CN114527425B - 一种基于数字孪生的矿井人员定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于数字孪生的矿井人员定位方法，包括步骤一、立体模型的建立，步骤二、线性调频扩频技术获取粗定位数据，步骤三、矿井人员距地面的定位数据的计算，步骤四、位置数据的估算和优化，步骤五、基于数字孪生技术映射显示矿井人员的定位；本发明先通过电磁感应原理对地下矿石层进行定位和探测建立立体模型，再利用线性调频扩频技术进行探测，结合扩频信号的衰减可精准计算出矿井人员的定位数据，并对定位数据进行优化后基于数字孪生技术结合立体模型实现精准的定位映射，有效避免传统的定位方法存在的局限性，定位精准且在矿难救援时给予一定的帮助。
Description
技术领域
本发明涉及矿井定位技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的矿井人员定位方法。
背景技术
近年来，我国煤炭资源的利用量呈现出大幅增长的趋势，煤矿的开采量以及开采规模也变得越来越大，这使得煤炭业发展成为了关系国民经济命脉的重点行业，而随着煤矿开采工作的深入，越来越多的不安全因素威胁着人民群众的生命和财产安全，因此各级政府都致力于采取一系列措施不断加强安全生产工作；
目前对矿井人员的定位大多是通过WiFi技术和RFID技术实现的，此种方法只能满足浅层矿井的定位通讯，而对于深层矿井无法实现精准定位，使用受限，同时在发生矿难时WiFi技术和RFID技术均无法使用，造成定位困难，影响救援进程，因此，本发明提出一种基于数字孪生的矿井人员定位方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于数字孪生的矿井人员定位方法，该基于数字孪生的矿井人员定位方法。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于数字孪生的矿井人员定位方法，包括以下步骤：
步骤一、基于电磁感应原理探测矿井人员与地面之间的矿石成分，并结合遥感卫星获取的雷达影像建立矿井下方通道及矿井人员与地面之间的矿石层结构的立体模型；
步骤二、利用线性调频扩频技术发射扩频信号获取矿井人员距地面的粗定位数据；
步骤三、利用粗定位数据并结合矿井到地面的矿石成分对扩频信号的衰减影响误差，计算矿井人员距地面的定位数据；
步骤四、使用最小二乘法对定位数据进行计算并对矿井人员位置进行估计，并对估计的位置数据进行优化，获得优化后的位置定位数据；
步骤五、基于数字孪生技术将优化后的位置定位数据代入立体模型中，形成矿井人员的数字位置映射，直观显示矿井人员在矿井中的具体位置。
进一步改进在于：所述步骤一中利用电磁感应原理探测具体包括
S1、布设单线源发射源，埋设与发射机连接的电极和N电极，并以N电极为中心等分埋设多组电极对，将N电极和多组电极对与接收仪的接线柱连接；
S2、构建一维地电模型并选取地电模型的电阻率和深度，再利用发射器控制发射电磁波进行探测；
S3、根据瞬变电磁法一维正演理论，结合步骤二的探测结果计算单一电极对接收时的电场响应；
S4、根据高阻层的电场响应差别来对目标进行勘察分辨，遍历多次，获得多个目标的精确成分和厚度。
进一步改进在于：所述S3中在计算时控制发射器的发射电流、偏移距和测点位置保持一致，所述S4中具体是通过目标层存在和不存在时的电场响应差来进行勘察分辨。
进一步改进在于：所述步骤一中遥感卫星获取雷达影像后再经过增强Lee滤波变换降低相干信号的干涉后再进一步使用均值滤波对雷达影像进行平滑处理。
进一步改进在于：所述Lee滤波模型由下式表示
其中W(t)表示权重函数，C1和Cv分别是数据z(t)和噪声的标准差系数，Cmax是噪声相对标准差系数的最大值。
进一步改进在于：所述均值滤波由如下数学表达式表示
其中Ri，j为平滑处理后的象元灰度值，DNi，j为图像的原始灰度值，n为图像的大小。
进一步改进在于：所述步骤二中发射调频信号后由矿井人员工作服和安全帽中设置的信号反射芯片进行反射定位，所述信号反射芯片设置有多组，多组信号反射芯片设置在工作服的裤脚、裤腰、胸口、衣领、袖口和安全帽内部前侧位置。
进一步改进在于：所述步骤四中对估计的位置数据进行优化具体为将估计的位置数据融入混沌粒子群方法，进行对地位实行优化，再结合动态三边测量对矿井人员移动进行测距定位，实现最终优化，得到优化后的位置定位数据。
本发明的有益效果为：本发明先通过电磁感应原理对地下矿石层进行定位和探测建立立体模型，再利用线性调频扩频技术进行探测，结合扩频信号的衰减可精准计算出矿井人员的定位数据，并对定位数据进行优化后基于数字孪生技术结合立体模型实现精准的定位映射，有效避免传统的定位方法存在的局限性，定位精准且在矿难救援时给予一定的帮助。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一流程图。
图2为本发明电磁感应原理探测流程图。
图3为本发明实施例二流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例一
根据图1、图2所示，本实施例提供了一种基于数字孪生的矿井人员定位方法，包括以下步骤：
步骤一、基于电磁感应原理探测矿井人员与地面之间的矿石成分，并结合遥感卫星获取的雷达影像建立矿井下方通道及矿井人员与地面之间的矿石层结构的立体模型；
遥感卫星获取雷达影像后再经过增强Lee滤波变换降低相干信号的干涉后再进一步使用均值滤波对雷达影像进行平滑处理，其中Lee滤波模型由下式表示
其中W(t)表示权重函数，C1和Cv分别是数据z(t)和噪声的标准差系数，Cmax是噪声相对标准差系数的最大值；
电磁感应原理探测具体包括
S1、布设单线源发射源，埋设与发射机连接的电极和N电极，并以N电极为中心等分埋设多组电极对，将N电极和多组电极对与接收仪的接线柱连接；
S2、构建一维地电模型并选取地电模型的电阻率和深度，再利用发射器控制发射电磁波进行探测；
S3、根据瞬变电磁法一维正演理论，结合步骤二的探测结果计算单一电极对接收时的电场响应，计算时控制发射器的发射电流、偏移距和测点位置保持一致；
S4、根据高阻层的电场响应差别来对目标进行勘察分辨，具体是通过目标层存在和不存在时的电场响应差来进行勘察分辨，遍历多次，获得多个目标的精确成分和厚度；
步骤二、利用线性调频扩频技术发射扩频信号获取矿井人员距地面的粗定位数据，在发射调频信号后由矿井人员工作服和安全帽中设置的信号反射芯片进行反射定位，所述信号反射芯片设置有多组，多组信号反射芯片设置在工作服的裤脚、裤腰、胸口、衣领、袖口和安全帽内部前侧位置；
步骤三、利用粗定位数据并结合矿井到地面的矿石成分对扩频信号的衰减影响误差，计算矿井人员距地面的定位数据；
步骤四、使用最小二乘法对定位数据进行计算并对矿井人员位置进行估计，并对估计的位置数据进行优化，具体为将估计的位置数据融入混沌粒子群方法，进行对地位实行优化，再结合动态三边测量对矿井人员移动进行测距定位，实现最终优化，获得优化后的位置定位数据；
步骤五、基于数字孪生技术将优化后的位置定位数据代入立体模型中，形成矿井人员的数字位置映射，直观显示矿井人员在矿井中的具体位置。
实施例二
根据图3所示，本实施例提供了一种基于数字孪生的矿井人员定位方法，包括以下步骤：
步骤一、基于电磁感应原理探测矿井人员与地面之间的矿石成分，并结合遥感卫星获取的雷达影像建立矿井下方通道及矿井人员与地面之间的矿石层结构的立体模型；
遥感卫星获取雷达影像后再经过增强Lee滤波变换降低相干信号的干涉后再进一步使用均值滤波对雷达影像进行平滑处理，其中Lee滤波模型由下式表示
其中W(t)表示权重函数，C1和Cv分别是数据z(t)和噪声的标准差系数，Cmax是噪声相对标准差系数的最大值；
所述均值滤波由如下数学表达式表示
其中Ri，j为平滑处理后的象元灰度值，DNi，j为图像的原始灰度值，n为图像的大小。
电磁感应原理探测具体包括
S1、布设单线源发射源，埋设与发射机连接的电极和N电极，并以N电极为中心等分埋设多组电极对，将N电极和多组电极对与接收仪的接线柱连接；
S2、构建一维地电模型并选取地电模型的电阻率和深度，再利用发射器控制发射电磁波进行探测；
S3、根据瞬变电磁法一维正演理论，结合步骤二的探测结果计算单一电极对接收时的电场响应，计算时控制发射器的发射电流、偏移距和测点位置保持一致；
S4、根据高阻层的电场响应差别来对目标进行勘察分辨，具体是通过目标层存在和不存在时的电场响应差来进行勘察分辨，遍历多次，获得多个目标的精确成分和厚度；
步骤二、利用线性调频扩频技术发射扩频信号获取矿井人员距地面的粗定位数据，在发射调频信号后由矿井人员工作服和安全帽中设置的信号反射芯片进行反射定位，所述信号反射芯片设置有多组，多组信号反射芯片设置在工作服的裤脚、裤腰、胸口、衣领、袖口和安全帽内部前侧位置；
步骤三、利用粗定位数据并结合矿井到地面的矿石成分对扩频信号的衰减影响误差，计算矿井人员距地面的定位数据；
步骤四、使用最小二乘法对定位数据进行计算并对矿井人员位置进行估计，并对估计的位置数据进行优化，具体为将估计的位置数据融入混沌粒子群方法，进行对地位实行优化，再结合动态三边测量对矿井人员移动进行测距定位，实现最终优化，获得优化后的位置定位数据；
步骤五、利用多组不同位置的信号反射芯片定位的具地面不同距离，获取矿井人员身形状态定位数据，实现实时监工，并在发生矿难时精准获取矿井人员的状态；
步骤六、基于数字孪生技术将优化后的位置定位数据代入立体模型中，形成矿井人员的数字位置映射，直观显示矿井人员在矿井中的具体位置。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种基于数字孪生的矿井人员定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、基于电磁感应原理探测矿井人员与地面之间的矿石成分，并结合遥感卫星获取的雷达影像建立矿井下方通道及矿井人员与地面之间的矿石层结构的立体模型；
步骤二、利用线性调频扩频技术发射扩频信号获取矿井人员距地面的粗定位数据；
步骤三、利用粗定位数据并结合矿井到地面的矿石成分对扩频信号的衰减影响误差，计算矿井人员距地面的定位数据；
步骤四、使用最小二乘法对定位数据进行计算并对矿井人员位置进行估计，并对估计的位置数据进行处理，获得处理后的位置数据；
步骤五、基于数字孪生技术将优化后的位置定位数据代入立体模型中，形成矿井人员的数字位置映射，直观显示矿井人员在矿井中的具体位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的矿井人员定位方法，其特征在于：所述步骤一中利用电磁感应原理探测具体包括
S1、布设单线源发射源，埋设与发射机连接的电极和N电极，并以N电极为中心等分埋设多组电极对，将N电极和多组电极对与接收仪的接线柱连接；
S2、构建一维地电模型并选取地电模型的电阻率和深度，再利用发射器控制发射电磁波进行探测；
S3、根据瞬变电磁法一维正演理论，结合步骤二的探测结果计算单一电极对接收时的电场响应；
S4、根据高阻层的电场响应差别来对目标进行勘察分辨，遍历多次，获得多个目标的精确成分和厚度。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的矿井人员定位方法，其特征在于：所述S3中在计算时控制发射器的发射电流、偏移距和测点位置保持一致，所述S4中具体是通过目标层存在和不存在时的电场响应差来进行勘察分辨。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的矿井人员定位方法，其特征在于：所述步骤一中遥感卫星获取雷达影像后再经过增强Lee滤波变换降低相干信号的干涉后再进一步使用均值滤波对雷达影像进行平滑处理。
5.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生的矿井人员定位方法，其特征在于：所述Lee滤波变换由下式表示
其中W(t)表示权重函数，C1和Cv分别是数据z(t)和
噪声的标准差系数，Cmax是噪声相对标准差系数的最大值。
6.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生的矿井人员定位方法，其特征在于：所述均值滤波由如下数学表达式表示
其中Ri，j为平滑处理后的象元灰度值，DNi，j为图像的原始灰度值，n为图像的大小。
7.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的矿井人员定位方法，其特征在于：所述步骤二中发射调频信号后由矿井人员工作服和安全帽中设置的信号反射芯片进行反射定位，所述信号反射芯片设置有多组，多组信号反射芯片设置在工作服的裤脚、裤腰、胸口、衣领、袖口和安全帽内部前侧位置。
8.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的矿井人员定位方法，其特征在于：所述步骤四中对估计的位置数据进行处理,采用估计的位置数据融入混沌粒子群方法，再结合动态三边测量对矿井人员移动进行测距定位，实现最终处理，得到处理后的位置数据。
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