应用数字孪生与增强现实技术的矿山井下人员安全系统技术方案

本发明专利技术公开了一种应用数字孪生与增强现实技术的矿山井下人员安全系统，包括服务器、3D虚拟场景、若干数字孪生体、以及分别与服务器通讯连接的数据采集装置与增强现实显示终端，若干数字孪生体分别对应与若干物理实体双向通讯连接，增强现实显示终端包括显示屏幕、映射于显示屏幕上的3D模拟场景与2D模拟场景、以及控制3D模拟场景的映射范围的3D范围调整模块与控制2D模拟场景的映射范围的2D范围调整模块。通过上述方式，本发明专利技术利用数字孪生技术与增强现实技术将当前环境的三维模型同步传递给井下作业人员，同时根据三维模型构建二维模型，以更加简洁的方式获取周边环境信息，且能够调整可视场景的范围并按照相应的比例呈现，便于查看更远处的信息。便于查看更远处的信息。便于查看更远处的信息。

【技术实现步骤摘要】
应用数字孪生与增强现实技术的矿山井下人员安全系统


[0001]本专利技术涉及矿山井下安全监控防护和管理
，特别是涉及一种应用数字孪生与增强现实技术的矿山井下人员安全系统。

技术介绍

[0002]数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、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。而随着数字孪生技术的快速发展，地下矿山的智能化开采也取得了较大的进步。目前，矿山的数字孪生技术主要用于构建与更新矿山地表、井下工程环境和人员、装备、设备及其附加属性的实时动态三维模型；而矿山增强现实技术主要用于安全教育培训课程工作。这两门技术在矿山的应用较为简单，没有深度挖掘其内在安全方面的应用场景，无法实现井下作业人员利用增强现实技术掌握矿山数字孪生实时动态三维模型，也无法实现已接收危险作业环境及周边大型设备的视觉信息和安全预警。
[0003]现有的技术提供了一种矿井无人化综掘工作面数字孪生智能监控模型仿真系统，这种技术通过构建数字孪生模型，基于机器视觉和边缘计算，利用深度学习算法进行感知分析、仿真模拟、迭代优化与决策控制；基于数据孪生和数据驱动，通过虚拟空间数字孪生无人化综掘工作面实现对远程物理空间矿井无人化综掘工作面的实时监控、智能感知、精准定位和健康预测，随后通过VR或AR人机接口实现数字孪生体与物理实体的实时交互及虚拟监控。这种技术虽然结合了数字孪生技术与增强现实技术，能够通过视频显示终端实时显示三维模型，但是，这种技术对于数字孪生与增强现实技术的挖掘并不深刻，各项功能不够完善，没有安全方面的应用，且工作人员长时间佩戴增强现实显示终端观看三维模型很容易产生疲惫感，且三维模型里信息过多，影响使用者及时获取所需信息。
[0004]因此，设计一种能够同时显示二维模型与三维模型、能够调节各个模型的场景范围并能实时提供安全预警信息的应用数字孪生与增强现实技术的矿山井下人员安全系统就很有必要。

技术实现思路

[0005]为了克服上述问题，本专利技术提供一种应用数字孪生与增强现实技术的矿山井下人员安全系统，利用数字孪生技术与增强现实技术将当前环境的三维模型同步传递给井下作业人员，同时根据三维模型构建二维模型，以更加简洁的方式获取周边环境信息，且能够调整可视场景的范围并按照相应的比例呈现，便于查看更远处的信息。
[0006]为实现上述的目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种应用数字孪生与增强现实技术的矿山井下人员安全系统，包括服务器、构建于所述服务器内的3D虚拟场景、植入所述3D虚拟场景内的若干数字孪生体、以及分别与所述服务器通讯连接的数据采集装置与增强现实显示终端，所述若干数字孪生体分别对应与若干物理实体双向通讯连接，所述增强现实显示终端包括显示屏幕、映射于所述显示屏幕
上的3D模拟场景与2D模拟场景、以及控制所述3D模拟场景的映射范围的3D范围调整模块与控制所述2D模拟场景的映射范围的2D范围调整模块。
[0008]进一步的，所述数据采集装置遍布矿区地表与矿区井下，并包括倾斜摄像装置、三维激光扫描仪、全站仪、GPS定位装置、UWB定位装置、气体传感器、以及地压传感器，所述服务器存储所述数据采集装置所采集的各项数据与当前所述数据采集装置的位置信息，并根据各项数据实时更新所述3D虚拟场景与所述数字孪生体。
[0009]进一步的，所述增强现实显示终端还包括分别与所述服务器通讯连接的视觉追踪模块与定位模块，所述视觉追踪模块用于追踪佩戴所述增强现实显示终端的物理实体的视线变化，所述定位模块用于定位所述增强现实显示终端的当前位置信息；所述服务器根据所述增强现实显示终端传递的当前位置信息与视线范围内的场景与物理实体，调取相对应的所述3D虚拟场景与数字孪生体后构建3D模拟场景并映射于所述显示屏幕上，以实现佩戴所述增强现实显示终端的物理实体的视角的周边范围可视及不可视的矿山井下工程三维模型的实时动态更新。
[0010]进一步的，所述服务器根据当前矿山井下工程三维模型对应的3D虚拟场景，截取同一水平面内的所述3D虚拟场景中各个物理实体的位置及实际环境的分布走向，从而构建所述3D虚拟场景对应的2D模拟场景；所述服务器内存储有所述若干数字孪生体映射于二维平面时的标记符号，并根据所述3D模拟场景中各个数字孪生体的信息在2D模拟场景中对应位置处显示数字孪生体对应的标记符号。
[0011]进一步的，所述3D模拟场景为三维透视模型，用于映射当前视线范围内可视的场景与物理实体、以及映射范围内被可视的场景与物理实体所遮挡的场景与物理实体，所述3D模拟场景实时显示当前场景内各个数字孪生体的名称及相应的工作信息。
[0012]进一步的，所述增强现实显示终端还包括与所述服务器通讯连接的预警模块，所述服务器对所述增强现实显示终端的当前位置范围内的数据采集装置所采集的各项信息进行风险评估，以生成所述增强现实显示终端在当前位置范围内的预警信息，并将预警信息传递给所述预警模块；所述预警模块与设置于所述增强现实显示终端上的报警组件电连接，以控制所述增强现实显示终端在所述3D模拟场景上叠加可视化的显示所述预警信息，并控制报警组件发出警报声或播放预警信息，所述预警信息包括危险气体预警、不稳固围岩预警、昏暗的危险环境预警、被遮挡人员预警、以及被遮挡大型设备预警。
[0013]进一步的，所述3D范围调整模块与设置于所述增强现实显示终端上的3D范围调整按钮电连接，以调整所述增强现实显示终端当前视线范围的最大延伸区域，所述3D范围调整模块包括一级3D模式、二级3D模式、以及三级3D模式。
[0014]进一步的，位于所述一级3D模式下的所述3D模拟场景为以当前增强现实显示终端为中心向外辐射10m范围内的模拟场景与数字孪生体，并将所述模拟场景与数字孪生体按照1：1的比例呈现；位于所述二级3D模式下的所述3D模拟场景为以当前增强现实显示终端为中心向外辐射20m范围内的模拟场景与数字孪生体，并将所述模拟场景与数字孪生体按照1：0.5的比例呈现；位于所述三级3D模式下的所述3D模拟场景为以当前增强现实显示终端为中心向外辐射30m范围内的模拟场景与数字孪生体，并将所述模拟场景与数字孪生体按照1：0.25的比例呈现。
[0015]进一步的，所述2D范围调整模块与设置于所述增强现实显示终端上的2D范围调整
按钮电连接，以调整所述增强现实显示终端当前视线范围的最大延伸区域，所述2D范围调整模块包括一级2D模式、二级2D模式、以及三级2D模式。
[0016]进一步的，位于所述一级2D模式下的所述2D模拟场景为以当前增强现实显示终端为中心向外辐射10m范围内的模拟场景与数字孪生体，并将所述模拟场景与数字孪生体按照1：1的比例呈现；位于所述二级2D模式下的所述2D模拟场景为以当前增强现实显示终端为中心向外辐射20m范围内的模拟场景与数字孪生体，并将所述模拟场景与数字孪生体按照1：0.5的比例呈现；位于所述三级2D模式下的所述2D模拟场景为以当本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用数字孪生与增强现实技术的矿山井下人员安全系统，其特征在于，包括服务器(10)、构建于所述服务器(10)内的3D虚拟场景、植入所述3D虚拟场景内的若干数字孪生体、以及分别与所述服务器(10)通讯连接的数据采集装置(20)与增强现实显示终端(30)，所述若干数字孪生体分别对应与若干物理实体双向通讯连接，所述增强现实显示终端(30)包括显示屏幕、映射于所述显示屏幕上的3D模拟场景与2D模拟场景、以及控制所述3D模拟场景的映射范围的3D范围调整模块与控制所述2D模拟场景的映射范围的2D范围调整模块。2.根据权利要求1所述的应用数字孪生与增强现实技术的矿山井下人员安全系统，其特征在于，所述数据采集装置(20)遍布矿区地表与矿区井下，并包括倾斜摄像装置、三维激光扫描仪、全站仪、GPS定位装置、UWB定位装置、气体传感器、以及地压传感器，所述服务器(10)存储所述数据采集装置(20)所采集的各项数据与当前所述数据采集装置(20)的位置信息，并根据各项数据实时更新所述3D虚拟场景与所述数字孪生体。3.根据权利要求2所述的应用数字孪生与增强现实技术的矿山井下人员安全系统，其特征在于，所述增强现实显示终端(30)还包括分别与所述服务器(10)通讯连接的视觉追踪模块与定位模块，所述视觉追踪模块用于追踪佩戴所述增强现实显示终端(30)的物理实体的视线变化，所述定位模块用于定位所述增强现实显示终端(30)的当前位置信息；所述服务器(10)根据所述增强现实显示终端(30)传递的当前位置信息与视线范围内的场景与物理实体，调取相对应的所述3D虚拟场景与数字孪生体后构建3D模拟场景并映射于所述显示屏幕上，以实现佩戴所述增强现实显示终端(30)的物理实体的视角的周边范围可视及不可视的矿山井下工程三维模型的实时动态更新。4.根据权利要求3所述的应用数字孪生与增强现实技术的矿山井下人员安全系统，其特征在于，所述服务器(10)根据当前矿山井下工程三维模型对应的3D虚拟场景，截取同一水平面内的所述3D虚拟场景中各个物理实体的位置及实际环境的分布走向，从而构建所述3D虚拟场景对应的2D模拟场景；所述服务器(10)内存储有所述若干数字孪生体映射于二维平面时的标记符号，并根据所述3D模拟场景中各个数字孪生体的信息在2D模拟场景中对应位置处显示数字孪生体对应的标记符号。5.根据权利要求4所述的应用数字孪生与增强现实技术的矿山井下人员安全系统，其特征在于，所述3D模拟场景为三维透视模型，用于映射当前视线范围内可视的场景与物理实体、以及映射范围内被可视的场景与物理实体所遮挡的场景与物理实体，所述3D模拟场景实时显示当前场景内各个数字孪生体的名称及相应的工作信息。6.根据权利要求5所述的应用数字孪生与增强现实技术的矿山井下人员安全系统，其特征在于，所述增强现实显示终端(30)还包括与所述服务器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵子巍，寇向宇，张翼翔，鄢德波，马天义，张柏，
申请(专利权)人：长沙矿山研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：