礦山智能化精準(zhǔn)感知技術(shù)專題

針對綜采工作面智能化開采中精準(zhǔn)感知與安全高效生產(chǎn)需求，提出基于三維激光點云的數(shù)字孿生構(gòu)建方法，以解決傳統(tǒng)建模數(shù)據(jù)精度不足與動態(tài)更新滯后問題。通過三維激光掃描獲取高密度點云數(shù)據(jù)，經(jīng)去噪、配準(zhǔn)、分割等預(yù)處理后結(jié)合GIS與CAD技術(shù)構(gòu)建三維模型，并集成云計算實現(xiàn)動態(tài)更新；采用移動式全景激光雷達(dá)與巡檢機(jī)器人搭載設(shè)備，針對工作面與巷道實施差異化采集策略，實現(xiàn)煤層結(jié)構(gòu)、設(shè)備分布高精度三維重建。在小保當(dāng)二號煤礦應(yīng)用試驗表明，模型支持實時監(jiān)控與開采策略優(yōu)化，為煤礦智能化開采提供可靠虛擬仿真平臺，對提升安全生產(chǎn)水平與資源回采率具有重要意義。

文章來源：《智能礦山》2025年第6期“礦山智能化精準(zhǔn)感知技術(shù)"專題”

第一作者：魏文艷，副研究員，現(xiàn)任北京天瑪智控科技股份有限公司智能開采事業(yè)部高級技術(shù)專家，主要從事綜采工作面智能化開采技術(shù)及少人、無人化安全開采技術(shù)研發(fā)應(yīng)用等相關(guān)研究工作。E-mail：weiwy@tdmarco.com

作者單位：北京天瑪智控科技股份有限公司

引用格式：魏文艷，吳桐，馮沛.基于三維激光點云的綜采工作面數(shù)字孿生構(gòu)建[J].智能礦山，2025，6(4)：33-38.

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隨著工業(yè)4.0的興起和智能制造的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)作為連接物理世界與虛擬世界的橋梁，在礦業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注，特別是在綜合機(jī)械化采煤工作面，由于作業(yè)環(huán)境復(fù)雜且存在安全隱患，數(shù)字孿生的引入為提高作業(yè)效率和保障生產(chǎn)安全提供了新的解決方案。

構(gòu)建高精度的綜采工作面數(shù)字孿生模型仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，包括采集和處理精確的空間數(shù)據(jù)，以滿足建立實時、動態(tài)的數(shù)字孿生模型。針對上述問題，提出了基于三維激光點云的綜采工作面數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法。

（1）利用先進(jìn)的三維激光掃描技術(shù)，對實際的綜采工作面進(jìn)行高密度空間數(shù)據(jù)采集，獲得精確點云數(shù)據(jù)。

（2）通過專業(yè)的點云處理軟件，對采集到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、配準(zhǔn)和簡化等預(yù)處理，提高數(shù)據(jù)的可用性和處理效率。

（3）結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）和計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)，將處理后的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為詳細(xì)的三維模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)字孿生。

基于三維激光點云的綜采工作面數(shù)字孿生構(gòu)建的重點是開發(fā)1套完整的流程，包括點云數(shù)據(jù)的采集、處理和模型構(gòu)建，以及數(shù)字孿生模型的更新和維護(hù)機(jī)制，實現(xiàn)綜采工作面的高精度數(shù)字化表達(dá)，確保數(shù)字孿生模型的實時性和動態(tài)性，以反映工作面的實際變化情況。

三維激光掃描技術(shù)

在構(gòu)建綜采工作面數(shù)字孿生模型的研究中，采用三維激光掃描技術(shù)為精確復(fù)制現(xiàn)實世界的物理環(huán)境提供了高精度和細(xì)節(jié)。三維激光掃描基于光的反射特性，通過發(fā)射一系列激光脈沖到目標(biāo)表面，測量脈沖回波時間或相位差，計算出目標(biāo)距離和位置，生成包含了豐富的空間坐標(biāo)信息的點云數(shù)據(jù)集。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）研發(fā)的Exscan 3D激光掃描儀及三維點云成像如圖1所示。

圖1 Exscan 3D激光掃描儀及三維點云成像

點云數(shù)據(jù)采集及處理

獲取點云數(shù)據(jù)是高精度建模的關(guān)鍵步驟。掃描儀在多個角度和位置掃描工作面，確保覆蓋所有區(qū)域，包括復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和采掘設(shè)備。全方位掃描策略消除盲區(qū)，保證了模型完整性。通過高級的數(shù)據(jù)處理軟件，如Fusion360或CloudCompare，預(yù)處理原始點云數(shù)據(jù)，CloudCompare點云處理工具如圖2所示，包括去除噪聲點、拼接不同掃描的點云、平滑表面和填補(bǔ)空洞，以形成連續(xù)且一致的三維模型。

圖2 CloudCompare點云處理工具

鑒于三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢為非接觸性，將掃描儀安裝在采煤機(jī)機(jī)身或工作面巡檢機(jī)器人上，巡檢機(jī)器人配載三維激光掃描儀如圖3所示。在不影響正常生產(chǎn)的情況下采集數(shù)據(jù)，確保工作人員的安全。由于掃描數(shù)據(jù)的實時性和可重復(fù)性，數(shù)字孿生模型可動態(tài)更新，反映工作面的實時狀態(tài)，可用來監(jiān)控開采進(jìn)度、預(yù)防潛在危險和優(yōu)化生產(chǎn)計劃。

圖3 巡檢機(jī)器人配載三維激光掃描儀

在構(gòu)建基于三維激光掃描技術(shù)的綜采工作面數(shù)字孿生模型時，點云數(shù)據(jù)處理流程為至關(guān)重要的第1步，決定模型精度與真實性。從原始海量點云數(shù)據(jù)中提取有用信息、消除噪聲，構(gòu)建出清晰、連貫的工作面幾何結(jié)構(gòu)。構(gòu)建精確反映實際工作面狀態(tài)的數(shù)字孿生模型，為綜采工作面安全生產(chǎn)、優(yōu)化開采策略以及設(shè)備故障預(yù)測提供強(qiáng)有力的支持，每個步驟都需要根據(jù)具體工作面的特性進(jìn)行調(diào)整，以確保模型的適用性和有效性，三維激光點云的數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 三維激光點云的數(shù)據(jù)處理流程

三維模型的生成與優(yōu)化

在構(gòu)建基于三維激光掃描技術(shù)的綜采工作面數(shù)字孿生模型的過程中，三維模型的生成與優(yōu)化為重要環(huán)節(jié)，確保模型精確性、完整性和實時性。

通過高精度地面激光雷達(dá)（TLS）掃描，獲取工作面海量點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含豐富的幾何信息和空間結(jié)構(gòu)。利用三角網(wǎng)格化（Triangulation）和體素化算法，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理和建模，分別重構(gòu)出采煤機(jī)、支架等設(shè)備的復(fù)雜幾何形狀以及巷道的輪廓，該方法克服了傳統(tǒng)建模方法中細(xì)節(jié)丟失和結(jié)構(gòu)不真實的缺陷，使得模型更加逼真，提升了數(shù)字孿生模型的實用價值，不同設(shè)備的點云建模統(tǒng)計見表1。

表1 不同設(shè)備的點云建模統(tǒng)計

（2）模型優(yōu)化是提升效率的關(guān)鍵。通過對點云數(shù)據(jù)的降噪處理和精細(xì)化分類，剔除無關(guān)信息，減少計算負(fù)擔(dān)，同時保持模型的精度。采用輕量化的參數(shù)建模策略，當(dāng)設(shè)備位置發(fā)生變動或巷道變形時模型迅速反映出該變化，為了保證模型實時性，集成云計算和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)實時點云數(shù)據(jù)的高效處理和模型的動態(tài)更新，滿足模型快速更新和動態(tài)調(diào)整，適應(yīng)綜采工作面的實時變化。

（3）為提升三維激光建模的數(shù)字孿生技術(shù)在綜采工作面生產(chǎn)過程的應(yīng)用效果，結(jié)合全景相機(jī)，通過三維激光設(shè)備及環(huán)境進(jìn)行精確的點云形狀及位置定位，對比相同位置中全景相機(jī)中對應(yīng)的色彩，融合全景同幀的視覺展示，最終實現(xiàn)了精準(zhǔn)且實時的工作面實時三維動態(tài)孿生監(jiān)控，綜采工作面三維激光建模系統(tǒng)部署如圖5所示。

圖5 綜采工作面三維激光建模系統(tǒng)部署

綜采工作面數(shù)字孿生的現(xiàn)場應(yīng)用

基于三維激光點云的綜采工作面數(shù)字孿生系統(tǒng)在陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司二號煤礦（簡稱小保當(dāng)二號煤礦）進(jìn)行了試驗及應(yīng)用，利用安裝在采煤機(jī)和巡檢機(jī)器人上的移動式全景激光雷達(dá)與全景相機(jī)，對工作面及其周邊巷道進(jìn)行了連續(xù)的全景三維掃描。獲取高密度點云數(shù)據(jù)和全景圖像，構(gòu)建精細(xì)數(shù)字孿生模型。兩巷的工作面環(huán)境及設(shè)備變化程度受開采影響較小，針對兩巷的三維激光掃描點云數(shù)量取樣較少且掃描采樣間隔時間較長。

全景三維激光建圖裝置主要由全景激光雷達(dá)和全景相機(jī)組成，分別用于獲取實時全景三維激光點云和工作面全景圖。全景激光雷達(dá)和全景相機(jī)的水平、垂直視角均為360°。全景激光雷達(dá)和全景相機(jī)通過外參變換，實現(xiàn)激光雷達(dá)點云和全景相機(jī)像素的對應(yīng)，針對全景激光雷達(dá)所獲得的激光點云，找到全景圖中的對應(yīng)像素，為激光點云著色。

全景激光雷達(dá)由16線激光雷達(dá)，云臺電動機(jī)、滑環(huán)、絕對值編碼器組成?；h(huán)負(fù)責(zé)對激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)部分信號與靜止部分信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。絕對值編碼器用于實時測量云臺電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。16線激光雷達(dá)安裝在云臺電動機(jī)轉(zhuǎn)子上，云臺電動機(jī)以1 r/s的速度繞全景激光雷達(dá)坐標(biāo)系Y軸旋轉(zhuǎn)，16線激光雷達(dá)以10 r/s的速度繞本體旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。16線激光雷達(dá)視角為29°，保證云臺旋轉(zhuǎn)1周時，激光雷達(dá)完成水平360°×垂直360°的全景掃描。小保當(dāng)二號煤礦生成的綜采工作面數(shù)字孿生模型界面如圖6所示。

圖6 小保當(dāng)二號煤礦生成的綜采工作面數(shù)字孿生模型界面

結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）和計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)，通過采煤機(jī)、巡檢機(jī)器人上安裝的移動式及手持式全景激光雷達(dá)和全景相機(jī)，對工作面及其周邊巷道進(jìn)行了全面的三維激光掃描，采集了大量高精度點云數(shù)據(jù)和全景圖像。

采集過程中，針對工作面和巷道的不同特性，制定了差異化的數(shù)據(jù)采集策略。由于巷道環(huán)境相對穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集區(qū)域降低頻率和數(shù)量，減少數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)，同時保證關(guān)鍵信息的捕獲。對于復(fù)雜多變的工作面，采集策略采用高密度和高頻率，確保準(zhǔn)確捕捉到工作面的最新狀態(tài)。點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括去噪、濾波和配準(zhǔn)，通過高效算法，清洗和校正點云數(shù)據(jù)，主要包括以下3個步驟。

（1）GIS系統(tǒng)結(jié)合處理點后的點云數(shù)據(jù)，將實時地質(zhì)環(huán)境與地理信息相結(jié)合，提供了較為精確的地質(zhì)開采實時煤層情況的綜合視圖。

（2）經(jīng)過GIS處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD系統(tǒng)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成精細(xì)的三維幾何模型，將復(fù)雜的點云數(shù)據(jù)構(gòu)建成可視化的準(zhǔn)確數(shù)字孿生模型。

（3）精心設(shè)計和優(yōu)化模型的每個部分，確保真實且具有操作性。構(gòu)建的數(shù)字孿生模型反映工作面的基本狀態(tài)，且支持實時更新和監(jiān)控。隨著采煤機(jī)和巡檢機(jī)器人的持續(xù)運行，采集的新數(shù)據(jù)并融入模型中，模型保持最新狀態(tài)并提供即時數(shù)據(jù)支持。

總 結(jié)

（1）利用三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建綜采工作面的數(shù)字孿生模型，揭示了點云數(shù)據(jù)在模擬復(fù)雜地質(zhì)條件下的優(yōu)越性，為礦井環(huán)境的三維重建提供了新的視角，旨在提升煤礦安全生產(chǎn)與管理的效率與精度。

（2）利用三角網(wǎng)格化、體素化算法，有效地解決了點云數(shù)據(jù)的噪聲去除和空洞填補(bǔ)問題，確保模型的完整性和真實性；通過集成實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建的數(shù)字孿生模型動態(tài)反映工作面的狀態(tài)變化。

（3）通過精細(xì)的點云處理和建模算法，再現(xiàn)了工作面煤層結(jié)構(gòu)、支架分布以及巷道形態(tài)的幾何特征，實現(xiàn)了對實際開采過程的高度仿真。數(shù)字孿生模型的建立，為井下開采提供了全新視角。

（4）通過數(shù)字孿生模型，在虛擬環(huán)境中監(jiān)測和分析礦場的實時狀況，并完成各種模擬試驗，評估不同操作策略的效果。模型支持各種數(shù)據(jù)分析和挖掘工作，揭示礦場運營的深層規(guī)律和潛在風(fēng)險。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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