CN202832661U - 基于4d展现的井下人员定位系统 - Google Patents

Abstract

一种基于4D展现的井下人员定位系统，其特征是它主要由4D显示模块（1）、人员定位模块（2）、测绘模块（3）、地质勘探模块（4）和设备配置模块（5）组成，所述的测绘模块（3）、地质勘探模块（4）和设备配置模块（5）通过计算机网络与4D显示模块（1）相连，人员定位模块（2）通过无线网络与4D显示模块（1）相连。实现了井下采掘的实时监控、人员实时定位,降低了矿山开采的安全隐患,提高了对矿山开采的监管力度,为矿产资源开发与保护、矿山安全管理等提供信息服务。

Description

基于4D展现的井下人员定位系统

技术领域

本实用新型涉及一种矿井定位技术，尤其是井下人员的立体定位技术，具体地说是一种能实时反映下井人员在井下所处位置立体画面的基于4D展现的井下人员定位系统。

背景技术

目前，煤炭是我国重要的能源资源，我国的煤炭工业长期停留在人工开采水平，生产效率低，安全隐患多，如瓦斯爆炸、地下渗水等事故经常发生。随着计算机应用在各行各业的逐步普及，煤炭生产水平目前逐步实现了自动化，生产效率大大提高。因煤矿开采的特殊环境，容易发生事故，煤矿行业也被称为高危险的行业。

煤矿井下作业因为远离地面，地形复杂，环境恶劣，所以容易发生事故。利用4D展现的井下人员定位，地面监控人员可以直接对井下情况进行实时监控，通过在井下安装温湿传感器、瓦斯探测器等，不仅能直观的监视和记录井下工作现场的安全生产情况，而且能及时发现事故苗子，防患于未然，也能为事后分析事故提供有关的第一手图像资料。因此4D可视化视频是现代矿井安全生产监控的重要组成部分。 

当前一些煤矿使用的视频监控系统都是早期的模拟监控，性能和稳定性不高。现在随着网络技术和计算机技术的发展，基于TCP/IP协议的IP网的应用得到广泛普及。高速宽带主干网的建成和各地区高速接入系统的迅速发展，促进了基于IP技术的各种视频通信应用,如网络远程视频监控系统的发展。所以在4D可视化视频中引入现代网络远程人员定位将是一种趋势。

目前井下人员定位设备，基本是通过无线跟踪器或识别卡向监测分站发送信息和接收信息，或通过视频图像和wifi语音功能。

4D展现的井下人员定位以多维信息导航的手段、全新的视角和模式，给领导层提供更加直接的管理手段，为矿山企业生产、安全管理方面，提供快速辅助决策分析、资产管理和经营分析，实现精细化管理。同时，还打通了数据壁垒，消除了信息孤岛，为提供空间信息集成应用的平台，加强了管控力度，促进了快速发展，是信息化向智能化发展的必然结果和趋势。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有的井下人员定位主要是依靠视频和wifi语音功能实现而导致人员的实际所处位置无法与其它地理、地质参数同步立体显示的问题，设计一种能实时反映井下人员动态和实际所处环境立体图像的基于4D展现的井下人员定位系统。

本实用新型的技术方案是：

  一种基于4D展现的井下人员定位系统，其特征是它主要由4D显示模块1、人员定位模块2、测绘模块3、地质勘探模块4和设备配置模块5组成，所述的测绘模块3、地质勘探模块4和设备配置模块5通过计算机网络与4D显示模块1相连，人员定位模块2通过无线网络与4D显示模块1相连。

   所述的4D显示模块1还连接有能动态反映井下人员所处位置图像的多媒体模块6。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的4D可视化矿山场景展现是在矿山信息数据库的基础上，建立了一个包括地形、岩层、水体、地面建设、地下工程运输、供电避灾路线、生产调度、设备管理、监测监控、安全管理等在内的空间信息平台，它能实现井下人员的精确定位。

本实用新型通过实时数据集成，可接入各类自动化系统数据，配合4D场景中的设备、传感器的分布状况，实现对各类生产、安全类实时数据、历史数据的4D可视化矿山场景展示、综合分析和报警。

本实用新型可与生产现场互动，通过对工作面现场各类生产自动化系统的接入，可以直接定位到各工作面现场，实现对“人、机、环、管”等现场信息的动态跟踪和集成展示。对于井下人员定位管理，系统可以定位展示所有人员的空间位置，从入井到出井全过程中，即时掌握人员在井下的位置和行为。同时，对于选定人员进行路径回访，查看其历史记录。同时，系统实现了4D环境下的视频监控功能，用户可了解井上、井下视频摄像的分布位置，并实时查看井下巷道、工作面等场所的真实情况，保证了视频画面和空间位置的相结合。

本实用新型可实现动态的更新服务,解决矿井环境、采掘工程信息的跟踪模拟、动态更新问题。针对矿山企业日常生产过程中，巷道需要不断掘进，地测数据不断更新，工作面情况不断变化，给用户提供了一种方便、快捷的自动更新机制，可以周期性更新巷道掘进、工作面推进状况，根据实际工作周期对其变动状况做出真实的反映，同时周期性更新机电设备安装变更等井下状况，对其变动状况做出真实的反映。

本实用新型可将矿工在井下的位置清晰地显示在调度室的屏幕上。井下的情况用机器监测，所有数据在监控室都可以实时反映出来。一旦出现问题，能够及时处理，或通知撤离，能让矿工感到安全踏实。

本实用新型以4D地测、工程数据为基础，自动生成4D的井巷工程采掘立体图、4D钻孔、煤层立体图；在矿井采掘立体图中4D显示：生产信息（当前采、掘工作面位置）、实时动态的安全监测信息（瓦斯、CO等有害气体的4D分布）、井下人员4D分布、视频监控图像、安全与生产设备的4D分布及其运行状态（综合自动化系统监控信息：主扇、局扇、风门、采煤机、皮带、水泵、人车、压风机、煤仓煤位、水位、束管分析），将矿井井上、下的真实全貌（包含生产、设备运行状态）完整地展现出来。可在调度室的屏幕上显示井下巷道的结构。地面与井下的联系，通过井下基站与矿工身上佩戴的腰带式无线跟踪器完成。矿工在井下作业的路线和位置，能够实时体现在图像上，每名下井工人都会佩戴无线跟踪器，下井后，在接近基站时，其信号就会在监控图像上变成醒目的颜色。

本实用新型高度集成了安全监控信息、人员定位信息、设备运行状态等实时数据信息；4D展现的井下人员定位是一个在矿井范围内，以三维坐标信息及其相互关系为基础，嵌入已有的各类监测监控系统实时人员信息定位而组成的立体矿井系统。当发生重大事故，4D展现的井下人员定位可以对矿区事故发生现场的电子地图跟踪指引，实时指示矿井下人员、救援人员的位置，通过数据中心的专家数据库，生成最佳避灾路线，辅助领导做出应急预案。同时，在发生重大事故后，各类专业系统实时信息的回放，人员实时定位对事故进行分析和总结。

本实用新型还可实现对井下采掘的实时监控、人员实时定位,降低了矿山开采的安全隐患,提高了对矿山开采的监管力度,可为矿产资源开发与保护、矿山安全管理等提供信息服务。

附图说明

 图1是本实用新型的系统组成结构框图。

图2是本实用新型的建模工具流程图。

图3是本实用新型的软件部分示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

    如图1-3所示。

 一种基于4D展现的井下人员定位系统，其特征是它主要由4D显示模块1、人员定位模块2、测绘模块3、地质勘探模块4和设备配置模块5组成，所述的测绘模块3、地质勘探模块4和设备配置模块5通过计算机网络与4D显示模块1相连，人员定位模块2通过无线网络与4D显示模块1相连。   所述的4D显示模块1还连接有能动态反映井下人员所处位置图像的多媒体模块6。

如图1所示，4D展现的井下人员定位主要由人工智能、计算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电子、机械、视听等高新技术,模拟人在特定环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术组成。

本实用新型中的井下人员4D虚拟采用“三维雕刻法实体建模”技术，结合井下矿的实际情况，形成一套自动化、流程化的采矿综合管理系统。

本发明提出了将现实世界中的真实环境通过某种手段模拟出来，达到以假乱真的目的。通过声音、文字说明、图像、4D等形式，展现煤矿生产过程。

本发明的4D展现的井下人员定位是利用矿山企业已有的《采掘工程平面图》、《井上井下对照图》等图纸中的勘测数据生成真实的三维巷道，方便用户直观可视化的查看井下信息的空间分布和状态。同时，可深入到巷道内部，实时查看井下设备的细部特征。在巷道4D空间位置的基础上，可以对矿区人员定位以及应急避灾路线信息进行4D展示。

本实用新型的矿井4D虚拟环境井下设备的设计图纸，通过3D MAX建模工具来完成的。根据摄像机图像序列建立场景的全景图模型。将摄像机绕通过其光心的垂直轴线旋转并采下一个照片序列；根据图片序列恢复摄像机焦距和像主点等内部参数；根据摄像机参数将序列中的每一幅图投影到圆柱面；将这些柱面投影图依次拼接形成圆柱面展开图；将圆柱面展开图连接形成脚本文件；

具体包括： 

1)人建模：对人体的运动结构的分析，基于人体骨架模型，进行基于非均匀有理B 样条曲面的外形建模，并结合构造实体几何法(CSG)创建整个人体几何模型。其中，外形建模由多个曲面和三角形组成。在外形的关节处进行曲面的细分，便于表现人体运动产生的皮肤拉伸和挤压的效果。人体骨骼采用正向运动和反向运动学进行人体运动模拟，最后采用蒙皮技术把人体骨骼和外形皮肤链接起来。

2)设备建模：井下设备建模采用多边形建模，对于外形简单、规则的设备，先从设备的多个角度拍摄照片，用图像处理软件制作出材质贴图，贴在简易的模型的外表面。有助于减少场景中的数据量。对于复杂的模型，先做机械装置的精模，然后在精模的基础上在派生出一个简模，在构建大场景中远景采用简模，近景则使用精模，以此来解决大场面制作的数据瓶颈问题。

3)巷道建模：巷道模型应根据矿井地图、巷道图、巷道照片数字化建模，以便表现矿井巷道的整个概貌。要建立一个真实感巷道模型，首先应该根据系统仿真的需求确定该模型的位置和范围，采集该区域内的适当比例及多种类型数据。用户可以对具有真实感的巷道模型进行不同方位和角度的实时动态观察。

4）环境仿真：

 (1) 静态环境仿真；

首先是工作面和巷道的制作，根据巷道的尺寸参数和液压支架、采煤机等设备外观尺寸来构造巷道和工作面。然后把这些设备及装置按照尺寸布置到工作面及巷道中，将液压电缆、导线等连接上，再加一些护网、吊挂等附属装备。

(2) 动态环境仿真；

为了使虚拟的井下工作环境更真实，使镜头的表现更具有视觉冲击效果，除了上面提到的固态环境的仿真外，必须进行动态仿真。例如瓦斯爆炸、透水、触电等事故，本系统用Bullfrog环境特效编辑器进行编辑。

(3)照明技术采用全局光照明技术，提高光斑特效的表现范围，如光斑、电弧等。采用体积光技术，表现诸如井下工人头灯、机械装置的照明设备对环境的影响。运用了光能传递和光线追踪技术。

(4)光能传递是一种能够真实模拟光线在环境中相互作用的全局照明的渲染技术，它能够重建自然光在场景物体上的反弹，从而实现更为真实和精确的照明效.光线追踪在场景中进行点采样并计算光线的反射，从而创建叫逼真的照明效果。

(5)瓦爆炸、触电、煤块下落效果图实现系统交互式用Virtools DEV实现系统的交互性，可以将3D模型、2D 图形或是声音文件格式整合到一起。具有丰富的三维实时交互模块，可以实现交互式节目、教育培训、生产仿真和产品展示等，用流程图的方式编辑模块的处理顺序，逐渐编辑合成一个完整的交互式的虚拟培训系统。

5）人员定位；

在矿井实时动态工况图中实时显示全矿井井下人员总数、井下不同区域的人员分布。通过鼠标右键，查询任意分站地点的人员信息（名称、单位、岗位、卡号等）、人员下井累计时间、人员下井的轨迹，是否有超时等。 实现各部门下井人员的统计及其人员信息查询，禁区人员查询等功能。 在4D采掘图形中，4D显示不同区域人员分布情况，区域人员详细信息查询；人员下井累计时间查询，人员轨迹查询及人员轨迹4D动画显示。

6）视频监视；

在矿井4D造型图形上，点击视频监控地点，自动弹出该地点的实时视频监控图像。采集或集成现有地测系统的钻孔数据和地测数据； 建立4D地理信息和井巷工程信息数据库；由钻孔数据和断层数据，经过处理生成三维与二维煤层等高线、顶、底板面和地层体； 由地测数据，经过处理生成井巷工程的三维与二维图形； 建立含井巷工程与煤层一体的矿井4D可视化立体图。

总之，4D虚拟现实技术即要让人产生身处远方或虚拟环境里的感觉。借助沉浸感的产生，可以方便自然地获得对周围环境的全面印象，从而可以确定自身在环境中的全局位置，以在环境中进行导航。4D展现的井下人员定位的应用，最大限度的保护了矿工的生命安全。同时，对井下各个区域人员动态情况的实时反映，也十分便于管理人员更加合理地调度管理。当发生事故时，救援人员可以根据井下人员定位系统提供的数据、图形，迅速了解井下被困人员的位置、数量和撤离线路等情况，及时采取合理的救援措施，提高应急救援工作的效率。

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种基于4D展现的井下人员定位系统，其特征是它主要由4D显示模块（1）、人员定位模块（2）、测绘模块（3）、地质勘探模块（4）和设备配置模块（5）组成，所述的测绘模块（3）、地质勘探模块（4）和设备配置模块（5）通过计算机网络与4D显示模块（1）相连，人员定位模块（2）通过无线网络与4D显示模块（1）相连。

2.根据权利要求1所述的基于4D展现的井下人员定位系统，其特征是所述的4D显示模块（1）还连接有能动态反映井下人员所处位置图像的多媒体模块（6）。

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