CN116108673A - 一种煤矿井下数字孪生现实仿真方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种煤矿井下数字孪生现实仿真方法及设备，该方法基于关键设备物理特征与所采集多模态感知数据信息，构建物理仿真模型；结合场景环境先验数据信息、目标对象物理模型以及设备结构信息，构建数字孪生场景空间，通过所述数字孪生场景空间对关键目标对象进行实时优化仿真；将所述物理仿真模型与全局数字化地图进行混合可视化显示，基于所捕获关键目标对象在数字孪生场景中的各独立状态信息，实现多维度感知数据耦合分析；基于数字孪生仿真场景坐标系，针对煤矿井下目标对象进行远程可视化监控。通过本发明，能够实现采场环境目标对象的实时可视化动态监测，为智能开采提供感知依据。

Description

一种煤矿井下数字孪生现实仿真方法及设备
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种煤矿井下数字孪生现实仿真方法、装置、设备、存储介质。
背景技术
煤矿智能化开采是现阶段煤矿转型的必然趋势，而对于无人化开采与信息技术的深度融合与相应研究将极大程度上促进煤矿智能化开采进程。数字孪生技术通过对实体对象构建虚拟模型，并基于目标对象所反馈实时数据实现模拟操作与三维可视化监控，能够在综采工作面智能开采中的场景设备智能监测与控制方面发挥重要作用。然而，现有煤矿井下部署的数字孪生技术方案往往获取目标对象实时状态的手段与方式单一，并且缺乏对现实场景与目标对象的三维感知能力，仅能够通过目标对象所反馈的实时传感器数据，以纯虚拟的方式进行场景动态三维实景再现。
煤矿井下数字化构建技术能够实时获取采场环境及设备的数字化信息，弥补现有煤矿井下数字孪生技术方案的所述两项不足。因此，需要提出一种结合煤矿井下数字化构建的数字孪生现实仿真方法，通过虚拟仿真场景与现实煤矿井下场景数字化地图融合的方式，提升数字孪生技术方案对采场环境及设备状态的感知能力，实现虚拟与现实交互的混合可视化数字孪生仿真，为智能开采提供感知依据。
发明内容
本发明提供一种煤矿井下数字孪生现实仿真方法、装置、设备、存储介质，旨在实现采场环境目标对象的实时可视化动态监测，为智能开采提供感知依据。
为此，本发明的第一个目的是提出一种煤矿井下数字孪生现实仿真方法，包括：
基于关键设备物理特征与所采集多模态感知数据信息，构建物理仿真模型；
结合场景环境先验数据信息、目标对象物理模型以及设备结构信息，构建数字孪生场景空间，通过数字孪生场景空间对关键目标对象进行实时优化仿真；
将物理仿真模型与全局数字化地图进行混合可视化显示，基于所捕获关键目标对象在数字孪生场景中的各独立状态信息，实现多维度感知数据耦合分析；
基于数字孪生仿真场景坐标系，针对煤矿井下目标对象进行远程可视化监控。
其中，基于关键设备物理特征与所采集多模态感知数据信息，构建物理仿真模型的步骤中，所述物理仿真模型包括物理静态仿真模型和物理动态仿真模型；所述多模态数据包括视觉相机、激光雷达、及惯性导航里程计(IMU)所采集的感知数据，视觉相机与激光雷达通过第三方角度对关键设备进行数据采集，IMU通过架设于关键设备关键可运动机械结构进行数据采集；其中，
根据激光雷达数据进行实际场景中关键设备三维建模，对物理静态仿真模型进行几何特征优化；
结合图像数据针对物理静态仿真模型进行纹理贴图优化；
根据各关键设备各层级架构绑定机械结构关系，建立运动驱动模型，实现动态仿真模型构建；
基于IMU所采集关键可运动机械结构，进行动态仿真模型优化。
其中，在将物理仿真模型与全局数字化地图进行混合可视化显示，基于所捕获关键目标对象在数字孪生场景中的各独立状态信息，实现多维度感知数据耦合分析的步骤中，包括：
基于所述多模态感知数据信息与实时定位及建图系统(SLAM)，进行煤矿井下场景数字化构建，获取采场环境全局数字化地图；
根据全局地图构建结果与地图映射关系，通过数据融合的方式实现动态仿真模型与所生成的全局数字化地图的混合可视化显示；
基于所捕获关键目标对象在数字孪生场景中的各独立状态信息，针对应用需求，采取合适的人工智能算法进行数据处理，实现多维度感知数据耦合分析，获取基于仿真的多模态数据融合感知分析结果。
其中，数据处理的方式至少包括：数据脱敏，过滤、筛选、优化处理与分析。
其中，基于数字孪生仿真场景坐标系，针对煤矿井下目标对象进行远程可视化监控的步骤包括：
基于数字孪生仿真场景坐标系，针对煤矿井下相关应用需求进行视角切换设计，实现多维度、多角度的远程可视化监控；
针对煤矿井下具体应用需求进行可视化交互与控制接口设计，实现工作人员通过鼠标、虚拟按键交互方式的远程干预。
其中，多维度、多角度的远程可视化监控视角至少包括局部视角、全局视角、第一人称追踪视角。
其中，远程干预方式至少包括更改追踪目标、修改捕获追踪状态、调节传感器感知角度。
本发明的第二个目的是提出一种煤矿井下数字孪生现实仿真装置，包括：
物理仿真模型构建模块，用于采集定位感知数据信息，并进行数字孪生仿真分析，以构建物理仿真模型；
场景模型构建与实时优化仿真模块，用于结合场景环境先验数据信息、目标对象物理模型以及设备结构信息，构建数字孪生场景空间，通过数字孪生场景空间对关键目标对象进行实时优化仿真；
可视场景优化与感知分析模块，用于将物理仿真模型与全局数字化地图进行混合可视化显示，基于所捕获关键目标对象在数字孪生场景中的各独立状态信息，实现多维度感知数据耦合分析；
人机交互与控制模块，用于基于数字孪生仿真场景坐标系，针对煤矿井下目标对象进行远程可视化监控。
本发明的第三个目的在于提出一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行前述技术方案的方法中的各步骤。
本发明的第四个目的在于提出存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，计算机指令用于使计算机执行根据前述技术方案的方法中的各步骤。
区别于现有技术，本发明提供的煤矿井下数字孪生现实仿真方法，采集定位感知数据信息，并进行数字孪生仿真分析，以构建物理仿真模型；结合场景环境先验数据信息、目标对象物理模型以及设备结构信息，构建数字孪生场景空间，通过所述数字孪生场景空间对关键目标对象进行实时优化仿真；将所述物理仿真模型与全局数字化地图进行混合可视化显示，基于所捕获关键目标对象在数字孪生场景中的各独立状态信息，实现多维度感知数据耦合分析；基于数字孪生仿真场景坐标系，针对煤矿井下目标对象进行远程可视化监控。通过本发明，能够实现采场环境目标对象的实时可视化动态监测，为智能开采提供感知依据。
附图说明
本发明的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明提供的一种煤矿井下数字孪生现实仿真方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种煤矿井下数字孪生现实仿真方法的逻辑示意图。
图3是本发明提供的一种煤矿井下数字孪生现实仿真装置的结构示意图。
图4是本发明提供的一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，为本发明实施例所提供的一种煤矿井下数字孪生现实仿真方法，该方法具体包括：
S110：基于关键设备物理特征与所采集多模态感知数据信息，构建物理仿真模型。
基于煤矿井下关键设备几何特征与物理属性进行物理静态仿真模型构建；根据激光雷达数据进行实际场景中关键设备三维建模，对物理静态仿真模型进行几何特征优化；
结合图像数据针对物理静态仿真模型进行纹理贴图优化；
根据各关键设备各层级架构绑定机械结构关系，建立运动驱动模型，实现动态仿真模型构建；
基于IMU所采集关键可运动机械结构，进行动态仿真模型优化。
S120：结合场景环境先验数据信息、目标对象物理模型以及设备结构信息，构建数字孪生场景空间，通过数字孪生场景空间对关键目标对象进行实时优化仿真。
针对煤矿井下具体应用与场景设备相对耦合铰接关系，基于特定坐标系，构建数字孪生场景空间；
根据关键目标对象的识别捕获结果数据与全局特征地图和数字孪生场景空间的坐标映射关系，实现数字孪生场景空间中关键目标对象仿真模型与全局地图渲染；
基于数据通讯接口，进行所识别捕获的关键目标在全局地图中的定位数据，状态数据解析，驱动关键目标对象的相应动态仿真模型。
S130：基于所述多模态感知数据信息与实时定位及建图系统(SLAM)，进行煤矿井下场景数字化构建，获取采场环境全局数字化地图。
将物理仿真模型与全局数字化地图进行混合可视化显示，基于所捕获关键目标对象在数字孪生场景中的各独立状态信息，实现多维度感知数据耦合分析。
根据全局地图构建结果与地图映射关系，通过数据融合的方式实现动态仿真模型与所生成的全局数字化地图的混合可视化显示；
基于所捕获关键目标对象在数字孪生场景中的各独立状态信息，针对应用需求，采取合适的人工智能算法进行数据脱敏，过滤、筛选、优化处理与分析，实现多维度感知数据耦合分析，获取基于仿真的多模态数据融合感知分析结果。
S140：基于数字孪生仿真场景坐标系，针对煤矿井下目标对象进行远程可视化监控。
基于数字孪生仿真场景坐标系，针对煤矿井下相关应用需求进行视角切换设计，实现多维度，多角度的远程可视化监控，如局部视角、全局视角、第一人称追踪视角等；
针对煤矿井下具体应用需求进行可视化交互与控制接口设计，实现工作人员通过鼠标、虚拟按键等交互方式的远程干预。如更改追踪目标，修改捕获追踪状态，调节传感器感知角度等。
如图3所示，本发明提供了一种煤矿井下数字孪生现实仿真装置300，包括：
物理仿真模型构建模块310，用于采集定位感知数据信息，并进行数字孪生仿真分析，以构建物理仿真模型；
场景模型构建与实时优化仿真模块320，用于结合场景环境先验数据信息、目标对象物理模型以及设备结构信息，构建数字孪生场景空间，通过数字孪生场景空间对关键目标对象进行实时优化仿真；
可视场景优化与感知分析模块330，用于将物理仿真模型与全局数字化地图进行混合可视化显示，基于所捕获关键目标对象在数字孪生场景中的各独立状态信息，实现多维度感知数据耦合分析；
人机交互与控制模块340，用于基于数字孪生仿真场景坐标系，针对煤矿井下目标对象进行远程可视化监控。
为了实现实施例，本发明还提出一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行前述技术方案的煤矿井下数字孪生现实仿真方法中的各步骤。
如图4所示，非临时性计算机可读存储介质800包括指令的存储器810，接口830，指令可由根据煤矿井下数字孪生现实仿真处理器820执行以完成方法。可选地，存储介质可以是非临时性计算机可读存储介质，例如，非临时性计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。
为了实现实施例，本发明还提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例的煤矿井下数字孪生现实仿真。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对所述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在所述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现所述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。所述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
所述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，所述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对所述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种煤矿井下数字孪生现实仿真方法，其特征在于，包括：
基于关键设备物理特征与所采集多模态感知数据信息，构建物理仿真模型；
结合场景环境先验数据信息、目标对象物理模型以及设备结构信息，构建数字孪生场景空间，通过所述数字孪生场景空间对关键目标对象进行实时优化仿真；
将所述物理仿真模型与全局数字化地图进行混合可视化显示，基于所捕获关键目标对象在数字孪生场景中的各独立状态信息，实现多维度感知数据耦合分析；
基于数字孪生仿真场景坐标系，针对煤矿井下目标对象进行远程可视化监控。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下数字孪生现实仿真方法，其特征在于，基于关键设备物理特征与所采集多模态感知数据信息，构建物理仿真模型的步骤中，所述物理仿真模型包括物理静态仿真模型和物理动态仿真模型；所述多模态数据包括视觉相机、激光雷达、及惯性导航里程计(IMU)所采集的感知数据，视觉相机与激光雷达通过第三方角度对关键设备进行数据采集，IMU通过架设于关键设备关键可运动机械结构进行数据采集；其中，
基于煤矿井下关键设备几何特征与物理属性进行物理静态仿真模型构建；
根据激光雷达数据进行实际场景中关键设备三维建模，对物理静态仿真模型进行几何特征优化；
结合图像数据针对物理静态仿真模型进行纹理贴图优化；
根据各关键设备各层级架构绑定机械结构关系，建立运动驱动模型，实现动态仿真模型构建；
基于IMU所采集关键可运动机械结构，进行动态仿真模型优化。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下数字孪生现实仿真方法，其特征在于，在将所述物理仿真模型与全局数字化地图进行混合可视化显示，基于所捕获关键目标对象在数字孪生场景中的各独立状态信息，实现多维度感知数据耦合分析的步骤中，包括：
基于所述多模态感知数据信息与实时定位及建图系统(SLAM)，进行煤矿井下场景数字化构建，获取采场环境全局数字化地图；
根据全局地图构建结果与地图映射关系，通过数据融合的方式实现动态仿真模型与所生成的全局数字化地图的混合可视化显示；
基于所捕获关键目标对象在数字孪生场景中的各独立状态信息，针对应用需求，采取合适的人工智能算法进行数据处理，实现多维度感知数据耦合分析，获取基于仿真的多模态数据融合感知分析结果。
4.根据权利要求3所述的煤矿井下数字孪生现实仿真方法，其特征在于，数据处理的方式至少包括：数据脱敏，过滤、筛选、优化处理与分析。
5.根据权利要求1所述的煤矿井下数字孪生现实仿真方法，其特征在于，基于数字孪生仿真场景坐标系，针对煤矿井下目标对象进行远程可视化监控的步骤包括：
基于数字孪生仿真场景坐标系，针对煤矿井下相关应用需求进行视角切换设计，实现多维度、多角度的远程可视化监控；
针对煤矿井下具体应用需求进行可视化交互与控制接口设计，实现工作人员通过鼠标、虚拟按键交互方式的远程干预。
6.根据权利要求5所述的煤矿井下数字孪生现实仿真方法，其特征在于，多维度、多角度的远程可视化监控视角至少包括局部视角、全局视角、第一人称追踪视角。
7.根据权利要求5所述的煤矿井下数字孪生现实仿真方法，其特征在于，远程干预方式至少包括更改追踪目标、修改捕获追踪状态、调节传感器感知角度。
8.一种煤矿井下数字孪生现实仿真装置，其特征在于，包括：
物理仿真模型构建模块，用于结合关键设备物理特征与所采集关键设备多模态感知数据信息，构建物理仿真模型并优化；
场景模型构建与实时优化仿真模块，用于结合场景环境先验数据信息、目标对象物理模型以及设备结构信息，构建数字孪生场景空间，通过所述数字孪生场景空间对关键目标对象进行实时优化仿真；
可视场景优化与感知分析模块，用于将所述物理仿真模型与全局数字化地图进行混合可视化显示，基于所捕获关键目标对象在数字孪生场景中的各独立状态信息，实现多维度感知数据耦合分析；
人机交互与控制模块，用于基于数字孪生仿真场景坐标系，针对煤矿井下目标对象进行远程可视化监控。
9.一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-7中任一项所述的方法中的各步骤。
10.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行根据权利要求1-7中任一项所述的方法中的各步骤。
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