一种基于数字孪生的智慧矿山安全检测方法及系统与流程

本发明涉及矿山管理，尤其涉及一种基于数字孪生的智慧矿山安全检测方法及系统。

背景技术：

1、在采矿业中，以往与矿山安全相关的工作只有基础监测和一些事件报告，缺乏广泛而全面的系统级集成，尤其是缺乏与人员和地下矿井本身相关的信息，不足以动态地确保矿山地下环境的全面安全。

2、目前，大量的地下矿山事故是由瓦斯（甲烷）爆炸造成的，目前部分升级的安全检测会在甲烷浓度达到阈值时发出警报，提醒工人避难，但事实上，接触低浓度的甲烷也会对人体造成严重损害的。以及，矿下除甲烷气体外，还存在其他有毒气体，包括一氧化碳（co）、二氧化碳（co2）和硫化氢（h2s），短期接触这些气体可能不会产生明显的损害，但长期接触总是会对身体造成严重损害的。

技术实现思路

1、鉴于以上技术问题，本发明提供了一种基于数字孪生的智慧矿山安全检测方法及系统，以解决现有技术矿山开采中安全检测落后的问题。

2、本公开的其他特征和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

3、根据本发明的一方面，公开一种基于数字孪生的智慧矿山安全检测方法，所述方法包括：

4、建立矿山的几何模型，并对所述几何模型的矿山环境数据进行重构和渲染，基于数字孪生五维架构，构建矿山的数字孪生系统，所述数字孪生的五维架构包括物理实体、虚拟实体、服务系统、孪生数据和连接，所述孪生数据包括至少包括分布于矿山中不同区域的传感器节点的传感器数据，所述传感器数据至少包括温度、湿度和不同气体的气体浓度；

5、基于不同区域的所述湿度和所述温度计算对人体的综合影响热指数，根据所述综合影响热指数和所有的有害气体的种类数量及其所述气体浓度计算警报等级，以及通过对所述气体浓度进行平均值、方差、众数、中位数、偏度和标准差的统计，以确定环境的扰动风险；

6、基于分区聚类算法，在每一个所述传感器节点中进行本地的异常值检测，以识别所述传感器数据的异常值；

7、本地计算佩带于工人身上的第一蓝牙信标与多个所述传感器节点之间的信号强度值，以估计所述第一蓝牙信标的位置；

8、在所述数字孪生系统中聚合所述警报等级、所述扰动风险、所述异常值和工人位置，并以可视化形式展示，基于所述工人位置和对应的所述警报等级、所述扰动风险、所述异常值，以警告工人。

9、进一步的，在建立矿山的所述几何模型时，采用的方法包括3d激光点云扫描法、机械设计法；以及，在采用所述3d激光点云扫描法时，对矿山的特定路径扫描以获得点云数据，基于半径和统计联合滤波技术得到最佳的滤波参数组合，采用所述滤波参数组合对所述点云数据进行滤波，对滤波后的所述点云数据进行柏松表面重建，得到所述几何模型。

10、进一步的，在计算所述综合影响热指数时，基于所述温度和所述湿度对人体舒适度影响的一次项系数、一次项交叉项系数、二次项系数、二次项交叉项系数，得到所述综合影响热指数，并对所述综合影响热指数进行分级。

11、进一步的，在确定环境的所述扰动风险时，还包括：

12、根据所述气体浓度的所述平均值和方差，以正态分布的概率密度函数表示，在所述概率密度函数的对称性变动时，确定环境的所述气体浓度变动。

13、进一步的，所述有害气体包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷。

14、进一步的，在识别所述传感器数据的所述异常值时，具体包括：

15、基于公式对所述传感器数据进行分区，其中，k是分区数，n是观测数值，是第i个所述传感器数据到第k个分区的距离，是第i个所述传感器数据，是分区的质心；

16、基于公式计算每个所述传感器数据的用于评估其与所属分区的相似程度的轮廓系数，是同一簇第i个对象的平均距离，是相邻分区的最小距离；

17、根据所述轮廓系数，识别出所述传感器数据中的所述异常值；

18、在所述异常值连续产生m次后，将所述异常值列为安全检测事件，m为大于3的正整数。

19、进一步的，在估计所述第一蓝牙信标的位置时，具体包括：根据所述传感器节点相对于所述第一蓝牙信标的对数距离的所述信号强度值，计算所述传感器节点与所述第一蓝牙信标之间的距离，以估计所述第一蓝牙信标的位置；

20、或，根据至少三个所述传感器节点的无线覆盖范围和所述第一蓝牙信标与所述传感器节点的对数计算得到距离，计算每个所述传感器节点对于定位的贡献度，并根据所述贡献度计算权重，根据所述权重，对每个所述传感器节点相对于所述第一蓝牙信标的位置进行所述权重的加权计算，得到所述第一蓝牙信标的具体位置。

21、进一步的，在估计所述第一蓝牙信标的位置时，还包括：

22、估计所述第一蓝牙信标与附近的第二蓝牙信标的相对位置，所述第二蓝牙信标安装在重型移动设备上；

23、在所述第一蓝牙信标和所述第二蓝牙信标的距离在阈值范围时，触发所述第一蓝牙信标连接的声光报警装置启动，所述声光报警装置用于以声音和led光线发出警示，所述第一蓝牙信标通过数据库中的mac地址来识别所述第二蓝牙信标。

24、根据本公开的另一方面，提供一种基于数字孪生的智慧矿山安全检测系统，所述系统包括：

25、构建模块，所述构建模块用于建立矿山的几何模型，并对所述几何模型的矿山环境数据进行重构和渲染，基于数字孪生五维架构，构建矿山的数字孪生系统，所述数字孪生的五维架构包括物理实体、虚拟实体、服务系统、孪生数据和连接，所述孪生数据包括至少包括分布于矿山中不同区域的传感器节点的传感器数据，所述传感器数据至少包括温度、湿度和不同气体的气体浓度；

26、环境检测模块，所述环境检测模块用于基于不同区域的所述湿度和所述温度计算对人体的综合影响热指数，根据所述综合影响热指数和所有的有害气体的种类数量及其所述气体浓度计算警报等级，以及通过对所述气体浓度进行平均值、方差、众数、中位数、偏度和标准差的统计，以确定环境的扰动风险；

27、异常值检测模块，所述异常值检测模块用于基于分区聚类算法，在每一个所述传感器节点中进行本地的异常值检测，以识别所述传感器数据的异常值；

28、追踪模块，所述追踪模块用于本地计算佩带于工人身上的第一蓝牙信标与多个所述传感器节点之间的信号强度值，以估计所述第一蓝牙信标的位置；

29、警报模块，所述警报模块用于在所述数字孪生系统中聚合所述警报等级、所述扰动风险、所述异常值和工人位置，并以可视化形式展示，基于所述工人位置和对应的所述警报等级、所述扰动风险、所述异常值，以警告工人。

30、本公开的技术方案具有以下有益效果：

31、基于采用的数字孪生技术来检查矿山，使得矿山发生的一切事件都可以直观地展示，极大方便对矿山的管理和安全检测；基于设置的综合影响热指数和警报等级，可以方便、快速地平评估矿山安全，从更高的层面上保护工人的人身安全；基于分区聚类算法，对地下的异常事件进行检测，而不仅仅依赖于阈值判断或数值线性变化，更高效的保障地下环境安全；基于第一蓝牙信标和传感器节点的通讯，可以实时追踪工人的位置，同时配合孪生系统的可视化功能，可以对每个工人的安全进行检测评估，直观地、高效地、全面地保障工人安全。