[0001] 本发明涉及隧道掘进领域，尤其涉及一种TBM巷道形成过程的回放方法。

[0002] 目前，煤矿巷道掘进方式主要有综掘法、钻爆法和连续采煤机法(只适用于煤巷掘进)。这些掘进方法在实际施工中很容易出现掘、锚、运失衡的问题。针对这种情况，一些煤矿采用了盾构掘进系统，大大提高了煤矿岩巷的掘进效率。盾构掘进系统主要用到的设备是盾构机，主要用于隧道的掘进。现代盾构机科技含量比较高，集成了光、机、电、液以及传感器等多项技术，可以实现岩土体的切割、输送和成型巷道的支护等功能，可以根据掘进地质条件的不同“量体裁衣”制造，整体可靠性和安全性非常高。但是涉及盾构机需要专业人员进行操控，涉及煤矿的盾构还需要人员具备相当的专业知识，通过智能辅助可以有效降低人员的工作量，但是由于煤矿巷道形成和普通盾构过程并不一致，需要针对此提供专门的解决方案。煤矿巷道形成主要和地质环境相关，通过采集地质环境可以形成开采过程的数据记录存档，并基于此可以实现巷道形成过程的重建，而现有技术中缺少对于巷道形成过程数据采集和播放的解决方案。

[0015] 现在将参照示例性实施例来论述本发明的内容，应当理解，论述的实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。

[0016] 如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”，术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。

[0017] 根据本发明的一个实施例，图1为本发明中的一种TBM巷道形成过程的回放方法的流程图，如图1所示，一种TBM巷道形成过程的回放方法包括：为实现上述目的，本发明提供的一种TBM巷道形成过程的回放方法，包括：
获取回放开始时间和回放结束时间；
基于盾构机刀盘的历史位置确定巷道回放开始时间的模型，基于盾构机刀盘在回放结束时间的位置确定巷道回放结束时间的模型；
根据盾构机刀盘岩屑确定巷道推进过程中的推进面；
根据盾构机撑靴部、支撑部以及巷道内传感器的压力确定信号采集点的压力，根据信号采集点的压力确定巷道内的压力分布；
根据巷道内的压力分布和推进面生成巷道界面的状态序列；
基于用户选择的巷道形成时间渲染巷道的图像。

[0018] 根据本发明的一个实施方式，根据刀盘的位置获取当前时间巷道的推进位置，根据推进位置获得传送带上的图像，基于传送带上的图像获取界面处的煤岩分布比例，基于煤岩分布比例确定渲染的图像。

[0019] 根据本发明的一个实施方式，在存在和当前回放时间相邻的回放数据时，基于煤岩分布比例在回放数据基础上进行更改，使更新后的界面处的煤岩比例和当前煤岩分布比例一致；在不存在和当前回放时间相邻的回放数据时，基于煤岩分布比例构建随机的煤岩界面图，使图像中煤岩像素占比和煤岩分布比例基本一致。

[0020] 根据本发明的一个实施方式，基于巷道内裸漏的片帮初始化煤岩界面图，初始化后的煤岩界面图中和片帮重叠位置具有一致的煤岩分布，基于随机数构建煤体或岩体的图形，在图形中像素比和目标煤岩比例一致时，停止煤岩界面图的生成，将当前的图形作为巷道初始界面的图。

[0021] 根据本发明的一个实施方式，巷道回放开始时间的模型基于对巷道空间的激光测距和视频监控获得，并根据设置于巷道片帮上的位移传感器进行调整。

[0022] 根据本发明的一个实施方式，根据盾构机的姿态数据更新巷道底部的界面。

[0023] 根据本发明的一个实施方式，基于巷道面的形成事件更新巷道的界面，根据渲染结果和下一个历史数据对界面的形成过程进行线性过渡。

[0024] 根据本发明的一个实施方式，回放过程的最小单元为盾构机的一个行程，在回放时，基于线性过渡的方式对行程内缺失的数据进行计算。

[0025] 根据本发明的一个实施方式，获取传感器在回放时间内的数据以及回放时间前的数据；在存在和传感器关联的风险评估算法时，且传感器采集的数据满足风险评估的要求时，生成风险的评价信息；
传感器包括压力传感器、气体传感器、湿度传感器、温度传感器和气体流速传感器，或图像传感器，在使用图像传感器时，使用的数据为图像区域中包括的裂隙数据。

[0026] 根据本发明的一个实施例，数据的渲染使用unity3D进行。

[0027] 根据本发明的一个实施例，盾构机刀盘旋转过程中，其后方传送带上的矿渣和位置具有关联性，但是受限于溜渣箱内会存在一定的积存，以及溜渣箱和传送带图像获取的位置的差异，传送带上获取的图像并不严格属于当前煤岩界面的图像，而存在一定的不连贯性，但是，当前位置所工作的界面和传送带上的矿渣图像具有关联性，因掘进过程中，TBM的前进速度在cm/min级别，对其数据分析仍然具有参考价值。特别的，如果在一个行程内，通过收集该行程内的部分煤岩以进行分析，获得界面信息。为了实现上述的过程，首先对相关装置的设置进行阐述。刀盘溜渣箱相连的传送带上设置有图像采集传感器，例如摄像头或者视频采集装置，用于获取高分辨率的图像。采集的图像含有时间戳，可以采取示踪的方式获取图像和实际的掘进过程中的关系，例如在一个溜渣槽内加入示踪物，通过跟踪示踪物最大比例的方式来确定一个区域的矿渣到达传送点或者图像传感器的时间，此时，通过将历史图像和历史工作区域对应，从而获得实际的工作区的煤岩界面分布。在进行上述配置后，获得传送带的图像，传送带的图像和位置偏移对应形成煤岩识别网络的输入。传送带上的图像信息用于获取当前界面的分布，由于掘进过程中，TBM将煤岩粉碎，但是巷道片帮上仍然保留了部分界面的信息，因此可以通过将传送带上的图像信息合并，以获取对应界面的煤岩分布信息。由于刀盘位置以及机头处位置被覆盖而无法直接获取，实际上可以获得的区域和传送带的图像需要对应后才具有价值。对煤岩进行识别时，首先将图像灰度化；如在进行图像采集时，进行了滤光处理，则获取图像实际和灰度值图像近似，对图像进行处理，即将图像像素按照位置分别以v=(r+g+b)/3的值替代；基于煤岩分类模型，将截断线性拉伸处理后图像中的像素进行煤岩分类，得到煤岩分类结果图像，煤岩分类结果图像包括煤像素以及岩像素，对煤岩进行识别使用多红外光谱相机进行，可以设置多台，且每台具有滤光片。在获得比例后，可以基于此生成对应的界面图。

[0028] 根据本发明的一个实施例，为了保持数据的一致性，可以在历史数据的基础上进行变更，并进行煤岩区域的增减，以保持数据的一致性。在本发明的一个实施例内，存在一个界面A，对其进行数据回放时煤岩界面图被初始化为A1，而对其下一个界面进行拟合时得到的煤岩界面图为A2，如果A1和A2差异较大，则以A1界面为基础，生成具有和A2等效煤岩分布比的界面图A2’，从而保证了图像的连续性。

[0029] 根据本发明的一个实施例，可以使得煤岩分布和真实的值具有一定的关联性。即，可以先确定周边的煤岩分布，按照径向分布将煤岩分布向巷道的中心延伸一定距离获得基础图像，之后在基础图像的基础上进一步产生随机的煤岩界面图，从而使得其和煤矿巷道的边界具有关联性。

[0030] 根据本发明的一个实施例，巷道模型初始化时可以根据可测量空间根据激光测距仪进行数据采集，并结合盾构机的姿态数据进行其余空间的默认填充，结合盾构机上的数据可以进一步的完成数据的补全，得到井下的巷道模型。例如，可以设置对于注浆区域，其可以使用固实的结构进行渲染，即对应区域已经被填充，且不可以被物理穿透；而对于盾构机覆盖的区域，例如撑靴支护的区域，可以设置为巷道原始结构，其表面仍然以原始拟合的界面为准。

[0031] 根据本发明的一个实施例，由于矿井巷道会发生轻微的位移，在盾构机配置传感器可以获得位移时，可以根据此进一步调整巷道的细微结构。在进行细微结构的调整时，可以依据传感器的采集时间进行，即按照次序进行增量渲染，此数据可以被合并至原始的模型内，或者保存单独的变化序列。

[0032] 根据本发明的一个实施例，巷道的形成事件包括填充、支护、喷涂事件；根据事件和界面的关联性，更新可视的巷道界面。其中填充的事件可以对应于固实的结构的形成，喷涂可以用于界面的修饰，支护可以用于附加额外的部件或者增加传感器的位点。

[0033] 根据本发明的一个实施例，回放的最小单元可以根据推进过程数据采集的最小可信单元确定，采用推进形成作为最小单元，可以在压缩数据量的同时，提高响应速度以及满足分析需求。如果设置更多的传感器，则可以进一步降低回放的单元，例如调整5min至1min或15s，甚至1s。

[0034] 不仅如此，为实现上述发明目的，本发明还提供了一种TBM巷道形成过程的回放系统，包括：时间获取模块：获取回放开始时间和回放结束时间；
模型确定模块：基于盾构机刀盘的历史位置确定巷道回放开始时间的模型，基于盾构机刀盘在回放结束时间的位置确定巷道回放结束时间的模型；
推进面确定模块：根据盾构机刀盘岩屑确定巷道推进过程中的推进面；
压力分布确定模块：根据盾构机撑靴部、支撑部以及巷道内传感器的压力确定信号采集点的压力，根据信号采集点的压力确定巷道内的压力分布；
状态序列获取模块：根据巷道内的压力分布和推进面生成巷道界面的状态序列；
巷道图像渲染模块：基于用户选择的巷道形成时间渲染巷道的图像。

[0035] 根据本发明的一个实施方式，根据刀盘的位置获取当前时间巷道的推进位置，根据推进位置获得传送带上的图像，基于传送带上的图像获取界面处的煤岩分布比例，基于煤岩分布比例确定渲染的图像。

[0036] 根据本发明的一个实施方式，在存在和当前回放时间相邻的回放数据时，基于煤岩分布比例在回放数据基础上进行更改，使更新后的界面处的煤岩比例和当前煤岩分布比例一致；在不存在和当前回放时间相邻的回放数据时，基于煤岩分布比例构建随机的煤岩界面图，使图像中煤岩像素占比和煤岩分布比例基本一致。

[0037] 根据本发明的一个实施方式，基于巷道内裸漏的片帮初始化煤岩界面图，初始化后的煤岩界面图中和片帮重叠位置具有一致的煤岩分布，基于随机数构建煤体或岩体的图形，在图形中像素比和目标煤岩比例一致时，停止煤岩界面图的生成，将当前的图形作为巷道初始界面的图。

[0038] 根据本发明的一个实施方式，巷道回放开始时间的模型基于对巷道空间的激光测距和视频监控获得，并根据设置于巷道片帮上的位移传感器进行调整。

[0039] 根据本发明的一个实施方式，根据盾构机的姿态数据更新巷道底部的界面。

[0040] 根据本发明的一个实施方式，基于巷道面的形成事件更新巷道的界面，根据渲染结果和下一个历史数据对界面的形成过程进行线性过渡。

[0041] 根据本发明的一个实施方式，回放过程的最小单元为盾构机的一个行程，在回放时，基于线性过渡的方式对行程内缺失的数据进行计算。

[0042] 根据本发明的一个实施方式，获取传感器在回放时间内的数据以及回放时间前的数据；在存在和传感器关联的风险评估算法时，且传感器采集的数据满足风险评估的要求时，生成风险的评价信息；
传感器包括压力传感器、气体传感器、湿度传感器、温度传感器和气体流速传感器，或图像传感器，在使用图像传感器时，使用的数据为图像区域中包括的裂隙数据。

[0043] 根据本发明的一个实施例，数据的渲染使用unity3D进行。

[0044] 根据本发明的一个实施例，盾构机刀盘旋转过程中，其后方传送带上的矿渣和位置具有关联性，但是受限于溜渣箱内会存在一定的积存，以及溜渣箱和传送带图像获取的位置的差异，传送带上获取的图像并不严格属于当前煤岩界面的图像，而存在一定的不连贯性，但是，当前位置所工作的界面和传送带上的矿渣图像具有关联性，因掘进过程中，TBM的前进速度在cm/min级别，对其数据分析仍然具有参考价值。特别的，如果在一个行程内，通过收集该行程内的部分煤岩以进行分析，获得界面信息。为了实现上述的过程，首先对相关装置的设置进行阐述。刀盘溜渣箱相连的传送带上设置有图像采集传感器，例如摄像头或者视频采集装置，用于获取高分辨率的图像。采集的图像含有时间戳，可以采取示踪的方式获取图像和实际的掘进过程中的关系，例如在一个溜渣槽内加入示踪物，通过跟踪示踪物最大比例的方式来确定一个区域的矿渣到达传送点或者图像传感器的时间，此时，通过将历史图像和历史工作区域对应，从而获得实际的工作区的煤岩界面分布。在进行上述配置后，获得传送带的图像，传送带的图像和位置偏移对应形成煤岩识别网络的输入。传送带上的图像信息用于获取当前界面的分布，由于掘进过程中，TBM将煤岩粉碎，但是巷道片帮上仍然保留了部分界面的信息，因此可以通过将传送带上的图像信息合并，以获取对应界面的煤岩分布信息。由于刀盘位置以及机头处位置被覆盖而无法直接获取，实际上可以获得的区域和传送带的图像需要对应后才具有价值。对煤岩进行识别时，首先将图像灰度化；如在进行图像采集时，进行了滤光处理，则获取图像实际和灰度值图像近似，对图像进行处理，即将图像像素按照位置分别以v=(r+g+b)/3的值替代；基于煤岩分类模型，将截断线性拉伸处理后图像中的像素进行煤岩分类，得到煤岩分类结果图像，煤岩分类结果图像包括煤像素以及岩像素，对煤岩进行识别使用多红外光谱相机进行，可以设置多台，且每台具有滤光片。在获得比例后，可以基于此生成对应的界面图。

[0045] 根据本发明的一个实施例，为了保持数据的一致性，可以在历史数据的基础上进行变更，并进行煤岩区域的增减，以保持数据的一致性。在本发明的一个实施例内，存在一个界面A，对其进行数据回放时煤岩界面图被初始化为A1，而对其下一个界面进行拟合时得到的煤岩界面图为A2，如果A1和A2差异较大，则以A1界面为基础，生成具有和A2等效煤岩分布比的界面图A2’，从而保证了图像的连续性。

[0046] 根据本发明的一个实施例，可以使得煤岩分布和真实的值具有一定的关联性。即，可以先确定周边的煤岩分布，按照径向分布将煤岩分布向巷道的中心延伸一定距离获得基础图像，之后在基础图像的基础上进一步产生随机的煤岩界面图，从而使得其和煤矿巷道的边界具有关联性。

[0047] 根据本发明的一个实施例，巷道模型初始化时可以根据可测量空间根据激光测距仪进行数据采集，并结合盾构机的姿态数据进行其余空间的默认填充，结合盾构机上的数据可以进一步的完成数据的补全，得到井下的巷道模型。例如，可以设置对于注浆区域，其可以使用固实的结构进行渲染，即对应区域已经被填充，且不可以被物理穿透；而对于盾构机覆盖的区域，例如撑靴支护的区域，可以设置为巷道原始结构，其表面仍然以原始拟合的界面为准。

[0048] 根据本发明的一个实施例，由于矿井巷道会发生轻微的位移，在盾构机配置传感器可以获得位移时，可以根据此进一步调整巷道的细微结构。在进行细微结构的调整时，可以依据传感器的采集时间进行，即按照次序进行增量渲染，此数据可以被合并至原始的模型内，或者保存单独的变化序列。

[0049] 根据本发明的一个实施例，巷道的形成事件包括填充、支护、喷涂事件；根据事件和界面的关联性，更新可视的巷道界面。其中填充的事件可以对应于固实的结构的形成，喷涂可以用于界面的修饰，支护可以用于附加额外的部件或者增加传感器的位点。

[0050] 根据本发明的一个实施例，回放的最小单元可以根据推进过程数据采集的最小可信单元确定，采用推进形成作为最小单元，可以在压缩数据量的同时，提高响应速度以及满足分析需求。如果设置更多的传感器，则可以进一步降低回放的单元，例如调整5min至1min或15s，甚至1s。

[0051] 基于此，本发明的有益效果在于，通过本申请采集地质环境可以形成开采过程的数据记录存档，并基于此可以实现巷道形成过程的重建。

[0052] 本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的模块及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

[0053] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和设备的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

[0054] 在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0055] 所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明实施例方案的目的。

[0056] 另外，在本发明实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。

[0057] 所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例节能信号发送/接收的方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0058] 以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

[0059] 应理解，本发明的发明内容及实施例中各步骤的序号的大小并不绝对意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。