【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及智能监测，尤其涉及一种基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统。
技术介绍
1、目前，煤矿开采仍属于高危行业，煤矿综采工作面所处的环境十分复杂，大多数的煤矿综采的工作空间十分狭小，并受地质条件及瓦斯、水、火、冲击地压等多种自然因素影响；而且在施工过程中一旦碰到瓦斯煤尘爆炸、透水等故障，将导致伤亡事故的发生。而煤矿开采地质中，松软低透气性高瓦斯煤层约占60％，属于极难抽放瓦斯煤层，因此，瓦斯灾害危及大部分矿区。
2、瓦斯灾害是深部煤矿开采中最具威胁性和破坏性的主要灾害，包括煤与瓦斯突出、瓦斯喷出、瓦斯爆炸、瓦斯燃烧和瓦斯窒息等多种类型。随着浅层煤炭资源逐渐枯竭，煤矿开采深度及强度不断加大，煤炭赋存条件更加复杂，地应力、瓦斯压力、地温等不断增大，瓦斯灾害日趋严重复杂。
3、专利号cn2023118158786公开了一种基于数字孪生的智慧运维管理系统及方法，涉及智能管理
，其通过在黄金矿工的安全帽上安装多种传感器来对井下环境进行实时监测，采集地下矿井的瓦斯浓度、氧气浓度、二氧化碳浓度、粉尘浓度、温度、湿度以及振动信号，利用深度学习技术对各项监测参数进行特征分析，并基于各项监测参数的拓扑交互特征来判断矿工的工作环境是否存在安全隐患。这样，可以为矿工提供实时的环境信息和必要的安全提示，从而保障矿工的人身安全，提高生产效率。
4、专利号cn2023100200172公开了一种基于数字孪生和数据驱动的矿井智能通风调控系统，属于煤矿智能通风
，包括智能感知模块、数据处理模块、数字孪
5、虽然，以上专利都提供了不同的煤矿内瓦斯灾害的监测系统，但由于煤矿井内部有害有毒气体种类多而杂，并且煤矿井内的灾害发生原因不只瓦斯气体，因此现有监测系统对于煤矿井内的灾害预测准确性低，防控能力不足及实时数据的特征提取精准性低。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，能够通过特殊设计的数据预处理方法将采集的实时数据进行深度清洗，以便于灾害监测孪生模型进行数据特征提取和模型更新迭代；通过灾害监测孪生模型将煤矿井内的障碍物及各类气体进行虚拟建模和灾害预测，以提高煤矿井内灾害监测效率，提升灾害防控能力和保障作业人员的生命安全。
2、本专利技术利用下述技术方案：
3、一种基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，包括采集模块、处理模块、监测模块、管理模块和协同模块；其中，
4、采集模块，用于获取煤矿井内各种物质元素的实时数据；
5、物质元素包括瓦斯、煤尘、辐射、微波、围岩和矿井水；
6、处理模块，用于将采集的实时数据进行预处理；
7、监测模块，用于利用预设的灾害监测孪生模型，对实时数据进行灾害预测，以生成灾害预测结果；
8、协同模块，用于根据灾害预测结果对应急设备进行自动调整；
9、应急设备包括通风系统、警报系统、消防系统和紧急逃生装置；
10、管理模块，用于对煤矿设备、应急设备及灾害监测推演系统进行管理控制；
11、煤矿设备包括钻孔机械、挖掘机械、装卸机械、掘进机械、滚筒采煤机、刨煤机、弯曲刮板运输机、自移式液压支架、桥式转载机、伸缩胶带输送机、石油矿场机械、破碎设备、粉磨设备、筛分机械设备、选矿设备和脱水设备。
12、优选的，采集模块利用现有传感器网络获取煤矿井内所有物质元素的实时数据；传感器网络包括温度传感器、湿度传感器、辐射传感器、微波传感器、红外光谱吸收型气体传感器、矿用围岩移动传感器和水渗透性测试仪。
13、优选的，处理模块对实时数据进行预处理的流程为：
14、s1：根据传感器类型对获取的实时数据进行模拟分块，以形成初始数据块；
15、s2：初始数据块根据预设时间间隔进行二次分块，以形成若干最终数据块；预设时间间隔为每小时；
16、s3：最终数据块根据各传感器的参数格式对内部数据进行格式检验；传感器的参数格式因传感器类型不同而异；
17、s4：对完成格式检验的内部数据利用异常检测算法进行数据检测，以确认数据异常部分，并确定数据异常类型；数据异常类型包括但不限于数据缺失、同时间数据多次采集和参数格式转换错误；
18、s5：根据数据异常类型调用对应的数据清洗算法，将数据异常部分进行修正；数据清洗算法包括数据去重算法、数据填充算法、数据转换算法和数据简化算法；
19、s6：将完成异常修正的内部数据，与各传感器的预设安全阈值进行比较，并根据比较结果，将内部数据划分为正样本和负样本；
20、s7：根据各传感器的分布位置将完成数据分类的各最终数据块进行关联；
21、s8：将关联完成的最终数据块进行分解，并将同区域的不同传感器的内部数据进行组合，以构建同域数据块；
22、s9：在同域数据块中，分别为正样本和负样本构建标识编号，并结合区域标号赋予唯一标识，进而分别提取正样本序列表和负样本序列表，同时完成实时数据的预处理。
23、优选的，监测模块对实时数据进行孪生监测的流程为：
24、a：利用三维激光雷达采集煤矿井的相关参数信息；煤矿井包括一条主井道和若干分支；相关参数信息包括但不限于主井道深度、主井道宽度、主井道长度、井内各分支与主井道的角度、各分支深度、宽度及长度和煤矿井内障碍物的位置分布；障碍物包括煤矿设备和应急设备；
25、b：通过灾害监测孪生模型的特征提取层，分别提取煤矿井的相关参数信息的三维特征信息和完成预处理的实时数据的二维特征信息；
26、c：通过迭代训练层分别获取三维特征信息和二维特征信息的三维权重矩阵和二维权重矩阵；
27、d：根据煤矿井的相关参数信息，将二维权重矩阵利用气体动力函数，完成与三维权重矩阵的拓补拼接，以形成综合权重矩阵；
28、e：通过对抗更新层将综合权重矩阵进行优化，以完成灾害监测预测。
29、优选的，特征提取层包括两个分支；第一分支将煤矿井的相关参数信息进行融合拼接，以形成煤矿井的三维形态：
30、
31、其中，g表示煤矿井的三维形态，l表示主井道长度，w表示主井道宽度，h表示主井道深度，表示哈达玛内积，i表示分支序号，n表示分支总数，θ表示各分支与主井道在深度方向的角度，表示各分支与主井道在长度方向的角度，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：包括采集模块、处理模块、监测模块、管理模块和协同模块；其中，
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述采集模块利用现有传感器网络获取煤矿井内所有物质元素的实时数据；传感器网络包括温度传感器、湿度传感器、辐射传感器、微波传感器、红外光谱吸收型气体传感器、矿用围岩移动传感器和水渗透性测试仪。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述处理模块对实时数据进行预处理的流程为：
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述监测模块对实时数据进行孪生监测的流程为：
5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述特征提取层包括两个分支；第一分支将煤矿井的相关参数信息进行融合拼接，以形成煤矿井的三维形态：
6.根据权利要求4所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述迭代训练层包括三维训练分
7.根据权利要求4所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述步骤D和步骤E中，利用气体动力学函数根据获取瓦斯的温度和压强构建瓦斯气体运动体：
8.根据权利要求1所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述协同模块包括信号构建单元、策略生成单元和流程辅助单元；信号构建单元利用模糊控制算法根据不同应急设备生成对应的信号指令；信号指令包括开启指令、关闭指令和调节指令；策略生成单元利用专家先验模型根据灾害预测结果结合相似历史事件的处理方式，对待处理事件进行对比，并依据对比结果对信号指令进行调度规划，以形成处理策略；流程辅助单元将相似历史事件的处理全流程进行展现，并结合处理策略和灾害预演过程，对应急设备的控制调度进行辅助实施。
9.根据权利要求1所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述管理模块包括系统管理单元和设备管理单元；系统管理单元利用动态负载均衡算法对灾害监测推演系统进行全方位管理控制；设备管理单元利用故障检测算法对煤矿设备和应急设备进行故障检测。
10.根据权利要求9所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述管理模块还包括通讯管理单元和部署管理单元；通讯管理单元利用边缘智能网关，实现煤矿井内各区域内应急设备和煤矿设备自关联组网，并自主分配关联人员；部署管理单元利用自动化部署平台工具根据灾害监测推演系统的运行信息，自动配置计算节点数量、计算节点类型、运行信息分片和运行信息备份；运行信息包括但不限于系统诊断报告、系统体检报告及系统运行报告。
...【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：包括采集模块、处理模块、监测模块、管理模块和协同模块；其中，
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述采集模块利用现有传感器网络获取煤矿井内所有物质元素的实时数据；传感器网络包括温度传感器、湿度传感器、辐射传感器、微波传感器、红外光谱吸收型气体传感器、矿用围岩移动传感器和水渗透性测试仪。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述处理模块对实时数据进行预处理的流程为：
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述监测模块对实时数据进行孪生监测的流程为：
5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述特征提取层包括两个分支；第一分支将煤矿井的相关参数信息进行融合拼接，以形成煤矿井的三维形态：
6.根据权利要求4所述的基于数字孪生的井采煤矿瓦斯灾害监测推演系统，其特征在于：所述迭代训练层包括三维训练分支和二维训练分支；三维训练分支用于对提取的三维特征信息进行若干次训练，二维训练分支用于对提取的二维特征信息进行若干次训练；三维训练分支利用4个三维cbl块、5个三维残差块、4个三维inceptionv3块、2个批标准层和3个silu激活函数；三维cbl块包括3个步长为1的5x5x1卷积层、2个步长为2的3x3x3卷积层、2个步长为1的1x1x5深度分离卷积层、3个7x7x7转置卷积层、4个批标准层和3个relu激活函数；每个并联的三维残差块将1个三维inceptionv3块作为残差分支，并与第4个三维inceptionv3块串联，从而提取煤矿井的精细特征信息，以构建三维权重矩阵；二维训练分支包括3个inceptionv4块、3个...
【专利技术属性】
技术研发人员：白俊伟，郎云飞，杨彦巧，曹振亚，周立娜，
申请(专利权)人：河南省保时安电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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