RU2780305C1

RU2780305C1 - System and method for creating a highly precise three-dimensional navigation map of a fully mechanised pit face

Info

Publication number: RU2780305C1
Application number: RU2021123559A
Authority: RU
Inventors: Ваньли ЛЮ; Шижун ГЭ; Шибо ВАН; Шисюэ И
Original assignee: Чайна Юниверсити Оф Майнинг Энд Текнолоджи
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2022-09-21

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: system and method for creating a highly precise three-dimensional navigation map of a fully mechanised pit face used in the technical field of unmanned mining. System comprises: a channel-wave seismometer, a laser radar, a combined navigation apparatus, a ground penetrating radar, and a data processing unit; the data processing unit receives the data collected by the sensors, performs coordinate transformation, parameter merging, and coordinated processing of the collected data to form a triangular Delaunay grid of the coal layer, fault/fold, and working, builds a highly precise profile map of the triangular map, calculates the topological ratio of the profile map, forms the topological data structure of the profile map, creates a platform of the database of automatic navigation information requests based on the highly precise profile map, and creates a highly precise three-dimensional navigation map of the fully mechanised pit face. The highly precise three-dimensional navigation map created by means of the invention can provide precise information on the thickness of the coal layer, the variation in the bedding angle of the coal layer and the spatial position of the dangerous geological structure for fully mechanised mining equipment, and has such features as high-precision positioning, information reading, and path planning.

EFFECT: possibility of creating a highly precise three-dimensional navigation map for a fully mechanised pit face.

5 cl, 3 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES

Настоящее изобретение относится к системе формирования и к способу формирования, в частности к системе для формирования высокоточной трехмерной навигационной карты полностью механизированного очистного забоя и к способу, который применим к технической области беспилотной горной добычи.The present invention relates to a generation system and a generation method, in particular, a system for generating a highly accurate 3D navigation map of a fully mechanized stope and a method that is applicable to the technical field of unmanned mining.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

Беспилотная горная добыча на угольных шахтах - это передовая технология, применяемая в международной угледобывающей отрасли, являющаяся важным средством сокращения несчастных случаев и обеспечения безопасного производства, а также являющаяся эффективным способом достижения безопасной, эффективной и экологически чистой добычи на угольных шахтах в Китае. В настоящее время беспилотная горная добыча может быть реализована путем использования комбинации памяти резания и ручного удаленного вмешательства на очистных забоях, где геологические условия и структура угольного пласта относительно просты. Однако геологические условия и структура угольных пластов на большинстве горных выработок в Китае очень сложны (например, угольный пласт сильно колеблется, и есть опасные геологические структуры, такие как разломы и складки), что делает невозможным реализацию беспилотной горной добычи с существующими в предшествующем уровне техники технологиями.Unmanned coal mining is an advanced technology applied in the international coal mining industry, an important means of reducing accidents and ensuring safe production, and an effective way to achieve safe, efficient and environmentally friendly coal mining in China. Currently, unmanned mining can be implemented by using a combination of cutting memory and manual remote intervention at production faces where the geological conditions and coal seam structure are relatively simple. However, the geological conditions and structure of coal seams in most mines in China are very complex (for example, the coal seam is highly oscillating, and there are dangerous geological structures such as faults and folds), which makes it impossible to implement unmanned mining with existing technologies in the prior art. .

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION

Техническая проблема: ввиду недостатков вышеупомянутой технологии настоящее изобретение обеспечивает систему для формирования высокоточной трехмерной навигационной карты полностью механизированного угольного очистного забоя и соответствующий способ, причем способ имеет простые этапы, удобен для применения, может обеспечивать полную автоматизацию и высокую точность.Technical problem: In view of the shortcomings of the above technology, the present invention provides a system for generating a high-precision 3D navigation map of a fully mechanized coal working face and a corresponding method, the method having simple steps, convenient to use, can achieve complete automation and high accuracy.

Для достижения вышеупомянутой технической цели система для формирования высокоточной трехмерной навигационной карты полностью механизированного очистного забоя, предусмотренная в настоящем изобретении, содержит мобильную измерительную платформу, установленную на транспортном средстве, и пластовые сейсмографы, расположенные с двух сторон угольного пласта, подлежащего разработке, при этом пластовый сейсмограф содержит передатчики, расположенные с интервалами в верхней части выработки, и приемники, расположенные с интервалами в нижней части выработки, при этом приемники соединены друг с другом через сетевые кабели и подключены к беспроводному передатчику.In order to achieve the above technical goal, the system for generating a high-precision three-dimensional navigation map of a fully mechanized stope provided in the present invention includes a mobile measuring platform installed on a vehicle and reservoir seismographs located on both sides of the coal seam to be mined, while the reservoir seismograph contains transmitters located at intervals in the upper part of the working, and receivers located at intervals in the lower part of the working, while the receivers are connected to each other through network cables and connected to a wireless transmitter.

Мобильная измерительная платформа, установленная на транспортном средстве, снабжена процессором для приема данных, лазерным радаром, инерциальным навигационным устройством и георадаром, при этом процессор для приема данных и георадар закреплены над мобильной измерительной платформой, установленной на транспортном средстве, а лазерный радар закреплен над процессором для приема данных, инерциальное навигационное устройство закреплено в центре мобильной измерительной платформы, установленной на транспортном средстве, причем лазерный радар, инерциальное навигационное устройство и георадар передают данные процессору для приема данных через сетевые кабели, а приемник пластового сейсмографа передает данные процессору для приема данных через беспроводной передатчик.The mobile measuring platform installed on the vehicle is equipped with a processor for receiving data, a laser radar, an inertial navigation device and a georadar, while the processor for receiving data and the georadar are fixed above the mobile measuring platform installed on the vehicle, and the laser radar is fixed above the processor for receiving data, the inertial navigation device is fixed in the center of the mobile measuring platform installed on the vehicle, and the laser radar, the inertial navigation device and the georadar transmit data to the processor for receiving data via network cables, and the reservoir seismograph receiver transmits data to the processor for receiving data via a wireless transmitter .

Передатчики являются пластовыми передатчиками сейсмических сигналов, а приемники - пластовыми приемниками сейсмических сигналов, при этом пластовые приемники сейсмических сигналов передают данные процессору для приема данных через беспроводной передатчик, а пластовые передатчики сейсмических сигналов расположены в соответствии с пластовыми приемникам сейсмических сигналов для формирования последовательности обнаружения пластовых сейсмических сигналов.The transmitters are formation seismic transmitters and the receivers are formation seismic receivers, wherein the formation seismic receivers transmit data to a processor for receiving data via a wireless transmitter, and the formation seismic transmitters are arranged in correspondence with the formation seismic receivers to form a formation seismic acquisition sequence. signals.

Способ формирования высокоточной трехмерной навигационной карты полностью механизированного очистного забоя включает следующие этапы:The method for generating a high-precision three-dimensional navigation map of a fully mechanized stope includes the following steps:

а) перемещение мобильной измерительной платформы, установленной на транспортном средстве, с постоянной скоростью около 40 км/ч по верхней части выработки, левой поперечной части выработки, нижней части выработки и правой поперечной части выработки вокруг угольного пласта, подлежащего разработке;a) moving a mobile measuring platform mounted on a vehicle at a constant speed of about 40 km/h along the upper part of the working, the left transverse part of the working, the lower part of the working, and the right transverse part of the working around the coal seam to be mined;

b) перемещение процессора для приема данных в местоположение рядом с беспроводным передатчиком вместе с мобильной измерительной платформой, установленной на транспортном средстве, с получением посредством беспроводных сигналов геологических данных угольного пласта, подлежащего разработке, собранных пластовыми сейсмографами, причем геологические данные включают информацию о толщине угольного пласта, подлежащего разработке, изменении угла наклона угольного пласта и пространственных положениях опасных геологических структур;b) moving the data receiving processor to a location adjacent to the wireless transmitter along with a vehicle-mounted mobile measurement platform to wirelessly acquire geological data of the coal seam to be mined collected by seam seismographs, the geological data including coal seam thickness information to be developed, changing the angle of inclination of the coal seam and the spatial positions of dangerous geological structures;

непрерывное излучение лазерного луча из лазерного радара на поверхность кровли выработки и вычисление расстояния между поверхностью выработки и лазерным радаром в соответствии с разностью времени возврата принятого отраженного лазерного луча с формированием данных трехмерного облака точек выработки; передачу данных трехмерного облака точек от лазерного радара процессору для приема данных через сетевой кабель;continuously emitting a laser beam from the laser radar onto the surface of the working roof and calculating the distance between the working surface and the laser radar according to the return time difference of the received reflected laser beam to generate three-dimensional point cloud data of the working; transmitting the 3D point cloud data from the laser radar to a processor for receiving the data via a network cable;

вычисление информации о местоположении, ориентации и траектории движения мобильной измерительной платформы, установленной на транспортном средстве, с использованием инерциального навигационного устройства в соответствии с угловой скоростью вращения и вектором ускорения мобильной измерительной платформы, установленной на транспортном средстве, относительно инерциальной системы, а затем передача информации в процессор для приема данных через сетевое кабельное соединение;calculating information about the location, orientation and trajectory of the vehicle-mounted mobile measurement platform using the inertial navigation device in accordance with the angular velocity and acceleration vector of the vehicle-mounted mobile measurement platform relative to the inertial system, and then transmitting the information to a processor for receiving data via a network cable connection;

излучение сигналов электромагнитных волн из георадара в угольный пласт на кровле выработки через блок излучателя и точное вычисление данных о толщине оставшегося угля в верхней и нижней кровлях выработки полностью механизированного очистного забоя с использованием блока приемника путем обнаружения времени распространения сигналов электромагнитных волн в угольном пласте, и передачу данных в процессор для приема данных через соединение сетевого кабеля;radiation of electromagnetic wave signals from the georadar into the coal seam on the roof of the working through the emitter unit and accurate calculation of data on the thickness of the remaining coal in the upper and lower roofs of the working of a fully mechanized stope using the receiver unit by detecting the propagation time of electromagnetic wave signals in the coal seam, and transmitting data to the processor for receiving data through a network cable connection;

c) выполнение преобразования координат, слияния признаков и согласованной обработки данных, собранных посредством мобильной измерительной платформы, установленной на транспортном средстве, и пластовых сейсмографов;c) performing coordinate transformation, feature fusion, and consistent processing of data collected by vehicle-mounted mobile measurement platform and reservoir seismographs;

d) обработку данных, собранных посредством мобильной измерительной платформы, установленной на транспортном средстве, и пластовых сейсмографов, с использованием процессора для приема данных, и формирование треугольной сетки Делоне угольного пласта, разломов/складок и выработок полностью механизированного очистного забоя, подлежащего разработке, соответственно;d) processing data collected by a vehicle-mounted mobile measurement platform and seam seismographs using a processor to receive data, and generating a triangular Delaunay grid of the coal seam, faults/folds and workings of a fully mechanized stope to be mined, respectively;

e) использование треугольной сетки Делоне угольного пласта, разломов/складок и выработок, сформированной на этапе d, для построения высокоточной карты профиля треугольной сетки Делоне, вычисления топологического соотношения карты профиля и формирования топологической структуры данных карты профиля;e) using the Delaunay triangular grid of the coal seam, faults/folds and workings generated in step d to build a high-precision triangular Delaunay grid profile map, calculate the profile map topological relation, and generate the profile map topological data structure;

f) создание базы данных автоматических запросов навигационной информации полностью механизированного очистного забоя, подлежащего разработке, включающей запросы толщины угольного пласта, угла наклона угольного пласта, пространственных положений разломов/складок и пространственных положений выработок, и формирование высокоточной трехмерной навигационной карты полностью механизированного очистного забоя согласно данным, собранным посредством мобильной измерительной платформы, установленной на транспортном средстве, и пластовых сейсмографов, и согласно сформированной треугольной сетки Делоне и высокоточной карте профиля угольного пласта, разломов/складок и выработок полностью механизированного очистного забоя, подлежащего разработке.f) creating a database of automatic requests for navigation information of a fully mechanized working face to be developed, including requests for coal seam thickness, coal seam dip angle, spatial positions of faults/folds and spatial positions of workings, and the formation of a high-precision three-dimensional navigation map of a fully mechanized working face according to the data collected by means of a mobile measuring platform mounted on a vehicle and formation seismographs, and according to the formed triangular Delaunay grid and a high-precision map of the coal seam profile, faults/folds and workings of a fully mechanized stope to be mined.

Способ преобразования координат, слияния признаков и согласованной обработки данных, собранных посредством мобильной измерительной платформы, установленной на транспортном средстве, и пластовых сейсмографов, заключается в следующем: во-первых, формулируют идентичные и аналогичные признаки атрибутов путем категоризации и классификации собранных элементов данных и путем сопоставления атрибутов признаков в соответствии с неизменяемыми признаками полностью механизированного очистного забоя, организуют и выражают признаки атрибутов с использованием метода наименьших квадратов, и создают таблицу преобразования признаков атрибутов для устранения различий в признаках атрибутов, возникающих в результате различных критериев категоризации и классификации, и тем самым добиваются согласованности собранных данных в выражении признаков; затем объединяют признаки атрибутов собранных данных с использованием метода, основанного на сопоставлении объектов с такими же именами.The method of coordinate transformation, feature fusion and consistent processing of data collected by vehicle-mounted mobile measurement platform and reservoir seismographs is as follows: first, identical and similar attribute features are formulated by categorizing and classifying the collected data items and by matching feature attributes according to the fixed features of fully mechanized stope, organize and express the attribute features using the least squares method, and create an attribute feature conversion table to eliminate attribute feature differences resulting from different categorization and classification criteria, and thereby achieve consistency collected data in the expression of features; then, attributes attributes of the collected data are combined using a method based on matching objects with the same names.

В частности, для преобразования координат используется метод преобразования координат с семью параметрами:In particular, the coordinate transformation method with seven parameters is used to transform coordinates:

где (X, Y, Z)^T - трехмерные координаты угольного пласта, подлежащего разработке; (X', Y', Z')^T - трехмерные координаты выработки, просканированной лазером; ΔX, ΔY и ΔZ - параметры преобразования между двумя началами координат; ε_x, ε_Y и ε_z - параметры вращения трех координатных осей; а m - параметр масштабирования.where (X, Y, Z) ^T - three-dimensional coordinates of the coal seam to be developed; (X', Y', Z') ^T - three-dimensional coordinates of the working, scanned by the laser; ΔX, ΔY and ΔZ - transformation parameters between two origins; ε _x , ε _Y and ε _z - rotation parameters of the three coordinate axes; and m is the scaling parameter.

При этом метод слияния признаков данных, собранных посредством мобильной измерительной платформы, установленной на транспортном средстве, и пластовых сейсмографов, использует по меньшей мере один из следующих методов слияния: метод параметризованного шаблона; алгоритм сжатия и кластеризации признаков; алгоритм аппроксимации методом К-ближайших соседей; искусственная нейронная сеть и метод нечеткого интеграла.Wherein, the feature fusion method of the data collected by the vehicle-mounted mobile measurement platform and the reservoir seismographs uses at least one of the following fusion methods: a parameterized template method; feature compression and clustering algorithm; approximation algorithm by the K-nearest neighbors method; artificial neural network and fuzzy integral method.

Этапы формирования треугольной сетки Делоне угольного пласта, разломов/складок и выработок полностью механизированного очистного забоя, подлежащего разработке, включают:The stages of formation of a triangular Delaunay grid of a coal seam, faults/folds and workings of a fully mechanized stope to be mined include:

d1) во-первых, сортировку всех данных, участвующих в построении сети, включая данные угольного пласта, разломов/складок и выработок, сканированные лазером, и данные кровли, обнаруженные георадаром, в порядке возрастания и в последовательности: координата X, затем координата Y и затем координата Z, а затем сохранение отсортированных данных в связанном списке данных точек;d1) first, sorting all the data involved in building the network, including laser-scanned coal seam, fault/fold and working data, and ground-penetrating radar detected roof data, in ascending order and in sequence: X coordinate, then Y coordinate, and then the Z coordinate, and then storing the sorted data in a linked list of point data;

d2) создание индексов сетки данных точек в соответствии со связанным списком данных точек, управление данными точек в блоках и сохранение ограничивающих ребер в линейном связанном списке;d2) creating grid indexes of the point data according to the linked list of point data, managing the point data in blocks, and storing bounding edges in a linear linked list;

d3) последовательное восстановление ограничивающих ребер в качестве базовых ребер из линейного связанного списка, применение критерия максимального прилежащего угла с формированием левого треугольника и правого треугольника в качестве исходной треугольной сетки или с формированием треугольника, если ограничивающие ребра являются границами, и сохранение треугольника(-ов) в исходной треугольной сетке;d3) successively restoring the bounding edges as base edges from the linear linked list, applying the maximum included angle criterion, forming a left triangle and a right triangle as the original triangular mesh, or forming a triangle if the bounding edges are boundaries, and retaining the triangle(s) in the original triangular grid;

d4) использование трех ребер слоя треугольников, вновь сформированных на этапе d3, в качестве базовых ребер, и формирование новой треугольной сетки путем использования метода одноэтапного роста: восстановление базового ребра, нахождение третьей точки, которая составляет треугольник с базовой линией согласно критерию ограничивающего круга для ограниченной триангуляции Делоне, соединение двух конечных точек базовой линии с третьей точкой с формированием нового треугольника, и сохранение нового треугольника в треугольной сетке до тех пор, пока ребро расширения нового треугольника не станет граничным ребром или не будет использовано дважды;d4) using the three edges of the layer of triangles newly formed in step d3 as base edges, and generating a new triangular mesh by using the one-stage growth method: restoring the base edge, finding the third point that makes up a triangle with a baseline according to the bounding circle criterion for the bounded Delaunay triangulation, joining two baseline endpoints to a third point to form a new triangle, and keeping the new triangle in the triangular mesh until the extension edge of the new triangle becomes a boundary edge or is used twice;

d5) повторение этапа d4 до тех пор, пока треугольники в последнем слое не смогут быть расширены, и оптимизация всех треугольных сеток, кроме исходной треугольной сетки, с использованием алгоритма процедуры локальной оптимизации (LOP).d5) repeating step d4 until the triangles in the last layer can be expanded, and optimizing all triangular meshes except the original triangular mesh using a local optimization procedure (LOP) algorithm.

Этапы формирования топологической структуры данных карты профиля включают:The stages of forming the topological structure of the profile map data include:

e1) формирование базы данных линейного связанного списка из набора линейных сегментов в треугольной сетке, сформированной на этапе d5, и инициализация кодов левой области и правой области всех линейных сегментов для проверки кодов на '-1';e1) generating a database of a linear linked list from a set of line segments in a triangular grid generated in step d5, and initializing the codes of the left region and the right region of all the linear segments to check the codes for '-1';

e2) выбор i линейных сегментов из линейного связанного списка случайным образом с формированием многоугольника, поиск границ многоугольника и выбор следующего линейного сегмента, и продолжение этого этапа, если и код левой области, и код правой области текущего линейного сегмента не равен '-1'; завершение этого этапа и продолжение следующего этапа, если коды левой области и правой области всех линейных сегментов не равны '-1', что указывает, что был произведен поиск в левой и правой областях всех линейных сегментов; использование конечной точки или начальной точки текущего линейного сегмента в качестве текущего узла, если код левой (или правой) области текущего линейного сегмента не равен '-1', поиск следующего линейного сегмента в линейном связанном списке в направлении против часовой стрелки, установку другой конечной точки следующего линейного сегмента в качестве текущего узла и повтор поиска до тех пор, пока поиск не вернется к начальному линейному сегменту, таким образом, формируя топологическую структуру данных высокоточной карты профиля треугольной сетки Делоне.e2) selecting i line segments from the linear linked list randomly to form a polygon, finding the boundaries of the polygon and selecting the next line segment, and continuing this step if both the left region code and the right region code of the current line segment are not '-1'; ending this step and continuing with the next step if the codes of the left region and right region of all line segments are not '-1', indicating that the left and right regions of all line segments have been searched; use the endpoint or startpoint of the current line segment as the current node, if the left (or right) region code of the current line segment is not '-1', search for the next line segment in the linear linked list in a counter-clockwise direction, set a different endpoint the next line segment as the current node, and repeating the search until the search returns to the initial line segment, thus forming a topological data structure of a high-precision triangular Delaunay profile map.

Положительные эффекты: настоящее изобретение может предоставить высокоточную навигационную информацию для полностью механизированного горнодобывающего оборудования, что является предпосылкой и основой для реализации подземной беспилотной горной добычи, и в основном настоящее изобретение имеет следующие преимущества:Positive Effects: The present invention can provide high-precision navigation information for fully mechanized mining equipment, which is the premise and basis for realizing underground unmanned mining, and the present invention mainly has the following advantages:

1) Настоящее изобретение может предоставить точную информацию о толщине угольного пласта, изменении угла наклона угольного пласта и пространственном положении опасных геологических структур для полностью механизированного горнодобывающего оборудования, реализовать функции высокоточного позиционирования, восприятия информации, планирования пути и т.д., и обеспечить основу для принятия решения о тестировании беспилотной горной добычи;1) The present invention can provide accurate information about the thickness of the coal seam, the change in the angle of the coal seam and the spatial position of dangerous geological structures for fully mechanized mining equipment, realize the functions of high-precision positioning, information perception, path planning, etc., and provide a basis for making a decision on testing unmanned mining;

2) Настоящее изобретение может быстро объединять данные, собранные пластовым сейсмографом, лазерным радаром, встроенным навигационным устройством и георадаром, и автоматически формировать высокоточную трехмерную навигационную карту полностью механизированного очистного забоя;2) The present invention can quickly combine the data collected by the formation seismograph, laser radar, embedded navigation device and ground penetrating radar, and automatically generate a high-precision 3D navigation map of a fully mechanized stope;

3) Способ сбора данных в настоящем изобретении прост, удобен в использовании и эффективен, а полученные измеренные данные точны.3) The data collection method of the present invention is simple, convenient to use and efficient, and the measured data obtained is accurate.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

На фиг. 1 показан вид компоновки системы для формирования высокоточной трехмерной навигационной карты полностью механизированного очистного забоя в соответствии с настоящим изобретением.In FIG. 1 shows a layout view of a system for generating a highly accurate 3D navigation map of a fully mechanized stope in accordance with the present invention.

На фиг. 2 показан вид компоновки мобильной измерительной системы, установленной на транспортном средстве, в соответствии с настоящим изобретением.In FIG. 2 shows a layout view of a mobile measuring system mounted on a vehicle in accordance with the present invention.

На фиг. 3 показана блок-схема способа формирования высокоточной трехмерной навигационной карты полностью механизированного очистного забоя в соответствии с настоящим изобретением.In FIG. 3 shows a flowchart of a method for generating a highly accurate 3D navigation map of a fully mechanized longwall in accordance with the present invention.

На фигурах: 1 - мобильная измерительная платформа, установленная на транспортном средстве; 2 - процессор для приема данных; 3 - лазерный радар; 4 - инерциальное навигационное устройство; 5 - георадар.In the figures: 1 - mobile measuring platform mounted on a vehicle; 2 - processor for receiving data; 3 - laser radar; 4 - inertial navigation device; 5 - ground penetrating radar.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Ниже настоящее изобретение будет дополнительно подробно описано в вариантах осуществления со ссылкой на чертежи.Below, the present invention will be further described in detail in the embodiments with reference to the drawings.

Как показано на фиг. 1, система для формирования высокоточной трехмерной навигационной карты полностью механизированного очистного забоя в соответствии с настоящим изобретением содержит мобильную измерительную платформу 1, установленную на транспортном средстве, и пластовые сейсмографы, расположенные с двух сторон угольного пласта, подлежащего разработке, при этом пластовый сейсмограф содержит передатчики, расположенные с интервалами в верхней части выработки, и приемники, расположенные с интервалами в нижней части выработки, и приемники соединены друг с другом через сетевые кабели и соединены с беспроводным передатчиком; передатчики являются передатчиками пластовых сейсмических сигналов, а приемники являются приемниками пластовых сейсмических сигналов, причем приемники пластовых сейсмических сигналов передают данные процессору 2 для приема данных через беспроводной передатчик, а передатчики пластовых сейсмических сигналов расположены в соответствии с приемникам пластовых сейсмических сигналов для формирования последовательности обнаружения пластовых сейсмических сигналов.As shown in FIG. 1, the system for generating a high-precision three-dimensional navigation map of a fully mechanized stope in accordance with the present invention comprises a mobile measuring platform 1 mounted on a vehicle and reservoir seismographs located on both sides of a coal seam to be mined, while the reservoir seismograph includes transmitters, located at intervals in the upper part of the working, and receivers located at intervals in the lower part of the working, and the receivers are connected to each other through network cables and connected to a wireless transmitter; the transmitters are reservoir seismic transmitters and the receivers are reservoir seismic receivers, wherein the reservoir seismic receivers transmit data to the processor 2 to receive data via a wireless transmitter, and the reservoir seismic transmitters are arranged in correspondence with the reservoir seismic receivers to form a reservoir seismic detection sequence signals.

Как показано на фиг. 2, мобильная измерительная платформа 1, установленная на транспортном средстве, снабжена процессором 2 для приема данных, лазерным радаром 3, инерциальным навигационным устройством 4 и георадаром 5, при этом процессор 2 для приема данных и георадар 5 закреплены над мобильной измерительной платформой 1, установленной на транспортном средстве, а лазерный радар 3 закреплен над процессором 2 для приема данных, инерциальное навигационное устройство 4 закреплено в центре мобильной измерительной платформы 1, установленной на транспортном средстве, причем лазерный радар 3, инерциальное навигационное устройство 4 и георадар 5 передают данные в процессор 2 для приема данных через сетевые кабели, а приемник пластового сейсмографа передает данные процессору 2 для приема данных через беспроводной передатчик.As shown in FIG. 2, the mobile measuring platform 1 installed on the vehicle is equipped with a processor 2 for receiving data, a laser radar 3, an inertial navigation device 4 and a georadar 5, while the processor 2 for receiving data and the georadar 5 are fixed above the mobile measuring platform 1 installed on the vehicle, and the laser radar 3 is fixed above the processor 2 for receiving data, the inertial navigation device 4 is fixed in the center of the mobile measuring platform 1 installed on the vehicle, and the laser radar 3, the inertial navigation device 4 and the ground penetrating radar 5 transmit data to the processor 2 for receiving data via network cables, and the reservoir seismograph receiver transmits data to the processor 2 for receiving data via a wireless transmitter.

Как показано на фиг. 3, способ формирования высокоточной трехмерной навигационной карты полностью механизированного очистного забоя включает следующие этапы:As shown in FIG. 3, a method for generating a high-precision 3D navigation map of a fully mechanized stope includes the following steps:

а) перемещение мобильной измерительной платформы 1, установленной на транспортном средстве, с постоянной скоростью около 40 км/ч по верхней части выработки, левой поперечной части выработки, нижней части выработки и правой поперечной части выработки вокруг угольного пласта, подлежащего разработке;a) moving the mobile measuring platform 1, mounted on a vehicle, at a constant speed of about 40 km/h along the top of the working, the left transverse part of the working, the lower part of the working, and the right transverse part of the working around the coal seam to be mined;

b) перемещение процессора 2 для приема данных в местоположение рядом с беспроводным передатчиком вместе с мобильной измерительной платформой 1, установленной на транспортном средстве с получением посредством беспроводных сигналов геологических данных угольного пласта, подлежащего разработке, собранных пластовыми сейсмографами, причем геологические данные включают информацию о толщине угольного пласта, подлежащего разработке, изменении угла наклона угольного пласта и пространственных положениях опасных геологических структур;b) moving the data receiving processor 2 to a location adjacent to the wireless transmitter along with the mobile measurement platform 1 mounted on the vehicle to wirelessly acquire geological data of the coal seam to be mined collected by seam seismographs, the geological data including information on the thickness of the coal the seam to be developed, changes in the angle of inclination of the coal seam and spatial positions of dangerous geological structures;

непрерывное излучение лазерного луча из лазерного радара 3 на поверхность кровли выработки и вычисление расстояния между поверхностью выработки и лазерным радаром в соответствии с разностью времени возврата принятого отраженного лазерного луча с формированием данных трехмерного облака точек выработки; передачу данных трехмерного облака точек от лазерного радара 3 процессору 2 для приема данных через сетевой кабель;continuously emitting a laser beam from the laser radar 3 onto the surface of the working roof and calculating the distance between the working surface and the laser radar according to the return time difference of the received reflected laser beam to generate three-dimensional point cloud data of the working; transmitting the 3D point cloud data from the laser radar 3 to the processor 2 for receiving the data via a network cable;

вычисление информации о местоположении, ориентации и траектории движения мобильной измерительной платформы 1, установленной на транспортном средстве, с использованием инерциального навигационного устройства 4 в соответствии с угловой скоростью вращения и вектором ускорения мобильной измерительной платформы 1, установленной на транспортном средстве, относительно инерциальной системы, а затем передача информации процессору 2 для приема данных через сетевое кабельное соединение;calculating information about the location, orientation and trajectory of the mobile measuring platform 1 installed on the vehicle, using the inertial navigation device 4 in accordance with the angular velocity and acceleration vector of the mobile measuring platform 1 installed on the vehicle, relative to the inertial system, and then transmitting information to the processor 2 for receiving data via a network cable connection;

излучение сигналов электромагнитных волн из георадара 5 в угольный пласт на кровле выработки через блок излучателя и точное вычисление данных о толщине оставшегося угля в верхней и нижней кровлях выработки полностью механизированного очистного забоя с использованием блока приемника путем обнаружения времени распространения сигналов электромагнитных волн в угольном пласте, и передача данных процессору 2 для приема данных через сетевое кабельное соединение;radiation of electromagnetic wave signals from georadar 5 into the coal seam on the roof of the working through the emitter unit and accurate calculation of data on the thickness of the remaining coal in the upper and lower roofs of the working of a fully mechanized stope using the receiver unit by detecting the propagation time of electromagnetic wave signals in the coal seam, and transmitting data to the processor 2 for receiving data via a network cable connection;

c) выполнение преобразования координат, слияния признаков и согласованной обработки данных, собранных посредством мобильной измерительной платформы 1, установленной на транспортном средстве, и пластовых сейсмографов; при этом способ преобразования координат, слияния признаков и согласованной обработки данных, собранных посредством мобильной измерительной платформы 1, установленной на транспортном средстве, и пластовых сейсмографов, заключается в следующем: во-первых, формулируют идентичные и аналогичные признаки атрибутов путем категоризации и классификации собранных элементов данных и путем сопоставления атрибутов признаков в соответствии с неизменяемыми признаками полностью механизированного очистного забоя, организуют и выражают признаки атрибутов с использованием метода наименьших квадратов, и создают таблицу преобразования признаков атрибутов для устранения различий в признаках атрибутов, возникающих в результате различных критериев категоризации и классификации, и тем самым добиваются согласованности собранных данных в выражении признаков; затем объединяют признаки атрибутов собранных данных с использованием метода, основанного на сопоставлении объектов с такими же именами;c) performing coordinate transformation, feature fusion and consistent processing of data collected by the vehicle-mounted mobile measurement platform 1 and reservoir seismographs; wherein the method of coordinate transformation, feature fusion, and consistent processing of data collected by the vehicle-mounted mobile measurement platform 1 and reservoir seismographs is as follows: first, identical and similar attribute features are formulated by categorizing and classifying the collected data items and by matching attribute attributes according to the immutable full-mechanized stope attributes, organize and express attribute attributes using the least-squares method, and create an attribute attribute transformation table to resolve attribute attribute differences resulting from different categorization and classification criteria, and topics most achieve the consistency of the collected data in the expression of signs; then combining attributes attributes of the collected data using a method based on matching objects with the same names;

где (X, Y, Z)^T - трехмерные координаты угольного пласта, подлежащего разработке; (X', Y', Z')^T - трехмерные координаты выработки, просканированной лазером; ΔX, ΔY и ΔZ - параметры преобразования между двумя началами координат; ε_x, ε_Y и ε_z - параметры вращения трех координатных осей; а m - параметр масштабирования;where (X, Y, Z) ^T - three-dimensional coordinates of the coal seam to be developed; (X', Y', Z') ^T - three-dimensional coordinates of the working, scanned by the laser; ΔX, ΔY and ΔZ - transformation parameters between two origins; ε _x , ε _Y and ε _z - rotation parameters of the three coordinate axes; and m is the scaling parameter;

при этом метод слияния признаков данных, собранных посредством мобильной измерительной платформы 1, установленной на транспортном средстве, и пластовых сейсмографов, использует по меньшей мере один из следующих методов слияния: метод параметризованного шаблона; алгоритм сжатия и кластеризации признаков; алгоритм аппроксимации методом К-ближайших соседей; искусственная нейронная сеть и метод нечеткого интеграла.wherein the feature fusion method of the data collected by the vehicle-mounted mobile measurement platform 1 and the formation seismographs uses at least one of the following fusion methods: a parameterized template method; feature compression and clustering algorithm; approximation algorithm by the K-nearest neighbors method; artificial neural network and fuzzy integral method.

d) обработка данных, собранных посредством мобильной измерительной платформы 1, установленной на транспортном средстве, и пластовых сейсмографов, с использованием процессора 2 для приема данных, и формирование треугольной сетки Делоне угольного пласта, разломов/складок и выработок полностью механизированного очистного забоя, подлежащего разработке, соответственно; формирование треугольной сетки Делоне угольного пласта, разломов/складок и выработок полностью механизированного очистного забоя, подлежащего разработке, включает следующие этапы:d) processing data collected by means of a mobile measuring platform 1 mounted on a vehicle and seam seismographs, using a processor 2 for receiving data, and the formation of a triangular Delaunay grid of a coal seam, faults/folds and workings of a fully mechanized stope to be mined, respectively; the formation of a triangular Delaunay grid of a coal seam, faults/folds and workings of a fully mechanized stope to be mined includes the following steps:

d1) во-первых, сортировку всех данных, участвующих в построении сети, включая данные угольного пласта, разломов/складок и выработок, сканированные лазерным радаром, и данные кровли, обнаруженные георадаром, в порядке возрастания и в последовательности: координата X, затем координата Y и затем координата Z, а затем сохранение отсортированных данных в связанном списке данных точек;d1) first, sorting all the data involved in building the network, including the coal seam, faults/folds and workings scanned by laser radar, and roof data detected by GPR, in ascending order and in sequence: X coordinate, then Y coordinate and then the Z coordinate, and then storing the sorted data in a linked list of point data;

d3) последовательное восстановление ограничивающих ребер в качестве базовых ребер из линейного связанного списка, применение критерия максимального прилежащего угла с формированием левого треугольника и правого треугольника в качестве исходной треугольной сетки или с формированием треугольника, если ограничивающие ребра являются границами, и сохранение треугольника в исходной треугольной сетке;d3) successively restoring the bounding edges as base edges from the linear linked list, applying the maximum included angle criterion, forming a left triangle and a right triangle as the original triangular mesh, or forming a triangle if the bounding edges are boundaries, and keeping the triangle in the original triangular mesh ;

d5) повторение этапа d4 до тех пор, пока треугольники в последнем слое не смогут быть расширены, и оптимизация всех треугольных сеток, кроме исходной треугольной сетки, с использованием алгоритма процедуры локальной оптимизации (LOP);d5) repeating step d4 until the triangles in the last layer can be expanded and optimizing all triangular meshes except the original triangular mesh using a local optimization procedure (LOP) algorithm;

e) использование треугольной сетки Делоне угольного пласта, разломов/складок и выработок, сформированной на этапе d, для построения высокоточной карты профиля треугольной сетки Делоне, вычисления топологического соотношения карты профиля и формирования топологической структуры данных карты профиля; причем этапы формирования топологической структуры данных карты профиля включают:e) using the Delaunay triangular grid of the coal seam, faults/folds and workings generated in step d to build a high-precision triangular Delaunay grid profile map, calculate the profile map topological relation, and generate the profile map topological data structure; moreover, the steps of forming the topological data structure of the profile map include:

e2) выбор i линейных сегментов из линейного связанного списка случайным образом с формированием многоугольника, поиск границ многоугольника и выбор следующего линейного сегмента, и продолжение этого этапа, если и код левой области, и код правой области текущего линейного сегмента не равен '-1'; завершение этого этапа и продолжение следующего этапа, если коды левой области и правой области всех линейных сегментов не равны '-1', что указывает, что был произведен поиск в левой и правой областях всех линейных сегментов; использование конечной точки или начальной точки текущего линейного сегмента в качестве текущего узла, если код левой (или правой) области текущего линейного сегмента не равен '-1', поиск следующего линейного сегмента в линейном связанном списке в направлении против часовой стрелки, установку другой конечной точки следующего линейного сегмента в качестве текущего узла и повтор поиска до тех пор, пока поиск не вернется к начальному линейному сегменту, формируя таким образом топологическую структуру данных высокоточной карты профиля треугольной сетки Делоне;e2) selecting i line segments from the linear linked list randomly to form a polygon, finding the boundaries of the polygon and selecting the next line segment, and continuing this step if both the left region code and the right region code of the current line segment are not '-1'; ending this step and continuing with the next step if the codes of the left region and right region of all line segments are not '-1', indicating that the left and right regions of all line segments have been searched; use the endpoint or startpoint of the current line segment as the current node, if the left (or right) region code of the current line segment is not '-1', search for the next line segment in the linear linked list in a counter-clockwise direction, set a different endpoint the next line segment as the current node, and repeating the search until the search returns to the initial line segment, thereby forming a topological data structure of a high-precision triangular Delaunay profile map;

f) создание базы данных автоматических запросов навигационной информации полностью механизированного очистного забоя, подлежащего разработке, включающей запросы толщины угольного пласта, угла наклона угольного пласта, пространственных положений разломов/складок и пространственных положений выработок, и формирование высокоточной трехмерной навигационной карты полностью механизированного очистного забоя согласно данным, собранным посредством мобильной измерительной платформы 1, установленной на транспортном средстве, и пластовых сейсмографов, и согласно сформированной треугольной сетке Делоне и высокоточной карте профиля угольного пласта, разломов/складок и выработок полностью механизированного очистного забоя, подлежащего разработке.f) creating a database of automatic requests for navigation information of a fully mechanized working face to be developed, including requests for coal seam thickness, coal seam dip angle, spatial positions of faults/folds and spatial positions of workings, and the formation of a high-precision three-dimensional navigation map of a fully mechanized working face according to the data collected by means of a mobile measuring platform 1 mounted on a vehicle and reservoir seismographs, and according to the formed triangular Delaunay grid and a high-precision map of the coal seam profile, faults/folds and workings of a fully mechanized stope to be mined.

Claims

1. A system for generating a high-precision three-dimensional navigation map of a fully mechanized stope, containing a mobile measuring platform (1) installed on a vehicle, and reservoir seismographs located on both sides of the coal seam to be developed, while the reservoir seismograph contains transmitters located with at intervals in the upper part of the working, and receivers located at intervals in the lower part of the working, while the receivers are connected to each other through network cables and connected to a wireless transmitter;

moreover, the mobile measuring platform (1) installed on the vehicle is equipped with a processor (2) for receiving data, a laser radar (3), an inertial navigation device (4) and a georadar (5), while the processor (2) for receiving data and the georadar (5) is fixed above the mobile measuring platform (1) installed on the vehicle, the laser radar (3) is fixed above the processor (2) for receiving data, and the inertial navigation device (4) is fixed in the center of the mobile measuring platform (1), installed on the vehicle, wherein the laser radar (3), the inertial navigation device (4) and the ground penetrating radar (5) transmit data to the processor (2) to receive data via network cables, and the reservoir seismograph receiver transmits data to the processor (2) to receive data via wireless transmitter.

2. A system for generating a high-precision three-dimensional navigation map of a fully mechanized stope according to claim 1, in which the transmitters are reservoir seismic signal transmitters, and the receivers are reservoir seismic signal receivers, while the reservoir seismic signal receivers transmit data to the processor (2) for receiving data through a wireless transmitter, and the formation seismic transmitters are arranged in correspondence with the formation seismic receivers to form a formation seismic acquisition sequence.

3. A method for generating a high-precision three-dimensional navigation map of a fully mechanized stope using a system for generating a high-precision three-dimensional navigation map of a fully mechanized stope according to claim 1, including the following steps:

a) moving a mobile measuring platform (1) mounted on a vehicle at a constant speed of about 40 km/h along the top of the working, the left transverse part of the working, the lower part of the working and the right transverse part of the working around the coal seam to be mined;

b) moving the processor (2) for receiving data to a location near the wireless transmitter together with the mobile measurement platform (1) mounted on the vehicle, with obtaining by wireless signals geological data of the coal seam to be mined, collected by reservoir seismographs, and geological data include information about the thickness of the coal seam to be mined, changes in the angle of inclination of the coal seam, and spatial positions of dangerous geological structures;

continuously emitting a laser beam from the laser radar (3) onto the roof surface of the working and calculating the distance between the working surface and the laser radar according to the difference in the return time of the received reflected laser beam to form three-dimensional point cloud data of the working; transmitting the 3D point cloud data from the laser radar (3) to the processor (2) for receiving the data via a network cable;

calculation of information about the location, orientation and trajectory of the mobile measuring platform (1) installed on the vehicle, using the inertial navigation device (4) in accordance with the angular velocity of rotation and the acceleration vector of the mobile measuring platform (1) installed on the vehicle, relative to the inertial system, and then transmitting information to the processor (2) for receiving data through a network cable connection;

radiation of electromagnetic wave signals from the GPR (5) into the coal seam on the roof of the working through the emitter unit and accurate calculation of data on the thickness of the remaining coal in the upper and lower roofs of the working of a fully mechanized stope using the receiver unit by detecting the propagation time of electromagnetic wave signals in the coal seam , and transmitting data to the processor (2) for receiving data through a network cable connection;

c) performing coordinate transformation, feature fusion and consistent processing of the data collected by the vehicle-mounted mobile measurement platform (1) and reservoir seismographs;

d) processing data collected by a vehicle-mounted mobile measurement platform (1) and seam seismographs, using a processor (2) to receive data, and generating a triangular Delaunay grid of coal seam, faults/folds and workings of a fully mechanized stope to be developed, respectively;

e) using the Delaunay triangular grid of the coal seam, faults/folds and workings generated in step d to build a high-precision triangular Delaunay grid profile map, calculate the profile map topological relation, and generate the profile map topological data structure;

f) creating a database of automatic requests for navigation information of a fully mechanized working face to be developed, including requests for coal seam thickness, coal seam dip angle, spatial positions of faults/folds and spatial positions of workings, and the formation of a high-precision three-dimensional navigation map of a fully mechanized working face according to the data collected by means of a mobile measuring platform (1) mounted on a vehicle and reservoir seismographs, and according to the formed triangular Delaunay grid and a high-precision map of the coal seam profile, faults/folds and workings of a fully mechanized stope.

4. The method of generating a high-precision three-dimensional navigation map of a fully mechanized stope according to claim 3, in which the steps of forming a triangular Delaunay grid of a coal seam, faults/folds and workings of a fully mechanized stope to be mined include:

d1) first, sorting all the data involved in building the network, including the coal seam, faults/folds and workings scanned by laser radar, and roof data detected by GPR, in ascending order and in sequence: X coordinate, then Y coordinate and then the Z coordinate, and then storing the sorted data in a linked list of point data;

d2) creating grid indexes of the point data according to the linked list of point data, managing the point data in blocks, and storing bounding edges in a linear linked list;

d3) successively restoring the bounding edges as base edges from the linear linked list, applying the maximum included angle criterion, forming a left triangle and a right triangle as the original triangular mesh, or forming a triangle if the bounding edges are boundaries, and retaining the triangle(s) in the original triangular grid;

d4) using the three edges of the triangle layer newly formed in step d3 as base edges and generating a new triangular mesh by using the one-step growth method: restoring the base edge, finding the third point that makes up the triangle with the baseline according to the bounding circle criterion for restricted triangulation Delaunay, connecting the two endpoints of the baseline to the third point to form a new triangle, and keeping the new triangle in the triangular mesh until the extension edge of the new triangle becomes a boundary edge or is used twice;

d5) repeating step d4 until the triangles in the last layer can be expanded, and optimizing all triangular meshes except the original triangular mesh using a local optimization procedure (LOP) algorithm.

5. The method for generating a high-precision three-dimensional navigation map of a fully mechanized stope according to claim 3, in which the steps for generating the topological data structure of the profile map include:

e1) generating a database of a linear linked list from a set of line segments in a triangular grid generated in step d5, and initializing the codes of the left areas and right areas of all the line segments to check the codes for '-1';

e2) select i line segments from a linear linked list randomly forming a polygon, find the boundaries of the polygon, and select the next line segment, and continue this step if both the left region code and the right region code of the current line segment are not '-1' ; ending this step and continuing the next step if the codes of the left regions and right regions of all line segments are not equal to '-1', indicating that the left and right regions of all line segments have been searched; use the end point or start point of the current line segment as the current node, if the left or right area code of the current line segment is not '-1', search for the next line segment in the linear linked list in a counter-clockwise direction, set a different end point of the next line segment segment as the current node and repeating the search until the search returns to the initial linear segment, thus forming a topological data structure of a high-precision triangular Delaunay profile map.