立井井筒裝備關(guān)鍵構(gòu)件參數(shù)建模及自動(dòng)裝配技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

鄒元春，盧新明，李金龍，張善兵

(1.山東科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510；2.山東藍(lán)光軟件有限公司，山東 泰安 271000；3.寧夏煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 銀川 750000)

1 概 述

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的深入開展，諸如AutoCAD、Easy Map、Map Info和Map GIS等軟件在采礦設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，使廣大工程設(shè)計(jì)人員擺脫了簡單工具的束縛，實(shí)現(xiàn)了快速、高效、精確、美觀地繪制工程圖的愿景。文獻(xiàn)[1-3]介紹了AutoCAD在采礦設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。但是隨著設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)工具的不斷進(jìn)步，用AutoCAD之類的二維繪圖軟件進(jìn)行繪圖，而后通過人工統(tǒng)計(jì)計(jì)算，再通過Office軟件編輯設(shè)計(jì)文檔，已無法滿足目前設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)要求。老的設(shè)計(jì)方法結(jié)果不能自動(dòng)可視化，更不能進(jìn)行分析模擬和仿真，很難檢驗(yàn)其正確性和科學(xué)性，設(shè)計(jì)效率低，設(shè)計(jì)結(jié)果不能滿足未來智慧礦山建設(shè)的需要。立井井筒裝備施工圖具有設(shè)計(jì)難度大、設(shè)計(jì)周期長、出圖量大(幾十張到一百多張自然圖紙)、工程量統(tǒng)計(jì)易出錯(cuò)、構(gòu)件精細(xì)化程度高等諸多難點(diǎn)，是煤礦施工圖設(shè)計(jì)中最復(fù)雜、工作量最大的施工圖。

近年來，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)在建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)了快速迅猛的發(fā)展。文獻(xiàn)[4]介紹了BIM技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中的價(jià)值。BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的信息化和三維可視化，使用戶可以定期進(jìn)行碰撞檢測，及時(shí)修改設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，實(shí)時(shí)的檢查綜合設(shè)計(jì)成果。BIM技術(shù)同時(shí)也已在其他行業(yè)得到推廣，例如文獻(xiàn)[5]介紹了BIM技術(shù)在水利工程三維設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。借鑒學(xué)者研究成果，本文嘗試將BIM的理念帶入到井筒裝備三維設(shè)計(jì)中，并取得了良好的效果。井筒裝備三維設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)起來要比傳統(tǒng)的BIM理念更加復(fù)雜，需要融合參數(shù)化設(shè)計(jì)、采礦設(shè)計(jì)及三維可視化裝配技術(shù)。文獻(xiàn)[6]對礦山井巷工程數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行了分析，抽象出井巷工程二三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及建模方法，從巷道測量數(shù)據(jù)建立三維巷道模型，提供了井筒參數(shù)化建模的思路。參數(shù)化還必須能體現(xiàn)三維模型的空間拓?fù)潢P(guān)系，文獻(xiàn)[7]對三維地學(xué)空間模型建模問題進(jìn)行了探討。煤層三維地質(zhì)建模一直是計(jì)算機(jī)地質(zhì)圖形學(xué)研究的熱點(diǎn)，體現(xiàn)了地質(zhì)建模的前沿技術(shù)，對井筒三維建模具有相當(dāng)大的指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[8]詳細(xì)介紹了煤層建模技術(shù)。建模完畢后，還需要考慮三維模型的可視化。文獻(xiàn)[9-11]通過理論結(jié)合實(shí)際應(yīng)用介紹了如何有效地將三維可視化技術(shù)應(yīng)用在礦山開采的輔助設(shè)計(jì)中，提出了在礦山行業(yè)構(gòu)建礦山三維參數(shù)化輔助設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)的構(gòu)想。

綜上所述，井筒裝備設(shè)計(jì)需要綜合利用數(shù)字化技術(shù)，建設(shè)數(shù)字化對象，同時(shí)這個(gè)對象必須是包含工程屬性的，系統(tǒng)也需要滿足一定的開放性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)裝備模型等的及時(shí)更新。本文主要介紹了立井井筒裝備中關(guān)鍵構(gòu)件建模算法及構(gòu)件之間的自動(dòng)裝配算法。

2 井筒裝備建模的數(shù)據(jù)組織及建模流程

2.1 井筒裝備建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.1.1 井筒整體設(shè)計(jì)構(gòu)架

井筒設(shè)計(jì)是由多個(gè)不同深度的設(shè)計(jì)斷面組成。不同斷面上的有許多相同的裝備，例如容器和罐道。因此，根據(jù)井筒裝備特點(diǎn)，可將井筒設(shè)計(jì)分為三級構(gòu)件構(gòu)架，即第一級為井筒斷面，第二級為容器、橫梁、罐道、梯子間、管路，將二級構(gòu)件再細(xì)化為第三級構(gòu)件。在進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)只需要設(shè)計(jì)好標(biāo)準(zhǔn)段井筒斷面的裝備參數(shù)化，其他延伸的斷面自動(dòng)把相同裝備的參數(shù)帶入，避免了參數(shù)的多次重復(fù)輸入。

2.1.2 單個(gè)裝備部件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型主要研究幾何對象的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、組織管理、處理方法等內(nèi)容，主要包括井筒、容器、橫梁、罐道、梯子間、管路。

1)井筒：名稱、斷面直徑、支護(hù)厚度、層間距、出車方位角、井口經(jīng)緯度、井口標(biāo)高、斷面深度。

2)容器：名稱、類型、型號、尺寸參數(shù)、排放方式、中心距離。

3)橫梁：名稱、類型、型號、尺寸參數(shù)、材料參數(shù)、焊接板參數(shù)、密封板參數(shù)。

4)罐道：名稱、類型、型號、尺寸參數(shù)、材料參數(shù)、罐道安裝間隙、焊接板參數(shù)、密封板參數(shù)。

5)梯子間：名稱、類型、布置形式、起始深度、梯子架參數(shù)、梯子平臺(tái)參數(shù)、柵欄參數(shù)、梯子小梁參數(shù)、連接通用標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)、卡板卡子參數(shù)、托掛鉤參數(shù)、大小梁連接件參數(shù)。

6)管路：名稱、類型、型號、外徑、厚度、起始點(diǎn)、重量、卡間距以及管梁間距。

2.1.3 構(gòu)件關(guān)聯(lián)關(guān)系設(shè)計(jì)

井筒中裝備之間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如罐道與罐道梁、罐道與托架、罐道梁與托架等。通過分析，建立連接關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，主要包括梁與井壁、梁與梁、罐道與井壁、罐道與梁、梯子間與梯子大梁、梁與管路、梁與電纜、電纜與井壁等的連接關(guān)系。

2.2 井筒裝備建模流程

在立井井筒裝備建模過程中，單元構(gòu)件建模完畢后，需要首先利用自動(dòng)集成裝配技術(shù)組成標(biāo)準(zhǔn)段的井筒斷面，然后根據(jù)其他井筒斷面的特殊需求建立各自井筒斷面的模型，最終根據(jù)各井筒斷面分布范圍進(jìn)行井筒的系統(tǒng)整體裝配。具體井筒裝備三維建模流程如圖1所示。

圖1 井筒裝備三維建模流程

3 井筒裝備關(guān)鍵構(gòu)件參數(shù)驅(qū)動(dòng)建模

井筒裝備建模中橫梁、罐道、梯子間為關(guān)鍵構(gòu)件，設(shè)計(jì)參數(shù)較為復(fù)雜。下面分別介紹三種關(guān)鍵構(gòu)件的參數(shù)驅(qū)動(dòng)建模算法。

3.1 罐道

罐道是提升容器運(yùn)行的導(dǎo)軌，是現(xiàn)行立井井筒的基礎(chǔ)必備組成構(gòu)件，其截面參數(shù)及空間位置主要由對應(yīng)容器決定。一條罐道是由多段不同罐道段組成。罐道不分井筒斷面，所以配置一次就可以。參數(shù)建模算法如下：

1)確定罐道的縱向安裝位置。為了保證容器的平穩(wěn)運(yùn)行，同一容器的不同罐道連接段安裝位置分布是不能在同一層位的，需要錯(cuò)開布置。罐道安裝位置參數(shù)包括起始深度、終止深度及首層深度。

2)配置罐道的截面屬性參數(shù)。屬性參數(shù)包括罐道的截面類型(一般為矩形)、鋼材尺寸型號及材料屬性。

3)配置罐道焊接板參數(shù)。罐道的兩端及中部都會(huì)有焊接板用來形成罐道與罐道梁的連接。其主要包括鋼板材質(zhì)、寬度、孔邊距及孔半徑參數(shù)。

4)配置罐道端頭參數(shù)。整體罐道的兩頭罐道段頭需要進(jìn)行特殊收縮設(shè)計(jì)方便容器的過度。其主要包括鋼板寬度、高度、斜長、邊距及水平長度參數(shù)。

5)配置罐道安裝參數(shù)。罐道安裝時(shí)之間一般留有一定間隙。罐道也會(huì)超出端頭焊接板一定距離。

6)生成罐道部件表。根據(jù)井筒斷面層間距及配置好的罐道材質(zhì)參數(shù)及安裝參數(shù)，生成罐道的部件一覽表。自動(dòng)計(jì)算出整條罐道各段的長度及安裝層位。

7)生成罐道整體三維模型。模型是由各段罐道模型組成。

3.2 橫梁

井筒中的橫梁可分為罐道梁和大梁。罐道梁為立井作業(yè)過程中，為固定剛性罐道，沿立井井筒縱向每隔一定距離安設(shè)的橫梁。大梁有梯子大梁和管路大梁。建模算法如下：

1)配置橫梁的距中安裝距離。橫梁與罐道不同，位置較為靈活，罐道位置由容器位置決定，所以不用單獨(dú)設(shè)置。

2)配置橫梁的截面屬性參數(shù)。屬性參數(shù)包括橫梁的截面類型(一般為矩形、工字鋼)、鋼材尺寸型號及材料屬性。

3)配置橫梁焊接板參數(shù)。橫梁的焊接板用來與罐道連接。其主要包括鋼板材質(zhì)、寬度、孔邊距及孔半徑參數(shù)。

4)如果橫梁截面為矩形鋼，則為了防腐有時(shí)候需要在兩端焊接一個(gè)密板，保證橫梁內(nèi)部的密封性。密板主要包括厚度、寬度、高度及四角角度參數(shù)。如果是工字鋼，則不需要此步設(shè)置。

5)配置橫梁的安裝層位。梁的安裝位置參數(shù)主要由初始深度、終止深度及層間距決定。

6)自動(dòng)配置橫梁螺栓安裝孔位置。根據(jù)罐道、梯子間、管路的安裝位置，自動(dòng)計(jì)算螺栓孔的安裝位置。

7)生成橫梁三維模型。根據(jù)配置好的橫梁截面參數(shù)、焊接板參數(shù)、密板參數(shù)、螺栓孔參數(shù)生成單根橫梁的三維模型。

3.3 梯子間

梯子間的參數(shù)結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，作為二級構(gòu)件其下屬的三級構(gòu)件還包括梯子架、梯子平臺(tái)、柵欄、梯子小梁、連接通用標(biāo)準(zhǔn)件、卡板卡子、托掛鉤、大小梁連接件等，總計(jì)280多個(gè)參數(shù)。參數(shù)建模算法如下：

1)配置梯子間空間位置參數(shù)。梯子間依附于梯子大梁。所以，需要選擇梯子間連接大梁對象。然后，配置梯子間距離井筒中心線的距離(如果梯子大梁垂直放置，梯子間距離井筒豎向中心線距離；如果梯子大梁是水平放置，則為水平中心線距離)、平臺(tái)長度和寬度。

2)配置梯子間類型(玻璃鋼、金屬)及布置形式(順向、交錯(cuò))。

3)配置梯子間類型安裝位置。梯子間一般分為三種類型，即首層、標(biāo)準(zhǔn)段層及底端末層。位置不同構(gòu)件的參數(shù)也有所區(qū)別。

4)配置梯子間三級構(gòu)件(梯子架、梯子平臺(tái)、柵欄、梯子小梁、通用標(biāo)準(zhǔn)件、卡板卡子、托掛鉤及大小梁連接件)參數(shù)。

5)根據(jù)每種梯子間類型參數(shù)，生成單層的梯子間模型。

6)根據(jù)各種梯子間模型，疊加生成組合梯子間模型。用來測試不同類型梯子間連接是否匹配。

3.4 管路

常用的管路形式有供排水管、消防灑水管以及壓供風(fēng)管等。管路一般是通過卡纜固定在卡管梁上，也有固定在井壁上的情況。參數(shù)建模算法如下：

1)配置管路空間位置參數(shù)。選擇管路的依附連接對象。如果管路依附在卡管梁上則在選擇連接對象后再配置管路的中心線距離。如果管路依附在井壁，則配置管路相對于井筒水平中心線的逆時(shí)針安裝角度。

2)配置管路的截面屬性參數(shù)。

3)配置管路連接件參數(shù)。

4)生成管路三維模型。

3.5 線纜

通過分析設(shè)計(jì)了一套線纜井壁常用安裝建模方法，具體方法如下：

1)配置電纜型號、半徑及根數(shù)。

2)設(shè)置電纜鉤參數(shù)。電纜鉤主要由木夾、角鋼、鋼板、墊圈、方墊圈、螺母及螺栓組成。每一部分都需要配置對應(yīng)的參數(shù)。

3)生成線纜三維模型。線纜獨(dú)立模型生成后，在后面的自動(dòng)裝配時(shí)，就可以根據(jù)線纜尺寸及位置拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)裝配在井壁上。

4 井筒自動(dòng)裝配技術(shù)

在BIM建模過程中，如果模型構(gòu)件尺寸發(fā)生變化常常引起周圍構(gòu)件的重疊或是相離，需要人工干預(yù)。文獻(xiàn)[13]在分析裝配設(shè)計(jì)和層次化單元任務(wù)模型的基礎(chǔ)上，建立了支持裝配設(shè)計(jì)的面向?qū)ο蟮膶哟位瘑卧b配模型。文獻(xiàn)[14]介紹了裝配圖和零件尺寸其中任何一方修改另一方都會(huì)自動(dòng)改變，實(shí)現(xiàn)了零部件參數(shù)化和裝配設(shè)計(jì)參數(shù)化的統(tǒng)一自動(dòng)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[15，16]各自對裝配尺寸鏈進(jìn)行了研究，提出了不同的三維裝配尺寸鏈自動(dòng)生成方法。本文研究了井筒裝備模型裝配設(shè)計(jì)中的功能結(jié)構(gòu)的表示以及裝配單元的自適應(yīng)策略，設(shè)計(jì)了一套井筒自動(dòng)裝配技術(shù)，大大提高了井筒裝配的效率及準(zhǔn)確度。

4.1 井筒斷面多參數(shù)綜合優(yōu)化

根據(jù)初步布置的井筒裝備，依據(jù)相關(guān)安全間隙設(shè)計(jì)規(guī)范對裝備進(jìn)行合理擺放，然后進(jìn)行凸包計(jì)算和最小包圍圓計(jì)算，最終得到最優(yōu)的井筒直徑及裝備斷面位置參數(shù)。當(dāng)手動(dòng)調(diào)整裝備空間位置后，系統(tǒng)能自動(dòng)分析調(diào)整井筒直徑參數(shù)。

4.2 井筒裝備自適應(yīng)裝配設(shè)計(jì)模式

以計(jì)算出的最優(yōu)布置方式為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際需要可以手動(dòng)添加調(diào)整管路、電纜、大梁、梯子間等裝備尺寸，設(shè)置裝備基本參數(shù)，系統(tǒng)可以初步自動(dòng)計(jì)算相應(yīng)的托架等的連接部件型號及安裝參數(shù)。用一套參數(shù)，生成施工圖和三維模型的過程中，避免了裝備構(gòu)件缺失風(fēng)險(xiǎn)。按照對象特征以及對象的關(guān)聯(lián)關(guān)系和驅(qū)動(dòng)(幾何和約束驅(qū)動(dòng))關(guān)系，也有效地避免了干涉及碰撞檢測，從而保證了井筒裝備的安全運(yùn)行。

參數(shù)修改時(shí)，根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系及約束可自動(dòng)求解；生成設(shè)計(jì)說明，可減輕人工工作量，也避免了二次算量、翻模。

4.3 二維圖紙及三維模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式

在對井筒斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)自動(dòng)裝配的同時(shí)，可以隨時(shí)查看當(dāng)前設(shè)計(jì)情況的二維施工圖和三維設(shè)計(jì)效果是否合理，對斷面布置做出及時(shí)調(diào)整，也可以在最后進(jìn)行整體的效果展示圖，最后輸出設(shè)計(jì)文檔。

二維圖紙是以山東藍(lán)光軟件有限公司開發(fā)的NET圖形格式進(jìn)行存儲(chǔ)，關(guān)鍵圖形包括點(diǎn)，直線，圓，矩形，圓弧，橢圓弧，多段線，多重線，多義線，填充區(qū)域(剖面)，標(biāo)注，標(biāo)高點(diǎn)，設(shè)備，線路等。NET圖形格式可以與dwg、dxf、dwt等文件格式進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換。

三維模型是以山東藍(lán)光軟件有限公司開發(fā)的3DT圖形格式進(jìn)行存儲(chǔ)，關(guān)鍵圖形包括點(diǎn)，面，文本，線，紋理，層，體等。3DT圖形格式是文本結(jié)構(gòu)文件，方便打開及編輯，可以實(shí)現(xiàn)與3DS、OBJ等主流3D模型格式的互通，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)通用性。

5 應(yīng)用實(shí)例

陜西山陽礦井主立井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15.0Mt/a，設(shè)計(jì)礦井年工作日為330d，日凈提升時(shí)間18h。礦井采用立井開拓。主立井井口標(biāo)高+1277.3m，井底標(biāo)高+585.0m，井筒垂深692.3m，凈直徑9.6m。裝備兩對名義載重50t箕斗，配套裝備直徑?5m，6繩摩擦提升機(jī)2臺(tái)，用于礦井主提升，兼礦井進(jìn)風(fēng)任務(wù)。

首先根據(jù)基本設(shè)計(jì)方案配置設(shè)計(jì)前提數(shù)據(jù)，選取箕斗數(shù)量為4，計(jì)算得到符合條件的一次提升量等參數(shù)。然后通過一系列詳細(xì)設(shè)計(jì)得到立井井筒布置效果圖。在詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中以及確定最終設(shè)計(jì)后，可以生成井筒斷面(如圖2所示)及井筒設(shè)備部件(以梯子間為代表，如圖3所示)的三維施工圖。

圖2 主立井井筒裝備三維模型展示圖

圖3 梯子間三維施工圖

6 結(jié) 語

通過對煤礦立井井筒裝備三維設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究，綜合利用數(shù)字化技術(shù)，建設(shè)數(shù)字化對象，定制了滿足立井井筒裝備三維建模需求設(shè)計(jì)流程，建立了井筒整體架構(gòu)模型、井筒裝備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。參數(shù)配置完畢后自動(dòng)裝配并通過三維基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行三維展示，快捷方便地自動(dòng)生成設(shè)計(jì)文檔、二維施工圖、三維模型效果圖，設(shè)計(jì)成果更加直觀，設(shè)計(jì)效率更加高效，實(shí)現(xiàn)煤礦立井井筒裝備設(shè)計(jì)的規(guī)范化、流程化、自動(dòng)化和智能化。不僅能大幅度提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，間接減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤及設(shè)計(jì)變更，還能改進(jìn)設(shè)計(jì)單位的工作方式，是一次很有意義的嘗試。

在下一步的工作中，將繼續(xù)總結(jié)井筒裝備設(shè)計(jì)方法，擴(kuò)展現(xiàn)有構(gòu)件建模及自動(dòng)裝配方法，進(jìn)一步提高方法的通用性。同時(shí)，也針對其他部位裝備(地面穩(wěn)罐以及井底水窩、馬頭門、清理硐室、裝載硐室等井底下部裝備)的裝配技術(shù)方案及應(yīng)用進(jìn)行更加全面深入的研究與實(shí)現(xiàn)。