【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及智能安全管控，具体为基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统。
技术介绍
1、大型露天矿具有年产量大、开采成本高、分布范围广、管控难度大等特点，想要进一步提高产能效益，需引进先进的数字科学技术，推动矿山向智能制造方向发展，数字孪生技术是一种将现实世界的物理系统与虚拟世界的数字模型相结合的技术，通过数字孪生技术，可以在虚拟环境中对现实世界中的物理系统进行监控和模拟，并实时监控这些系统的状态信息，在申请号为202410245446.4的中国专利中公开了“一种基于数字孪生的智慧矿山管控方法及系统，方法包括：建立采矿设备的几何模型，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管控系统；基于预训练的混合预测模型，对所述孪生数据进行未来状态预测，得到预测结果；将所述预测结果映射到所述数字孪生系统中，以更新所述采矿设备的所述虚拟实体的预测状态；对所述预测结果中的故障事件进行分析，根据预设规则，对指定的故障事件进行故障消除的动态调度。”
2、上述文件解决现有技术中矿山开采管控落后的问题以及能够提高设备的安全性和可靠性，然而，整个矿山破碎过程中，除了设备的稳定运行，矿石运输以及采取预防控制矿山爆破振动措施也很重要，矿石破碎进行运输时，如果不均匀地分布在传输带上，可能造成矿石的滑落，从而阻碍现场工作人员正常施工，严重甚至带来安全隐患，其中，矿石的粒度大小是评价破碎效果与实现自动化选矿的重要参数，不仅能够反映设备破碎的效率，还有效预防设备长时间高压工作带来的设备损坏以及可能造成的风
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，包括：
3、数据采集管理单元，所述数据采集管理单元在矿井各处布置传感器网络，并实时收集环境参数、设备运行数据和工作人员的位置信息，这些数据经汇总后作为孪生数据，通过稳定的通信网络传输至中央监控室，数据处理中心负责分析和处理中央监控室收集到的信息，以便实施实时监控、安全预警以及提供决策支持；
4、矿石处理单元，所述矿石处理单元基于数字图像将矿山破碎后的矿石颗粒进行检测，经过图像处理、矿石颗粒区域分割与分析以及图像连续采集获得碎石颗粒的尺寸以及运输过程中的位置分布；
5、信号监测单元，所述信号监测单元负责实时识别与采集爆破振动波形信号，并解析成监测项目的数据文件，以及在内部布置无线wifiap设备以创建局域网环境，高效传输产生的监测数据文件，同时配备相应的电源转换模块，实现长期的稳定供电工作；
6、数据中继单元，所述数据中继单元负责接收与转发信号监测单元产生的监测数据文件以及矿石处理单元获得的数据，同时与信号监测单元之间相互搭配组建无线监测网络，将接收的数据通过人工拷取或矿山自身搭建的工业以太网传输至终端数据库进行数据管理；
7、安全预警单元，所述安全预警单元对矿石运输过程的安全度、破碎机破碎矿石的程度以及爆破振动状态分别进行轻度、中度和重度预警，通过预警告知工作人员迅速调整；
8、安全控制单元，所述安全控制单元对机械设备运行的控制以及行为执行信息进行约束，使获得的操作反馈信息及时传输且正确传达，降低矿山破碎冲击地压现象造成的损失。
9、优选的，所述数据采集管理单元包括环境设备管理模块、人员管理模块和运输管理模块，所述环境设备管理模块使用振动传感器、声音传感器、温度传感器和压力传感器分别监测破碎机轴承振动频率、破碎机运行状态频率、破碎机运行温度以及矿山冲击地压信号，针对破碎机工作过程存在的输电功率不稳定以及机械混杂的声音干扰导致获取的原始信号存在误差，利用小波阈值去噪方法去除破碎机监测到的轴承震动噪音与运行状态噪音，通过拉依达准则剔除破碎机实时运行温度与矿山冲击地压信号中的异常值，所述人员管理模块利用射频识别定位技术，持续追踪矿工在矿区内的实时位置，确保在紧急情况下快速准确地进行人员定位与救援，实现对矿工进出矿区的监控，从而有效地管理人员流动，保障工作人员的安全，并提高作业效率，管理者通过中央监控室实时查看矿工分布情况，及时做出调度决策，所述运输管理模块在矿山运输带上安装传感器和gps追踪系统，实时监控矿石运输位置、运行状态和载重量，这些数据被实时反馈到控制中心，用于监控矿车性能、预测维护需求以及避免潜在的安全风险。
10、优选的，所述矿石处理单元包括图像预处理模块和平滑分割模块，所述图像预处理模块在破碎的矿石输送的过程中，获得矿石破碎的颗粒图像，并将矿石二维图像进行灰度化，灰度化的图像形成描述灰度级和概率密度的直方图，通过变换函数对直方图均衡化，然后采用中值滤波去除图像在获取、量化和传输过程中产生的噪声，高效保留矿石颗粒的边缘信息，所述平滑分割模块通过开运算与闭运算对图像预处理模块最终获得的图像进行平滑处理，开运算指去除细小突出的部分，断开狭窄的连接，而闭运算指将图像中狭窄的缺口连接起来，并填充比结构元素小的空洞，然后使用canny边缘检测算子将矿石颗粒与背景区进行二值化分开以及将边缘重叠的颗粒分割开。
11、优选的，所述矿石处理单元还包括粒度标定模块和粒度分布模块，所述粒度标定模块将分割后图像的白色区域标记为1，表示边缘区域和背景，黑色区域标记为0，表示矿石颗粒，从图像中分割出矿石颗粒后，在颗粒特征中，通过分析颗粒面积、周长、当量直径、形状因子完成颗粒的检测，在matlab图像处理工具箱中，利用函数regionprops计算分割后的二值图像的区域描绘子，通过区域描绘子得到图像中颗粒投影的参数，从而获得矿石颗粒的尺寸，所述粒度分布模块对矿石颗粒图像在线连续采集，得到检测区域物料的表面层粒度分布的检测结果，将表面层粒度检测结果作为输入，通过bp神经网络得到堆积状态下物料的整体粒度分布，从而获得矿石颗粒动态运输时在运输带上的分布区域。
12、优选的，所述信号监测单元由振动传感器、上位机、电源转换模块及路由器的硬件设备组成，振动传感器将爆破振动物理波信号转化为电信号进行输出，上位机完成与振动传感器之间的通讯任务，并采用交流电供电线缆与电源转换模块连接作为输入电压，经电源转换模块后变为直流供电电压，路由器通过usb数据线与上位机连接，由上位机供电以创建局域网环境，上位机通过发送与接收不同格式的串口命令数据帧与振动传感器进行通讯；
13、所述信号监测单元的数据文件包括监测项目信息与其时空属性以及测点监测数据与其时空属性，监测项目信息包括每次起爆的爆源位置与测点布置的工程信息，测点检测数据即固定测点布置的监测设备在爆破起爆时所采集的爆破振动监测数据，数据的时空属性包括爆破的起爆时间以及爆源与测点的空间位置，将这些信息通过数据表结构进行数据管理。
14、优选的，所述数据中继单元本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，其特征在于：所述数据采集管理单元（1）包括环境设备管理模块（101）、人员管理模块（102）和运输管理模块（103），所述环境设备管理模块（101）使用振动传感器、声音传感器、温度传感器和压力传感器分别监测破碎机轴承振动频率、破碎机运行状态频率、破碎机运行温度以及矿山冲击地压信号，利用小波阈值去噪方法去除破碎机监测到的轴承震动噪音与运行状态噪音，通过拉依达准则剔除破碎机实时运行温度与矿山冲击地压信号中的异常值，所述人员管理模块（102）利用射频识别定位技术，持续追踪矿工在矿区内的实时位置，确保在紧急情况下快速准确地进行人员定位与救援，实现对矿工进出矿区的监控，从而有效地管理人员流动，管理者通过中央监控室实时查看矿工分布情况，及时做出调度决策，所述运输管理模块（103）在矿山运输带上安装传感器和GPS追踪系统，实时监控矿石运输位置、运行状态和载重量，这些数据被实时反馈到控制中心，用于监控矿车性能、预测维护需求以及避免潜在的安全风险。p>
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，其特征在于：所述矿石处理单元（2）包括图像预处理模块（201）和平滑分割模块（202），所述图像预处理模块（201）在破碎的矿石输送的过程中，获得矿石破碎的颗粒图像，并将矿石二维图像进行灰度化，灰度化的图像形成描述灰度级和概率密度的直方图，通过变换函数对直方图均衡化，然后采用中值滤波去除图像在获取、量化和传输过程中产生的噪声，高效保留矿石颗粒的边缘信息，所述平滑分割模块（202）通过开运算与闭运算对图像预处理模块（201）最终获得的图像进行平滑处理，开运算指去除细小突出的部分，断开狭窄的连接，而闭运算指将图像中狭窄的缺口连接起来，并填充比结构元素小的空洞，然后使用Canny边缘检测算子将矿石颗粒与背景区进行二值化分开以及将边缘重叠的颗粒分割开。
4.根据权利要求3所述的基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，其特征在于：所述矿石处理单元（2）还包括粒度标定模块（203）和粒度分布模块（204），所述粒度标定模块（203）将分割后图像的白色区域标记为1，表示边缘区域和背景，黑色区域标记为0，表示矿石颗粒，从图像中分割出矿石颗粒后，在颗粒特征中，通过分析颗粒面积、周长、当量直径、形状因子完成颗粒的检测，在MATLAB图像处理工具箱中，利用函数regionprops计算分割后的二值图像的区域描绘子，通过区域描绘子得到图像中颗粒投影的参数，从而获得矿石颗粒的尺寸，所述粒度分布模块（204）对矿石颗粒图像在线连续采集，得到检测区域物料的表面层粒度分布的检测结果，将表面层粒度检测结果作为输入，通过BP神经网络得到堆积状态下物料的整体粒度分布，从而获得矿石颗粒动态运输时在运输带上的分布区域。
5.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，其特征在于：所述信号监测单元（3）由振动传感器、上位机、电源转换模块及路由器的硬件设备组成，振动传感器将爆破振动物理波信号转化为电信号进行输出，上位机完成与振动传感器之间的通讯任务，并采用交流电供电线缆与电源转换模块连接作为输入电压，经电源转换模块后变为直流供电电压，路由器通过USB数据线与上位机连接，由上位机供电以创建局域网环境，上位机通过发送与接收不同格式的串口命令数据帧与振动传感器进行通讯；
6.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，其特征在于：所述数据中继单元（4）包括模式选取模块（401）和曲线显示模块（402），所述模式选取模块（401）根据两种模式选取数据中继单元（4）的上位机，一种模式是在矿山本身具有可利用的工业网络条件下，数据中继单元选用与信号监测单元相同的上位机布置在监测现场进行长期的数据传输工作，另一种模式是在矿山本身网络设施不完善的情况下，通过携带移动设备端至现场进行远距离无线数据拷取，通过两种模式相互搭配实现监测数据的灵活传输，所述曲线显示模块（402）基于矿山环境复杂多变的情况，将现场实时监测数据在一个低延迟、高流畅度的网页中进行图像化展示，实现对矿山爆破工作所引发的区域爆破振动结果的可视化展示，用户通过交互操作，选择监测位置点和监测时间点，得到监测数据曲线，数据曲线用于反映测点区域在爆破施工中的受振动状态。
7.根据权利要求6所述的基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，其特征在于：所述安全预警单元（5）包括类别划分模块（501）、运输预警模块（502）和设备预警模块（503），所述类别划分模块（501）将运输带上的矿...
【技术特征摘要】
1.基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，其特征在于：所述数据采集管理单元（1）包括环境设备管理模块（101）、人员管理模块（102）和运输管理模块（103），所述环境设备管理模块（101）使用振动传感器、声音传感器、温度传感器和压力传感器分别监测破碎机轴承振动频率、破碎机运行状态频率、破碎机运行温度以及矿山冲击地压信号，利用小波阈值去噪方法去除破碎机监测到的轴承震动噪音与运行状态噪音，通过拉依达准则剔除破碎机实时运行温度与矿山冲击地压信号中的异常值，所述人员管理模块（102）利用射频识别定位技术，持续追踪矿工在矿区内的实时位置，确保在紧急情况下快速准确地进行人员定位与救援，实现对矿工进出矿区的监控，从而有效地管理人员流动，管理者通过中央监控室实时查看矿工分布情况，及时做出调度决策，所述运输管理模块（103）在矿山运输带上安装传感器和gps追踪系统，实时监控矿石运输位置、运行状态和载重量，这些数据被实时反馈到控制中心，用于监控矿车性能、预测维护需求以及避免潜在的安全风险。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，其特征在于：所述矿石处理单元（2）包括图像预处理模块（201）和平滑分割模块（202），所述图像预处理模块（201）在破碎的矿石输送的过程中，获得矿石破碎的颗粒图像，并将矿石二维图像进行灰度化，灰度化的图像形成描述灰度级和概率密度的直方图，通过变换函数对直方图均衡化，然后采用中值滤波去除图像在获取、量化和传输过程中产生的噪声，高效保留矿石颗粒的边缘信息，所述平滑分割模块（202）通过开运算与闭运算对图像预处理模块（201）最终获得的图像进行平滑处理，开运算指去除细小突出的部分，断开狭窄的连接，而闭运算指将图像中狭窄的缺口连接起来，并填充比结构元素小的空洞，然后使用canny边缘检测算子将矿石颗粒与背景区进行二值化分开以及将边缘重叠的颗粒分割开。
4.根据权利要求3所述的基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，其特征在于：所述矿石处理单元（2）还包括粒度标定模块（203）和粒度分布模块（204），所述粒度标定模块（203）将分割后图像的白色区域标记为1，表示边缘区域和背景，黑色区域标记为0，表示矿石颗粒，从图像中分割出矿石颗粒后，在颗粒特征中，通过分析颗粒面积、周长、当量直径、形状因子完成颗粒的检测，在matlab图像处理工具箱中，利用函数regionprops计算分割后的二值图像的区域描绘子，通过区域描绘子得到图像中颗粒投影的参数，从而获得矿石颗粒的尺寸，所述粒度分布模块（204）对矿石颗粒图像在线连续采集，得到检测区域物料的表面层粒度分布的检测结果，将表面层粒度检测结果作为输入，通过bp神经网络得到堆积状态下物料的整体粒度分布，从而获得矿石颗粒动态运输时在运输带上的分布区域。
5.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，其特征在于：所述信号监测单元（3）由振动传感器、上位机、电源转换模块及路由器的硬件设备组成，振动传感器将爆破振动物理波信号转化为电信号进行输出，上位机完成与振动传感器之间的通讯任务，并采用交流电供电线缆与电源转换模块连接作为输入电压，经电源转换模块后变为直流供电电压，路由器通过usb数据线与上位机连接，由上位机供电以创建局域网环境，上位机通过发送与接收不同格式的串口命令数据帧与振动传感器进行通讯；
6.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的矿山破碎智能安全管控系统，其特征在于：所述数据中继单元（4）包括模式选取模块（401）和曲线显示模块（402），所述模式选取模块（401）根据两种模式选取数据中继单元（4）的上位机，一种模式是在...
【专利技术属性】
技术研发人员：邱雷明，卞艳涛，孙善金，何为凯，郑兆宗，唐向南，李成栋，杨富春，张营，
申请(专利权)人：山东山矿机械有限公司，
类型：发明
国别省市：
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