根据道岔传感器模块的各个道岔传感器采集的信息与定位标签采集的位置信息，包括单轨吊车、巷道及轨道装置，实时更新动态数字孪生体模型；
步骤S6：对单轨吊车进行无人化调度控制
S6-1、所述数字孪生体系统连接至所述智能控制系统的控制单元；
S6-2、所述控制单元实时读取步骤S5中动态数字孪生体的数据，并对读取的数据进行分析；
S6-3、依据步骤S6-2的分析，所述控制单元做出相应指令传输至所述数据收发单元，所述数据收发单元将指令经所述数据中转系统传输至所述自动驾驶模块；
S6-4、所述自动驾驶模块进而对相应的单轨吊车进行无人化调度控制；需要单轨吊车运载时，智能控制系统立即判断转载点与需要运至的目标点的位置；确定转载点与目标点的位置后，智能控制系统中内置有人工智能算法，智能控制系统运用人工智能算法，在建立的动态数字孪生体模型内寻找距离运载点最近、且处于空闲状态的单轨吊车。
8.根据权利要求7所述的一种基于数字孪生驱动的单轨吊自动驾驶方法，其特征在于：还包括实施于步骤3之前的步骤7，所述步骤7具体如下：
步骤7：建立轨道装置静态数字孪生体模型
S7-1、所述定位系统模块中的若干所述定位标签对巷道、单轨吊轨道、链条、锚杆进行地理位置上的定位；
S7-2、将步骤S7-1中得到的轨道装置地理位置信息经所述数据中转系统传输至所述智能控制系统中；
S7-3、所述智能控制系统将接收到的信息传输至所述数字孪生系统；
S7-4、所述数字孪生系统根据其接收的信息进行轨道装置静态数字孪生体模型的建立。
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