CN115527013B - 一种矿山多维可视化巡检虚实协同方法 - Google Patents

一种矿山多维可视化巡检虚实协同方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种矿山多维可视化巡检虚实协同方法，涉及井下智能巡检技术领域，包括以下步骤：基于GIS或CAD等图形处理平台构建全矿井多维可视化系统；构建巷道、设备和管线的几何及属性模型；构建虚拟观察者与巷道、设备、管线之间的拓扑、顺序和度量空间关系；实时采集环境监测、综合自动化和智能化设备的监测监控信息；基于多维图形可视化系统，按配置路线远程动态巡检，依据虚拟观察者巡检空间位置和观察方向、空间关系和巡检逻辑，实时显示相关视频、环境监测、自动化和智能化设备监测监控数据。本发明提供了一种基于矿井空间对象、空间关系和巡检逻辑的自动巡检方法，达到巡检过程中真实视频、监测监控数据与虚拟场景的自动虚实协同和实时对应。

Description

一种矿山多维可视化巡检虚实协同方法
技术领域
本发明涉及井下智能巡检技术领域，特别是一种矿山多维可视化巡检虚实协同方法。
背景技术
目前井下巡检是矿井日常安全管理的重要内容，随着智能化矿山的建设，借助虚拟现实、增强现实、数字孪生等技术，构建井下虚拟生产环境，并可在虚拟环境中进行井下远程动态巡检。
目前基于虚拟环境井下远程巡检的方式主要有两种，一是构建井下回采工作面、掘进工作面等局部重点场所虚拟场景，借助VR、AR等软硬件对其进行沉浸式巡检，在巡检过程中手动交互式查看场景中视频、监控监测、自动化等信息；二是构建整个矿井的虚拟场景，按规划好的巡检路线进行巡检，接近巡检设备、摄像头、监测点时弹出对应的信息。以上两种方式存在同一个问题，没有对系统中巷道、设备、实时数据和巡检虚拟观察者进行空间关系构建，巡检过程中只能人工交互式点击查看或者只能查看正前方一定距离范围内的视频、环境监测数据、自动化和智能化设备监测监控数据，无法根据巡检虚拟观察者的位置、观察方向和空间关系实时动态自动调用符合观察者需求的多媒体数据，无法实现监测监控数据和虚拟场景实时协同和自动对应的巡检过程。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种矿山多维可视化巡检虚实协同方法。
本发明实施例提供了一种矿山多维可视化巡检虚实协同方法，所述矿山多维可视化巡检虚实协同方法包括：
基于地理信息系统GIS或计算机辅助设计CAD图形处理平台构建全矿井多维可视化系统；
在所述全矿井多维可视化系统中，构建巷道、设备以及管线的几何和属性模型；
在所述全矿井多维可视化系统中，结合所述几何和属性模型，构建虚拟观察者与巷道、设备、管线之间的拓扑、顺序以及度量空间关系；
实时采集环境监测、综合自动化以及智能化设备的监测监控信息，并传输至所述全矿井多维可视化系统中；
基于所述多维图形可视化系统，按配置路线远程动态虚拟巡检，依据所述虚拟观察者的巡检空间位置以及观察方向、空间关系、巡检逻辑，实时自动调用并显示相关视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据。
可选地，所述多维可视化系统是基于地理坐标数据构建的全矿井二维图形、三维场景、四维时态场景和数字孪生体的可视化系统；
所述地理坐标数据包括：基于地理坐标的采掘工程图、巷道断面设计图、巷道素描图、通风系统图、井下设备布置图、设备设计图、井下管线布置图、井下监测点布置图、激光点云数据；
基于所述地理信息系统或所述计算机辅助设计图形处理平台，将所述多维可视化系统中图形、模型、场景集成到统一的大地坐标系，使其具备空间关联关系。
可选地，在所述全矿井多维可视化系统中构建巷道、设备以及管线的几何和属性模型，包括：
基于地理坐标数据构建巷道、设备以及管线的几何模型；
构建不同的属性模型对巷道、设备以及管线的几何模型进行属性描述，所述属性描述包括：唯一ID、几何模型中心位置、外包矩形以及模型朝向；
其中，所述几何模型中心位置、所述外包矩形中涉及空间坐标的属性值都是基于地理坐标系的数值；
所述模型朝向是依据模型结构或特定的规则规定的模型的正方向，其包括：机电设备的朝向、监测设备的朝向、视频摄像头的朝向、管线监测点朝向；
所述设备模型包括：井下采煤、掘进、机电、运输、通风、排水系统涉及到的设备模型以及监控监测、人员定位、紧急避险、压风自救、供水施救、通讯联络系统涉及到的设备模型；
所述管线包括：井下给水、排水、排浆、通风等管道以及井下电线、网线的线路。
可选地，在所述全矿井多维可视化系统中，结合所述几何和属性模型，构建虚拟观察者与巷道、设备、管线之间的拓扑、顺序以及度量空间关系，包括：
构建巷道与设备、管线之间的静态拓扑关系；
基于静态拓扑关系，构建所述虚拟观察者与所述巷道之间的动态拓扑关系，以及构建所述虚拟观察者与所述设备和管线监测点的顺序空间关系和度量空间关系；
其中，所述虚拟观察者是巡检过程中用相机模拟人观察的动作，包括抬头、低头、转头、转身等，随着动作的变化，所述虚拟观察者的观察方向也做相应的变化；
拓扑空间关系用结点、弧段、以及多边形表示的空间对象之间的关系，包括：拓扑邻接、拓扑包含、拓扑关联和拓扑连通；
所述顺序空间关系表征对象在空间中的排序关系，包括：上、下、前、后、左、右；
所述度量空间关系表征空间对象之间的度量关系，包括：距离、角度、高度。
可选地，构建巷道与设备、管线之间的静态拓扑关系，包括：
构建所述巷道的网络拓扑图和所述巷道中设备、管线监测点拓扑图，其目的是用来动态快速检索出与所述巷道相关连的设备、视频摄像头以及管线监测点的ID；
所述巷道的拓扑图是以巷道起点、中点、终点或交叉点为结点，巷道为弧段形成的拓扑网络图，所述巷道的网络拓扑图中弧段包含对应巷道构建的属性描述，包括唯一ID、外包矩形；
所述设备、管线监测点拓扑图基于巷道拓扑图，将与巷道有包含关系的设备、视频摄像头以及管线监测点的ID存储到相应的弧段中；
所述管线监测点是指井下管线每隔一段距离放置的监测装置，包括水压监测、水流量监测、风压监测；
与巷道有包含关系的设备判定依据为巷道外包矩形和设备外包矩形体与体之间的包含关系；
与巷道有包含关系的管线监测点判定依据为巷道外包矩形和管线监测点位置的体与点之间的包含关系。
可选地，构建虚拟观察者与巷道之间的动态拓扑关系，包括：
计算所述虚拟观察者与巷道的动态拓扑包含关系，通过计算虚拟观察者巡检的动态位置坐标与巷道外包矩形的关系确定所述虚拟观察者是否在巷道内。
可选地，构建所述虚拟观察者与所述设备和管线监测点的顺序空间关系和度量空间关系，包括：
计算所述虚拟观察者的观察方向和与设备、摄像头、管线监测点朝向的夹角，以及计算与所述虚拟观察者观察方向垂直的上、下、左、右四个方向与所述设备、摄像头、管线监测点朝向的夹角，得到所述设备、所述摄像头、所述管线监测点与所述虚拟观察者的观察方向前、后、上、下、左、右的顺序空间关系；
计算所述虚拟观察者的位置与所述设备、摄像头、管线监测点位置的距离、角度，得到所述设备、摄像头、管线监测点与所述虚拟观察者位置之间的距离和角度的度量空间关系；
构建所述虚拟观察者与所述设备和管线监测点的顺序空间关系和度量空间关系是为后续设定展示规则做准备。
可选地，基于所述多维图形可视化系统，按配置路线远程动态虚拟巡检，依据所述虚拟观察者的巡检空间位置以及观察方向、空间关系、巡检逻辑，实时自动调用并显示相关视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据，包括：
基于所述多维图形可视化系统，按配置路线，依据巡检逻辑的要求，远程动态虚拟巡检，同时依据所述虚拟观察者的巡检空间位置以及观察方向、空间关系、巡检逻辑，实时自动调用并以单个子窗口或多个子窗口的形式同屏展示二维图形、三维场景、四维时态场景和数字孪生体；
其中，空间关系包括构建的巷道与设备、管线之间的静态拓扑关系，以及基于所述静态拓扑关系，构建的所述虚拟观察者与所述巷道之间的动态拓扑关系，以及构建的所述虚拟观察者与所述设备和管线监测点的顺序空间关系和度量空间关系；
所述巡检逻辑包括：设置所述矿山多维可视化系统的展示方式以及设置巡检过程中多种类型实时数据的展示规则；
所述矿山多维可视化系统的展示方式为巡检过程中同时展示多维可视化系统数量以及主窗口和子窗口的展示内容。
可选地，所述展示规则以当前巡检中所述虚拟观察者的空间位置和所述虚拟观察者的观察方向为基础，设置的多种类型实时数据展示满足的条件，包括：
多种类型实时数据满足设定的展示类型，包括设定视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据一种或多种类型同时展示；
多种类型实时数据和虚拟观察者位置之间满足设定的展示距离、展示角度，包括设定视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据每种类型的展示最大、最小距离和展示最大、最小角度；
多种类型实时数据和虚拟观察者观察方向之间的满足设定的展示方向、展示方位，包括设定环境监测、自动化和智能化设备监控数据展示方向与观察方向相反，设定视频展示方向与观察方向相同或相反或同时展示，方向相同即为视频摄像头朝向与虚拟观察者观察方向一致的视频可调用展示，其包括虚拟观察者观察方向前方和后方的视频方向相反则为视频摄像头朝向与虚拟观察者观察方向相反的视频可调用展示，其包括虚拟观察者观察方向前方和后方的视频；
多种类型设备的外包矩形和虚拟观察者观察方向之间满足设定的展示关系，包括设定机电设备与虚拟观察者观察方向相交展示，即只展示与虚拟观察者观察方向相交设备的实时数据。
可选地，实时自动调用并显示相关视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据，包括：
巡检过程中，依据巡检虚拟观察者位置以及虚拟观察者观察方向，自动展示满足巡检逻辑的视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据；
随着虚拟观察者动作的改变，依据虚拟观察者观察方向，自动调用并展示满足展示条件的视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据；
随着巡检的进行，自动切换满足所述展示规则的视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据。
本发明提供的矿山多维可视化巡检虚实协同方法，构建了多维图形系统中巷道、设备、管线、实时数据与巡检虚拟观察者之间的拓扑、顺序、关联等空间关系，解决了巡检过程中只能人工交互式点击查看或者只能查看正前方一定距离范围内的视频、环境监测数据、自动化和智能化设备监测监控数据的问题，实现根据巡检虚拟观察者的位置、观察方向和空间关系实时动态自动调用符合观察者需求的多媒体数据的需求，实现监测监控数据和虚拟场景实时协同以及自动对应巡检过程的目标。
本发明提供的矿山多维可视化巡检虚实协同方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的推广价值和极好的实用性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例一种矿山多维可视化巡检虚实协同方法的流程图；
图2是本发明实施例矿山多维可视化巡检虚实协同方法的总体概述图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。
参照图1，示出了本发明实施例一种矿山多维可视化巡检虚实协同方法的流程图。矿山多维可视化巡检虚实协同方法包括：
步骤101：基于地理信息系统GIS或计算机辅助设计CAD图形处理平台构建全矿井多维可视化系统。
本发明实施例中，矿井多维可视化系统是基于地理坐标数据构建的全矿井二维图形、三维场景、四维时态场景和数字孪生体的可视化系统。地理坐标数据包括：基于地理坐标的采掘工程图、巷道断面设计图、巷道素描图、通风系统图、井下设备布置图、设备设计图、井下管线布置图、井下监测点布置图、激光点云数据等。
二维图形是指用(x，y)形式表达空间对象的可视化图形。三维场景是指用(x，y，z)形式表达空间对象的可视化图形。四维时态场景(x，y，z，t)形式表达空间对象的可视化图形，其中t为时间。数字孪生体是以(x，y，z)或(x，y，z，t)形式将物理空间对象映射到数字空间中，并且能和物理空间对象进行双向交互的可视化图形。
基于地理信息系统(即GIS)或计算机辅助设计(即CAD)等图形处理平台，将多维可视化系统中的图形、模型、场景集成到统一的大地坐标系，使其具备空间关联关系。
GIS图形处理平台以真实世界数据为基础，数据结构丰富，结点与弧段有相关关系，能够达到牵一发而动全身的目的，具备图形属性交互、具备拓扑关系，支持空间分析的平台。CAD图形处理平台以绘制的规则图形及其组合为研究对象，数据结构简单，为意大利面条模型，线段之间孤立，缺乏空间关系的表达的平台。
步骤102：在全矿井多维可视化系统中，构建巷道、设备以及管线的几何和属性模型。
首先采集井下采煤、掘进、机电、运输、通风、排水系统涉及到的设备模型以及监控监测、人员定位、紧急避险、压风自救、供水施救、通讯联络系统涉及到的设备模型和响应的地理坐标数据。采集井下基于地理坐标的给水、排水、排浆、通风等管道以及井下电线、网线等线路的数据。其次基于地理坐标数据构建巷道、设备以及管线的几何模型；之后构建不同的属性模型对巷道、设备以及管线的几何模型进行属性描述，属性描述包括：唯一ID、几何模型中心位置、外包矩形以及模型朝向。
区别于传统的构建模型，本发明实施例中的巷道、设备以及管线的几何和属性模型，需要构建具有外包矩形和模型朝向的模型。构建模型朝向是为了后续设定展示规则时使用。
其中，几何模型中心位置、外包矩形中涉及空间坐标的属性值都是基于地理坐标的数值；外包矩形是几何模型所有点坐标的并集，采用最小、最大点坐标表示。包括二维外包矩形(Xmin，Ymin)、(Xmax，Ymax)和三维外包矩形(Xmin，Ymin、Zmin)、(Xmax，Ymax、Zmax)。
模型朝向是依据模型结构或特定的规则规定的模型的正方向，其包括：机电设备的朝向、监测设备的朝向、视频摄像头的朝向、管线监测点朝向；设备的朝向为设备结构的正向，摄像头的朝向为摄像头监测的方向，管线监测点的朝向为管线走向的垂直方向。模型朝向采用地理空间归一化的三维坐标表示(Xdir，Ydir，Zdir)。
步骤103：在全矿井多维可视化系统中，结合几何和属性模型，构建虚拟观察者与巷道、设备、管线之间的拓扑、顺序以及度量空间关系。
首先构建巷道与设备、管线之间的静态拓扑关系；具体为：构建巷道的网络拓扑图和巷道中设备、管线监测点拓扑图，其目的是用来动态快速检索出与所述巷道有包含关系的设备、视频摄像头以及管线监测点的ID；巷道的拓扑图是以巷道起点、中点、终点或交叉点为结点，巷道为弧段形成的拓扑网络图，所述巷道的网络拓扑图中弧段包含对应巷道构建的属性描述，包括唯一ID、外包矩形。
设备、管线监测点拓扑图基于巷道拓扑图，将与巷道有包含关系的设备、视频摄像头以及管线监测点的ID存储到相应的弧段中；管线监测点是指井下管线每隔一段距离放置的监测装置，包括水压监测、水流量监测、风压监测；与巷道有包含关系的设备判定依据为巷道外包矩形和设备外包矩形体与体之间的包含关系；与巷道有包含关系的管线监测点判定依据为巷道外包矩形和管线监测点位置的体与点之间的包含关系。
基于静态拓扑关系，构建虚拟观察者与巷道之间的动态拓扑关系；具体为：计算虚拟观察者与巷道的动态拓扑包含关系，通过计算虚拟观察者巡检的动态位置坐标与巷道外包矩形的关系确定虚拟观察者是否在巷道内。
构建虚拟观察者与设备和管线监测点的顺序空间关系和度量空间关系；具体为：
计算虚拟观察者的观察方向与设备、摄像头、管线监测点朝向的夹角，以及计算与虚拟观察者观察方向垂直的上、下、左、右、四个方向与设备、摄像头、管线监测点朝向的夹角，夹角小于90°则与计算的方向相同，夹角大于90°则与计算的方向相反，得到设备、摄像头、管线监测点与虚拟观察者的观察方向前、后、上、下、左、右的顺序空间关系。
计算虚拟观察者的位置与设备、摄像头、管线监测点位置的距离、角度，得到设备、摄像头、管线监测点与虚拟观察者位置之间的距离和角度的度量空间关系；构建虚拟观察者与设备和管线监测点的顺序空间关系和度量空间关系是为后续设定的展示规则做准备。
其中，虚拟观察者是巡检过程中用相机模拟人观察的动作，可以理解为模拟了真实的人去巡检的过程，其包括抬头、低头、转头、转身等，随着动作的变化，虚拟观察者的观察方向也做相应的变化。
拓扑空间关系用结点、弧段、以及多边形表示的空间对象之间的关系，包括：拓扑邻接、拓扑包含、拓扑关联和拓扑连通；顺序空间关系表征对象在空间中的排序关系，包括：上、下、前、后、左、右；度量空间关系表征空间对象之间的度量关系，包括：距离、角度、高度。
步骤104：实时采集环境监测、综合自动化以及智能化设备的监测监控信息，并传输至全矿井多维可视化系统中。
实时采集环境监测、综合自动化和智能化设备的监测监控信息，包括采集实时运行信息、实时空间信息和构建实时运行数据和对应设备的对应关系。实时空间信息主要是指动态智能化设备的实时位置信息和朝向信息，位置信息为设备所在位置的精确大地坐标系坐标，朝向信息为设备的正向方向。构建实时运行数据和设备的对应关系主要是指设备利用ID将实时运行数据与设备绑定，进而使实时运行数据具备空间位置及朝向。即可以包括如下内容：
(1)采集环境监测、综合自动化和智能化设备的空间信息，包括设备的位置信息和朝向信息，位置信息为设备所在位置的精确大地坐标系坐标，朝向信息为设备的正向朝向。
(2)采集环境监测、综合自动化和智能化设备实时运行信息。
(3)构建实时运行数据和设备的对应关系，主要是指设备利用ID将实时运行数据与设备绑定，进而使实时运行数据具备空间位置及朝向。
步骤105：基于多维图形可视化系统，按配置路线远程动态虚拟巡检，依据虚拟观察者的巡检空间位置以及观察方向、空间关系、巡检逻辑，实时自动调用并显示相关视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据。
基于多维图形可视化系统，按配置路线，依据巡检逻辑的要求，远程动态虚拟巡检，同时依据虚拟观察者的巡检空间位置以及观察方向、空间关系、巡检逻辑，实时自动调用并以单个子窗口或多个子窗口的形式同屏展示二维图形、三维场景、四维时态场景和数字孪生体。
其中，空间关系包括构建的巷道与设备、管线之间的静态拓扑关系，以及基于静态拓扑关系，构建的虚拟观察者与巷道之间的动态拓扑关系，以及构建的虚拟观察者与设备和管线监测点的顺序空间关系和度量空间关系。
巡检逻辑包括：设置矿山多维可视化系统的展示方式以及设置巡检过程中多种类型实时数据的展示规则；矿山多维可视化系统的展示方式为巡检过程中同时展示多维可视化系统数量以及主窗口和子窗口的展示内容。例如：可设置左下角子窗口显示包含实时监测数据位置的采掘工程平面图，主窗口展示三维场景、四维时态场景和数字孪生体。
本发明实施例中，展示规则以当前巡检中虚拟观察者的空间位置和虚拟观察者的观察方向为基础，设置的多种类型实时数据展示满足的条件，包括：
多种类型的实时数据满足设定的展示类型，包括设定视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据一种或多种类型同时展示。
多种类型实时数据和虚拟观察者位置之间的满足设定的展示距离、展示角度，包括设定视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据每种类型的展示最大、最小距离和展示最大、最小角度。例如：设定环境监测、自动化和智能化设备监控数据展示的最小距离为3米，最大距离为5米，展示的最小角度为0°，最大角度为75°。设定视频展示的最小最大距离分别为5米，10米，最大角度为60°。
多种类型实时数据和虚拟观察者观察方向之间的满足设定的展示方向、展示方位，包括设定环境监测、自动化和智能化设备监控数据展示方向与观察方向相反，设定视频展示方向与观察方向相同或相反或同时展示，方向相同即为视频摄像头朝向与虚拟观察者观察方向一致的视频可调用展示，其包括虚拟观察者观察方向前方和后方的视频。方向相反则为视频摄像头朝向与虚拟观察者观察方向相反的视频可调用展示，其包括虚拟观察者观察方向前方和后方的视频；依据以上展示规则设置，可实时显示虚拟观察者前方环境监测、自动化和智能化设备数据，并能实时显示虚拟观察者前方和后边一定距离内的视频数据。
多种类型设备的外包矩形和虚拟观察者观察方向之间满足设定的展示关系，包括设定机电设备与虚拟观察者观察方向相交展示，即只展示与虚拟观察者观察方向相交设备的实时数据。
实时自动调用并显示相关视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据，包括：
巡检过程中，依据巡检虚拟观察者位置以及虚拟观察者观察方向，自动展示满足巡检逻辑的视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据；另外还可以随着虚拟观察者动作的改变，依据虚拟观察者观察方向，自动调用并展示满足展示条件的视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据；同样，也可以随着巡检的进行，自动切换满足所述展示规则的视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据。
上述步骤101～步骤105可用图2的概述图来概括：第1步，基于地理信息系统(GIS)或计算机辅助设计(CAD)图形处理平台构建全矿井多维可视化系统。其结果包括二维图像、三维场景、四维时态场景和数字孪生体多维可视化系统。
第2步，构建巷道、设备和管线的几何及属性模型。其结果包括设备、巷道、管线的空间对象和属性。
第3步，构建巡检虚拟观察者与巷道、设备、管线之间的拓扑、顺序和度量空间关系。其结果包括虚拟观察者与巷道、设备、管线之间的静态和动态空间关系。
第4步，实时采集环境监测、综合自动化和智能化设备的监测监控信息。其结果包括与设备空间对象绑定的实时运行数据。
第5步，基于多维图形可视化系统，按配置路线远程动态虚拟巡检，依据虚拟观察者巡检空间位置和观察方向、空间关系和巡检逻辑，实时自动调用并显示相关视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据。其结果为虚实场景实时对应的巡检过程。
综合上述矿山多维可视化巡检虚实协同方法，可以知晓，本发明所提矿山多维可视化巡检虚实协同方法既适用于煤矿，也适用于非煤矿山。
综上所述，本发明的矿山多维可视化巡检虚实协同方法，构建了多维图形系统中巷道、设备、管线、实时数据与巡检虚拟观察者之间的拓扑、顺序、关联等空间关系，解决了巡检过程中只能人工交互式点击查看或者只能查看正前方一定距离范围内的视频、环境监测数据、自动化和智能化设备监测监控数据的问题。实现根据巡检虚拟观察者的位置、观察方向和空间关系实时动态自动调用符合观察者需求的多媒体数据的需求，实现监测监控数据和虚拟场景实时协同以及自动对应巡检过程的目标。
本发明提供的矿山多维可视化巡检虚实协同方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的推广价值和极好的实用性。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种矿山多维可视化巡检虚实协同方法，其特征在于，所述矿山多维可视化巡检虚实协同方法包括：
基于地理信息系统GIS或计算机辅助设计CAD图形处理平台构建全矿井多维可视化系统；
在所述全矿井多维可视化系统中，构建巷道、设备以及管线的几何和属性模型；
在所述全矿井多维可视化系统中，构建所述巷道的网络拓扑图和所述巷道中设备、管线监测点拓扑图，其目的是用来动态快速检索出与所述巷道相关连的设备、视频摄像头以及管线监测点的ID；
所述巷道的拓扑图是以巷道起点、中点、终点或交叉点为结点，巷道为弧段形成的拓扑网络图，所述巷道的网络拓扑图中弧段包含对应巷道构建的属性描述，包括唯一ID、外包矩形；
所述设备、管线监测点拓扑图基于巷道拓扑图，将与巷道有包含关系的设备、视频摄像头以及管线监测点的ID存储到相应的弧段中；
所述管线监测点是指井下管线每隔一段距离放置的监测装置，包括水压监测、水流量监测、风压监测；
与巷道有包含关系的设备判定依据为巷道外包矩形和设备外包矩形体与体之间的包含关系；
与巷道有包含关系的管线监测点判定依据为巷道外包矩形和管线监测点位置的体与点之间的包含关系；
计算虚拟观察者与巷道的动态拓扑包含关系，通过计算虚拟观察者巡检的动态位置坐标与巷道外包矩形的关系确定所述虚拟观察者是否在巷道内；
计算所述虚拟观察者的观察方向和与设备、摄像头、管线监测点朝向的夹角，以及计算与所述虚拟观察者观察方向垂直的上、下、左、右四个方向与所述设备、摄像头、管线监测点朝向的夹角，得到所述设备、所述摄像头、所述管线监测点与所述虚拟观察者的观察方向前、后、上、下、左、右的顺序空间关系；
计算所述虚拟观察者的位置与所述设备、摄像头、管线监测点位置的距离、角度，得到所述设备、摄像头、管线监测点与所述虚拟观察者位置之间的距离和角度的度量空间关系；
构建所述虚拟观察者与所述设备和管线监测点的顺序空间关系和度量空间关系是为后续设定展示规则做准备；其中，所述虚拟观察者是巡检过程中用相机模拟人观察的动作，包括抬头、低头、转头、转身，随着动作的变化，所述虚拟观察者的观察方向也做相应的变化；
拓扑空间关系用结点、弧段、以及多边形表示的空间对象之间的关系，包括：拓扑邻接、拓扑包含、拓扑关联和拓扑连通；
所述顺序空间关系表征对象在空间中的排序关系，包括：上、下、前、后、左、右；
所述度量空间关系表征空间对象之间的度量关系，包括：距离、角度、高度；
实时采集环境监测、综合自动化以及智能化设备的监测监控信息，并传输至所述全矿井多维可视化系统中；
基于所述全矿井多维可视化系统，按配置路线远程动态虚拟巡检，依据所述虚拟观察者的巡检空间位置以及观察方向、空间关系、巡检逻辑，实时自动调用并显示相关视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据。
2.根据权利要求1所述的矿山多维可视化巡检虚实协同方法，其特征在于，所述多维可视化系统是基于地理坐标数据构建的全矿井二维图形、三维场景、四维时态场景和数字孪生体的可视化系统；
所述地理坐标数据包括：基于地理坐标的采掘工程图、巷道断面设计图、巷道素描图、通风系统图、井下设备布置图、设备设计图、井下管线布置图、井下监测点布置图、激光点云数据；
基于所述地理信息系统或所述计算机辅助设计图形处理平台，将所述多维可视化系统中图形、模型、场景集成到统一的大地坐标系，使其具备空间关联关系。
3.根据权利要求1所述的矿山多维可视化巡检虚实协同方法，其特征在于，在所述全矿井多维可视化系统中构建巷道、设备以及管线的几何和属性模型，包括：
基于地理坐标数据构建巷道、设备以及管线的几何模型；
构建不同的属性模型对巷道、设备以及管线的几何模型进行属性描述，所述属性描述包括：唯一ID、几何模型中心位置、外包矩形以及模型朝向；
其中，所述几何模型中心位置、所述外包矩形中涉及空间坐标的属性值都是基于地理坐标系的数值；
所述模型朝向是依据模型结构或特定的规则规定的模型的正方向，其包括：机电设备的朝向、监测设备的朝向、视频摄像头的朝向、管线监测点朝向；
设备模型包括：井下采煤、掘进、机电、运输、通风、排水系统涉及到的设备模型以及监控监测、人员定位、紧急避险、压风自救、供水施救、通讯联络系统涉及到的设备模型；
所述管线包括：井下给水、排水、排浆、通风管道以及井下电线、网线的线路。
4.根据权利要求3所述的矿山多维可视化巡检虚实协同方法，其特征在于，基于所述全矿井多维可视化系统，按配置路线远程动态虚拟巡检，依据所述虚拟观察者的巡检空间位置以及观察方向、空间关系、巡检逻辑，实时自动调用并显示相关视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据，包括：
基于所述全矿井多维可视化系统，按配置路线，依据巡检逻辑的要求，远程动态虚拟巡检，同时依据所述虚拟观察者的巡检空间位置以及观察方向、空间关系、巡检逻辑，实时自动调用并以单个子窗口或多个子窗口的形式同屏展示二维图形、三维场景、四维时态场景和数字孪生体；
其中，空间关系包括构建的巷道与设备、管线之间的静态拓扑关系，以及基于所述静态拓扑关系，构建的所述虚拟观察者与所述巷道之间的动态拓扑关系，以及构建的所述虚拟观察者与所述设备和管线监测点的顺序空间关系和度量空间关系；
所述巡检逻辑包括：设置所述全矿井多维可视化系统的展示方式以及设置巡检过程中多种类型实时数据的展示规则；
所述全矿井多维可视化系统的展示方式为巡检过程中同时展示多维可视化系统数量以及主窗口和子窗口的展示内容。
5.根据权利要求4所述的矿山多维可视化巡检虚实协同方法，其特征在于，所述展示规则以当前巡检中所述虚拟观察者的空间位置和所述虚拟观察者的观察方向为基础，设置的多种类型实时数据满足的展示条件，包括：
多种类型实时数据满足设定的展示类型，包括设定视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据一种或多种类型同时展示；
多种类型实时数据和虚拟观察者位置之间满足设定的展示距离、展示角度，包括设定视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据每种类型的展示最大、最小距离和展示最大、最小角度；
多种类型实时数据和虚拟观察者观察方向之间的满足设定的展示方向、展示方位，包括设定环境监测、自动化和智能化设备监控数据展示方向与观察方向相反，设定视频展示方向与观察方向相同或相反或同时展示，方向相同即为视频摄像头朝向与虚拟观察者观察方向一致的视频可调用展示，其包括虚拟观察者观察方向前方和后方的视频，方向相反则为视频摄像头朝向与虚拟观察者观察方向相反的视频可调用展示，其包括虚拟观察者观察方向前方和后方的视频；
多种类型设备的外包矩形和虚拟观察者观察方向之间满足设定的展示关系，包括设定机电设备与虚拟观察者观察方向相交展示，即只展示与虚拟观察者观察方向相交设备的实时数据。
6.根据权利要求4所述的矿山多维可视化巡检虚实协同方法，其特征在于，实时自动调用并显示相关视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据，包括：
巡检过程中，依据巡检虚拟观察者位置以及虚拟观察者观察方向，自动展示满足巡检逻辑的视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据；
随着虚拟观察者动作的改变，依据虚拟观察者观察方向，自动调用并展示满足展示条件的视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据；
随着巡检的进行，自动切换满足所述展示规则的视频、环境监测、自动化和智能化设备监控数据。
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