一种井下复杂环境模拟与矿岩界面精准探测识别平台

本发明属于矿山智能感知、矿岩识别、地下工程试验装备和复杂环境模拟，具体涉及一种能够模拟粉尘、水雾、气流、湿度、气体组分和复杂光照等井下环境因素，并用于矿岩界面精准探测识别技术与装置研发测试的实验平台。

背景技术：

1、在煤矿及金属矿山智能开采过程中，采掘装备需要准确识别矿体、围岩、夹矸、断层破碎带以及矿岩界面位置。矿岩界面识别结果直接影响截割轨迹规划、资源回收率、贫化率控制、设备安全和无人化采掘水平。随着机器视觉、近红外、高光谱、激光雷达、结构光和深度学习等技术的发展，基于图像、光谱、点云或多源信息融合的矿岩界面识别逐渐成为智能采掘装备的重要支撑技术。

2、然而，井下现场环境具有多干扰、强随机和难重复的特点。采掘作业过程中常伴随粉尘弥散、水雾喷淋、通风气流、照明不均、湿度变化以及瓦斯或其他气体流动等因素。这些因素会引起目标表面亮度和对比度变化、图像模糊、边界遮挡、散射反射增强、光谱特征偏移以及传感器信噪比下降，使得在常规实验室环境中训练或标定的识别算法难以直接适用于真实井下工况。

3、现有井下环境模拟装置多侧重于温压环境、介质浸泡、钻井液循环、设备可靠性或照明性能测试，通常缺少面向矿岩界面识别任务的标准界面试样、可控粉尘-水雾干扰、可调光谱照明、舱内多模态探测位姿调节以及图像识别数据同步标注功能。部分装置虽然设置透明观察窗口并将相机布置在舱外，但观察窗口本身会引入反射、折射、污染和光谱衰减等附加误差，难以真实反映探测装置在井下环境中的直接工作状态。

4、对于以矿岩界面图像和多模态信息识别为核心的测试任务，试样受力状态和环境温度并非决定识别性能的必要变量。现有井下环境模拟装置往往设置复杂的多向加载机构和温度调节机构，这不仅会显著增加平台体积、制造成本及控制难度，还会占用舱内空间并干扰探测装置布置。

5、因此，有必要提出一种以矿岩界面精准探测识别为目标、突出视觉干扰环境重构和多模态采集标定功能的专用实验平台。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种井下复杂环境模拟与矿岩界面精准探测识别平台，旨在解决现有试验装置难以在粉尘、水雾、光照及通风等井下复杂环境条件下，对矿岩界面探测识别算法及装置进行可重复、可量化测试的问题。

2、本发明一种井下复杂环境模拟与矿岩界面精准探测识别平台包括不透光的密闭式环境舱；

3、探测装置系统，设置于所述密闭式环境舱内部，包括探测装置和用于安装探测装置的安装结构；

4、试样定位系统，设置于所述密闭式环境舱内，用于固定含矿岩界面的试样并调节所述矿岩界面的空间姿态和其到探测装置间的距离；

5、环境干扰发生系统，用于在所述密闭式环境舱内产生影响矿岩界面探测的环境干扰因素；所述环境干扰发生系统包括粉尘发生系统、水雾发生系统、光照调控系统以及循环风系统；

6、同步采集系统，与所述探测装置和设置于所述密闭式环境舱内的环境参数传感器连接，用于在所述中央控制系统的控制下同步采集探测数据和环境参数；

7、中央控制系统，分别与所述环境干扰发生系统、所述试样定位系统和所述同步采集系统连接，用于控制所述环境干扰发生系统、所述试样定位系统和所述同步采集系统协调运行；

8、数据标注系统，与所述同步采集系统和所述中央控制系统连接，用于根据所述试样的几何信息、所述中央控制系统提供的所述试样的位姿信息以及所述同步采集系统采集的探测数据，生成用于矿岩界面识别算法训练或测试的标签数据。

9、进一步，所述试样定位系统包括用于安放所述试样的试样盒和用于调节试样位姿的位姿调节系统，所述位姿调节系统包括直线位移机构、与直线位移机构连接的升降机构、与升降机构连接的旋转调节机构和与旋转调节机构连接的俯仰调节机构，所述试样盒设置在所述俯仰调节机构上；所述直线位移机构用于调节所述矿岩界面与所述探测装置之间的距离，所述升降机构用于调节所述矿岩界面的高度，所述旋转调节机构用于调节所述矿岩界面的方位角，所述俯仰调节机构用于调节所述矿岩界面的倾角；所述直线位移机构、所述升降机构、所述旋转调节机构和所述俯仰调节机构分别与所述中央控制系统连接。

10、进一步，所述粉尘发生系统包括粉尘存储仓、与粉尘存储仓连接的粉尘定量给料器、与粉尘定量给料器的出料口连接的混合腔、与混合腔连接的高速喷嘴、与高速喷嘴连接的压缩气源和连接混合腔和密闭式环境舱的粉尘气流输送管；所述粉尘定量给料器和所述压缩气源分别与所述中央控制系统连接，用于控制给料速率和气源启停。

11、进一步，所述水雾发生系统包括水箱、进水口与所述水箱连接的水泵、喷口设置在密闭式环境舱内的雾化喷嘴以及连接雾化喷嘴和水泵的水管；所述水泵与所述中央控制系统连接，用于控制所述水泵的启停和流量。

12、进一步，所述光照调控系统包括可调亮度的led灯和与所述led灯连接的调光器；所述调光器与所述中央控制系统连接，用于调节所述led灯的亮度和开关状态。

13、进一步，所述循环风系统包括设置在密闭式环境舱对向两侧壁上的进风口和出风口、连接进风口和出风口循环风管和设置在循环风管上的循环风机。

14、进一步，所述环境参数传感器包括粉尘浓度传感器、水雾浓度传感器、光照度传感器和风速传感器。

15、进一步，所述数据标注系统包括几何标定模块和标签生成模块；所述几何标定模块根据所述试样的几何信息以及所述中央控制系统提供的所述试样的位姿信息，通过坐标系转换确定所述矿岩界面在探测数据坐标系中的空间位置；所述标签生成模块与所述几何标定模块连接，根据所述几何标定模块确定的所述矿岩界面的空间位置，生成与所述探测数据对应的边界标签、区域标签和环境标签中的至少一种。

16、进一步，所述循环风系统还包括除尘器，所述除尘器通过排气管与所述循环风机的出口连接，所述循环风管上设置有第一阀门，所述排气管上设置有第二阀门。

17、本发明的有益效果：

18、1、提供了井下复杂环境条件下矿岩界面探测识别的可重复测试平台

19、本发明通过设置密闭式环境舱，并在舱内集成粉尘发生系统、水雾发生系统、光照调控系统和循环风系统，能够在受控条件下模拟井下粉尘、水雾、光照变化和通风等多因素耦合环境。中央控制系统协调各系统运行，可按照预设试验程序执行单因素试验、多因素耦合试验、随机扰动试验和重复性标定试验，实现了矿岩界面探测识别技术在复杂环境条件下的可重复测试。

20、2、消除了探测光路上的光学介质干扰

21、本发明将探测装置直接安装于密闭式环境舱内部，探测装置与试样之间的探测光路上无透明隔离介质，避免了传统观察窗玻璃对探测光线产生的折射、反射和散射等光学干扰，保证了探测数据的真实性和准确性。

22、3、实现了探测数据的自动标注

23、本发明通过数据标注系统，根据试样的几何信息、中央控制系统提供的试样位姿信息以及同步采集系统采集的探测数据，通过坐标系转换自动确定矿岩界面在探测数据中的空间位置，并生成对应的边界标签、区域标签和环境标签，提高了数据标注的效率和一致性。

24、4、试样位姿多自由度可调

25、本发明的试样定位系统包括直线位移机构、升降机构、旋转调节机构和俯仰调节机构，可分别调节矿岩界面与探测装置之间的距离、矿岩界面的高度、方位角和倾角，满足多角度、多距离探测需求，为算法训练提供多样化的样本数据。

26、5、粉尘和水雾的发生与维持相分离，提高了环境稳定性并降低了能耗

27、本发明采用粉尘发生系统和水雾发生系统与循环风系统协同工作的方式：粉尘发生系统和水雾发生系统在舱内环境参数达到设定值后停止工作，由循环风系统持续驱动气流循环减缓粉尘和水雾的沉降速率，延长环境参数的稳定维持时间。当粉尘浓度或水雾浓度低于设定阈值时，中央控制系统短时启动相应的发生系统进行补喷，使舱内环境参数维持在设定范围内。该方式避免了粉尘发生系统和水雾发生系统持续工作导致的环境参数漂移和能耗浪费。

28、6、具备实验后安全净化功能

29、本发明在循环风系统的出风口侧设置有除尘器，实验结束后循环风机将舱内含尘含雾气体抽出并送入除尘器进行净化处理，净化后的气体排放至外界大气，保证了实验操作的安全性。