基于虛擬建造技術的地浸井場設計系統(tǒng)開發(fā)

霍晨琛，吳衛(wèi)芳，陳 帥，劉曉明，肖詩偉

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

虛擬建造技術以數(shù)字模型為核心，通過集成表達模型信息，提升設計水平和數(shù)據(jù)傳遞效率，實現(xiàn)工藝規(guī)劃、施工制造、方案分析和質量檢驗等過程，從而達到提高施工質量、降低成本、縮短工期并降低數(shù)據(jù)管理難度的目的[1]。核電、航空、航天、船舶、汽車、兵器等領域的制造企業(yè)，正在關注并大力推進虛擬建造技術的發(fā)展[2-7]。核電工程以建筑信息模型為核心，從施工邏輯分析、施工工藝模擬、施工方案論證、管線綜合設計等方面進行了虛擬建造技術的應用，為堆型固化、批量化建設先進核電奠定了堅實的基礎[8]。

井場設計施工建造是鈾礦山地浸開采的重要過程，其建造技術對促進礦山開發(fā)、提高金屬回收、提升管理水平等至關重要。中國鈾資源具有礦體規(guī)模小、品位低、滲透低、多層和零散等特點[9-10]，而地浸工藝鉆孔具有直徑大、成井工藝復雜等特點[11]；因此井場布置及鉆孔建造水平直接影響到井場的抽注平衡、溶浸范圍和資源利用率，同時對礦山服務年限和經(jīng)濟效益產(chǎn)生重要影響。

目前，中國地浸鈾礦山井場設計主要依靠技術人員的經(jīng)驗，通過編制二維圖紙來實現(xiàn)，對地層結構、含水層結構、鈾礦化等信息集成度不夠，對含水層頂?shù)装?、鈾礦體、樣品數(shù)據(jù)和鉆孔軌跡等信息空間表征不足，方案數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作量大。隨著鉆井技術的發(fā)展，地浸鉆孔結構工藝多樣；若在設計與施工之間繼續(xù)依據(jù)二維圖紙進行信息傳遞，則存在效率低、表達準確性欠佳和圖紙更新維護困難等問題。因此，開發(fā)基于虛擬建造技術的地浸井場設計系統(tǒng)，利用數(shù)字化技術進行井場和鉆孔的虛擬建造，實現(xiàn)井場自動布孔、鉆孔可視化設計和數(shù)據(jù)實時統(tǒng)計管理，在提高工作效率、實現(xiàn)地浸井場設計與施工的可視化、數(shù)字化、協(xié)同性、信息集成性等方面具有重要意義。

1 系統(tǒng)架構設計

地浸井場設計系統(tǒng)綜合集成地形信息、探礦工程信息、樣段信息、鉆孔信息等，利用三維建模技術生成三維礦體模型和地表模型，依據(jù)井場設計方案利用礦體模型和地表模型約束關系進行井場自動布置，開展鉆孔工藝可視化設計建造，實時統(tǒng)計井場方案數(shù)據(jù)，并結合設計與施工間信息傳遞特點，開展井場及鉆孔三維可視化技術研究，實現(xiàn)“所見即所得”的技術交底效果。

為實現(xiàn)地浸井場設計系統(tǒng)上述功能，采用MongoDB非關系型數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)[12]，使用Go語言作為后端開發(fā)語言，利用HTML5作為Web前端開發(fā)技術編寫前端頁面，基于WebGL技術構建地浸井場三維場景[13]，通過JavaScript語言和Ajax技術實現(xiàn)頁面交互，完成三維模型構建。系統(tǒng)采用MVC(Model View Controller)框架模式設計系統(tǒng)架構[14]，系統(tǒng)由視圖層、控制層、模型層和數(shù)據(jù)庫組成，詳見平臺總體架構圖(圖1)。

圖1 系統(tǒng)架構圖

視圖層采用基于Web技術的B/S架構模式，即瀏覽器/服務器架構，利用支持3D的瀏覽器如Chrome瀏覽器等，基于HTML5和WebGL技術實現(xiàn)在網(wǎng)頁上繪制和渲染三維模型。視圖層是用戶與系統(tǒng)交互的接口，將控制層傳遞的數(shù)據(jù)采用瀏覽器訪問方式進行界面的展現(xiàn)，也可將用戶反饋的信息傳遞給控制層。

控制層起著系統(tǒng)銜接的作用，主要負責平臺業(yè)務邏輯的處理，通過調用封裝模型層提供的方法接口來處理用戶在視圖層提出的需求，并將結果反饋給視圖層。

模型層根據(jù)控制層的業(yè)務處理需求，為控制層提供一系列數(shù)學模型和方法接口，以供控制層進行業(yè)務邏輯處理。模型層的處理速度是衡量系統(tǒng)性能的重要指標，在設計模型層時要充分考慮系統(tǒng)的性能問題，采用合理可并行計算的算法。

數(shù)據(jù)庫采用非關系型數(shù)據(jù)庫(MongoDB)對平臺數(shù)據(jù)進行儲存。非關系型數(shù)據(jù)庫可以存儲三維圖形等一些數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)結構，提高系統(tǒng)運算性能和快速加載能力，并方便數(shù)據(jù)格式的更改與更新。本系統(tǒng)三維圖形包括礦體模型、井場模型和鉆孔模型等。

2 系統(tǒng)功能模塊

為實現(xiàn)地浸井場及鉆孔虛擬建造、井場信息統(tǒng)計和井場方案比選等功能，對系統(tǒng)進行功能需求分解，采用模塊化結構設計，確定系統(tǒng)功能結構，系統(tǒng)共包括6個功能模塊(圖2)。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

2.1 井場建造模塊

在井場布置過程中需要考慮礦體分布特征、水文地質條件、采區(qū)邊界等因素。井場建造模塊通過新建及管理井場方案，具有基于礦體模型自動布孔、鉆孔添加、鉆孔刪除、采區(qū)劃分、抽注液孔采區(qū)配置等功能。其中基于礦體模型的自動布孔功能是通過三維空間射線與三角形求交方法，利用礦體模型和地表模型的約束關系獲得設計鉆孔孔口坐標和終孔坐標；依據(jù)礦體模型產(chǎn)狀，以及設計的井型和井距，利用三維坐標旋轉變換方法得到鉆孔的展布，實現(xiàn)了高效可視化的井場鉆孔布置和井場優(yōu)化調整。

2.2 鉆孔建造模塊

鉆孔建造模塊可自動識別導入數(shù)據(jù)庫的鉆孔巖性信息，設置巖層滲透性；然后按照各地浸鈾礦山鉆孔結構特點，進行鉆孔結構建造設計。為提高鉆孔建造數(shù)字化水平與效率，對地形和礦層產(chǎn)狀變化較小的鉆孔實行鉆孔結構批量建造，后期根據(jù)需要對鉆孔結構進行局部修改和調整。

2.3 數(shù)據(jù)管理和查詢統(tǒng)計模塊

數(shù)據(jù)管理和查詢統(tǒng)計模塊包括鉆孔建造信息管理和礫料用量信息管理。鉆孔建造信息可自動生成鉆孔建造信息報表，包括井場鉆孔坐標、深度、直徑、過濾器起止等信息；依據(jù)不同的查詢條件，選擇單孔或采區(qū)關鍵詞實現(xiàn)建造信息的檢索。礫料用量信息包括井場或采區(qū)鉆孔礫料規(guī)格、投礫位置和用量等。

2.4 方案比選模塊

方案比選模塊采用分項計價和綜合單價的形式，對鉆孔主要構件、礫料和施工成本進行單價管理，計算方案成本；并綜合考慮方案經(jīng)濟性和工程量等條件，進行方案比較和分析。

2.5 鉆孔質量檢查模塊

鉆孔質量檢查模塊支持鉆孔質檢測井信息導入，設置偏斜率檢驗標準，計算鉆孔實際偏斜率，進行鉆孔質量合格性判定。

2.6 三維可視化模塊

三維可視化模塊采用先進的三維引擎，對鉆孔全三維模型重構渲染，實現(xiàn)與鉆孔建造信息聯(lián)動同步；依據(jù)鉆孔實際施工時間，集成礦體模型和鉆孔模型實現(xiàn)三維井場動態(tài)可視化。

3 數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)運行過程中需要實時存儲井場設計過程中的三維模型。三維模型構成元素復雜，組成點集眾多，系統(tǒng)采用MongoDB數(shù)據(jù)庫存儲復雜的數(shù)據(jù)結構，以實現(xiàn)儲存和處理大數(shù)據(jù)，快速讀寫和動態(tài)擴展功能。

根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的需求，在系統(tǒng)運行過程中，數(shù)據(jù)庫主要存儲測繪信息、物探信息、三維地質礦體模型、鉆孔建造信息、設計信息和方案成本信息等，各部分信息之間具有關聯(lián)關系(圖3)。實際孔位置信息表和計劃孔定位信息表，可從樣段信息表和測斜信息表中提取鉆孔軌跡和樣品數(shù)據(jù)。設計信息表包括孔徑信息表、過濾器信息表、沉砂管信息表和導中器信息表，儲存鉆孔設計信息，繼而通過各計算接口生成三維視圖進行存儲。鉆孔建造信息表可以根據(jù)條件，如鉆孔名稱、位置、類型、孔深、過濾器位置及長度、成本、工程量等，從設計信息表和方案成本信息表中提取，并以文檔形式進行存儲。

圖3 數(shù)據(jù)庫表關系圖

4 地浸井場設計系統(tǒng)應用實踐

鈾礦床原地浸出開采的首要任務是確定礦床井場方案及評估各方案的技術經(jīng)濟性。井場部署是影響井場生產(chǎn)能力、投資，及服務年限等指標的重要因素。應用地浸井場設計系統(tǒng)進行井場虛擬建造，輸入的參數(shù)包括井型、鉆孔直徑、井距、鉆孔深度等；系統(tǒng)集成三維礦體模型和地表模型，自動進行鉆孔位置和深度定位，繪制井場布置圖(圖4、圖5)。井場建造模塊操作簡單，布孔效率高，布孔后具有自動和手動2種編輯修改功能，能適應不同礦體形態(tài)的布孔，保證鉆孔布置均勻。

圖4 地浸開采鈾礦山井場建造平面布置示意圖

圖5 地浸開采鈾礦山井場建造三維效果示意圖

鉆孔結構設計合理是保證生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定運行的基礎。設計不合理的鉆孔在生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)過濾器配置不到位、抽液量與注液量達不到要求、資源利用率低等問題[15]。在鉆孔施工過程中，終孔鉆進結束后進行物探測井、井管安裝、投礫及封孔等工作。系統(tǒng)可導入物探測井數(shù)據(jù)，自動生成鉆孔軌跡，集成顯示巖性信息和樣品數(shù)據(jù)，進行鉆孔結構建造和投礫設計(圖6)。鉆孔建造模塊具備依據(jù)測井資料開展鉆孔可視化設計及修改的功能，可快速確定鉆孔構件及礫料充填位置等。業(yè)主、設計者和施工者在施工前能夠更加直觀地了解鉆孔工藝方案，評估設計施工可行性。鉆孔建造模塊有利于提高施工建造質量。

圖6 地浸開采鈾礦山鉆孔建造示意圖

完成井場建造及鉆孔建造后，系統(tǒng)可對井場方案鉆孔建造信息包括鉆孔坐標、直徑、終孔深度、過濾器起始及終止位置、套管長度等進行統(tǒng)計管理(圖7)，并提供數(shù)據(jù)檢索查詢、數(shù)據(jù)輸出等功能。

圖7 數(shù)據(jù)管理與查詢統(tǒng)計界面

系統(tǒng)充分利用三維模型直觀、可視化和表達準確的特點，基于模型特征定義和識別技術，按照鉆孔構件裝配順序：沉砂管—過濾器—井管—導中器，自動生成鉆孔三維裝配模型(圖8)，實現(xiàn)三維模型與建造信息的同步關聯(lián)，提高了數(shù)據(jù)表達的直觀性、信息傳遞效率和設計交底效果。

圖8 鉆孔全三維裝配模型示意圖

5 結論

基于虛擬建造技術，使用MVC服務框架、Go語言和WebGL技術開發(fā)了交互式Web端地浸井場設計系統(tǒng)。系統(tǒng)基于三維礦體模型和地表模型，自動實現(xiàn)井場虛擬建造和信息實時統(tǒng)計管理，提高了井場方案設計效率；集成巖性信息、鉆孔軌跡和樣品信息，實現(xiàn)鉆孔可視化建造，并以三維形式直觀呈現(xiàn)鉆孔建造模型。系統(tǒng)界面友好，操作簡便，為井場設計，及設計與施工建造過程中工程信息的傳遞和反饋提供了技術支撐。