CN114120785B - 一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合***，通过在掘进设备上安装惯导装置、反射棱镜和测距传感器，利用全自动全站仪传导大地坐标实时标定反射棱镜，获取掘进设备精确的大地坐标定位数据、姿态数据和巷道截割数据；同时，构建基于统一大地坐标系的高精度三维动态地质和巷道设计综合模型，建立掘进设备和地质模型、巷道设计模型高度耦合的空间关系，通过数字孪生***还原井下掘进现场环境；利用数据传输处理模块生成掘进设备的自适应规划截割模板，航向角、俯仰角纠偏模板，通过智能掘进远程管控***指导掘进设备完成自适应规划截割和自动纠偏，为实现矿井的智能化掘进，提供了高度可行性、可靠性和实用化的解决方案。

Description

一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合***

技术领域

本申请实施例涉及矿山装备与煤矿智能化掘进技术领域，具体而言，涉及一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合***。

背景技术

掘进工作是煤矿安全生产的一个重要环节，掘进工作是回采工作的紧前工作，其工作环境较回采更加恶劣，地质条件透明度更低，安全隐患的排查与治理更加困难。煤炭行业各重点煤炭企业积极响应国家号召，全面推动煤矿智能化建设，在掘进***智能化建设方面做了大量有益工作，智能掘进***也在减人、提效、增安及远程控制等方面取得了一定的成绩。但由于受掘进装备自动化、智能化与地质条件透明化研发实用水平，以及与物联网技术、导航定位技术、时态地理信息***(TGIS)技术融合的限制，智能掘进领域仍存在以下问题：

(1)掘进设备在井下三维空间设计巷道中进行割煤或岩的进机或退机移动时，即使利用了导航定位技术，目前所监测到的掘进设备空间参数也仅是位姿参数和相对定位参数，没有很好地与大地坐标***进行关联，不能监测到掘进设备移动过程中随时间变化的大地坐标数据，因此掘进设备在掘进过程中，不能将其纳入到与TGIS四维空间的地质模型和巷道设计模型融为一体的统一大地坐标系中。

(2)目前，巷道设计图纸或图形，虽然是依据煤矿最新地质资料设计出来的，但由于所用设计软件功能限制，基于统一的大地坐标系，与掘进巷道相关的三维地质和测量模型集成度不高，不能很好地依据探地层厚度数据、超前探测数据等新获取的地质信息及时动态更新和优化更接近实际的地质模型和巷道设计模型的综合模型。

(3)掘进设备在进机、退机移动过程中，由于没有与包含设计巷道信息和地质信息的综合模型进行关联，因而无法依据煤层在设计巷道空间上的形态变化，进行掘进设备空间姿态调整及循环截割的断面轮廓约束。因此，目前不少智能掘进工作面掘进时，经常出现时而破底板，时而丢底煤现象，对掘进设备截割时俯仰角控制缺乏依据，现有的无人掘进方式的自适应性和实用性都受到较大影响。

综上所述，掘进设备作为掘进工作面的核心掘进工具，其掘进依据是设计巷道+一定范围内的地质环境综合模型，只有在严格遵循掘进依据的前提下，掘进设备作用于煤层或岩层的掘进对象中，才能加工生产出合格的巷道工程产品，满足煤矿采掘衔接平衡和回采安全、高效的智能化建设要求。如果不能实现掘进设备与综合模型之间随时间推延在空间变化上进行高度耦合，则难以实现掘进设备依据可动态更新优化的综合模型，自适应截割掘进，自主定位导航、自动位姿纠偏的智能掘进工作面建设目标。另外，综合模型动态更新优化的及时性和准确性，决定着掘进设备截割、纠偏、导航的可靠性和***方法的适应性和实用性。

发明内容

本申请实施例在于提供一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合***，旨在解决掘进设备与综合模型之间随时间推延在空间变化上不能耦合，掘进设备数据的动态更新及时性和准确性低，无法实现矿井的智能化掘进的问题。

本申请实施例第一方面提供一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合***，包括：

通过网络设备实现通信的掘进设备监测监控模块、数据存储处理模块和智能掘进管控平台模块，其中：

掘进设备监测监控模块包括掘进设备、惯导装置、反射棱镜、全自动全站仪、测距传感器、信息传输设备、规划截割模块和姿态调控模块；

掘进设备用于矿井巷道掘进工作面进行截割破碎煤或岩、并对所述截割破碎煤或岩进行第一次装载转运以及临时、永久支护的自动化设备；

惯导装置安装在掘进设备上，用于实时获取掘进设备的姿态信息；

反射棱镜安装在掘进设备上，用于辅助全自动全站仪实时标定掘进设备的反射棱镜安装位置的大地坐标；全自动全站仪安装在距掘进设备的尾部最近的一个导线点的巷道顶板下，可自动捕捉对准反射棱镜，并自动实时获取反射棱镜点的大地坐标；

测距传感器按其安装位置不同，包括巷道顶板测距传感器和巷道帮部测距传感器，巷道顶板测距传感器有两个，两个巷道顶板测距传感器均安装在掘进设备顶表面上，相对于掘进设备纵轴线对称；两个巷道测距传感器垂直掘进设备顶表面且朝向巷道顶板，用于实时获取两个顶板测距点距巷道顶板的距离数据；巷道帮部测距传感器有两个，两个巷道帮部测距传感器分别安装在巷道帮部左右两侧，用于实时获取两个帮部测距点距巷道帮部的距离数据；

信息传输设备包括第一信息传输子设备和第二信息传输子设备；

第一信息传输子设备安装在掘进设备上，用于接收第一信息，并通过网络传输将第一信息上传给数据存储处理模块；第一信息至少包括：掘进设备运行监测数据、惯导装置实时获取的姿态数据和测距传感器实时获取的顶帮距离数据；第一信息传输子设备还用于接收数据处理模块下发的控制指令数据并传输给掘进设备；

第二信息传输子设备安装在全自动全站仪上，用于接收第二信息，并可通过网络传输上传数据给数据存储处理模块；第二信息至少包括全自动全站仪实时获取的掘进设备安装的反射棱镜点的大地坐标数据；

规划截割模块安装在掘进设备上，通过信息传输设备接收数据存储处理模块下发的自适应规划截割模板数据，基于截割模板数据控制掘进设备进行割煤破岩；

姿态调控模块安装在掘进设备上，通过信息传输设备接收数据存储处理模块下发的掘进设备的姿态纠偏模板数据，基于姿态纠偏模板数据调控掘进设备的航向角、俯仰角和横滚角，以控制掘进设备的截割和行走过程中的姿态；

数据存储处理模块包括数据存储模块和数据处理模块；

数据储存模块包括初始数据存储子模块和处理数据存储子模块，初始数据存储子模块用于存储初始数据，初始数据至少包括：巷道导线点、掘进设备模型、地质模型、巷道设计模型、探地层厚度数据、超前探测数据、惯导装置、全自动全站仪、测距传感器及设备自身监测数据；处理数据存储子模块用于存储将初始数据进行数据处理后的处理数据，处理数据至少包括：掘进设备的位置和姿态数据、动态更新后的地质模型和巷道设计模型数据、掘进设备的自适应规划截割模板、掘进设备的姿态纠偏模板、巷道成形质量模型数据；

数据处理模块包括掘进设备的位置和姿态计算模块、地质模型与巷道设计模型动态更新模块、自适应规划截割模板生成模块、姿态纠偏模板生成模块、巷道成形质量模型自动构建模块、掘进设备监控数据传输模块；

智能掘进管控平台模块包括掘进工作面数字孪生***和智能掘进远程管控***；

掘进工作面数字孪生***用于构建模型，模型至少包括：地质模型、巷道设计模型、掘进设备模型、掘进工作面后配套设备模型、巷道成形质量模型等，并基于统一大地坐标系将所述模型进行有机融合与关联展示的时态地理信息***；

智能掘进远程管控***用于下发掘进设备的自适应规划截割模板和姿态纠偏模板的控制指令以及其他动作指令，并可通过视频可视化和三维虚拟可视化双可视化手段，实时监控控制指令的执行情况。

可选地，掘进设备位置和姿态计算模块用于将惯导装置实时获取的掘进设备的姿态数据和全自动全站仪实时获取的反射棱镜的大地坐标数据，计算得出掘进设备的基于统一大地坐标系的时空位姿数据。

可选地，地质模型与巷道设计模型动态更新模块为巷道地质设计综合模型，巷道地质设计综合模型用于将构建的地质模型和巷道设计模型在统一大地坐标系中融合为一体，并依据巷道掘进过程中揭露的最新地质信息数据动态更新融合一体。

可选地，自适应规划截割模板生成模块是通过动态更新得到的巷道地质设计综合模型，依据空间数据与机械约束条件，优化计算出t时刻所述掘进设备下一截割循环的自适应规划截割模板，也即约束所述掘进设备的截割滚筒截割的巷道断面轮廓线区域及规划截割路径，巷道断面轮廓线区域包括地质信息、断面设计信息和大地坐标信息；

其中，空间数据与机械约束条件至少包括：掘进设备在t时刻所处的大地坐标空间位置，掘进设备的截割工艺、掘进设备的滚筒设计截割深度、掘进设备的滚筒移动范围约束，以及上一截割循环的断面空间轨迹数据、下一截割循环的煤层顶底板数据、下一截割循环的巷道设计模型数据。

可选地，掘进设备姿态纠偏模板生成模块依据惯导装置获取的掘进设备的姿态数据，计算出基于统一大地坐标系中掘进设备姿态的数据，其中，掘进设备姿态的数据包括掘进设备的航向角、俯仰角和横滚角数据；

当t时刻掘进设备实际航向角与巷道设计方位角的差值超过第一预设阈值，则形成第一调整指令；当t时刻所述掘进设备实际俯仰角与此空间位置的煤层顶底板在巷道掘进方位铅锤剖面上的伪倾角的差值超过第二预设阈值时，则形成第二调整指令；当t时刻掘进设备横滚角与水平方向角度的差值超过第三预设阈值时，则形成第三调整指令。

可选地，巷道成形质量模型自动构建模块依据所述测距传感器所测顶帮距离数据，结合掘进设备的机械尺寸、位置和姿态数据，计算出每一t时刻巷道测点的大地坐标数据，依据计算的测点的大地坐标数据确定巷道成形质量断面数据，将不同时间点的巷道成形质量断面数据融合到统一大地坐标***中，构建出巷道成形质量模型；其中，巷道成形质量断面数据至少包括巷道成形高度和宽度，以及巷道实际方位等参数；

巷道成形质量模型用于对巷道成形质量进行评判。

可选地，掘进设备监控数据传输模块用于接收智能掘进管控平台模块生成的控制指令信息，并传输下发到所述掘进设备的控制器，实现基于所述自适应规划截割模板和姿态纠偏模板的控制信息对掘进设备进行远程控制。

可选地，掘进设备的位置数据、巷道设计模型、巷道成型质量模型、巷道导线点、探地层厚度数据、超前探测数据以及所述掘进设备的自适应规划截割模板数据均为与地质模型坐标系一致的空间大地坐标数据。

有益效果：

本申请提供的煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合***，通过在掘进设备上安装惯导装置、反射棱镜和测距传感器，利用全自动全站仪传导大地坐标实时标定反射棱镜，获取掘进设备精确的大地坐标定位数据、姿态数据和巷道截割数据；同时，结合基于统一大地坐标系构建的高精度三维动态地质模型和巷道设计模型，建立掘进设备和地质模型、巷道设计模型高度耦合的空间关系，通过数字孪生***还原井下掘进现场环境；利用数据传输处理模块生成掘进设备的自适应规划截割模板，航向角、俯仰角纠偏模板，通过智能掘进远程管控***指导掘进设备完成自适应规划截割和自动纠偏，为实现矿井的智能化掘进，提供了高度可行性、可靠性和实用化的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提出的一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型耦合***的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

相关技术中，掘进设备在井下三维空间设计巷道中进行割煤或岩的进机或退机移动时，即使利用了导航定位技术，目前所监测到的掘进设备空间参数也仅是位姿参数和相对定位参数，没有很好地与大地坐标***进行关联，不能监测到掘进设备移动过程中随时间变化的大地坐标数据，因此掘进设备在掘进过程中，不能将其纳入到与TGIS四维空间的地质模型和巷道设计模型融为一体的统一大地坐标系中。巷道设计图纸或图形，虽然是依据煤矿待采掘区域的、已知的、全部的地质资料设计出来的。但由于所用设计软件功能限制，目前多数设计仍处在用平面图、剖面图和断面图表达设计意图阶段，没有建立设计巷道三维空间模型和设计巷道一定空间范围的地质模型，更没有将此两模型在统一大地坐标系中融合为一个既包括设计巷道信息，又包括地质信息的综合模型。因此，目前不能依据探地层厚度数据、超前探测数据等新获取的地质信息及时动态更新和优化更接近实际的地质模型和巷道设计模型的综合模型。掘进设备在进机、退机移动过程中，由于没有与包含设计巷道信息和地质信息的综合模型进行关联，因而无法依据煤层在设计巷道空间上的形态变化，进行掘进设备空间姿态调整及循环截割的断面轮廓约束。因此，目前不少智能掘进工作面掘进时，经常出现时而破底板，时而丢底煤的现象，对掘进设备截割时俯仰角控制缺乏依据，现有的无人掘进方式的自适应性和实用性都受到较大影响。

有鉴于此，本申请提供的煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合***，通过在掘进设备上安装惯导装置、反射棱镜和测距传感器，利用全自动全站仪传导大地坐标实时标定反射棱镜，获取掘进设备精确的大地坐标定位数据、姿态数据和巷道截割数据；同时，结合基于统一大地坐标系构建的高精度三维动态地质模型和巷道设计模型，建立掘进设备和地质模型、巷道设计模型高度耦合的空间关系，通过数字孪生***还原井下掘进现场环境；利用数据传输处理模块生成掘进设备的自适应规划截割模板，航向角、俯仰角纠偏模板，通过智能掘进远程管控***指导掘进设备完成自适应规划截割和自动纠偏，为实现矿井的智能化掘进，提供了高度可行性、可靠性和实用化的解决方案。

实施例一

参照图1，示出了本申请一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型耦合***的结构框图，如图1所示，本申请实施例一提供一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合***，包括：

通过网络设备实现通信的掘进设备监测监控模块、数据存储处理模块和智能掘进管控平台模块，各模块通过网络设备实现连接和信息交互，即每模块均安装有相应的网络通信设备；其中：

掘进设备监测监控模块包括掘进设备、惯导装置、反射棱镜、全自动全站仪、测距传感器、信息传输设备、规划截割模块和姿态调控模块；

掘进设备用于矿井巷道掘进工作面进行截割破碎煤或岩、并对所述截割破碎煤或岩进行第一次装载转运以及临时、永久支护的自动化设备；掘进设备可以是综掘机，也可以是掘锚一体机，还可以是是连采机，在此不做限定。掘进设备上可安装承载惯导装置、反射棱镜、测距传感器和信息传输设备等，并能为其安装的监测监控设备提供电源。

惯导装置是指依据掘进设备外形尺寸、内部结构、机体纵横轴线、中心或质心等特征参数，安装在掘进设备上的惯性导航测量仪器，用于掘进设备在截割煤或岩、装载清底、前进、后退或停机过程中自动实时获取掘进设备姿态信息，姿态信息至少包括：时间t、俯仰角θ、横滚角φ、航向角ψ。

反射棱镜安装在掘进设备长轴方向中轴线上的后部上，用于辅助全自动全站仪实时标定掘进设备的反射棱镜安装位置的大地坐标。

全自动全站仪安装在距掘进设备的尾部最近的一个导线点的巷道顶板下，通过操平，利用三个已知导线点坐标数据，进行后视核验设站，满足测量限差精度要求后，在保证全自动全站仪与掘进设备上安装的反射棱镜之间具备通视的条件下，全自动全站仪设置为自动跟踪反射棱镜测量状态，并将全自动全站仪目镜照到掘进设备安装好的反射棱镜上，可自动捕捉对准反射棱镜，并自动实时获取反射棱镜点的大地坐标(x、y、z、t)。

测距传感器按其安装位置不同，包括巷道顶板测距传感器和巷道帮部测距传感器，巷道顶板测距传感器有两个，两个巷道顶板测距传感器均安装在掘进设备顶表面上，相对于掘进设备纵轴线对称；两个巷道测距传感器垂直掘进设备顶表面且朝向巷道顶板，用于实时获取两个顶板测距点距巷道顶板的距离数据；巷道帮部测距传感器有两个，两个巷道帮部测距传感器分别安装在巷道帮部左右两侧，在通过两个顶板测距点且垂直于掘进设备顶表面的断面上，在该断面与掘进设备左右两侧外表面相交的交线上，上下相距一定距离的位置处各安装一个巷道帮部测距传感器，用于实时获取两个帮部测距点距巷道帮部的距离数据。

信息传输设备包括第一信息传输子设备和第二信息传输子设备；

第一信息传输子设备安装在掘进设备上，用于接收第一信息，并通过网络传输将第一信息上传给数据存储处理模块；第一信息至少包括：掘进设备运行监测数据、惯导装置实时获取的姿态数据和测距传感器实时获取的顶帮距离数据；第一信息传输子设备还用于接收数据处理模块下发的控制指令数据并传输给掘进设备；

第二信息传输子设备安装在全自动全站仪上，用于接收第二信息，并可通过网络传输上传数据给数据存储处理模块；第二信息至少包括全自动全站仪实时获取的掘进设备安装的反射棱镜点的大地坐标数据(x、y、z、t、)，并可通过传输网络上传数据给数据存储处理模块的信息传输设备。

规划截割模块安装在掘进设备上，通过信息传输设备接收数据存储处理模块下发的自适应规划截割模板数据，也即掘进设备截割滚筒自动截割控制指令数据。基于截割模板数据控制掘进设备进行割煤破岩；掘进设备的自适应规划截割模板数据可用于自动调节约束掘进设备截割滚筒截割的巷道顶底高度、宽度和截割运行轨迹，每一掘进循环中截割滚筒始终在自适应规划截割模板限定的截割断面轮廓线区域内进行割煤破岩。

姿态调控模块安装在掘进设备上，通过信息传输设备接收数据存储处理模块下发的掘进设备的姿态纠偏模板数据，基于姿态纠偏模板数据调控掘进设备的航向角、俯仰角和横滚角，以控制掘进设备的截割和行走过程中的姿态；掘进设备航向角追求趋近巷道设计方位角，俯仰角追求趋近在下一掘进循环处巷道中线铅锤剖面上煤层顶底板的伪倾角，横滚角追求趋近于水平。俯仰角、横滚角的纠偏调整要与掘进设备的自适应规划截割模板数据相关联，巷道底板截割扫底要平整，有利于掘进设备横滚角调平，每一掘进循环中截割断面底板轮廓线的抬升量或降低量要与煤层顶底板伪倾角接近一致，有利于掘进设备在每一截割循环前俯仰角的调控。

数据存储处理模块包括数据存储模块和数据处理模块。

数据储存模块包括初始数据存储子模块和处理数据存储子模块。

初始数据存储子模块用于存储初始数据，初始数据至少包括：带有或不带有时间戳的巷道导线点、掘进设备模型、地质模型、巷道设计模型、探地层厚度数据、超前探测数据、惯导装置、全自动全站仪、测距传感器及设备自身监测数据。

处理数据存储子模块用于存储将初始数据进行数据处理后的处理数据，处理数据至少包括：带有或不带有时间戳的掘进设备的位置和姿态数据、动态更新后的地质模型和巷道设计模型数据、掘进设备的自适应规划截割模板、掘进设备的姿态纠偏模板、巷道成形质量模型数据。

数据处理模块包括掘进设备的位置和姿态计算模块、地质模型与巷道设计模型动态更新模块、自适应规划截割模板生成模块、姿态纠偏模板生成模块、巷道成形质量模型自动构建模块、掘进设备监控数据传输模块。

智能掘进管控平台模块包括掘进工作面数字孪生***和智能掘进远程管控***；

时态地理信息***(Temporal Geographic Information System，以下简称TGIS)，是以表达、管理和分析动态变化的时空对象为目的，在二维地理信息***(2DGeographic Information System，以下简称2DGIS)或者三维地理信息***(3DGeographic Information System，以下简称3DGIS)基础上加入时间变量而构成的地理信息***，有(x，y，t)、(x，y，z，t)两种表达、数据存储和处理模式，其核心是时空数据库。

掘进工作面数字孪生***用于构建模型，模型至少包括：地质模型、巷道设计模型、掘进设备模型、掘进工作面后配套设备模型、巷道成形质量模型等，并基于统一大地坐标系将模型进行有机融合与关联展示的时态地理信息***；掘进工作面数字孪生***将所建模型数据与掘进设备自身监测监控数据、掘进工作面环境监测数据等进行关联融合，具有利用融合数据驱动各类孪生模型动作功能，可通过所融合的掘进工作面各类孪生模型实现掘进工作面实时场景的三维可视化再现。

智能掘进远程管控***用于下发掘进设备的自适应规划截割模板和姿态纠偏模板的控制指令以及其他动作指令，并可通过视频可视化和三维虚拟可视化双可视化手段，实时监控控制指令的执行情况，特殊情况还可进行人工远程干预。

本申请提供的煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合***，通过掘进设备监测监控模块中安装在掘进设备上的惯导装置、反射棱镜、测距传感器，安装在掘进设备后部巷道顶板上的全自动全站仪以及相关信息传设设备，可实时获取掘进设备的惯导数据、反射棱镜的大地坐标数据和测距传感器的测距数据等，并通过传输网络传输至数据存储处理模块。数据传输处理模块将汇聚到掘进设备惯导数据、测距数据和反射棱镜大地坐标数据等进行转换、计算、关联、处理等操作，生成在统一大地坐标***中的掘进设备定位数据和位姿数据以及巷道成形质量数据。同时，结合探地层厚度数据、巷道地质素描数据和超前探测数据动态优化更新得到新的地质模型和巷道设计模型。在此基础上，建立了基于统一大地坐标系的掘进设备与巷道地质模型、巷道设计模型、巷道成形质量模型高度耦合的空间信息逻辑关系，通过数字孪生***还原井下掘进现场环境；利用数据传输处理模块生成掘进设备的自适应规划截割模板和姿态纠偏模板，通过智能掘进远程管控***指导掘进设备完成自适应规划截割和自动纠偏；为实现基于掘进设备精确定位、三维巷道地质模型与巷道设计模型动态优化更新自适应规划截割煤或岩和掘进设备姿态自动纠偏远程控制，提供了高度可行性、可靠性、自适应性和实用化的解决方案，提高了煤矿掘进工作面智能化掘进水平。解决了“掘进设备与综合模型之间随时间推延在空间变化上不能耦合，掘进设备数据的动态更新及时性和准确性低，无法实现矿井的智能化掘进”的问题。

在另一种实施方式中，掘进设备位置和姿态计算模块用于将惯导装置实时获取的掘进设备的姿态数据和全自动全站仪实时获取的反射棱镜的大地坐标数据，经坐标系转换、空间距离解算、初始数据配对关联等操作计算得出掘进设备的基于统一大地坐标系的时空位姿数据(x、y、z、t、ψ、θ、φ)。

在本实施方式中，地质模型与巷道设计模型动态更新模块为巷道地质设计综合模型，巷道地质设计综合模型用于将构建的地质模型和巷道设计模型在统一大地坐标系中融合为一体，并依据巷道掘进过程中揭露的最新地质信息数据动态更新融合一体，地质信息数据至少包括：探地层厚度数据、超前探测数据，形成更具符合实际的、能够精确指导掘进设备自适应截割的地质设计综合模型。

在本实施方式中，自适应规划截割模板生成模块是通过动态更新得到的巷道地质设计综合模型，依据空间数据与机械约束条件，优化计算出t时刻所述掘进设备下一截割循环的自适应规划截割模板，也即约束所述掘进设备的截割滚筒截割的巷道断面轮廓线区域及规划截割路径，巷道断面轮廓线区域包括地质信息、断面设计信息和大地坐标信息。

其中，空间数据与机械约束条件至少包括：掘进设备在t时刻所处的大地坐标空间位置，掘进设备的截割工艺、掘进设备的滚筒设计截割深度、掘进设备的滚筒移动范围约束，以及上一截割循环的断面空间轨迹数据、下一截割循环的煤层顶底板数据、下一截割循环的巷道设计模型数据。

巷道断面轮廓线区域可设置足够的特征点(如矩形巷道断面四角点、顶底板中线点、两帮线中间点，或半圆拱形巷道底板两帮底脚点、拱基线点、拱肩点、拱顶点等)，每个特征点为基于统一大地坐标系的空间坐标数据，依据此数据可控制所述掘进设备的截割滚筒按照规划截割路径进行自适应截割，约束截割滚筒运动轨迹不超出巷道断面轮廓线区域，确保巷道截割成形符合质量标准要求。

在其中另一种实施例中，掘进设备姿态纠偏模板生成模块依据惯导装置获取的掘进设备的姿态数据，计算出基于统一大地坐标系中掘进设备姿态的数据，其中，掘进设备姿态的数据包括掘进设备的航向角、俯仰角和横滚角数据。

当t时刻掘进设备实际航向角与巷道设计方位角的差值超过第一预设阈值，则形成第一调整指令；当t时刻所述掘进设备实际俯仰角与此空间位置的煤层顶底板在巷道掘进方位铅锤剖面上的伪倾角的差值超过第二预设阈值时，则形成第二调整指令；当t时刻掘进设备横滚角与水平方向角度的差值超过第三预设阈值时，则形成第三调整指令。

在本实施方式中，巷道成形质量模型自动构建模块依据所述测距传感器所测顶帮距离数据，结合掘进设备的机械尺寸、位置和姿态数据，计算出每一t时刻巷道测点的大地坐标数据，巷道测点是满足质量验收标准要求的质量验收测点；依据计算的测点的大地坐标数据确定巷道成形质量断面数据，将不同时间点的巷道成形质量断面数据融合到统一大地坐标***中，构建出巷道成形质量模型；将此模型与巷道设计模型相比较，可对巷道成形质量进行评判。其中，巷道成形质量断面数据至少包括巷道成形高度和宽度，以及巷道实际方位等参数。

巷道成形质量模型用于对巷道成形质量进行评判。

在其中一种实施例中，掘进设备监控数据传输模块用于接收智能掘进管控平台模块生成的控制指令信息，并传输下发到所述掘进设备的控制器，实现基于所述自适应规划截割模板和姿态纠偏模板的控制信息对掘进设备进行远程控制。

上述地质模型与巷道设计模型均为可随着矿井掘进生产活动获取的地质信息数据而动态更新的模型。

掘进工作面数字孪生***将所有模型数据与掘进设备的自身监测监控数据、掘进工作面环境监测数据进行关联融合，具有利用融合数据驱动各类孪生模型动作功能，可通过所融合的掘进工作面各类孪生模型实现掘进工作面实时场景的三维可视化再现。

应当理解地，本申请说明书尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

以上对本申请所提供的一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合***，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种煤矿掘进设备与地质模型、巷道设计模型的耦合***，其特征在于，包括通过网络设备实现通信的掘进设备监测监控模块、数据存储处理模块和智能掘进管控平台模块，其中：

所述掘进设备监测监控模块包括掘进设备、惯导装置、反射棱镜、全自动全站仪、测距传感器、信息传输设备、规划截割模块和姿态调控模块；

所述掘进设备用于矿井巷道掘进工作面进行截割破碎煤或岩、并对所述截割破碎煤或岩进行第一次装载转运以及临时、永久支护的自动化设备；

所述惯导装置安装在所述掘进设备上，用于实时获取所述掘进设备的姿态信息；

所述反射棱镜安装在所述掘进设备上，用于辅助全自动全站仪实时标定所述掘进设备的所述反射棱镜安装位置的大地坐标；所述全自动全站仪安装在距所述掘进设备的尾部最近的一个导线点的巷道顶板下，可自动捕捉对准所述反射棱镜，并自动实时获取反射棱镜点的大地坐标；

所述测距传感器按其安装位置不同，包括巷道顶板测距传感器和巷道帮部测距传感器，所述巷道顶板测距传感器有两个，两个所述巷道顶板测距传感器均安装在所述掘进设备顶表面上，相对于所述掘进设备纵轴线对称；两个所述巷道顶板测距传感器垂直所述掘进设备顶表面且朝向巷道顶板，用于实时获取两个顶板测距点距所述巷道顶板的距离数据；所述巷道帮部测距传感器有两个，两个所述巷道帮部测距传感器分别安装在巷道帮部左右两侧，用于实时获取两个帮部测距点距所述巷道帮部的距离数据；

所述信息传输设备包括第一信息传输子设备和第二信息传输子设备；

所述第一信息传输子设备安装在所述掘进设备上，用于接收第一信息，并通过网络传输将所述第一信息上传给所述数据存储处理模块；所述第一信息至少包括：所述掘进设备运行监测数据、所述惯导装置实时获取的姿态数据和所述测距传感器实时获取的顶帮距离数据；所述第一信息传输子设备还用于接收数据处理模块下发的控制指令数据并传输给所述掘进设备；

所述第二信息传输子设备安装在所述全自动全站仪上，用于接收第二信息，并可通过网络传输上传数据给所述数据存储处理模块；所述第二信息至少包括所述全自动全站仪实时获取的所述掘进设备安装的反射棱镜点的大地坐标数据；

所述规划截割模块安装在所述掘进设备上，通过所述信息传输设备接收所述数据存储处理模块下发的自适应规划截割模板数据，基于所述截割模板数据控制所述掘进设备进行割煤破岩；

所述姿态调控模块安装在所述掘进设备上，通过所述信息传输设备接收所述数据存储处理模块下发的所述掘进设备的姿态纠偏模板数据，基于所述姿态纠偏模板数据调控所述掘进设备的航向角、俯仰角和横滚角，以控制所述掘进设备的截割和行走过程中的姿态；

所述数据存储处理模块包括数据存储模块和数据处理模块；

所述数据存储模块包括初始数据存储子模块和处理数据存储子模块，所述初始数据存储子模块用于存储初始数据，所述初始数据至少包括：巷道导线点、掘进设备模型、地质模型、巷道设计模型、探地层厚度数据、超前探测数据、惯导装置、全自动全站仪、测距传感器及设备自身监测数据；所述处理数据存储子模块用于存储将所述初始数据进行数据处理后的处理数据，所述处理数据至少包括：所述掘进设备的位置和姿态数据、动态更新后的地质模型和巷道设计模型数据、所述掘进设备的自适应规划截割模板、所述掘进设备的姿态纠偏模板、巷道成形质量模型数据；

所述数据处理模块包括所述掘进设备的位置和姿态计算模块、地质模型与巷道设计模型动态更新模块、自适应规划截割模板生成模块、姿态纠偏模板生成模块、巷道成形质量模型自动构建模块、掘进设备监控数据传输模块；

所述智能掘进管控平台模块包括掘进工作面数字孪生***和智能掘进远程管控***；

所述掘进工作面数字孪生***用于构建模型，所述模型至少包括：地质模型、巷道设计模型、掘进设备模型、掘进工作面后配套设备模型、巷道成形质量模型，并基于统一大地坐标系将所述模型进行有机融合与关联展示的时态地理信息***；

所述智能掘进远程管控***用于下发所述掘进设备的自适应规划截割模板和姿态纠偏模板的控制指令以及其他动作指令，并可通过视频可视化和三维虚拟可视化双可视化手段，实时监控控制指令的执行情况。

2.根据权利要求1所述的耦合***，其特征在于，所述掘进设备位置和姿态计算模块用于将所述惯导装置实时获取的所述掘进设备的姿态数据和所述全自动全站仪实时获取的所述反射棱镜的大地坐标数据，计算得出所述掘进设备的基于统一大地坐标系的时空位姿数据。

3.根据权利要求1所述的耦合***，其特征在于，所述地质模型与巷道设计模型动态更新模块为巷道地质设计综合模型，所述巷道地质设计综合模型用于将构建的地质模型和巷道设计模型在统一大地坐标系中融合为一体，并依据巷道掘进过程中揭露的最新地质信息数据动态更新融合一体。

4.根据权利要求3所述的耦合***，其特征在于，所述自适应规划截割模板生成模块是通过动态更新得到的所述巷道地质设计综合模型，依据空间数据与机械约束条件，优化计算出t时刻所述掘进设备下一截割循环的自适应规划截割模板，也即约束所述掘进设备的截割滚筒截割的巷道断面轮廓线区域及规划截割路径，所述巷道断面轮廓线区域包括地质信息、断面设计信息和大地坐标信息；

其中，所述空间数据与机械约束条件至少包括：所述掘进设备在t时刻所处的大地坐标空间位置，所述掘进设备的截割工艺、所述掘进设备的滚筒设计截割深度、所述掘进设备的滚筒移动范围约束，以及上一截割循环的断面空间轨迹数据、下一截割循环的煤层顶底板数据、下一截割循环的巷道设计模型数据。

5.根据权利要求1所述的耦合***，其特征在于，所述掘进设备姿态纠偏模板生成模块依据所述惯导装置获取的所述掘进设备的姿态数据，计算出基于统一大地坐标系中所述掘进设备姿态的数据，其中，所述掘进设备姿态的数据包括所述掘进设备的航向角、俯仰角和横滚角数据；

当t时刻所述掘进设备实际航向角与巷道设计方位角的差值超过第一预设阈值，则形成第一调整指令；当t时刻所述掘进设备实际俯仰角与此空间位置的煤层顶底板在巷道掘进方位铅锤剖面上的伪倾角的差值超过第二预设阈值时，则形成第二调整指令；当t时刻掘进设备横滚角与水平方向角度的差值超过第三预设阈值时，则形成第三调整指令。

6.根据权利要求1所述的耦合***，其特征在于，所述巷道成形质量模型自动构建模块依据所述测距传感器所测顶帮距离数据，结合所述掘进设备的机械尺寸、位置和姿态数据，计算出每一t时刻巷道测点的大地坐标数据，依据计算的所述测点的大地坐标数据确定巷道成形质量断面数据，将不同时间点的所述巷道成形质量断面数据融合到统一大地坐标***中，构建出巷道成形质量模型；其中，所述巷道成形质量断面数据至少包括巷道成形高度和宽度，以及巷道实际方位参数；

所述巷道成形质量模型用于对巷道成形质量进行评判。

7.根据权利要求1所述的耦合***，其特征在于，所述掘进设备监控数据传输模块用于接收所述智能掘进管控平台模块生成的控制指令信息，并传输下发到所述掘进设备的控制器，实现基于所述自适应规划截割模板和所述姿态纠偏模板的控制信息对所述掘进设备进行远程控制。

8.根据权利要求1所述的耦合***，其特征在于，所述掘进设备的位置数据、巷道设计模型、巷道成型质量模型、巷道导线点、探地层厚度数据、超前探测数据以及所述掘进设备的自适应规划截割模板数据均为与地质模型坐标系一致的空间大地坐标数据。