面向智能矿山场景的数字孪生演化机理及方法与流程

1.本发明涉及属于机器视觉、计算机仿真与物联网技术领域，具体为面向智能矿山场景的数字孪生演化机理及方法。


背景技术：

2.数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新和运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度和多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统，数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，目前在产品设计、产品制造、医学分析和工程建设等领域应用较多，目前在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高和研究最热的是智能制造领域，当前，数字孪生技术广泛应用于智能制造和虚拟生产车间，并逐渐从数字化向智能化和智慧化发展，矿山无人化开采与机器学习等信息技术的深度融合，加快了矿井智能开采技术兴起并向纵深发展，数字孪生技术具有模型可视化、逻辑可控制和数据可计算的虚拟模型构建特点，其在工业智能制造和虚拟生产场景应用广泛，随着机器视觉三维建模技术以及视觉传感器测量技术在工业应用成果的不断推广，基于机器视觉的数字孪生技术将在智能矿山三维场景建模、物理信息技术以及虚拟空间数字镜像等应用方面发挥重要作用。
3.目前，为了提高矿山工作人员的抗风险能力和提高矿山工作安全意识，会利用矿山灾害模拟场景对矿山工作人员进行培训，然而现有的矿山灾害模拟场景结构较为简单单一，真实性较差，无法给矿山工作人员提供沉浸式的体验，导致培训效果较差，故而提出面向智能矿山场景的数字孪生演化机理及方法解决上述问题。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供了面向智能矿山场景的数字孪生演化机理及方法，具备沉浸式体验等优点，解决了现有的矿山灾害模拟场景结构较为简单单一，真实性较差，无法给矿山工作人员提供沉浸式的体验，导致培训效果较差的问题。
6.(二)技术方案
7.为实现上述沉浸式体验的目的，本发明提供如下技术方案：面向智能矿山场景的数字孪生演化机理，包括安全控制层，所述安全控制层的输出端与物理层的输入端电连接，所述物理层的输出端与数据层的输入端信号连接，所述数据层的输出端与机理层的输入端电连接，所述机理层的输出端与表现层的输入端电连接，所述表现层的输出端与交互层的输入端信息连接，所述交互层输出端与物理层的输入端和机理层的输入端信号连接。
8.优选的，所述安全控制层由装置监测装置、身理检测装置、安全预警装置和紧急停止装置组成，且装置监测装置和身理检测装置的输出端与安全预警装置的输入端电连接，安全预警装置的输出端与紧急停止装置的输入端电连接。
9.优选的，所述物理层由矿山灾害模拟场景、场景物理状态、场景模拟过程和矿山灾害模拟装置组成，且矿山灾害模拟场景与场景物理状态双向电连接，场景物理状态与场景模拟过程双向电连接，场景模拟过程与矿山灾害模拟装置双向电连接。
10.优选的，所述数据层由数据检测、数据处理和数据安全组成，且数据检测的输出端与数据处理的输入端电连接，数据处理的输出端与数据安全的输入端电连接。
11.优选的，所述机理层由数据驱动、仿真模型、仿真计算和结果分析组成，且数据驱动和仿真模型的输出端与仿真计算的输入端电连接，仿真计算的输出端与结果分析的输入端电连接，所述结果分析的输出端与仿真模型的输入端固定连接。
12.优选的，所述表现层由沉浸式体验、现实展示和虚拟展示组成，且现实展示和虚拟展示的输出端均与沉浸式体验的输入端固定连接。
13.优选的，所述交互层由交互接口、应用软件和交互操作组成，且交互接口的输出端与应用软件的输入端信息连接，应用软件的输出端与交互操作的输入端电连接。
14.本发明要解决的另一技术问题是提供面向智能矿山场景的数字孪生演化方法，包括以下步骤：
15.1)安全控制层建立：将装置监测装置、身理检测装置、安全预警装置和紧急停止装置相互耦合，并与物理层相对接，当装置运行中在出现的紧急事件时能够快速有效的停止运行；
16.2)物理层建立：选取矿山场景物理实体建立三维物理模型，定义物理实体的几何属性、运动属性和功能属性，以及几何外形和机械结构，定义仿真迭代优化条件；
17.3)数据层定义：数据层在各智能设备本地侧对数据进行实时清洗和规范化，采用高速率、大容量、低延迟的通信线路进行数据传输；同时依托云计算和数据中心，动态地满足各种计算、存储与运行需求；
18.4)机理层建立：数字孪生所构建的智慧能源系统仿真模型使用了“模型驱动 数据驱动”的混合建模技术，采用基于模型的系统工程建模方法学，以“数据链”为主线，结合ai技术对系统模型进行迭代更新和优化，以实现真实的虚拟映射；
19.5)表现层定义：数字孪生技术应用虚拟现实(vr)、增强现实(ar)以及混合现实(mr)的3r技术，建立可视化程度极高的智慧能源系统虚拟模型，提升了可视化展示效果，利用计算机生成视、听和嗅等感官信号，将现实与虚拟的信息融为一体，增强用户在虚拟世界中的体验感和参与感，辅助技术人员更为直观、高效地洞悉智能设备蕴含的信息和联系；
20.6)交互层定义，基于数字孪生的智慧能源系统虚拟模型不再仅仅是传统的平面式展示或简单三维展示，而是实现用户与模型之间的实时深度交互。利用语音、姿态、视觉追踪等技术，建立用户与智能设备之间的通道，实现多通道交互体系来进行精准交互，以支持对电力网、燃气网、热力网、交通网、供水网等多能耦合的能源系统的高效精准控制和交互。
21.(三)有益效果
22.与现有技术相比，本发明提供了面向智能矿山场景的数字孪生演化机理及方法，具备以下有益效果：
23.该面向智能矿山场景的数字孪生演化机理及方法，利用数字孪生技术区别常规数学仿真模型，数字孪生模型强调虚实之间的交互，能实时更新与动态演化，从而实现对物理世界的动态真实映射，“沉浸式”可视化技术，可以帮助用户更清晰、更透彻、更丰富地认识
矿山灾害，基于3r交互技术，运用可视化展示组件，可模拟三维虚拟空间，将智慧能源系统中的物理设备以近乎真实的状态展现在用户面前，通过对虚拟体的操作与控制，间接实现对物理实体、信息网络、仿真模型的操作与控制，极大扩展用户的感官体验，获得系统运行的真实反馈，达到了沉浸式体验的目的。
附图说明
24.图1为本发明提出的面向智能矿山场景的数字孪生演化机理及方法系统示意图；
具体实施方式
25.下面将结合本发明的实施例，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。
26.请参阅图1，面向智能矿山场景的数字孪生演化机理，包括安全控制层，安全控制层由装置监测装置、身理检测装置、安全预警装置和紧急停止装置组成，且装置监测装置和身理检测装置的输出端与安全预警装置的输入端电连接，安全预警装置的输出端与紧急停止装置的输入端电连接，安全控制层的输出端与物理层的输入端电连接，物理层由矿山灾害模拟场景、场景物理状态、场景模拟过程和矿山灾害模拟装置组成，且矿山灾害模拟场景与场景物理状态双向电连接，场景物理状态与场景模拟过程双向电连接，场景模拟过程与矿山灾害模拟装置双向电连接，物理层的输出端与数据层的输入端信号连接，数据层由数据检测、数据处理和数据安全组成，且数据检测的输出端与数据处理的输入端电连接，数据处理的输出端与数据安全的输入端电连接，数据层的输出端与机理层的输入端电连接，机理层由数据驱动、仿真模型、仿真计算和结果分析组成，且数据驱动和仿真模型的输出端与仿真计算的输入端电连接，仿真计算的输出端与结果分析的输入端电连接，结果分析的输出端与仿真模型的输入端固定连接，机理层的输出端与表现层的输入端电连接，表现层由沉浸式体验、现实展示和虚拟展示组成，且现实展示和虚拟展示的输出端均与沉浸式体验的输入端固定连接，表现层的输出端与交互层的输入端信息连接，交互层由交互接口、应用软件和交互操作组成，且交互接口的输出端与应用软件的输入端信息连接，应用软件的输出端与交互操作的输入端电连接，交互层输出端与物理层的输入端和机理层的输入端信号连接。
27.面向智能矿山场景的数字孪生演化方法，包括以下步骤：
28.1)安全控制层建立：将装置监测装置、身理检测装置、安全预警装置和紧急停止装置相互耦合，并与物理层相对接，当装置运行中在出现的紧急事件时能够快速有效的停止运行；
29.2)物理层建立：选取矿山场景物理实体建立三维物理模型，定义物理实体的几何属性、运动属性和功能属性，以及几何外形和机械结构，定义仿真迭代优化条件；
30.3)数据层定义：数据层在各智能设备本地侧对数据进行实时清洗和规范化，采用高速率、大容量、低延迟的通信线路进行数据传输；同时依托云计算和数据中心，动态地满足各种计算、存储与运行需求；
31.4)机理层建立：数字孪生所构建的智慧能源系统仿真模型使用了“模型驱动 数据驱动”的混合建模技术，采用基于模型的系统工程建模方法学，以“数据链”为主线，结合ai技术对系统模型进行迭代更新和优化，以实现真实的虚拟映射；
32.5)表现层定义：数字孪生技术应用虚拟现实(vr)、增强现实(ar)以及混合现实(mr)的3r技术，建立可视化程度极高的智慧能源系统虚拟模型，提升了可视化展示效果，利用计算机生成视、听和嗅等感官信号，将现实与虚拟的信息融为一体，增强用户在虚拟世界中的体验感和参与感，辅助技术人员更为直观、高效地洞悉智能设备蕴含的信息和联系；
33.6)交互层定义，基于数字孪生的智慧能源系统虚拟模型不再仅仅是传统的平面式展示或简单三维展示，而是实现用户与模型之间的实时深度交互。利用语音、姿态、视觉追踪等技术，建立用户与智能设备之间的通道，实现多通道交互体系来进行精准交互，以支持对电力网、燃气网、热力网、交通网、供水网等多能耦合的能源系统的高效精准控制和交互，本发明尤其适用于金属矿山。
34.本发明的有益效果是：该面向智能矿山场景的数字孪生演化机理及方法，利用数字孪生技术区别常规数学仿真模型，数字孪生模型强调虚实之间的交互，能实时更新与动态演化，从而实现对物理世界的动态真实映射，“沉浸式”可视化技术，可以帮助用户更清晰、更透彻、更丰富地认识矿山灾害，基于3r交互技术，运用可视化展示组件，可模拟三维虚拟空间，将智慧能源系统中的物理设备以近乎真实的状态展现在用户面前，通过对虚拟体的操作与控制，间接实现对物理实体、信息网络、仿真模型的操作与控制，极大扩展用户的感官体验，获得系统运行的真实反馈，达到了沉浸式体验的目的，解决了现有的矿山灾害模拟场景结构较为简单单一，真实性较差，无法给矿山工作人员提供沉浸式的体验，导致培训效果较差的问题。
35.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。