CN117328941A - 基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统，所述孕灾状态预警系统是对掘进工作面掘进过程的煤层应力场、瓦斯浓度场、煤岩破坏强度场三种动态物理场的展示，通过ARIMA算法对三种动态物理场进行预测并实时更新；利用ARIMA算法与危险阈值差值判断准则对孕灾孪生体各危险指标的扰动状态进行预测、对比判断，实现对煤层孕灾过程进行实时分析，在出现突出危险时进行预警，并在工作面三维数字模型中标明孕灾位置，同时提供应急处置建议。本发明能够实现煤与瓦斯突出的未来时刻危险指标物理场数字孪生体的生成及异常监测，可提高事故预测可视化程度和智能化水平。

Description

基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统

技术领域

本发明涉及煤矿安全监测及预警技术领域，特别涉及一种基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统。

背景技术

煤与瓦斯突出、冲击地压等地下灾害是煤矿中极其严重的事故，不仅会造成人员伤亡，还使煤炭生产受阻、煤矿安全环境恶化、煤层气资源浪费，可造成极大的经济损失。

目前，现有技术对于多指标监测预警融合技术研究及危险监测不足，其智能化水平低、可视化程度差且孕灾过程监测缺失。

发明内容

本发明提供了一种基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统，以解决现有技术对于多指标监测预警融合技术研究及危险监测不足，其智能化水平低、可视化程度差，且孕灾过程监测缺失的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统，所述孕灾状态预警系统包括：井下传感器、物理信号映射模块、数据驱动模块、数据映射模块、动态物理场反演模块和危险指标扰动预警模块；其中，

所述井下传感器用于配置在井下待监测掘进工作面中，以对井下待监测掘进工作面掘进过程中的多种预设监测指标进行实时监测，得到各监测指标数据；

所述物理信号映射模块用于将所述井下传感器得到的各监测指标数据分别对应存储至各监测指标对应的数据表中，并基于各监测指标对应的数据表，生成各监测指标的虚体对象；其中，所述虚体对象包括相应监测指标的历史数据；

所述数据驱动模块用于构建各监测指标对应的动态物理场，并将各监测指标的虚体对象分别植入相应指标对应的动态物理场中，以反应当前时刻的采区孕灾情况；其中，所述虚体对象随着相应监测指标数据的变化进行实时变化；

所述数据映射模块用于按照1：1比例构建井下待监测掘进工作面及其所在采区的三维模型，以得到工作面现场三维数字模型；并将各监测指标对应的动态物理场映射到所述工作面现场三维数字模型中，得到掘进工作面数字孪生体；

所述动态物理场反演模块用于对所述掘进工作面数字孪生体进行反演处理，得到煤层孕灾动态物理场数字孪生体；

所述危险指标扰动预警模块用于基于所述煤层孕灾动态物理场数字孪生体，对煤层孕灾过程进行实时分析，并在出现突出危险时进行预警。

进一步地，所述预设监测指标包括：掘进进度、瓦斯浓度、掘进面应力场和煤岩破坏强度；

相应地，所述井下传感器包括：激光测距仪、瓦斯浓度传感器、应力传感器和电磁辐射传感器。

进一步地，所述井下传感器的布置方式为：

所述激光测距仪布置在巷道口，指向掘进工作面；

所述应力传感器的数量为多个，通过钻孔塞入所述井下待监测掘进工作面前方底板巷，且每30m布置一个应力传感器；

所述瓦斯浓度传感器布置在掘进头后方，呈多点布置，每50m布置一个；

所述电磁辐射传感器布置于掘进头处。

进一步地，物理信号映射模块生成各监测指标的虚体对象的方式为：

利用应力场等值线图展示掘进工作面前方的应力场；

利用瓦斯浓度等值线图展示掘进工作面后方的瓦斯浓度场；

利用电磁辐射动态曲线变化图展示掘进工作面周围的煤岩破坏程度；

利用掘进标尺展示掘进速度及掘进总进度。

进一步地，所述工作面现场三维数字模型包括：工作面地质单元、掘进机生产单元以及传感器单元。

进一步地，所述动态物理场反演模块具体用于：

采用ARIMA算法对所述掘进工作面数字孪生体中当前时刻的应力场、瓦斯浓度场以及煤岩破坏强度场这三种动态物理场进行预测，得到未来时刻的三种动态物理场的预测结果，并将未来时刻的三种动态物理场预测结果导入煤层孕灾动态物理场数字孪生体，以反应未来时刻的采区孕灾情况。

进一步地，所述危险指标扰动预警模块具体用于：

采用ARIMA算法对所述煤层孕灾动态物理场数字孪生体中的瓦斯浓度、掘进面应力场和煤岩破坏强度这三种监测指标的扰动进行预测；

基于预设的危险阈值差值判断准则，根据监测指标的扰动预测结果，对煤层孕灾过程进行实时分析，并在出现突出危险时进行预警，同时在预警时，提供应急处置建议，并在所述工作面现场三维数字模型中标明孕灾位置。

进一步地，所述危险阈值差值判断准则，包括：

以瓦斯浓度、掘进面应力场和煤岩破坏强度这三种监测指标的扰动范围作为危险监测对象，根据预设的扰动范围阈值和危险状态插值进行预警等级划分。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

1、本发明实现了对待监测掘进工作面掘进过程的煤层应力场、瓦斯浓度场、煤岩破坏强度场的展示，通过ARIMA算法对三种物理场进行预测并实时更新，通过危险指标扰动预警模块对煤层孕灾过程进行实时分析，并在出现突出危险时进行预警，从而可以实现煤层孕灾的准确预警。

2、本发明突破了数字孪生在煤矿生产中单一可视化工况的传统功能，解决了现有技术不可对未来时刻生产状况危险性预测的问题，提出了多重数字孪生体之间功能性处理迭代技术，将煤矿生产中煤与瓦斯突出监测、预测、预警融为一体并实现。

3、本发明提出了危险指标动态物理场的概念，可创新性的解决传统危险指标数值不易融合、不易分层可视化展示的问题。

4、本发明预警功能基于动态物理场的扰动状态预测，并依据扰动状态的波动进行预警，弥补了传统阈值法只可对当前时刻结果进行数值比较单一判断的不足。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统的实现流程示意图

图3是本发明实施例提供的基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统的工作流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本实施例提供了一种基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统，结合数字孪生技术，提出煤层孕灾指标动态物理场新概念，使用多重数字孪生体生成及处理技术预测掘进工作面煤与瓦斯突出的危险性，将煤层孕灾物理指标场概念化、数字孪生化，提出切实可行的孪生预测系统，可实现对掘进工作面煤层的孕灾状态监测及预警，从而为煤矿安全生产提供有力的支持。

如图1所示，所述预警系统包括：井下传感器、物理信号映射模块、数据驱动模块、数据映射模块、动态物理场反演模块和危险指标扰动预警模块。

所述井下传感器用于配置在井下待监测掘进工作面中，以对井下待监测掘进工作面掘进过程中的多种预设监测指标进行实时监测，得到各监测指标数据；其中，所述预设监测指标包括：掘进进度、瓦斯浓度、掘进面应力场和煤岩破坏强度；相应地，所述井下传感器包括：激光测距仪、瓦斯浓度传感器、应力传感器和电磁辐射传感器。各传感器的布置方式如下：

所述激光测距仪布置在巷道口，指向掘进工作面；

所述应力传感器的数量为多个，通过钻孔塞入所述井下待监测掘进工作面前方底板巷，且每30m布置一个应力传感器；

所述瓦斯浓度传感器布置在掘进头后方，呈多点布置，每50m布置一个；

所述电磁辐射传感器布置于掘进头处。

各传感器依据井下环网将数据传入服务器各危险指标数据库中。

所述物理信号映射模块用于将所述井下传感器得到的各监测指标数据分别对应存储至数据库中的各监测指标对应的数据表(应力表、瓦斯表、电磁辐射强度表)中，并基于各监测指标对应的数据表，生成各监测指标的虚体对象；其中，所述虚体对象即为各危险指标场的虚体，包括应力场虚体、瓦斯浓度虚体、电磁辐射虚体、进度标尺，每个虚体包含其对应传感器采集的历史数据；

进一步地，物理信号映射模块生成各监测指标的虚体对象的方式如下：

利用应力场等值线图展示掘进工作面前方的应力场；

利用瓦斯浓度等值线图展示掘进工作面后方的瓦斯浓度场；

利用电磁辐射动态曲线变化图展示掘进工作面周围的煤岩破坏程度；

利用掘进标尺展示掘进速度及掘进总进度。

所述数据驱动模块用于构建各监测指标对应的动态物理场，并将各监测指标的虚体对象分别植入相应指标对应的动态物理场中，以反应当前时刻的采区孕灾情况；其中，应力场等值线图、瓦斯浓度等值线图、电磁辐射动态曲线、掘进标尺均根据数据驱动模块进行实时变化，并将数值模拟结果赋值于各虚体对应的动态物理场；进一步地，动态物理场由传感器信号生成虚体物理对象后，经过ARIMA(Autoregressive Integrated MovingAverage，差分自回归移动平均)算法处理生成；ARIMA算法处理对象为虚体本身数据集，输出各指标预算值后赋予煤层孕灾动态物理场。动态物理场包括：应力场、瓦斯浓度场、煤岩破坏强度场，三种动态物理场可反应当前时刻采区孕灾情况。

所述数据映射模块用于按照1：1比例构建井下待监测掘进工作面及其所在采区的三维模型，以得到工作面现场三维数字模型；并将各监测指标对应的动态物理场映射到所述工作面现场三维数字模型中，得到掘进工作面数字孪生体；其中，所述工作面现场三维数字模型是按照比例构建出的工作面及其所在采区的三维可视化模型，具有待监测掘进工作面的几何模型，内部包含工作面地质单元，掘进机、支护、传感器、测距仪等生产单元，以及传感器单元，可模拟工作面生产实况。掘进工作面数字孪生体中构建了动态物理场虚体对象，融合了瓦斯、应力、煤岩破坏强度三个危险场指标，可实现当前时刻煤层孕灾物理场的监测及数字孪生化，为构建未来时刻煤层孕灾动态物理场提供现实依据。

所述动态物理场反演模块用于对所述掘进工作面数字孪生体进行反演处理，得到煤层孕灾动态物理场数字孪生体；其中，煤层孕灾动态物理场数字孪生体包含了ARIMA算法处理的应力场、瓦斯浓度场、煤岩破坏强度场。具体地，所述动态物理场反演模块依据所述掘进工作面数字孪生体进行ARIMA算法的反演，生成包含未来时刻煤层孕灾物理场信息的煤层孕灾动态物理场数字孪生体。其实现过程为：采用ARIMA算法对所述掘进工作面数字孪生体中当前时刻的应力场、瓦斯浓度场以及煤岩破坏强度场这三种动态物理场进行预测，得到未来时刻的三种动态物理场的预测结果，并将未来时刻的三种动态物理场预测结果导入煤层孕灾动态物理场数字孪生体，以反应未来时刻的采区孕灾情况。

所述危险指标扰动预警模块用于对煤层孕灾动态物理场数字孪生体中物理场对象进行监测，对危险指标的扰动状态进行预测、判断，当扰动变化异常时开始发出危险预警信息，并标明孕灾位置，同时提供对应的应急处置建议；从而实现对煤层孕灾过程的实时分析，进而实现煤与瓦斯突出的危险预警。

具体地，所述危险指标扰动预警模块的预警原理如下：

采用ARIMA算法对所述煤层孕灾动态物理场数字孪生体中的瓦斯浓度、掘进面应力场和煤岩破坏强度这三种监测指标的波动状态进行预测；其中，需要说明的是，ARIMA算法是预测时间序列的方法，无法预测物理场。对此，为实现上述技术方案，本实施例提出将ARIMA算法运用到数字孪生系统中的思路是：将应力场、瓦斯浓度场以及煤岩破坏强度场这三个物理场用应力值、瓦斯浓度值、电磁辐射值这三个参数进行探测，探测结果认为是这三个场在某点的数值，然后对这三个参数的数值进行预测，预测结果认为是三个物理场即将出现的数值，从而达到三个物理场实时更新的目标。

基于预设的危险阈值差值判断准则，根据监测指标的扰动预测结果，对煤层孕灾过程进行实时分析，并在出现突出危险时进行预警，同时在预警时，提供应急处置建议，并在所述工作面现场三维数字模型中标明孕灾位置。

其中，预测的流程为，当前指标状态为X_t，预测值为X_t+1，见预测值与实测值进行对比，如果差别较小，表明环境变化小、安全；否则，表明不安全。

危险阈值差值判断准则，包括：以危险指标扰动范围作为危险监测对象，根据扰动幅度阈值和危险状态插值进行预警等级划分；其中，危险指标包括应力场异常值、瓦斯浓度异常值、电磁辐射强度异常值；所述“危险”可体现环境扰动变化，分别对应打钻、裂隙通道打通，遇到瓦斯包等常见灾变数据集和环境安全状态数据集，危险指标预测值所处数据集即表现未来时刻的生产状态。

基于上述，本实施例的基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统的实现过程如图2所示，包括以下步骤：

步骤1，在待监测掘进工作面布置传感器。

其中，激光测距仪布置在巷道口，指向掘进工作面；巷道内布置摄像头，监测范围能够覆盖整条巷道；应力传感器通过钻孔塞入待监测掘进工作面前方底板巷，每30m布置一个；掘进头后方布置瓦斯浓度传感器，每50m布置一个；掘进头处布置一个电磁辐射传感器。

步骤2，通过数字建模软件构建待监测掘进工作面3D模型，并加入传感器模型，构建掘进工作面三维数字模型。

步骤3，将传感器数据存入服务器数据库各危险指标表中，依据每张表创建程序对象实例，每个程序对象包含其所对应的危险指标历史数据及特征信息，实现每类传感器数值模拟化。

步骤4，根据危险指标对象生成器构建动态物理场并通过数据驱动模块实时更新显示对应的等值线图、云图，动态物理场细分为应力场、瓦斯浓度场、煤岩破坏强度场。

步骤5，将动态物理场映射入工作面现场三维数字模型中，构建当前时刻的掘进工作面可视化数字孪生体，其包含各危险指标可视化的动态物理场。

步骤6，利用ARIMA算法对掘进工作面数字孪生体进行反演，并将反演结果呈现在孕灾动态物理场数字孪生体中，实现未来时刻掘进工作面孕灾物理场的可视化、信息化、智能化。

步骤7，利用ARIMA算法和危险阈值差值判断准则，对各危险指标动态物理场的扰动状态进行预测、判断，超出规定危险范围时进行危险智能预警，并提供应急处置建议。

进一步地，如图3所示，本实施例的预警系统实现预警功能的流程如下：

将井下传感器信号体及所测信息进行数值模拟生成危险指标动态物理场；

将危险指标动态物理场映射入工作面现场三维数字模型生成可反应当前时刻孕灾场的掘进工作面数字孪生体；

通过对掘进工作面数字孪生体进行反演得到可反应未来时刻孕灾场的孕灾动态物理场数字孪生体；

危险指标扰动预警模块对孕灾动态物理场数字孪生体进行监测、预测及报警，实现对煤与瓦斯突出危险性的监测预警及应急处置提示。

利用本实施例的上述预警系统，可对煤矿掘进工作面进行全局监测，以传感器、激光测距仪数据作为环境数据，通过多重数字孪生体生成及监测方法，预测工作面下一时刻煤与瓦斯突出指标参数的数据值及扰动状态，基于危险阈值判断准测对掘进工作面做出煤与瓦斯突出危险区预警。

综上，本实施例提供了一种基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统，结合数字孪生技术，提出了煤层孕灾指标动态物理场新概念，并将多种孕灾指标虚体的物理场具体化、数字化、对象化，融入ARIMA算法实现未来时刻生产状态的预测、预警，构建出了全新的煤层孕灾动态物理场数字孪生体，可以有效地提升煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害的预测预警技术的可视化程度与智能化水平。通过进一步发展矿山数字孪生建设，形成整体、连续、准确的新型煤层孕灾数字孪生预警系统，为煤矿安全生产提供有力的支持。

此外，需要说明的是，本发明可以提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

还需要说明的是，在本文中，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。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。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。

Claims (8)

1.一种基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统，其特征在于，所述孕灾状态预警系统包括：井下传感器、物理信号映射模块、数据驱动模块、数据映射模块、动态物理场反演模块和危险指标扰动预警模块；其中，

所述井下传感器用于配置在井下待监测掘进工作面中，以对井下待监测掘进工作面掘进过程中的多种预设监测指标进行实时监测，得到各监测指标数据；

所述物理信号映射模块用于将所述井下传感器得到的各监测指标数据分别对应存储至各监测指标对应的数据表中，并基于各监测指标对应的数据表，生成各监测指标的虚体对象；其中，所述虚体对象包括相应监测指标的历史数据；

所述数据驱动模块用于构建各监测指标对应的动态物理场，并将各监测指标的虚体对象分别植入相应指标对应的动态物理场中，以反应当前时刻的采区孕灾情况；其中，所述虚体对象随着相应监测指标数据的变化进行实时变化；

所述数据映射模块用于按照1：1比例构建井下待监测掘进工作面及其所在采区的三维模型，以得到工作面现场三维数字模型；并将各监测指标对应的动态物理场映射到所述工作面现场三维数字模型中，得到掘进工作面数字孪生体；

所述动态物理场反演模块用于对所述掘进工作面数字孪生体进行反演处理，得到煤层孕灾动态物理场数字孪生体；

所述危险指标扰动预警模块用于基于所述煤层孕灾动态物理场数字孪生体，对煤层孕灾过程进行实时分析，并在出现突出危险时进行预警。

2.如权利要求1所述的基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统，其特征在于，所述预设监测指标包括：掘进进度、瓦斯浓度、掘进面应力场和煤岩破坏强度；

相应地，所述井下传感器包括：激光测距仪、瓦斯浓度传感器、应力传感器和电磁辐射传感器。

3.如权利要求2所述的基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统，其特征在于，所述井下传感器的布置方式为：

所述激光测距仪布置在巷道口，指向掘进工作面；

所述应力传感器的数量为多个，通过钻孔塞入所述井下待监测掘进工作面前方底板巷，且每30m布置一个应力传感器；

所述瓦斯浓度传感器布置在掘进头后方，呈多点布置，每50m布置一个；

所述电磁辐射传感器布置于掘进头处。

4.如权利要求2所述的基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统，其特征在于，物理信号映射模块生成各监测指标的虚体对象的方式为：

利用应力场等值线图展示掘进工作面前方的应力场；

利用瓦斯浓度等值线图展示掘进工作面后方的瓦斯浓度场；

利用电磁辐射动态曲线变化图展示掘进工作面周围的煤岩破坏程度；

利用掘进标尺展示掘进速度及掘进总进度。

5.如权利要求1所述的基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统，其特征在于，所述工作面现场三维数字模型包括：工作面地质单元、掘进机生产单元以及传感器单元。

6.如权利要求2所述的基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统，其特征在于，所述动态物理场反演模块具体用于：

采用ARIMA算法对所述掘进工作面数字孪生体中当前时刻的应力场、瓦斯浓度场以及煤岩破坏强度场这三种动态物理场进行预测，得到未来时刻的三种动态物理场的预测结果，并将未来时刻的三种动态物理场预测结果导入煤层孕灾动态物理场数字孪生体，以反应未来时刻的采区孕灾情况。

7.如权利要求2所述的基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统，其特征在于，所述危险指标扰动预警模块具体用于：

采用ARIMA算法对所述煤层孕灾动态物理场数字孪生体中的瓦斯浓度、掘进面应力场和煤岩破坏强度这三种监测指标的扰动进行预测；

基于预设的危险阈值差值判断准则，根据监测指标的扰动预测结果，对煤层孕灾过程进行实时分析，并在出现突出危险时进行预警，同时在预警时，提供应急处置建议，并在所述工作面现场三维数字模型中标明孕灾位置。

8.如权利要求7所述的基于煤层孕灾动态物理场数字孪生体的孕灾状态预警系统，其特征在于，所述危险阈值差值判断准则，包括：

以瓦斯浓度、掘进面应力场和煤岩破坏强度这三种监测指标的扰动范围作为危险监测对象，根据预设的扰动范围阈值和危险状态插值进行预警等级划分。