一种用于无人化采掘工作面的远程可视化监控方法与流程

本发明属于采煤自动化技术领域，具体涉及一种用于无人化采掘工作面的远程可视化监控方法。

背景技术：

无人化采掘工作面是指在工作面安全专家系统的保护下，通过有线或无线方式远程控制关键生产设备，监测其工况。利用采掘设备的自主定位与自动导航技术、煤岩自动识别技术、液压支架电液控制技术、刮板输送机自动推移技术、工作面自动监控监测技术、井下高速双向通讯技术和计算机集中控制技术等自动完成各种生产流程，动态优化作业程序，实现工作面生产过程自动化、智能化、管理信息化以及操作的无人化，仅当设备出现故障时，维修人员才会到达工作面，从而确保高产、高效和安全生产。

实现真正的无人化采掘工作面，离不开远程实时可视化监控。目前的远程可视化监控主要通过在工作面架设视频监视器来远程监视工作面的生产过程。但是，由于工作面现场往往具有很大浓度的水、雾、粉尘等恶劣环境，仅靠视频监视器或云台很难获得清晰的图像，而且摄像头只能获得有限方向的、局部的、表面的图像，既不能看到全局信息(如工作面和井巷分布)和设备之间的耦合信息，更不能看到煤岩体和采空区的内部构造，也无法识别设备内部的工作状态，仅凭监控视频获取的表面图像也无法全面准确地判断井下灾害预警情况，严重影响了工作面的远程监控效果。要实现采掘工作面的无人化和远程化，就要实现对整个工作面的环境、设备、生产和安全信息进行全面监测。

目前的采掘工作面远程可视化监控主要存在以下缺点：

1.采掘工作面往往有水、雾、粉尘等影响视线的因素存在，加之摄像头本身的局限性，摄像头无法获取清晰、全方位图像，更无法获取煤岩体、采空区、采掘设备的内部信息；

2.仅凭监控视频获取的表面图像无法全面准确地判断井下灾害预警情况；

3.仅凭监控视频获取的表面图像无法准确判断生产设备的运行状况。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种用于无人化采掘工作面的远程可视化监控方法，设计合理，克服了现有技术的不足，为全面真正地实现无人化采掘工作面奠定了良好基础。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于无人化采掘工作面的远程可视化监控方法，按照如下步骤进行：

步骤1：开发实时数据交换平台

建设基于自定义数据通信协议的支持多种通信协议和接口的实时数据交换平台，用于实现视频监控数据、矿山监测数据、设备监控数据以及应用程序数据的可靠、实时交换；

步骤2：建立包括顶板断裂形态模型、煤壁模型、采空区模型在内的工作面三维模型以及包括综采支架、采煤机、刮板输送机以及转载机在内的各种设备模型；

步骤3：实现工作面三维虚拟场景与监控视频的远程联合监控，进而实现监控视频与工作面三维虚拟场景的同步显示；

步骤4：实现井下灾害进行预测预警和设备故障诊断；

步骤5：搭建系统环境；

步骤6：系统调试

包括数据传输速度和可靠性测试、实时数据交换平台的压力测试以及监控视频的同步测试；

步骤7：投入运行

投入运行后，通过控制终端的虚拟现实场景、监控视频、灾害预测预警信息、设备故障诊断信息监视井下生产状况，并通过控制面板远程操控井下各种生产设备。

优选地，在步骤1中，所述实时数据交换平台支持多种通信协议和接口支持包括TCP/IP、HTTP、DDE/NetDDE、COM/DCOM,OPC/OPC UA、RS232/RS485、FTP、MSMQ、XML、SOAP、WSDL、UDDI、SOA在内的协议；能够从SCADAD、DCS、PLC、RTU、板卡、仪表、模块、DDE、OPC、端口在内的多种软件、设备、协议中获取数据，并能通过开放接口向各种应用提供数据；能够从各种服务系统、应用系统和控制端获取命令，并能自动转发和执行命令，控制设备的运行。

优选地，在步骤2中，所述顶板断裂形态模型的建立方法，具体包括：根据实时矿压监测数据计算出顶板的初步来压步距和周期来压步距；利用矿压监测数据分析结果，结合岩层力学参数计算出顶板的断裂步距，建立顶板断裂形态三维模型；

所述煤壁模型的建立方法，具体包括：对煤壁进行网格化细分；随着工作面推进、截割滚筒位置和截割深度的变化自动调整网格点的坐标；利用自动纹理映射技术完成煤壁模型的实时更新；

所述采空区的三维模型的建立方法，具体包括：利用工作面的各种位置监测信息，结合矿山地理信息系统，建立采空区的三维模型。

优选地，步骤3中，具体包括：

步骤3.1：对各种设备的运行姿态进行模拟与远程控制

对各种设备的运行姿态和控制方式进行分类，建立相应的姿态模拟与控制方法库，对于 具体的设备，根据设备类型、构成部件、驱动方式进行整体模拟和控制；

步骤3.2：对工作面三维设备场景进行动态更新与渲染

开发基于实时监控数据的工作面三维设备场景更新与渲染软件，对工作面的所有设备，根据其位置和姿态信息，实现三维设备场景的实时更新与渲染；

步骤3.3：将虚拟现实技术与视频监控技术相结合，实现监控视频与三维虚拟场景的同步显示。

优选地，步骤4中，所述对井下灾害进行预测预警的方法，具体包括：根据灾害的发生机理，建立相应的灾害预测预警模型，在此基础上根据实时监测数据对可能发生的灾害发出预测预警信息；

所述对设备故障进行诊断的方法，具体包括：对不同类型的设备建立相应的故障诊断模型，在此基础上根据实时监测数据分析设备的运行状况，及时诊断设备故障。

优选地，步骤5中，具体包括：

步骤5.1：在井上安装多个控制终端，并将每个控制终端配置有虚拟现实场景单元、监控视频单元、灾害预测预警信息单元以及设备故障诊断单元；

步骤5.2：安装并调试实时数据交换平台；

步骤5.3：在井下设置多个工作面，并在每个工作面上安装各种生产设备；

步骤5.4：在控制终端和工作面上的各种生产设备之间进行网络环境的搭建。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种用于无人化采掘工作面的远程可视化监控方法，与现有技术相比，本发明首先开发实时数据交换平台，实现视频监控数据、矿山监测数据、设备监控数据以及应用程序数据的可靠、实时交换；建立工作面三维模型及各种设备模型，基于实时数据交换平台所转发的实时数据，实现工作面三维虚拟场景的动态渲染、采掘设备的姿态模拟与远程控制，并实现监控视频与工作面三维虚拟场景的同步显示；建立井下灾害预测预警模型、设备故障诊断模型，基于实时监测数据进行井下灾害预测预警和设备故障诊断。

本发明以实时数据交换为基础，将视频监控技术与虚拟现实技术相结合来实现对采掘工作面的远程可视化监控，克服了采掘工作面水、雾、粉尘等影响视线的因素以及摄像仪本身的局限性，并结合采区精准三维模型和实时监测数据及时进行井下灾害预测预警、设备故障诊断，为全面真正地实现无人化采掘工作面奠定了良好基础。

附图说明

图1为本发明一种用于无人化采掘工作面的远程可视化监控方法的流程框图。

图2为实时数据交换平台的架构图。

图3为本发明一种用于无人化采掘工作面的远程可视化监控方法的体系结构图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

一种用于无人化采掘工作面的远程可视化监控方法(如图1所示)，按照如下步骤进行：

步骤1：开发实时数据交换平台

建设实时数据交换平台，以实现视频监控数据、矿山监测数据、设备监控数据以及应用程序数据的可靠、实时交换。

实时数据交换平台的架构如图2所示。由于实时数据交换涉及多种数据，因此实时数据交换平台必须支持多种协议和接口，能够自动对实时数据进行处理、存储、转发，并支持自定义数据协议以满足定制需求。

步骤2：建立工作面三维模型及设备模型

建立顶板断裂形态模型、煤壁模型、采空区模型及各种设备模型。具体地：

根据实时矿压监测数据计算出顶板的初步来压步距、周期来压步距，利用矿压监测数据分析结果，结合岩层力学参数计算出顶板的断裂步距，进而建立顶板断裂形态三维模型。

对煤壁进行网格化细分，并随着工作面推进、截割滚筒位置和截割深度的变化自动调整网格点的坐标，并利用自动纹理映射技术完成煤壁模型的实时更新。

利用工作面的各种位置监测信息，结合矿山地理信息系统，建立采空区的三维模型。

建立各种设备的三维模型，并根据设备的机械原理、运行规律和姿态控制约束参数，建立各部件的爆炸模型、组装模型。这里所说的设备主要包括综采支架、采煤机、刮板输送机、转载机等等。

步骤3：实现工作面三维虚拟场景与监控视频的远程联合监控

实现采掘设备的姿态模拟与远程控制、工作面三维设备场景的动态更新与渲染，进而实现监控视频与工作面三维虚拟场景的同步显示。具体地：

(1)设备姿态模拟及其远程交互控制

对各种设备的运行姿态和控制方式进行分类，建立相应的姿态模拟与控制方法库。对于具体的设备，根据设备类型、构成部件、驱动方式进行整体模拟和控制。

根据各部件间的运动关系，确定部件之间的协同仿真模式(时间步长法或事件步长法)，设计模拟模型和算法，采用多线程技术，实现设备运行过程和协同作业的三维可视化呈现。

(2)工作面三维设备场景的动态更新与渲染

开发基于实时监控数据的工作面三维设备场景更新与渲染软件，对工作面的所有设备，根据其位置和姿态信息，实现三维设备场景的实时更新与渲染。

(3)监控视频与工作面三维虚拟场景的同步显示

将虚拟现实技术与视频监控技术相结合，实现监控视频与三维虚拟场景的同步显示，从而更加方便地进行远程设备控制。其中，监控视频部分可以任意切换画面并可远程控制云台；虚拟场景部分可以根据实时监测数据进行动态更新和渲染，并可以任意推拉、旋转、缩放、漫游。

步骤4：实现井下灾害预测预警和设备故障诊断

根据矿震、矿尘、火灾、冒顶、突水、底鼓、瓦斯爆炸等灾害的发生机理，建立相应的灾害预测预警模型，在此基础上根据实时监测数据对于井下可能发生的灾害发出预测预警信息，并且对于与灾害关系密切的参数，能对其变化趋势进行实时处理分析。

步骤5：搭建系统环境

按照如图3所示的体系结构搭建系统环境，包括网络环境的搭建、实时数据交换平台的安装调试、控制终端的安装及配置等。

步骤6：系统调试

包括数据传输速度和可靠性测试、实时数据交换平台压力测试以及监控视频同步测试等。

步骤7：投入运行

投入运行后，操作人员可通过控制终端的虚拟现实场景、监控视频、灾害预测预警信息、设备故障诊断信息监视井下生产状况，并通过控制面板远程操控井下设备。

本发明以实时数据交换为基础，将视频监控技术与虚拟现实技术相结合来实现对采掘工作面的远程可视化监控，克服了采掘工作面水、雾、粉尘等影响视线的因素以及摄像仪本身的局限性，并结合采区精准三维模型和实时监测数据及时进行井下灾害预测预警、设备故障诊断，为全面真正地实现无人化采掘工作面奠定了良好基础。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。