金屬礦山地下開采工程三維推演系統(tǒng)架構(gòu)研究

劉亞靜 王建佳

(河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009)

礦山行業(yè)是一個(gè)相對傳統(tǒng)的行業(yè)，目前礦山設(shè)計(jì)方案絕大多數(shù)都是以文字圖表、二維圖紙等為信息載體，尤其是在開采工程設(shè)計(jì)方面的成果表達(dá)大多采用傳統(tǒng)的CAD制圖的方法，這就很難將礦山的設(shè)計(jì)信息直觀的表現(xiàn)出來。然而，金屬礦山地下開采是一個(gè)復(fù)雜工程，采用三維系統(tǒng)對整個(gè)過程進(jìn)行可視化表達(dá)與傳統(tǒng)的方法相比則具有更直觀和準(zhǔn)確的特點(diǎn)。金屬礦山地下開采工程三維推演系統(tǒng)研究，主要是根據(jù)礦山周邊遙感影像和DEM數(shù)據(jù)、礦山開采設(shè)計(jì)所提供的巷道矢量數(shù)據(jù)以及相關(guān)的開采參數(shù)，模擬出包括自然實(shí)體和人工實(shí)體在內(nèi)的三維空間，不僅可以更好地表達(dá)各種開拓、采準(zhǔn)、切割巷道之間的空間關(guān)系，還可以根據(jù)采掘計(jì)劃生動(dòng)的推演礦山的開采過程，為采礦的設(shè)計(jì)決策提供支持。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在綜合分析國內(nèi)外現(xiàn)有3D礦業(yè)應(yīng)用軟件的開發(fā)模式、研究成果和采礦設(shè)計(jì)用戶的實(shí)際應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，緊緊圍繞數(shù)字礦山軟件開發(fā)的總體目標(biāo)，依托礦山地質(zhì)學(xué)、采礦工程、計(jì)算幾何學(xué)、軟件工程、地理信息系統(tǒng)(GIS)和3D建模理論與技術(shù)研究開發(fā)金屬礦山地下開采開拓工程三維推演系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含3個(gè)子系統(tǒng)，分別是采礦設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、三維場景管理子系統(tǒng)和金屬礦山地下開采三維推演子系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 采礦設(shè)計(jì)子系統(tǒng)

對于某一特定礦床，可以采用多種不同的方式來進(jìn)行開采，進(jìn)而形成不同的開拓系統(tǒng)。如何在保證安全生產(chǎn)的前提下，設(shè)計(jì)一種開拓和回采方案不僅能夠滿足生產(chǎn)能力的要求和技術(shù)要求，而且能減少基建時(shí)間和費(fèi)用成本，是礦山設(shè)計(jì)者首先需要考慮的問題。采礦設(shè)計(jì)子系統(tǒng)就是這樣一個(gè)基于采礦專家經(jīng)驗(yàn)和采礦領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行開拓方案選擇的人工智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可模擬擁有長期礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的采礦專家的思維邏輯與推理方法，對地質(zhì)及賦存條件已知的礦體指出可行的優(yōu)選的開拓方案。

采礦設(shè)計(jì)子系統(tǒng)的運(yùn)行原理見圖2所示。根據(jù)用戶提交的礦床的賦存條件，如礦體的賦存深度、礦體的走向長度、礦體的傾角、礦體的厚度、圍巖的穩(wěn)定性等信息，系統(tǒng)調(diào)用開拓方案專家決策模塊，執(zhí)行開拓方案推理決策操作。即結(jié)合采礦約束條件數(shù)據(jù)庫搜索匹配知識(shí)庫中國內(nèi)外礦床開拓實(shí)踐中所運(yùn)用的各種開拓方案。如果開拓方案匹配成功，則系統(tǒng)將決策結(jié)果以報(bào)告形式輸出;若匹配失敗，則進(jìn)一步與用戶交互，并將交互結(jié)果整理后存入采礦約束條件數(shù)據(jù)庫并重復(fù)開拓方案推理決策操作。

2.2 三維場景管理子系統(tǒng)

圖2 采礦設(shè)計(jì)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Sub-system structure of the mining design

傳統(tǒng)的地下巷道的三維可視化的實(shí)現(xiàn)是采用AutoCAD和3DS MAX的技術(shù)路線，即首先在Auto-CAD軟件中進(jìn)行精確的建模，生成*.dwg二維格式的數(shù)據(jù)文件;然后再導(dǎo)入3DS MAX軟件中進(jìn)行三維建模;最后在三維平臺(tái)中加載，實(shí)現(xiàn)地下巷道的三維可視化。上述方法的實(shí)現(xiàn)不僅需要有熟練的Auto-CAD和3DS MAX操作經(jīng)驗(yàn)，而且制作的巷道模型在采礦設(shè)計(jì)應(yīng)用的靈活性差，如果井巷方案需要改動(dòng)的話，那么就需要重復(fù)上述復(fù)雜的巷道模型數(shù)據(jù)處理過金屬礦山三維場景管理子系統(tǒng)見圖3所示，程。為了克服傳統(tǒng)三維巷道建模的缺點(diǎn)，采用地下巷道自動(dòng)生成技術(shù)，用戶只需向系統(tǒng)提供采礦設(shè)計(jì)的巷道二維Shapefile矢量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)即可進(jìn)行巷道和工作面模型對象的自動(dòng)創(chuàng)建。這種技術(shù)的使用在很大程度上提高了三維可視化系統(tǒng)在采礦設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用的靈活性。

圖3 三維場景管理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Sub-system structure of 3D scene management

除此之外，系統(tǒng)還提供支持三維可視化場景的編輯和漫游功能:用戶可以對礦山工業(yè)廣場、井下設(shè)備等三維模型的添加刪除、位置編輯、屬性綁定與查詢;系統(tǒng)三維場景漫游功能能夠使用戶身臨其境的從不同角度了解從井上到井下的各種情況。

2.3 金屬礦山地下開采三維推演子系統(tǒng)

采礦設(shè)計(jì)中給出了金屬礦山的開采環(huán)境、采礦方法的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、開采工作量等信息，但是這些信息是以文本或圖表形式保存的靜態(tài)數(shù)據(jù)，不具備直觀的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)功能。為了分析開采方案，檢驗(yàn)采礦計(jì)劃，通常還需要將采礦計(jì)劃在時(shí)間軸線上進(jìn)行動(dòng)態(tài)地推演。金屬礦山生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)推演子系統(tǒng)見圖4所示，可以動(dòng)態(tài)視圖直觀地表現(xiàn)金屬礦山采礦設(shè)計(jì)中所涉及的地下開采活動(dòng)，將礦山設(shè)計(jì)中的人工實(shí)體信息和自然實(shí)體信息以三維可視化的方式在生產(chǎn)進(jìn)度時(shí)間軸上運(yùn)行起來，將礦山開采設(shè)計(jì)的方案以直觀生動(dòng)的形式展示出來。

圖4 動(dòng)態(tài)推演子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Sub-system structure of the dynamic deduction

同時(shí)金屬礦山地下開采是一個(gè)復(fù)雜過程，因而采礦計(jì)劃的制定需要綜合考慮多方面的因素。設(shè)計(jì)人員的不細(xì)致、開采過程本身的復(fù)雜性等都有可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)劃中隱藏著不易察覺的缺陷。在開采實(shí)施之前通過想定的推演，將計(jì)劃逐一展開，檢驗(yàn)初始化數(shù)據(jù)設(shè)置的是否合理，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正。同時(shí)，推演過程也可以啟發(fā)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行深層次的思考，使修訂后的采礦計(jì)劃更加完備周詳。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 三維場景漫游功能實(shí)現(xiàn)

三維場景采用World Wind數(shù)字地球的多線程渲染機(jī)制，即在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)開啟兩個(gè)線程:Update()和Render()。其中 Update線程負(fù)責(zé)對可渲染列表(RenderableObjectList)中渲染對象進(jìn)行循環(huán)檢測，如果該對象未初始化，就調(diào)用對象的初始化函數(shù)(Initialize)將其初始化;對于已初始化的對象，則判斷其數(shù)據(jù)是否需要更新，若對象數(shù)據(jù)發(fā)生改變，則調(diào)用其更新函數(shù)(Update)完成更新。Render線程負(fù)責(zé)對象的渲染，該線程會(huì)不停地的檢測渲染列表中的所有對象，并調(diào)用可渲染對象的渲染方法(Render)進(jìn)行對象的渲染操作。

在三維場景搭建起來之后，接下來我們可以通過設(shè)置渲染設(shè)備Device的視圖變換矩陣、世界變換矩陣和投影變換矩陣來控制渲染在計(jì)算屏幕上的內(nèi)容。因此我們構(gòu)建虛擬相機(jī)(Camera)操作類，在三維虛擬場景中模擬現(xiàn)實(shí)世界中人的眼睛。并提供Pan()、Zoom()、SetPosition()、RotationYawPitch()來控制相機(jī)在三維場景中的位置、目標(biāo)點(diǎn)位置。從而實(shí)現(xiàn)在三維場景中的放大、縮小、平移、俯仰、旋轉(zhuǎn)等漫游操作。

3.2 地下井巷工程三維建模功能實(shí)現(xiàn)

(1)三維巷道建模。系統(tǒng)地下井巷工程三維建模功能采用一種基于巷道底面中線和斷面的建模方法。首先讀取采礦設(shè)計(jì)成果中井下巷道Shapefile數(shù)據(jù)，獲取巷道中心線數(shù)據(jù)以及巷道的參數(shù)信息(類型、紋理等)，然后根據(jù)巷道的參數(shù)信息創(chuàng)建巷道斷面對象(SectionType)，最后沿中心線在關(guān)鍵點(diǎn)處根據(jù)巷道屬性繪制一系列巷道斷面線框模型，并用線段依次將它們連接起來構(gòu)成巷道實(shí)體的表面模型，見圖5所示。

圖5 井巷工程三維模型Fig.5 Three-dimensional tunnel model

(2)工作面建模。采礦工作面是一個(gè)形狀不確定的復(fù)雜多邊形，而且它的頂點(diǎn)多且不在同一平面上，這就導(dǎo)致我們在渲染的時(shí)候不能夠像規(guī)則多邊形那樣將多邊形的頂點(diǎn)和索引人為計(jì)算好然后傳遞給渲染設(shè)備。所以在獲取工作面的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)之后，需要采用三角形剖分技術(shù)將多邊形剖分成一個(gè)三角形條帶(Trianglelist)。在這里我們可以引用OpenGL.Glu庫來實(shí)現(xiàn)多邊形的三角剖分，OpenGL.Glu庫是OpenGL的實(shí)用庫，包含了紋理映射、坐標(biāo)變換、多邊形分化、繪制一些如橢球、圓柱、茶壺等簡單多邊形實(shí)體等功能。提供了 gluNewTess、gluTessVertex、gluT-essCallback、gluTessEndPolygon等網(wǎng)格化的方法。

3.3 地下開采過程動(dòng)態(tài)推演功能實(shí)現(xiàn)

金屬礦山地下開采過程動(dòng)態(tài)推演的關(guān)鍵是采礦過程推演計(jì)劃的建立。利用金屬礦山地下開采的概念模型，提取動(dòng)態(tài)推演所需要素信息，然后利用XML Schema腳本語言定義動(dòng)態(tài)推演模型的組成要素，組成要素中至少應(yīng)當(dāng)包括推演計(jì)劃說明、開采實(shí)體、開采行為、開采任務(wù)四部分。最后與開采過程采用的具體采礦方法相結(jié)合，生成一個(gè)可以在時(shí)間軸上播演整個(gè)開采過程的推演計(jì)劃。得到推演計(jì)劃之后，接下來就可以在三維場景中使用ParticleSystem(粒子系統(tǒng)，用于模擬爆炸等行為)和設(shè)備模型的骨骼動(dòng)畫將推演計(jì)劃以可視化的方式直觀展示出來。

4 結(jié)語

本研究以虛擬現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)，基于DirectX多媒體編程接口采用C#編程語言構(gòu)建了金屬礦山地下開采三維動(dòng)態(tài)推演系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地下巷道和工作面三維模型的自動(dòng)生成，三維場景漫游以及礦山開采過程的三維動(dòng)態(tài)推演。不僅可以使用戶在其中自然地與各種虛擬實(shí)體進(jìn)行交互，還可以生動(dòng)的展示、模擬礦山的開采過程，為采礦的設(shè)計(jì)決策提供支持。

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