CN115187205A - 一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统和建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及露天矿数字孪生建模技术领域，具体一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统和建模方法。云层，用于构建露天矿环境数字孪生模型，接收边层获取到的带有作业动作的分析结果，控制实体设备执行作业动作并展示；边层，用于获取端层中实体设备的运行数据，并对数据进行边缘计算，获取到的带有作业动作的分析结果和报警、预测数据发送至云层，以通过云层实现对应的数字孪生实体设备模型的动作控制和报警预警；端层，用于实时获取露天矿中的实体设备运行数据，同时将实体设备的运行数据发送至边层，以及将实体设备的实际位置和实际三维尺寸发送至云层。本发明提供跨平台、多语言的数据接口，去除数据孤岛，使系统具有很高的扩展性、移植性。

Description

一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统和建模方法

技术领域

本发明涉及露天矿数字孪生建模技术领域，具体一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统和建模方法。

背景技术

露天矿数字孪生是以工业互联网为基础基于现实世界露天矿采场而创建的虚拟世界的模型，结合采场基础设施、采矿设备以及生产运行数据与三维数字地质系统，呈现三维虚拟露天矿。现实世界露天矿采场所有单元、模块中的设备运转信息、生产过程信息、图像信息都能够和数字孪生模型进行联动，并在数字孪生模型上进行动态仿真展示，实现生产过程的可视化管理，以及全方位立体管控，实现集中优化指挥调度。

如专利号CN113255170A的发明中提出了一种云边协同工厂数字孪生监控建模系统和建模方法，建模系统包括云端系统和设置在工业现场的边缘计算设备；云端系统包括云边协同模块、单体建模模块、拓扑管理模块和数字孪生建模模块。建模系统通过拓扑模型如实反映物理世界的工厂，通过数字孪生单体模型与树状拓扑模型的节点关联、根据拓扑模型构建工业现场数据交互逻辑并与边缘计算设备协同、拓扑模型驱动数字孪生建模过程几个措施，实现数字孪生监控建模系统在不同工业现场场景下的可配置能力，降低数字孪生建模开发工作量，提高系统应用范围。

但是，目前采用的数字孪生建模系统和监控方法还不能用于露天矿生产，仍存在以下缺点：

1、我国露天矿采矿生产大多生产工艺流程长，管理环节多，工程复杂性高，各个层级之间信息传递具有滞后性，现有数字孪生建模方法难以实现实时的、准确的露天矿生产指挥调度，也不能改变现有的生产组织方式；

2、对于露天矿采矿生产中最核心的矿体模型，现有数字孪生建模方法无法实现矿山地质三维实体建模，不能精准描述地质分布，不能满足露天矿生产配矿要求；

3、现有数字孪生建模方法无法实现采矿生产中的五品联动。

发明内容

为实现上述技术问题，本发明的目的是提供一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统和建模方法，能够实现采矿一块屏，对地质、测量、设计、到采矿生产环节的生产管控、安全管控、设备能耗管控、铁运生产管控等方面进行一体化集成，所有采矿生产过程都可以通过露天矿数字孪生模型完成，最终形成智慧矿山整体解决方案。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统，包括：

云层，用于构建露天矿环境数字孪生模型，并接收端层中实体设备的实际位置和实际三维尺寸，创建对应的数字孪生实体设备模型，以及根据露天矿场的地质数据建立地质模型，并将数字孪生实体设备模型和地质模型加入至露天矿环境数字孪生模型中，形成露天矿数字孪生模型；同时，接收边层获取到的带有作业动作的分析结果，根据分析结果控制端层实体设备执行相应的作业动作，并通过三维的形式展示；

网层，用于构建露天矿现场的网络，以实现层之间的数据传输；

边层，用于获取端层中实体设备的运行数据，并对该数据进行边缘计算，获取到的带有作业动作的分析结果和报警、预测数据发送至云层，以通过云层实现对应的数字孪生实体设备模型的动作控制和报警预警；

端层，用于实时获取露天矿中的实体设备运行数据，同时将实体设备的运行数据发送至边层，以及将实体设备的实际位置和实际三维尺寸发送至云层。

所述端层中实体设备，包括：单体设备、生产设施、传感器、定位装置和视频监控设施；

单体设备，用于露天矿场中工具设备或实现作业的移动车体设备；

生产设施，包括设置在露天矿场中卸矿点、爆破警戒区、钻孔装置以及边坡监控设施；

传感器，包括：应用于露天矿中各个单体设备或生产设施上的电能表、矿用卡车油箱液位计、矿用卡车防碰撞雷达传感器、矿用电铲姿态传感器、牙轮钻孔深传感器、卸矿点蓬料传感器以及边坡位移传感器中的至少一种，以采集相应单体设备或生产设施数据；

定位装置，包括：安装在各种单体设备上的北斗定位模块以及作业人员佩戴的定位腕表；

视频监控设施，包括：用于获取露天矿场的实时视频的露天矿场鹰眼视频设备、生产设备驾驶室内监控设备以及生产设备周边监控设备。

所述云层，包括：露天矿生产管理模块、露天矿生产执行模块、露天矿安全管理模块以及露天矿数字孪生模块；

露天矿生产执行模块，用于存储当前露天矿场的地质数据，并发送至露天矿数字孪生模块；同时，接收边层获取到的带有作业动作的分析结果，并根据分析结果，控制相应单体设备执行相应的作业动作；

露天矿安全管理模块，用于接收边层对定位装置和传感器获取的数据，并实现露天矿场的边坡监控、人员管理；同时，接受边层处理后得到的报警、预测数据，以实现报警预警；

露天矿数字孪生模块，根据露天矿生产执行模块发送的当前露天矿场的地质数据建立地质模型，以及对端层发送的实体设备的实际位置和实际三维尺寸创建对应的数字孪生实体设备模型并将地质模型和数字孪生实体设备模型添加至露天矿环境数字孪生模型中，形成露天矿数字孪生模型。

一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统的建模方法，包括以下步骤：

1)通过采用无人机倾斜摄影方式对露天矿采场进行实景建模，获得露天矿环境数字孪生模型；

2)根据露天矿场的地质数据建立地质模型；

3)露天矿数字孪生模块将地质模型添加至露天矿环境数字孪生模型结；

4)露天矿数字孪生模块中，根据实体设备中生产设施的实际位置和实际三维尺寸，创建对应的数字孪生生产设施模型；并建立每个单体设备模型，数字孪生生产设施模型与单体设备模型构成数字孪生实体设备模型，加入至露天矿环境数字孪生模型中，得到露天矿数字孪生模型；

5)露天矿生产执行模块控制数字孪生实体设备模型执行相应的动作；

6)露天矿安全管理模块接收边层对定位装置和传感器获取的数据，对露天矿现场作业人员的健康信息、以及生产设施的边坡进行监控，并接受边层处理后得到的报警、预测数据，以实现报警预警；；

7)露天矿数字孪生模块对实时的露天矿数字孪生模型进行可视化展示。

所述步骤1)具体为：

1-1)拍摄影像数据，经过计算获得二进制存贮的、带有嵌入式链接纹理数据的OSGB格式模型；

1-2)采用等高线测量法，确定OSGB模型的地物空间的绝对位置；

1-3)去除露天矿采场建模过程中的单体设备，最终获取露天矿环境数字孪生模型。

步骤4)中，创建对应的数字孪生生产设施模型，通过定义每类生产设施和与数字孪生生产设施模型之间的数据接口，使得数字孪生生产设施模型显示实时的业务数据；包括以下步骤：

根据生产设施的卸矿点，获取数字孪生生产设施模型中矿石产量、矿石平均品位数据；

根据生产设施的爆破警戒，划分数字孪生生产设施模型中的爆破警戒区域；

根据生产设施的钻孔装置，获取数字孪生生产设施模型目标钻孔装置的钻孔坐标、钻孔孔径、钻孔深度和装药参数。

所述步骤6)，具体为：

露天矿安全管理模块通过实体设备中的定位装置以及视频监控对露天矿现场作业人员进行健康监控及位置监控；同时根据传感器的数据实现对于生产设施的边坡的监控；

露天矿安全管理模块设定每个作业人员的每项健康信息预警上、下限值，当健康信息超过预警范围时，露天矿安全管理模块将产生预警信息发送给对应人员。

本发明具有以下有益效果及优点：

1、本发明能够实现组织扁平化管理，将各专业集中到远程调度中心，实现到岗位的垂直管理，精简岗位，缩短管理流程，提高管理效率，提升劳动生产率；

2、本发明能够实现成本绩效精细化管理，通过数据接口，统计分析能源消耗数据，实现精准的能源成本分析，实现单体设备、单工序能耗的实时、自动核算，智能报警，精细考核；

3、本发明以工业互联网平台为基础支撑，以PaaS、SaaS理念，构建强平台、高智能、多应用的服务体系，解决采矿全流程互联互通难题。

4、本发明以五品联动理论为指导，以数字地质为核心，以生产成本、国际矿价为指数，以矿种、品位为依据，建立露天矿数字孪生系统，实现各工序协同。

5、露天矿生产管理模块从采矿整体生产管理角度，提供基础数据、计划分解、生产调度下发、绩效考核、统计分析等流程管理，分解下发任务到达露天矿生产执行模块进行采矿作业执行，同时各生产执行模块对各自环节数据进行采集以及回馈，在生产管理模块中完成生产追踪，形成生产管理闭环作业。在露天矿生产作业中安全无疑是最重要的，露天矿安全管理模块通过对人员、车辆、危险源有针对性的管理，保障露天矿安全生产。露天矿数字孪生模块在三维矿体模型的基础上，对以上各模块各环节数据进行整体集成展示，方便采场直观的调度、管理。

6、以“端、边、网、云”的技术架构，提供囊括硬件与软件的完整解决方案，提供跨平台、多语言的数据接口，去除数据孤岛，使系统具有很高的扩展性、移植性，对于露天矿生产相关的所有设备、人员、工艺、计划等都可以找到对应的位置融入本系统。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的端层系统结构示意图；

图3为本发明的边层系统结构示意图；

图4为本发明的网层系统结构示意图；

图5为本发明的云层系统结构示意图；

图6为本发明的数据流示意图；

图7为本发明的建模方法流程图；

图8为本发明实施例的露天矿数字孪生应用效果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明的系统结构示意图；一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统，本发明包括端、边、网、云四层系统；

端层功能是露天矿现场自动化控制、单体设备控制及数据采集、现场视频监控、通讯指挥调度；用于实时获取露天矿中的实体设备运行数据，同时将实体设备的运行数据发送至边层，以及将实体设备的实际位置和实际三维尺寸发送至云层。

本发明的端层包括单体设备、生产设施、传感器、定位装置和视频监控；单体设备指露天矿生产中直接或间接用于采矿生产的移动设备；生产设施指露天矿生产中直接或间接用于采矿生产的固定设施；传感器指为了提高采矿生产自动化程度或人工智能程度而安装在设备和装备上的传感器；定位装置指为了获得可移动采矿生产设备位置信息而安装在设备上的北斗定位装置；视频监控指安装在露天采场固定位置的鹰眼视频装置和生产设备驾驶室内或室外的视频监控；

边层，用于获取端层中实体设备的运行数据，并结合AI算法对该数据进行边缘计算，获取到的带有作业动作的分析结果和报警、预测数据发送至云层，以通过云层实现对应的数字孪生实体设备模型的动作控制和报警预警；其最终的主要功能是与端层进行互联互通；

边层系统，包括：边缘计算装置、数据缓存装置、数据汇集装置、人工交互装置；

边缘计算装置指数据输入或用户的地方提供计算能力的装置，用于对端层中实体设备的参数数据进行边缘计算，获取到的带有作业动作的分析结果发送至云层；

数据缓存装置，用于在网络信号覆盖不到或者无法进行网络通信时，能够将露天矿采矿生产活动中产生的数据进行临时缓存的装置；

数据汇集装置，用于能够将露天矿采矿生产活动中产生的多源异构数据进行汇集，并且转换为统一协议、格式数据的装置；

人工交互装置指在露天矿采矿生产活动中，各类生产人员能够跟远程调度中心进行信息交互的装置；

网层用于构建现场的工控、生产、公网融合的网络体系，以实现层之间的数据传输以及与公共网络的数据传输；

网层包括：工控网、办公网、公共网、数传电台；

工控网指用于完成工控设备的控制、监控功能的整个露天采场工业自动化控制网络；

办公网指用于日常露天矿采矿生产活动中办公所需的网络；

公共网指运营商搭建的用于公共网络服务的网络；

数传电台指为了弥补工控网和公共网在露天采场网络覆盖不足，保证数据及时上传需要而布置的数传电台主站和数传电台中继站；

云层用于构建露天矿环境数字孪生模型，并接收端层中实体设备的实际位置和实际三维尺寸，创建对应的数字孪生实体设备模型，以及根据露天矿场的地质数据建立地质模型，并将数字孪生实体设备模型和地质模型加入至露天矿环境数字孪生模型中，形成露天矿数字孪生模型；同时，接收边层获取到的带有作业动作的分析结果，根据分析结果控制端层实体设备执行相应的作业动作，并通过三维的形式展示；

云层以标准的云三层服务体系作为基础，构建矿业的云体系；包括基础设施层IaaS、平台服务层PaaS和应用层SaaS；

应用层SaaS包括露天矿生产管理模块、露天矿生产执行模块、露天矿安全管理模块和露天矿数字孪生模块；

露天矿生产管理模块从采矿整体生产管理角度，提供基础数据、计划分解、生产调度下发、绩效考核、统计分析等管理流程；

露天矿生产执行模块目的在于进行采矿作业执行，同时各子模块对各自环节数据进行采集监控以及作业回馈，在生产管理模块中完成生产追踪，形成生产管理闭环作业；具体形式如下：其用于存储当前露天矿场的地质数据，并发送至露天矿数字孪生模块；同时，接收边层获取到的带有作业动作的分析结果，并根据分析结果，控制相应单体设备执行相应的作业动作；

露天矿安全管理模块，用于接收边层对定位装置和传感器获取的数据，并实现露天矿场的边坡监控、人员管理等；

露天矿数字孪生模块，根据露天矿生产执行模块发送的当前露天矿场的地质数据建立地质模型，以及对端层发送的实体设备的实际位置和实际三维尺寸创建对应的数字孪生实体设备模型并将地质模型和数字孪生实体设备模型添加至露天矿环境数字孪生模型中，形成露天矿数字孪生模型，并对各环节数据进行整体集成展示，方便露天采场直观的调度、管理；

如图2所示，为本发明的端层系统结构示意图；本实施例中：

端层系统包括单体设备、生产设施、传感器、定位装置和视频监控；

单体设备，包括牙轮钻、矿用电铲、矿用卡车、洒水车、撒盐车、卸矿点；

生产设施，包括卸矿点、爆破警戒、钻孔、边坡监控；

传感器，包括电能表、矿用卡车油箱液位计、矿用卡车防碰撞雷达传感器、矿用电铲姿态传感器、牙轮钻孔深传感器、卸矿点蓬料传感器；所述定位装置具体包括安装在各种移动设备上的北斗定位模块、工作人员佩戴的定位腕表；

视频监控，包括露天采场鹰眼视频、生产设备驾驶室内监控、生产设备周边监控；

如图3所示，为本发明的边层系统结构示意图；

边层，包括边缘计算装置、数据缓存装置、数据汇集装置、人工交互装置；

边缘计算装置，包括：电铲铲齿脱落识别装置、卸矿点蓬料识别装置等；

数据缓存装置，包括安装在各个移动设备上，用于在网络覆盖不足无法实现数据上传时暂时把数据缓存在本地，等到设备进入到网络覆盖区域时将数据一次上传；

数据汇集装置指安装在移动设备上的智能网关和串口服务器，用于将设备上的多源异构数据进行汇集，并且转换为统一协议、格式数据的装置；所述人工交互装置指安装在生产设备上的前置终端，用于接收从远程调度中心下发到各单体设备的实时调度信息和上传设备操作人员的反馈信息。

如图4所示，为本发明的网层系统结构示意图；

网层，包括工控网、办公网、公共网、数传电台；

工控网具体包括WIA-PA/FA网和工业以太网，用于完成工控设备的控制和监控功能；所述办公网具体包括WIFI、5G/4G专网、万兆环网，用于完成露天矿企业的日常管理活动；

公共网具体包括4G和5G，用于个人移动设备访问因特网或语音通话；

数传电台具体包括数传电台主站和中继站，作为工控网和公共网的补充，保证露天矿生产数据传输的实时性和完整性；

如图5所示，为本发明的云层系统结构示意图；

云层系统包括基础设施层IaaS、平台服务层PaaS和应用层SaaS；所述基础设施层IaaS完成虚拟化、存储、扩容、容灾和负载的功能；

平台服务层PaaS完成ETL、数据建仓、数据总线、矿业建模、科学计算、大数据分析功能；

应用层SaaS包括：露天矿生产管理模块、露天矿生产执行模块、露天矿安全管理模块和露天矿数字孪生模块；

露天矿生产管理模块包括数据管理、计划管理、生产管理、质量管理、设备管理、能源管理、绩效考核、统计分析和移动应用，从露天矿整体生产管理角度，提供基础数据、计划分解、生产调度下发、绩效考核、统计分析等流程管理，分解下发任务到达生产执行模块进行采矿作业执行；

露天矿生产执行模块包括三维地质、爆破管理、穿孔管理、配矿管理、铲装管理、运输管理、卡车调度、模型更新和验收管理，对自身环节数据进行采集监控以及作业回，在生产管理模块中完成生产追踪，形成生产管理数据闭环；

露天矿安全管理模块包括边坡监控、人员管理、车辆管理、卡车安全、电铲健康和巡检管理，将露天矿生产中安全相关的数据进行管理；

露天矿数字孪生模块在三维露天采场模型的基础上，对地质模型、单体设备建模，将所有获取的数据进行整体集成展示，方便采场直观的调度、管理，通过三维的形式展示给用户；

数据管理具体功能是对系统的基础数据进行维护，包括增加，删除，修改和查询等主要功能；

计划管理具体功能是根据企业制定的年生产计划确定季度生产计划，及月生产计划，采用基于业务需求的算法来实现对生产计划的联动排产；

生产管理具体功能是实现对露天矿采场相关钻孔、铲装、汽运设备的调度功能；所述质量管理具体功能是针对矿石品位的管理；

设备管理具体功能是针对采矿活动中直接和间接用于生产的设备进行管理；所述能源管理具体功能是实现对采场能源的智能管理，能够精确采集单机台、单工序的能耗信息；

绩效考核具体功能是通过系统中各环节的数据串联，结合指标信息，形成对作业人员的绩效与考核；

统计分析具体功能是对生产过程数据进行统计分析形成报表，从不同方面以不同角度向用户展示生产过程统计信息；

移动应用具体功能是指用户可以通过移动设备查看自己关注的数据；所述三维地质具体功能是实现矿山地质三维实体建模，精准描述地质分布；

爆破管理具体功能是实现先进的3D爆破设计和建模能力，实现爆破数据的可视化；所述穿孔管理具体功能是实现牙轮生产的计算机布孔操作；

配矿管理具体功能是有计划的按比例搭配不同品位的、不同品种的矿石，混合均匀，在保证达到选厂要求的质量标准情况下综合利用矿产资源；

铲装管理具体功能是实现铲装信息的实时采集、生产信息的自动汇总分析，记录电铲工作区域运动轨迹并上传，实现铲装的优化指挥调度；

运输管理具体功能是实现铁运环节的调度管理、智能报表、决策分析；

卡车调度具体功能是实现对采装设备移动运输设备卸料点及生产现场进行实时监控和优化管理的智能指挥调度系统；

模型更新具体功能是随着采矿生产的进行自动更新地质模型，具备模型修改与管理功能；

验收管理具体功能是随着采矿生产的进行能够计算出本月验收结存量，得出本月矿石与岩石的生产量；

边坡监控具体功能是用于露天矿边坡稳定性测量和监测；

人员管理具体功能是对设备操作人员进行健康状态监视，确保生产安全以及周围人员安全；

车辆管理具体功能是对车辆实行定位管理，监控车辆位置状况，向已经超出电子围栏范围的车辆司机提供报警功能；

卡车安全具体功能是对卡车运矿过程的碰撞危险提供示警功能；所述电铲健康具体功能是监控生产中电铲铲斗的健康状态，包括护套、铲齿脱落等；

巡检管理具体功能是按照国家的法律法规和企业制度，制定危险源鉴别方法、危险源巡检内容、安全应急预案、各级危险源的巡检计划要求，并自动生成巡检计划；

如图6所示，为本发明的数据流示意图，

实施例1：

本实施例中以卡车调度功能为例说明数据在各层之间的传输方法；

一、云层的卡车调度功能发送调度指令数据，数据发送给网层的工控网；

二、网层的工控网接收到卡车调度发来的数据后，转发给边层的人工交互装置；

三、边层的人工交互装置将数据转发给端层的矿用卡车单体设备，作业人员获得调度数据后开始作业，作业过程数据以及位置数据传输给边层的数据汇集装置；

四、边层的数据汇集装置接收到数据后转发数据给网层的工控网；

五、通过工控网将数据发送给卡车调度功能，调度人员可以通过实时的数据反馈决定下一步的调度指令；

如图7所示，为本发明的方法流程图，将整个露天矿生产过程和业务融合在一起形成露天矿数字孪生模型，该建模方法包括以下步骤：

步骤一、利用无人机倾斜摄影技术对露天矿采场进行实景建模，拍摄详细影像数据，经过计算获得二进制存贮的、带有嵌入式链接纹理数据(.jpg)的OSGB格式模型。采用精确的控制测量技术及等高线测量技术，保证空三精度、确定地物目标在空间中的绝对位置，控制模型整体误差在10cm以内。经过对地形的修正，去掉采场中无关机械设备对地形的影响，对地形影响的无关机械设备包括：牙轮钻、电铲、卡车等，最终得到精确的露天矿采场数字孪生模型；

步骤二、结合露天矿生产执行模块中三维地质的地质数据，该三维地质系统基于矿山勘探的钻孔、化验、岩性等地质数据，构造地质数据库，在三维空间显示勘探线各剖面钻孔岩性、品位数据，不同地质岩性按照不同颜色进行显示，根据钻孔岩性、品位图像进行矿体解译，判断矿体走向构建出地质模型。

步骤三、将构建后的地质模型添加至露天矿采场数字孪生模型，这样不仅可以看到露天矿采场地表模型，还可以直观的看到隐藏在地下的矿体、矿脉分布；通过对不同种类矿体加以颜色区分，呈现出不同种类、不同颜色的矿体交织在一起的孪生影像；

步骤四、根据露天矿生产现场参与采矿生产的设施的实际位置和实际三维尺寸，创建对应的数字孪生生产设施模型，定义每类生产设施物理实体和与数字孪生生产设施模型之间的数据接口，使得数字孪生生产设施模型能够显示实时的业务数据，具体设施及对应数据如下表：

表1数字孪生生产设施模型及对应数据

设施名称	对应数据
		卸矿点	矿石产量、矿石平均品位
鹰眼摄像头	实时视频
		爆破警戒	爆破警戒区域
钻孔	钻孔坐标、钻孔孔径、钻孔深度、装药参数
		边坡监控	边坡位移传感器数据

步骤五、根据露天矿生产现场每类单体设备的实际三维尺寸、相关数据和作业动作，1：1还原单体设备模型。定义每类单体设备物理实体与数字孪生单体设备模型之间的数据接口，使得数字孪生单体设备模型能够与实时的业务数据相结合。采用亚米级定位装置对设备位置信息以秒为单位的频率进行实时采集。具体设备和对应数据及作业动作如下表：

表2数字孪生单体设备模型和对应数据及作业动作

露天矿数字孪生模块中，创建对应的数字孪生生产设施模型，以及单体设备模型，将数字孪生生产设施模型与单体设备模型构成数字孪生实体设备模型，加入至露天矿环境数字孪生模型中，得到露天矿数字孪生模型；最终，通过web3D动画技术以业务数据及定位数据为支撑孪生控制各单体设备，展示孪生动画。

步骤六以边坡监控、人员管理为例：

露天矿安全管理模块通过实体设备中的定位装置以及视频监控，接收边层对定位装置和传感器获取的数据，对露天矿现场作业人员进行健康监控及位置监控，接受边层处理后得到的报警、预测数据，以实现报警预警；

本实施例具体实现报警预警的方式如下：

通过智能健康腕表及人员定位卡扣对露天矿现场作业人员进行健康监控及位置监控。将人员健康腕表及定位卡扣反馈的健康信息，显示在露天矿采场数字孪生模型上，健康信息包括：人员位置、血压、血氧、心率、体温、步数。同时系统设定了人员健康预警上、下限值，当健康监控数据超过预警范围时，系统将产生预警信息对应发送给该人员所在作业区的作业长及安全员。

同时根据边坡位移传感器的实时数据实现对于生产设施的边坡的监控；

步骤七、将步骤一到步骤六生成的模型和定义的数据，基于WEB进行开发，采用WebGL三维动画技术，以整体矿山倾斜摄影模型为基础，以露天矿生产业务数据及卫星定位数据为支撑，对设施模型、设备模型进行孪生动画控制，真实还原露天矿采矿作业生产现场。

如图8所示，为本发明实施例的露天矿数字孪生应用效果图，从图上可以看出，绿色标签代表的是边坡位移传感器，点击该标签可以显示对应边坡位移传感器的数据；橙色标签代表的是工作人员，点击该标签可以显示对应工作人员的健康数据；紫色标签代表的是鹰眼摄像头，点击该标签可以查看对应摄像头的视频数据；蓝色标签代表的是生产设备，点击该标签可以显示对应设备的生产数据；灰色代表的是离线设备，代表该设备未通电处于待机状态；通过露天矿数字孪生系统的应用，可以让生产指挥人员在远程调度中心整体上实时把握整个露天矿的生产状态，包括地质品位、采出品位、入选品位都可以实时监控，对于五品联动中的三品做到了联动，后续的精矿品位和入炉品位涉及到选矿、球团和冶炼工艺，不在本发明阐述。

Claims (7)

1.一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统，其特征在于，包括：

云层，用于构建露天矿环境数字孪生模型，并接收端层中实体设备的实际位置和实际三维尺寸，创建对应的数字孪生实体设备模型，以及根据露天矿场的地质数据建立地质模型，并将数字孪生实体设备模型和地质模型加入至露天矿环境数字孪生模型中，形成露天矿数字孪生模型；同时，接收边层获取到的带有作业动作的分析结果，根据分析结果控制端层实体设备执行相应的作业动作，并通过三维的形式展示；

网层，用于构建露天矿现场的网络，以实现层之间的数据传输；

边层，用于获取端层中实体设备的运行数据，并对该数据进行边缘计算，获取到的带有作业动作的分析结果和报警、预测数据发送至云层，以通过云层实现对应的数字孪生实体设备模型的动作控制和报警预警；

端层，用于实时获取露天矿中的实体设备运行数据，同时将实体设备的运行数据发送至边层，以及将实体设备的实际位置和实际三维尺寸发送至云层。

2.根据权利要求1所述的一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统，其特征在于，所述端层中实体设备，包括：单体设备、生产设施、传感器、定位装置和视频监控设施；

单体设备，用于露天矿场中工具设备或实现作业的移动车体设备；

生产设施，包括设置在露天矿场中卸矿点、爆破警戒区、钻孔装置以及边坡监控设施；

传感器，包括：应用于露天矿中各个单体设备或生产设施上的电能表、矿用卡车油箱液位计、矿用卡车防碰撞雷达传感器、矿用电铲姿态传感器、牙轮钻孔深传感器、卸矿点蓬料传感器以及边坡位移传感器中的至少一种，以采集相应单体设备或生产设施数据；

定位装置，包括：安装在各种单体设备上的北斗定位模块以及作业人员佩戴的定位腕表；

视频监控设施，包括：用于获取露天矿场的实时视频的露天矿场鹰眼视频设备、生产设备驾驶室内监控设备以及生产设备周边监控设备。

3.根据权利要求2所述的一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统，其特征在于，所述云层，包括：露天矿生产管理模块、露天矿生产执行模块、露天矿安全管理模块以及露天矿数字孪生模块；

露天矿生产执行模块，用于存储当前露天矿场的地质数据，并发送至露天矿数字孪生模块；同时，接收边层获取到的带有作业动作的分析结果，并根据分析结果，控制相应单体设备执行相应的作业动作；

露天矿安全管理模块，用于接收边层对定位装置和传感器获取的数据，并实现露天矿场的边坡监控、人员管理；同时，接受边层处理后得到的报警、预测数据，以实现报警预警；

露天矿数字孪生模块，根据露天矿生产执行模块发送的当前露天矿场的地质数据建立地质模型，以及对端层发送的实体设备的实际位置和实际三维尺寸创建对应的数字孪生实体设备模型并将地质模型和数字孪生实体设备模型添加至露天矿环境数字孪生模型中，形成露天矿数字孪生模型。

4.根据权利要求1～3所述的一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过采用无人机倾斜摄影方式对露天矿采场进行实景建模，获得露天矿环境数字孪生模型；

2)根据露天矿场的地质数据建立地质模型；

3)露天矿数字孪生模块将地质模型添加至露天矿环境数字孪生模型中；

4)露天矿数字孪生模块中，根据实体设备中生产设施的实际位置和实际三维尺寸，创建对应的数字孪生生产设施模型；并建立每个单体设备模型，数字孪生生产设施模型与单体设备模型构成数字孪生实体设备模型，加入至露天矿环境数字孪生模型中，得到露天矿数字孪生模型；

5)露天矿生产执行模块控制数字孪生实体设备模型执行相应的动作；

6)露天矿安全管理模块接收边层对定位装置和传感器获取的数据，对露天矿现场作业人员的健康信息、以及生产设施的边坡进行监控，并实时显示；并接收边层处理后得到的报警、预测数据，以实现报警预警；

7)露天矿数字孪生模块对实时的露天矿数字孪生模型进行可视化展示。

5.根据权利要求4所述的一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统的建模方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：

1-1)拍摄影像数据，经过计算获得二进制存贮的、带有嵌入式链接纹理数据的OSGB格式模型；

1-2)采用等高线测量法，确定OSGB模型的地物空间的绝对位置；

1-3)去除露天矿采场建模过程中的单体设备，最终获取露天矿环境数字孪生模型。

6.根据权利要求4所述的一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统的建模方法，其特征在于，步骤4)中，创建对应的数字孪生生产设施模型，通过定义每类生产设施和与数字孪生生产设施模型之间的数据接口，使得数字孪生生产设施模型显示实时的业务数据；包括以下步骤：

根据生产设施的卸矿点，获取数字孪生生产设施模型中矿石产量、矿石平均品位数据；

根据生产设施的爆破警戒，划分数字孪生生产设施模型中的爆破警戒区域；

根据生产设施的钻孔装置，获取数字孪生生产设施模型目标钻孔装置的钻孔坐标、钻孔孔径、钻孔深度和装药参数。

7.根据权利要求4所述的一种端边网云协同露天矿数字孪生建模系统的建模方法，其特征在于，所述步骤6)，具体为：

露天矿安全管理模块通过实体设备中的定位装置以及视频监控对露天矿现场作业人员进行健康监控及位置监控；同时根据传感器的数据实现对于生产设施的边坡的监控；

露天矿安全管理模块设定每个作业人员的每项健康信息预警上、下限值，当健康信息超过预警范围时，露天矿安全管理模块将产生预警信息发送给对应人员。

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