CN117307240A - 一种井下无人驾驶无轨车辆数字孪生运输系统及运输方法 - Google Patents

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CN117307240A CN202311205612.XA CN202311205612A CN117307240A CN 117307240 A CN117307240 A CN 117307240A CN 202311205612 A CN202311205612 A CN 202311205612A CN 117307240 A CN117307240 A CN 117307240A
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Abstract

本发明公开了一种井下无人驾驶无轨车辆数字孪生运输系统及运输方法，包括数字孪生操控系统、数据信息交互系统、路侧换电机器人系统和无轨运输车辆，无轨运输车辆上设置有自动驾驶系统；数字孪生操控系统与数据信息交互系统连接，数据信息交互系统分别与路侧换电机器人系统、自动驾驶系统连接，路侧换电机器人系统与无轨运输车辆连接；本发明将数字孪生技术应用于井下电动无轨运输车辆的自主驾驶，实现了井下无轨车辆的无人化绿色运输，减少了环境污染，可大幅减少井下辅助运输作业人员数量，降低人员劳动强度，且还可以避免由于煤矿管理不规范或驾驶员操作不当而导致的安全事故。

Description

一种井下无人驾驶无轨车辆数字孪生运输系统及运输方法
技术领域
本发明涉及一种无轨车辆运输系统，具体涉及一种井下无人驾驶无轨车辆数字孪生运输系统及运输方法。
背景技术
数字孪生，是以多维模型和融合数据为驱动，通过视觉可感知的动画或图形来展示现场运行工况的技术。作为一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，其核心是实现物理实体与虚拟模型的桥接。数字孪生通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力，数字孪生面向产品全生命周期过程，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带的作用，提供更加实时、高效、智能的服务。
随着矿山智能化建设进程的不断推进，矿井运输系统向智能化乃至无人化发展是未来必然的趋势。然而，目前矿山的辅助运输系统，整体上仍还处于半机械化、半自动化甚至是严重依赖于人工操作的落后现状，其工作可靠性以及安全性已经极大制约了矿井安全高效生产和煤矿智能化建设进程。近年来因驾驶员操作不当引发的煤矿安全事故不在少数。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种井下无人驾驶无轨车辆数字孪生运输系统及运输方法，将数字孪生技术应用于井下电动无轨运输车辆的自主驾驶，实现了井下无轨车辆的无人化绿色运输，可大幅减少井下辅助运输作业人员数量，降低人员劳动强度，且还可以避免由于煤矿管理不规范或驾驶员操作不当而导致的安全事故。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种井下无人驾驶无轨车辆数字孪生运输系统，包括数字孪生操控系统、数据信息交互系统、路侧换电机器人系统和无轨运输车辆，无轨运输车辆上设置有自动驾驶系统；数字孪生操控系统与数据信息交互系统连接，数据信息交互系统分别与路侧换电机器人系统、自动驾驶系统连接，路侧换电机器人系统与无轨运输车辆连接；
数字孪生操控系统设立在井上，其包括孪生场景搭建系统、应急模块和人机交互平台；孪生场景搭建系统与人机交互平台连接，应急模块设置在人机交互平台一侧醒目的位置上；
路侧换电机器人系统设置在专用硐室中，专用硐室位于躲避硐室的对面，路侧换电机器人系统包括多功能充电站、蓄电池、电池放置台、换电机器人和机器人行走轨道；多功能充电站包括5G基站、UWB精确定位基站、激光雷达、工业相机、域控制器及充电装置，其中，5G基站、UWB精确定位基站、激光雷达及工业相机安装在专用硐室侧边，充电装置与域控制器安装于专用硐室内部；机器人行走轨道一端延伸到充电装置，另一端延伸至辅助运输巷道，换电机器人设置在机器人行走轨道上；
自动驾驶系统包括智能感知模块、定位模块和路径规划模块；
数据信息交互系统包括通信模块、信息管理模块、信息安全模块和总体调度模块；通信模块分别与信息管理模块、信息安全模块、总体调度模块连接，信息安全模块分别与信息管理模块、总体调度模块连接；通信模块由辅助运输巷道的工业环网、5G基站、UWB精确定位基站、链接无轨运输车辆端和换电机器人端的无线接入网组成。
进一步的，所述通信模块中的5G基站、UWB精确定位基站安装在狭长巷道的拐角处。
一种井下无人驾驶无轨车辆数字孪生运输方法，包括以下步骤：
S1：构建无轨车辆智能运输系统数字孪生体模型；
S2：井下工作人员手持信息发送装置向井上发送信息，信息通过5G基站由通信模块传输至信息管理模块，信息管理模块对上述信息进行储存、挖掘、分析后可供总体调度模块使用；
S3：系统下发调度指令：
S3-1：数据信息交互系统中的总体调度模块通过汇集实时的井上/下工作面需要，建立调度策略经典Petri网模型；
S3-2：总体调度模块会根据所接收到的任务信息对无轨运输车辆(3)进行调度控制；
S4：工作人员直接下发调度指令；
S5：运输完成后，该车状态改变为空闲；保存此次运输的数据，所述总体调度模块发送返程指令，开始返程。
进一步的，所述构建无轨车辆智能运输系统数字孪生体模型具体方法为：
S1-1：利用深度相机、可见光相机以及激光雷达对辅助运输巷道进行初步扫描，获得三维图像以及点云数据，再利用点云集成技术，通过建模软件建模，获得所述矿区三维模型；
S1-2：根据其余实体物理装置的外形尺寸、机械结构和运动部件，完成实体物理设备模型的尺寸外形、运动方式、机械连接和功能属性的构建，以刻画出与实物相匹配的模型；
S1-3：路侧换电机器人系统中的激光雷达和工业相机实时扫描专用硐室、躲避硐室及周围环境，并通过域控制器处理相关数据后经5G基站上传至人机交互平台；
S1-4：智能感知模块实时捕捉每辆无轨运输车辆整个车身的动态位置以及工作状态：工作中/空闲，并将每辆无轨运输车辆整个车身的动态位置及工作状态传输至数据信息交互系统；
S1-5：数据信息交互系统将得到的每辆无轨运输车辆整个车身的动态位置信息以及工作状态信息实时传输至孪生场景搭建系统中，从而能实时更新每辆无轨运输车辆数字孪生体在巷道数字孪生体模型中的位置和此时的工作状态。
进一步的，所述调度策略经典Petri网模型是由变迁、库所、托肯和有向弧组成的过程模型，其中，变迁指的是系统事件发生的条件，库所指的是系统事件当前的状态，这两者之间的关系靠有向弧传递，Petri网可以定义为一个包含库所、变迁、输入函数及输出函数的四元组，如下所示：
PNS＝(P,T,I,O)，
式中：
P＝{P1,P2,...Pn}，表示的是Petri网模型中库所的有限集合，n＞0；
T＝{T1,T2,...Tn}，表示的是Petri网模型中变迁的有限集合，m＞0；
意为模型中变迁和库所的个数不能同时为空；
I:P×T→N是输入函数，它定义的是从P到T的有向弧的重复数或权的集合，其中N＝{0,1,...}是非负整数集；
O:T×P→N是输出函数，它定义的是从T到P的有向弧的重复数或权的集合。
进一步的，所述总体调度模块对无轨运输车辆的调度控制包括调整工作状态、占用申请、总体调度模块连锁运算、正常运输、中途更换电池和意外情况处理；
调整工作状态：总体调度模块汇集实时的井上/下工作面需要，找到与所运货物相对应的空闲状态下的无轨运输车辆，被标记为工作中的无轨运输车辆将被忽略，该空闲状态下的无轨运输车辆根据调度信息到达对应的工作面，开始装车，安装于车厢内的应力传感器检测到应力超出车辆空闲状态的范围，该车状态改变为工作中；若应力变化超出额定阈值，无轨运输车辆发出警报提示超载；
占用申请：无轨运输车辆在进入到当前运输任务所包含的运行路线时需要对区段进行占用申请；
总体调度模块连锁运算：当总体调度模块接收到无轨运输车辆对下一区段的占用申请时，会对下一区段是否满足运行条件进行判断，若下一区段运行无轨运输车辆数量小于二，则占用申请成功，总体调度模块会为该车提供允许进入下一区段的标志，若行驶过程中路侧换电机器人系统检测到该区段正在运行两辆无轨运输车辆时，总体调度模块将此区段进行锁闭使其他无轨运输车辆无法进入此区段，但可以进行占用申请，若有多车都对该区段申请占用，则进行排队调度；若当前任意一辆无轨运输车辆运行结束后对区段进行解锁，从而不影响其他无轨运输车辆的运行；
正常运输：无轨运输车辆根据路径规划模块规划的路径开始运输并通过自身所搭载的传感器实时获取巷道信息，将巷道信息、无轨运输车辆的状态实时反馈给孪生场景搭建系统，以更新数字孪生场景，实现物理场景与数字孪生场景的同步，并使所述人机交互平台上虚拟的无轨运输车辆与实际的无轨运输车辆状态保持一致；
中途更换电池：无轨运输车辆运输过程中，若检测到电池电量低于20％，此时信息管理模块需要找到距离当前位置最近的空闲换电机器人，接着路径规划模块会重新规划局部路径，行驶到该换电机器人处进行蓄电池的更换，更换完成后的低电量电池会由换电机器人搬运至充电装置进行充电，并将电池电量信息以及换电机器人工作状态实时上传至通信模块；
意外情况处理：若有突发状况且安全威胁较小，总体调度模块根据信息管理模块提供的信息进行路径的重新规划或是由井上工作人员远程介入直接操控；若有突发状况且安全威胁较大，需要进行紧急的减速、停止时，可通过地面的数字孪生操控系统对距离该状况较近的无轨运输车辆一键制动，并发出警报提醒周围车辆及工作人员。
与现有技术相比，本发明中智能感知模块既可以用来实现无轨运输车辆的自主驾驶，又可以用来实现对井下环境的实时建模与监控，大大提高了传感器的利用效率；采用基于激光SLAM和UWB/INS的组合定位技术，UWB/INS组合定位利用INS解算结果减少UWB中非视距误差的影响，提高位置信息输出频率；利用UWB测距或解算信息抑制INS误差随时间的迅速累计，从而获得更高的导航定位精度及相对UWB更高的定位输出频率；在躲避硐室对面设置路侧换电机器人系统，该系统集辅助感知、辅助定位、通讯、换电、充电功能为一体，大大节省了成本；本发明将数字孪生技术应用于井下电动无轨运输车辆的自主驾驶，实现了井下无轨车辆的无人化运输，可大幅减少井下辅助运输作业人员数量，降低人员劳动强度，且还可以避免由于煤矿管理不规范或驾驶员操作不当而导致的安全事故，大大提高运输系统的安全性。
附图说明
图1为本发明系统框图；
图2为本发明系统细分框图；
图3为本发明路侧换电机器人系统设置及运输路线区段划分示意图；
图4为本发明运输方法流程图；
图5为本发明路侧换电机器人系统结构图；
图中：1、躲避硐室，2、专用硐室，3、无轨运输车辆，4、路侧换电机器人系统，5、区段，6、巷道场景；
401、激光雷达，402、工业相机，403、域控制器，404、充电装置，405、机器人行走轨道，406、换电机器人，407、第一电池放置台，408、5G基站，409、UWB精确定位基站，410、蓄电池，411、第二电池放置台，412、第三电池放置台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
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做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。
如图1和图2所示，本发明提供一种技术方案：包括数字孪生操控系统、数据信息交互系统、路侧换电机器人系统4和无轨运输车辆3，无轨运输车辆3上设置有自动驾驶系统。
数字孪生操控系统设立在井上，其包括孪生场景搭建系统、应急模块和人机交互平台；孪生场景搭建系统与人机交互平台连接，实现物理场景与数字孪生场景在运输时的同步，应急模块设置在人机交互平台一侧醒目的位置上；如图3所示，孪生场景搭建系统主要对井下巷道场景6以及无轨运输车辆3、路侧换电机器人系统4等物理设备进行建模，并将各包含有实际物体数据信息的数字孪生体汇入搭建的数字孪生场景中；孪生场景搭建系统还可以通过无轨运输车辆3自身的智能感知模块所采集的巷道实时信息实时修改数字孪生场景，以保证物理场景与数字孪生场景在运输时的同步，孪生场景搭建系统通过无轨运输车辆3自身的传感器将无轨运输车辆3的状态信息以及货物的状态信息经数据信息交互系统传输，从而可以实时更新数字孪生场景中的数字孪生体；应急模块在无轨运输车辆3正常行驶遇到突发状况，需要进行紧急的减速、停止时，可通过该模块对该无轨运输车辆3一键制动，避免事故的发生；人机交互平台与孪生场景搭建系统连接，可以实时监测运输系统物理实体空间中的当前状态和数据，形成监视场景；人机交互平台接收来自数据信息交互系统对智能运输系统智能化处理的事件通知，用户根据事件通知经数据信息交互系统对运输系统发出控制指令。
如图3所示，路侧换电机器人系统4设置在专用硐室2中，专用硐室2位于躲避硐室1的对面，如图5所示，路侧换电机器人系统4包括多功能充电站、蓄电池410、三个电池放置台、换电机器人406和机器人行走轨道405。多功能充电站集辅助感知功能、辅助定位功能、辅助通信功能以及电池充/换电功能为一体，包括5G基站408、超宽带(UWB)精确定位基站409、激光雷达401、工业相机402、域控制器403和充电装置404，其中，5G基站408、UWB精确定位基站409、激光雷达401及工业相机402安装在专用硐室2侧边，充电装置404与域控制器403安装于专用硐室2最内部，即机器人行走轨道405的一端；5G基站408用于各个路侧换电机器人系统4之间的无线通信，还可以用于无轨运输车辆3端与物联网大数据平台的辅助无线通信；UWB精确定位基站409用于无轨运输车辆3在井下的辅助定位，激光雷达401和工业相机402用于感知躲避硐室1是否存在无轨运输车辆3，且还可以用来监控换电机器人406的工作过程；域控制器403用于处理路侧基站基础数据，并可在5G网络等支撑下，实现车端、多个路侧基站间的分布式算力部署与共享功能，充电装置404可实现对换电机器人406自身的充电以及对无轨运输车辆3的蓄电池410充电；位于运输巷道一侧的机器人行走轨道405两边分别设有第二电池放置台411和第三电池放置台412，位于充电装置404一侧的机器人行走轨道405的一边设有第一电池放置台407，电池放置台可旋转，可以与换电机器人406的机械臂配合保持蓄电池放置姿态的统一；路侧换电机器人系统4均采用隔爆型充电装置和隔爆型蓄电池；无轨运输车辆3与多功能充电站之间时刻保持路侧环境感知数据、精确定位信息、启停信号等数据的交互。换电机器人406设置在机器人行走轨道405上，机器人行走轨道405一端延伸到充电装置404，可以对电量过低的蓄电池410进行充电以及对换电机器人406自身进行充电，另一端延伸至辅助运输巷道，可以实现对电量过低的无轨运输车辆3进行蓄电池410更换工作。
换电机器人406对自身充电过程：当检测到换电机器人406电量低于15％后，该换电机器人406将姿态调整成电量低模式，即升高换电机器人406使得充电口与充电装置母座高度保持一致，接着沿行走轨道405在导向机构的引导下自主驶向充电装置404，通过旋转编码器及激光测距仪保证换电机器人406充电口与充电装置404的精准可靠对接，通过阻燃抗静电的改性尼龙对接公头和母座保证充电对接安全，隔爆型充电装置和隔爆型蓄电池在对接状态、充电状态和分离状态均形成独立的隔爆腔；对接成功后，充电装置404对换电机器人406进行大功率快速充电，并将电池电量信息以及换电机器人406此时的工作状态实时上传至通信模块；换电机器人406对无轨运输车辆3换电过程：电量低于20％的无轨运输车辆3行驶至机器人行走轨道405处，打开电池仓后自动断电，接着换电机器人406从电池放置台407夹取电量充足的蓄电池410沿行走轨道405在导向机构的引导下自主驶向无轨运输车辆3，并将该蓄电池410放置于第二电池放置台411，然后换电机器人406将无轨运输车辆3内的蓄电池410取下放置于第三电池放置台412，再将第二电池放置台411上的蓄电池410安装至无轨运输车辆3内，电池更换完毕后换电机器人406的机械臂触碰设置于无轨运输车辆3电池仓一侧的电源按钮将车辆启动，最后换电机器人406将电量过低的蓄电池410运送至充电装置404进行充电。换电过程利用图像处理、目标定位重构和机械臂运动控制3个主要技术,基于RRT算法实现换电机器人406机器臂运动轨迹的控制,且在电池放置台的配合下，蓄电池410的放置位置是固定的，方便换电机器人406进行夹取工作。
自动驾驶系统包括智能感知模块、定位模块和路径规划模块，三个模块是三个互相依赖的模块，它们紧密协作，相互交换信息，以实现无轨运输车辆3的自动驾驶；智能感知模块采用新型灵敏度高、可靠性好的多源参数传感器，主要包括超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达、车载机器视觉传感器及无线接入网数据发送装置，无线接入网数据发送装置主要用于无轨运输车辆3与5G基站通信，超声波雷达布于车身四周，无线接入网数据发送装置放于车身顶部，其余传感器车身前后各布置一个；通过安装在无轨运输车辆3上的多种传感器，可实现在复杂工况环境下车辆行驶路径范围内路况及障碍物的高精度智能感知，以及一定安全系数的感知冗余设计；另外，除上述用于感知周围环境的传感器之外，无轨运输车辆3电池仓中还安装了电池电量检测装置，在车厢内部安装应力传感器，用于获取无轨运输车辆3的剩余电量、位置信息以及当前的工作状态(工作中/空闲)，保证在作业过程中，无轨运输车辆3能顺利完成运输并返程，并通过无轨运输车辆3上的毫米波雷达、激光雷达、摄像头获取巷道信息，实现对巷道信息的监控；定位模块采用基于激光SLAM和UWB/INS的组合定位技术，可实现无轨运输车辆3在井下巷道环境下的精确定位；路径规划模块通过定位模块提供的无轨运输车辆3的位置信息，结合实时的巷道信息，在安全速度下，实时规划出最高效的路径；在运输货物前，路径规划系统可根据所述信息管理模块存储的历史运输数量、区段历史占用率、无轨运输车辆3历史能量消耗量，对所选路径进行数据概率估计，选择最优路径，从而更高效地对运输过程进行优化管理。
数据信息交互系统包括通信模块、信息管理模块、信息安全模块和总体调度模块；通信模块分别与信息管理模块、信息安全模块、总体调度模块连接，信息安全模块分别与信息管理模块、总体调度模块连接，保证信息处理与上传过程中的安全；通信模块由辅助运输巷道的工业环网、5G基站、UWB精确定位基站、链接无轨运输车辆3端和换电机器人端的无线接入网组成，通信模块中的5G基站、UWB精确定位基站安装在狭长巷道的拐角处，且多个基站的布置最好呈现规则的几何形状，可以实现更快的信号传输速度以及更大的信号覆盖范围，建立从地面到井下的数据交互通道，完成多源传感器的高效联网，并接入煤矿物联网大数据平台，对无轨运输车辆3的位置信息、电池电量信息实现即时数据传输；信息管理模块经通信模块传输接收的信息包括货物信息以及车载智能感知模块感知得到的信息；信息管理模块对无轨运输车辆3上的传感数据进行储存、挖掘、分析和应用，利用煤矿物联网大数据平台的智能算法，对海量的动态感知数据和信息进行深度挖掘分析与融合处理，实现智能化的大数据处理；货物信息包括货物的重量、种类、体积；通过车端智能感知模块得到的信息，可以实时掌握无轨运输车辆3的电量信息，可以掌握巷道实时信息，包括巷道拥堵情况，可以对货物、无轨运输车辆3运行状况、路径选择、运输时间进行监控与管理；信息安全模块对从通信模块上传的信息以及经信息管理模块融合处理的信息进行信息安全验证，并且通过网络自主防御抵御潜在的网络威胁；总体调度模块通过汇集实时的井下工作面需要，建立调度策略经典Petri网模型，从而选择合适的无轨运输车辆3进行运输，并通过连锁运算实现对多辆无轨运输车辆3智能化的决策和控制。
数字孪生操控系统通过数据信息交互系统与无轨运输车辆3及换电机器人通信，通过实体和孪生模型之间的智能交互机制实现无轨运输车辆3的智能化，从而实现物理实体与数字孪生体的数据融合交互，进而可以通过人机交互平台实现井下无轨运输车辆3的运输可视化；数据信息交互系统是物理实体与孪生体之间、物理实体与数字孪生操控系统之间的信息通道，数据信息交互系统融合处理多源传感器所采集的数据以及井上/下工作面需要，并将其上传至数字孪生操控系统，等待运输系统发送调度指令或工作人员发送调度指令后再将指令传输至物理实体；路侧换电机器人系统4与数据信息交互系统连接，集辅助感知、辅助定位、通讯、换电、充电功能为一体；自动驾驶系统与数据信息交互系统连接，且自动驾驶系统应用于每辆无轨运输车辆3上，自动驾驶系统用于控制无轨运输车辆3实现无人驾驶的同时还可用来辅助巷道环境的建模与监控，自动驾驶系统与数据信息交互系统双向传输。
从无轨运输车辆3端到人机交互平台的数据传输路径为：无轨运输车辆3上搭载的智能感知模块将传感器数据发送至车辆端的无线接入网数据发送装置，无线接入网数据发送装置通过设立在巷道内的5G基站和UWB精确定位基站将数据发送至煤矿物联网大数据平台，物联网大数据平台对数据进行一系列处理之后经由辅助运输巷道的工业环网上传至人机交互平台；从换电机器人系统端到人机交互平台的数据传输路径为：路侧换电机器人系统4中的激光雷达401、工业相机402和安装在换电机器人406上的电池电量传感器将感知到的数据通过设立在专用硐室2侧边的5G基站408发送至域控制器，域控制器对路侧数据进行分析和共享后通过5G基站将处理后的数据传输至煤矿物联网大数据平台，物联网大数据平台对数据进行保存之后经由辅助运输巷道的工业环网上传至人机交互平台。
如图4所示，井下无轨运输车辆数字孪生运输控制方法为：
S1：构建无轨车辆智能运输系统数字孪生体模型；
S1-1：利用深度相机、可见光相机以及激光雷达对辅助运输巷道进行初步扫描，获得三维图像以及点云数据，再利用点云集成技术，通过建模软件建模，获得所述矿区三维模型；
S1-2：根据其余实体物理装置的外形尺寸、机械结构和运动部件，完成实体物理设备模型的尺寸外形、运动方式、机械连接和功能属性的构建，以刻画出与实物相匹配的模型；常用的井下无轨运输车辆3按其功能可分为工程运输车、人员运输车、指挥车、支援运输车、铲装车、特种设备车等。以上车型基本涵盖了煤矿辅助运输所需的所有功能，各种车辆各司其职。可以为不同的运输场景找到合适的车辆，进行孪生体建模时可对无轨运输车辆3的种类进行区分及编号，如人员运输车可编号为A001，A002……，工程运输车可编号为B001，B002……等；
S1-3：路侧换电机器人系统4中的激光雷达和工业相机实时扫描专用硐室2、车辆躲避硐室1及周围环境，并通过域控制器处理相关数据后经5G基站上传至人机交互平台，实现对换电机器人工作状态的捕捉以及无轨运输车辆会车过程、换电、充电过程的全程监控；
S1-4：智能感知模块实时捕捉每辆无轨运输车辆3整个车身的动态位置以及工作状态：工作中/空闲，并将每辆无轨运输车辆3整个车身的动态位置及工作状态传输至数据信息交互系统；
S1-5：数据信息交互系统将得到的每辆无轨运输车辆3整个车身的动态位置信息以及工作状态信息实时传输至孪生场景搭建系统中，从而能实时更新每辆无轨运输车辆3数字孪生体在巷道数字孪生体模型中的位置和此时的工作状态。另外，无轨运输车辆3的工作状态也相应地进行可视化的处理，在人机交互平台上，工作状态下的无轨运输车辆3标为黄色，空闲状态下的无轨运输车辆3标为绿色，车辆故障状态下的无轨运输车辆3标为红色。
S2：井下工作人员手持信息发送装置向井上发送信息，信息通过5G基站由通信模块传输至信息管理模块，信息管理模块对上述信息进行储存、挖掘、分析后可供总体调度模块使用。
S3：系统下发调度指令：
S3-1：数据信息交互系统中的总体调度模块通过汇集实时的井上/下工作面需要，建立调度策略经典Petri网模型；调度策略经典Petri网模型是由变迁、库所、托肯和有向弧组成的简单过程模型，其中，变迁指的是系统事件发生的条件，库所指的是系统事件当前的状态，这两者之间的关系靠有向弧传递，Petri网可以定义为一个包含库所、变迁、输入函数及输出函数的四元组，如下所示：
PNS＝(P,T,I,O)，
式中：
P＝{P1,P2,...Pn}，表示的是Petri网模型中库所的有限集合，n＞0；
T＝{T1,T2,...Tn}，表示的是Petri网模型中变迁的有限集合，m＞0；
意为模型中变迁和库所的个数不能同时为空；
I:P×T→N是输入函数，它定义的是从P到T的有向弧的重复数或权的集合，其中N＝{0,1,...}是非负整数集；
O:T×P→N是输出函数，它定义的是从T到P的有向弧的重复数或权的集合；
S3-2：总体调度模块以煤矿井下巷道各躲避硐室1之间的距离为基准，将无轨运输车辆3的运输路线分为若干小区段5，无轨运输车辆3在接到运输任务后路径规划模块为其规划运输路线及运输路线包含的所有区段5；总体调度模块会根据所接收到的任务信息对无轨运输车辆3进行包括调整工作状态、占用申请、总体调度模块连锁运算、排队调度、正常运输、中途更换电池和意外情况处理的调度控制。
调整工作状态：总体调度模块汇集实时的井上/下工作面需要，找到与所运货物相对应的空闲状态下的无轨运输车辆3，被标记为工作中的无轨运输车辆3将被忽略，该空闲状态下的无轨运输车辆3根据调度信息到达对应的工作面，开始装车，安装于车厢内的应力传感器检测到应力超出车辆空闲状态的范围，该车状态改变为工作中；若应力变化超出额定阈值，无轨运输车辆3发出警报提示超载；
占用申请：无轨运输车辆3在进入到当前运输任务所包含的运行路线时需要对区段5进行占用申请；
总体调度模块连锁运算：当总体调度模块接收到无轨运输车辆3对下一区段5的占用申请时，会对下一区段5是否满足运行条件进行判断，若下一区段5运行无轨运输车辆3数量小于二，则占用申请成功，总体调度模块会为该车提供允许进入下一区段5的标志，若行驶过程中路侧换电机器人系统4检测到该区段5正在运行两辆车时，总体调度模块将此区段5进行锁闭使其他无轨运输车辆3无法进入此区段5，但可以进行占用申请，若有多车都对该区段5申请占用，则进行排队调度；若当前任意一辆无轨运输车辆3运行结束后对区段5进行解锁，从而不影响其他无轨运输车辆3的运行；
排队调度：总体调度模块以数据信息交互系统实时收集的数据为基础，运用排队理论构建煤矿井下闭合网络模型，将运输系统中的装、运、卸、换电分为四个排队子系统，综合分析下一区段5中无轨运输车辆3的数量、剩余可占用区段5数量、无轨运输车辆3换电时间、无轨运输车辆3运行速度、所需等待时间、运输成本，从而选择最合适的排队服务；进一步的，排队服务包括：一、顺序服务，即按无轨运输车辆3占用申请的先后顺序进行排队，在排队等待中排在前面的优先接受服务；二、倒序服务，即在排队等待中排在最后面的优先接受服务，此服务用于井下出现状况需要无轨运输车辆3及时撤出时；三、优先服务，即在排队等待中某些无轨运输车辆3特别受到重视，比如运输需要抢修的设备零件时，在服务顺序上有优先权，可以先得到服务；
正常运输：无轨运输车辆3根据路径规划模块规划的路径开始运输并通过自身所搭载的传感器实时获取巷道信息，将巷道信息、无轨运输车辆3的状态实时反馈给孪生场景搭建系统，以更新数字孪生场景，实现物理场景与数字孪生场景的同步，并使所述人机交互平台上虚拟的无轨运输车辆3与实际的无轨运输车辆3状态保持一致；
中途更换电池：无轨运输车辆3运输过程中，若检测到电池电量低于20％，此时信息管理模块需要找到距离当前位置最近的空闲换电机器人406，接着路径规划模块会重新规划局部路径，行驶到该换电机器人406处进行蓄电池410的更换，更换完成后的低电量电池会由换电机器人406搬运至充电装置404进行充电，并将电池电量信息以及换电机器人406工作状态实时上传至通信模块。
意外情况处理：若有突发状况且安全威胁较小，总体调度模块根据信息管理模块提供的信息进行路径的重新规划或是由井上工作人员远程介入直接操控；若有突发状况且安全威胁较大，需要进行紧急的减速、停止时，可通过地面的数字孪生操控系统对距离该状况较近的无轨运输车辆3一键制动，并发出警报提醒周围其他车辆及工作人员，避免事故的发生。
S4：工作人员直接下发调度指令：人机交互平台接收来自数据信息交互系统对智能运输系统智能化处理的事件通知，在运输过程中，井上工作人员可以根据人机交互平台反映的情况进行实时监控，并通过人机交互平台对无轨运输车辆3发送控制指令。
S5：运输完成后，该车状态改变为空闲；保存此次运输的数据，所述总体调度模块发送返程指令，开始返程。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种井下无人驾驶无轨车辆数字孪生运输系统，其特征在于，包括数字孪生操控系统、数据信息交互系统、路侧换电机器人系统(4)和无轨运输车辆(3)，无轨运输车辆(3)上设置有自动驾驶系统；数字孪生操控系统与数据信息交互系统连接，数据信息交互系统分别与路侧换电机器人系统(4)、自动驾驶系统连接，路侧换电机器人系统(4)与无轨运输车辆(3)连接；
数字孪生操控系统设立在井上，其包括孪生场景搭建系统、应急模块和人机交互平台；孪生场景搭建系统与人机交互平台连接，应急模块设置在人机交互平台一侧醒目的位置上；
路侧换电机器人系统(4)设置在专用硐室(2)中，专用硐室(2)位于躲避硐室(1)的对面，路侧换电机器人系统(4)包括多功能充电站、蓄电池(410)、电池放置台、换电机器人(406)和机器人行走轨道(405)；多功能充电站包括5G基站(408)、UWB精确定位基站(409)、激光雷达(401)、工业相机(402)、域控制器(403)及充电装置(404)，其中，5G基站(408)、UWB精确定位基站(409)、激光雷达(401)及工业相机(402)安装在专用硐室(2)侧边，充电装置(404)与域控制器(403)安装于专用硐室(2)内部；机器人行走轨道(405)一端延伸到充电装置(404)，另一端延伸至辅助运输巷道，换电机器人(406)设置在机器人行走轨道(405)上；
自动驾驶系统包括智能感知模块、定位模块和路径规划模块；
数据信息交互系统包括通信模块、信息管理模块、信息安全模块和总体调度模块；通信模块分别与信息管理模块、信息安全模块、总体调度模块连接，信息安全模块分别与信息管理模块、总体调度模块连接；通信模块由辅助运输巷道的工业环网、5G基站、UWB精确定位基站、链接无轨运输车辆(3)端和换电机器人端的无线接入网组成。
2.根据权利要求1所述的一种井下无人驾驶无轨车辆数字孪生运输系统，其特征在于，所述通信模块中的5G基站、UWB精确定位基站安装在狭长巷道的拐角处。
3.根据权利要求1所述的一种井下无人驾驶无轨车辆数字孪生运输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建无轨车辆智能运输系统数字孪生体模型；
S2：井下工作人员手持信息发送装置向井上发送信息，信息通过5G基站由通信模块传输至信息管理模块，信息管理模块对上述信息进行储存、挖掘、分析后可供总体调度模块使用；
S3：系统下发调度指令：
S3-1：数据信息交互系统中的总体调度模块通过汇集实时的井上/下工作面需要，建立调度策略经典Petri网模型；
S3-2：总体调度模块会根据所接收到的任务信息对无轨运输车辆(3)进行调度控制；
S4：工作人员直接下发调度指令；
S5：运输完成后，该车状态改变为空闲；保存此次运输的数据，所述总体调度模块发送返程指令，开始返程。
4.根据权利要求3所述的一种井下无人驾驶无轨车辆数字孪生运输方法，其特征在于，所述构建无轨车辆智能运输系统数字孪生体模型具体方法为：
S1-1：利用深度相机、可见光相机以及激光雷达对辅助运输巷道进行初步扫描，获得三维图像以及点云数据，再利用点云集成技术，通过建模软件建模，获得所述矿区三维模型；
S1-2：根据其余实体物理装置的外形尺寸、机械结构和运动部件，完成实体物理设备模型的尺寸外形、运动方式、机械连接和功能属性的构建，以刻画出与实物相匹配的模型；
S1-3：路侧换电机器人系统(4)中的激光雷达和工业相机实时扫描专用硐室(2)、躲避硐室(1)及周围环境，并通过域控制器处理相关数据后经5G基站上传至人机交互平台；
S1-4：智能感知模块实时捕捉每辆无轨运输车辆(3)整个车身的动态位置以及工作状态：工作中/空闲，并将每辆无轨运输车辆(3)整个车身的动态位置及工作状态传输至数据信息交互系统；
S1-5：数据信息交互系统将得到的每辆无轨运输车辆(3)整个车身的动态位置信息以及工作状态信息实时传输至孪生场景搭建系统中，从而能实时更新每辆无轨运输车辆(3)数字孪生体在巷道数字孪生体模型中的位置和此时的工作状态。
5.根据权利要求3所述的一种井下无人驾驶无轨车辆数字孪生运输方法，其特征在于，所述调度策略经典Petri网模型是由变迁、库所、托肯和有向弧组成的过程模型，其中，变迁指的是系统事件发生的条件，库所指的是系统事件当前的状态，这两者之间的关系靠有向弧传递，Petri网可以定义为一个包含库所、变迁、输入函数及输出函数的四元组，如下所示：
PNS＝(P,T,I,O)，
式中：
P＝{P1,P2,...Pn}，表示的是Petri网模型中库所的有限集合，n＞0；
T＝{T1,T2,...Tn}，表示的是Petri网模型中变迁的有限集合，m＞0；
意为模型中变迁和库所的个数不能同时为空；
I:P×T→N是输入函数，它定义的是从P到T的有向弧的重复数或权的集合，其中N＝{0,1,...}是非负整数集；
O:T×P→N是输出函数，它定义的是从T到P的有向弧的重复数或权的集合。
6.根据权利要求3所述的一种井下无人驾驶无轨车辆数字孪生运输方法，其特征在于，所述总体调度模块对无轨运输车辆(3)的调度控制包括调整工作状态、占用申请、总体调度模块连锁运算、正常运输、中途更换电池和意外情况处理；
调整工作状态：总体调度模块汇集实时的井上/下工作面需要，找到与所运货物相对应的空闲状态下的无轨运输车辆(3)，被标记为工作中的无轨运输车辆(3)将被忽略，该空闲状态下的无轨运输车辆(3)根据调度信息到达对应的工作面，开始装车，安装于车厢内的应力传感器检测到应力超出车辆空闲状态的范围，该车状态改变为工作中；若应力变化超出额定阈值，无轨运输车辆(3)发出警报提示超载；
占用申请：无轨车辆(3)在进入到当前运输任务所包含的运行路线时需要对区段(5)进行占用申请；
总体调度模块连锁运算：当总体调度模块接收到无轨运输车辆(3)对下一区段(5)的占用申请时，会对下一区段(5)是否满足运行条件进行判断，若下一区段(5)运行无轨运输车辆(3)数量小于二，则占用申请成功，总体调度模块会为该车提供允许进入下一区段(5)的标志，若行驶过程中路侧换电机器人系统(4)检测到该区段(5)正在运行两辆无轨运输车辆(3)时，总体调度模块将此区段(5)进行锁闭使其他无轨运输车辆(3)无法进入此区段(5)，但可以进行占用申请，若有多车都对该区段申请占用，则进行排队调度；若当前任意一辆无轨运输车辆(3)运行结束后对区段(5)进行解锁，从而不影响其他无轨运输车辆(3)的运行；
正常运输：无轨运输车辆(3)根据路径规划模块规划的路径开始运输并通过自身所搭载的传感器实时获取巷道信息，将巷道信息、无轨运输车辆(3)的状态实时反馈给孪生场景搭建系统，以更新数字孪生场景，实现物理场景与数字孪生场景的同步，并使所述人机交互平台上虚拟的无轨运输车辆(3)与实际的无轨运输车辆(3)状态保持一致；
中途更换电池：无轨运输车辆(3)运输过程中，若检测到电池电量低于20％，此时信息管理模块需要找到距离当前位置最近的空闲换电机器人(406)，接着路径规划模块会重新规划局部路径，行驶到该换电机器人(406)处进行蓄电池(410)的更换，更换完成后的低电量电池会由换电机器人(406)搬运至充电装置(404)进行充电，并将电池电量信息以及换电机器人(406)工作状态实时上传至通信模块；
意外情况处理：若有突发状况且安全威胁较小，总体调度模块根据信息管理模块提供的信息进行路径的重新规划或是由井上工作人员远程介入直接操控；若有突发状况且安全威胁较大，需要进行紧急的减速、停止时，可通过地面的数字孪生操控系统对距离该状况较近的无轨运输车辆(3)一键制动，并发出警报提醒周围车辆及工作人员。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118254779A (zh) * 2024-03-26 2024-06-28 理工雷科智途(北京)科技有限公司 一种用于井工矿巷道环境的车路协同防碰撞系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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