黃 波

(中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710099)

0 引言

礦井中涉及到的信息屬于空間范圍的信息，其生產(chǎn)過程與三維空間有著密切關(guān)系。從20世紀(jì)80年代開始，煤礦行業(yè)研究信息三維可視化就從未停滯過，不斷出現(xiàn)了地質(zhì)三維建模系統(tǒng)和可視化信息系統(tǒng)[1-4]，這些系統(tǒng)不同程度的具備了一定的空間信息數(shù)據(jù)的處理、顯示、分析等能力[5-8]，如今三維、四維地理信息，VR，AR[9-11]等技術(shù)也不斷被提及和應(yīng)用。

礦井的生產(chǎn)大部分在地下進(jìn)行，人員下井只能了解到眼前局部的信息，而且礦井生產(chǎn)是隨時(shí)間變化而動(dòng)態(tài)變化的，采區(qū)、工作面、巷道的推進(jìn)都在給生產(chǎn)帶來影響，井下瓦斯、粉塵、水患、火災(zāi)等危險(xiǎn)環(huán)境也時(shí)刻威脅著礦井安全，諸多因素的同時(shí)作用也使礦井的生產(chǎn)管理變得困難。因此，如何簡單快速掌握各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)，及時(shí)了解井下實(shí)時(shí)情況，為生產(chǎn)管理提供必要的信息支持，是目前礦井三維應(yīng)用研究中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

為此，通過研究三維可視化技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合礦井實(shí)際生產(chǎn)和管理，提出構(gòu)建礦井三維可視化信息系統(tǒng)的建設(shè)方案，以期通過本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，發(fā)揮三維技術(shù)的優(yōu)勢作用，為礦井實(shí)際生產(chǎn)工作提供有效的技術(shù)支撐服務(wù)，提高其生產(chǎn)和管理效率。

1 三維可視化技術(shù)

三維系統(tǒng)根據(jù)礦井生產(chǎn)要求，須考慮詳細(xì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以點(diǎn)、線、面、環(huán)、體以及復(fù)雜對象元素建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用多細(xì)節(jié)層次(levels of detail)算法實(shí)現(xiàn)對紋理與材質(zhì)數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)多細(xì)節(jié)層次調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)平滑的實(shí)時(shí)三維顯示效果。

根據(jù)礦井生產(chǎn)要求，在管理信息的同時(shí)還需實(shí)現(xiàn)專業(yè)的三維空間分析功能，必須完成三維模型建模工作，并且不同的建模對象需要考慮不同的構(gòu)模方法和必要的模型間結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系[12]，從而基于三維數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)諸如空間的距離、表面積、體積、通視等基本計(jì)算分析功能，以及結(jié)合算法和專業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、人員路徑分析等更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)分析能力。

2 系統(tǒng)建設(shè)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)建設(shè)的作用

礦井三維信息的管理主要包括地表三維信息和地下三維信息2個(gè)方面。礦井的生產(chǎn)工作主要體現(xiàn)在地下，管理工作主要集中在地面。礦井三維信息的管理主要工作方向在地下三維信息，為了保證礦區(qū)空間的完整性，同時(shí)輔助地下三維實(shí)體分析展示，附加了地表三維信息，它的屬性數(shù)據(jù)主要是來自管理系統(tǒng)中的信息。地下三維信息管理的數(shù)據(jù)側(cè)重點(diǎn)在地下實(shí)體數(shù)據(jù)，和生產(chǎn)、資源等要素密切相關(guān)，是研究最為重要的方面，也是本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)后的主要作用體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：一是，與生產(chǎn)采掘工程結(jié)合，動(dòng)態(tài)維護(hù)模型，直觀了解生產(chǎn)現(xiàn)狀，便于生產(chǎn)管理，利于工作計(jì)劃布置；二是，整合管理信息數(shù)據(jù)、各類地質(zhì)圖件、測量圖件、生產(chǎn)圖件和規(guī)劃圖件等專題數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的三維重現(xiàn)和一體化應(yīng)用，充分挖掘數(shù)據(jù)潛力，為資源開采服務(wù)；三是，接入實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控信息，直觀反映井上下工作生產(chǎn)情況和環(huán)境變化，確保危險(xiǎn)因素、人為因素時(shí)時(shí)受控；四是，實(shí)現(xiàn)礦山儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)管，提供實(shí)時(shí)直觀的資源開發(fā)現(xiàn)狀，有助于決策層對長期規(guī)劃的發(fā)展完善、補(bǔ)充或修改，避免資源浪費(fèi)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于需要進(jìn)行三維可視化表達(dá)和大量空間計(jì)算及對運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行效率的考慮，系統(tǒng)架構(gòu)采用Client/Server(客戶機(jī)/服務(wù)器)模式。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器端，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)和三維平臺(tái)操作系統(tǒng)部署在客戶機(jī)。在后續(xù)擴(kuò)展應(yīng)用需要時(shí)，也可將部分展示瀏覽等輕量級功能擴(kuò)展為Browser/Server(瀏覽器/服務(wù)器)模式，以便充分使用各類方式進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建和拓展應(yīng)用。在C/S模式下，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)不和三維平臺(tái)系統(tǒng)產(chǎn)生直接的數(shù)據(jù)聯(lián)系，而是依靠服務(wù)器端的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，三維平臺(tái)系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中提取建模需要的所有數(shù)據(jù)，在完成模型創(chuàng)建和分析計(jì)算后將中間數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)保存回?cái)?shù)據(jù)庫服務(wù)器中，這種模式便于各系統(tǒng)的分別部署。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)把基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，三維平臺(tái)系統(tǒng)用數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)勘探數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)和地質(zhì)圖件、工程圖件生成三維模型，成果數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，三維模型中空間對象與數(shù)據(jù)庫中屬性數(shù)據(jù)的對應(yīng)依靠空間對象編號。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意Fig.1 System Architecture

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 三維模型構(gòu)建

從數(shù)據(jù)庫中分層提取地質(zhì)體頂?shù)装甯叱蹋逯导用苡?jì)算，利用三角剖分等算法構(gòu)造三維地質(zhì)模型，模型表面平滑、數(shù)據(jù)量小。在模型控制中采用碰撞監(jiān)測算法，模型操作流暢，空間拾取準(zhǔn)確。

2.3.2 測量數(shù)據(jù)自動(dòng)成模

井巷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的記錄信息為巷道編碼和測量點(diǎn)坐標(biāo)，繪制時(shí)直接讀取測量坐標(biāo)生成井巷工程三維模型，并對井巷交錯(cuò)點(diǎn)作連通處理，生成任意形態(tài)的復(fù)雜井巷。

2.3.3 模型動(dòng)態(tài)更新及信息聯(lián)動(dòng)

地質(zhì)體、巷道、設(shè)備等對象與數(shù)據(jù)庫編碼關(guān)聯(lián)，在三維空間中編輯對象，其坐標(biāo)變更直接修改數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)記錄表，或者修改模型相關(guān)數(shù)據(jù)表記錄，三維空間中模型完成重繪更新，實(shí)現(xiàn)三維對象與庫中數(shù)據(jù)雙向同步更新。模型中布置的井巷、設(shè)備等三維空間對象均具備唯一編碼，與數(shù)據(jù)庫屬性表編碼映射，實(shí)現(xiàn)圖屬互查和衍生分析、計(jì)算。

2.3.4 塊體計(jì)算

采用單元塊體組成塊體模型，塊體按不同粒度細(xì)分，組成實(shí)體型，用三維體模型約束后形成實(shí)體，體積計(jì)算和分析計(jì)算時(shí)，按照不同粒度體的單元體積和屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，該種計(jì)算方式同時(shí)結(jié)合了三維表面模型與實(shí)體模型的計(jì)算特點(diǎn)及顯示優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)開發(fā)的系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)管理、三維模型和監(jiān)測報(bào)警4部分構(gòu)成。

3.1.1 數(shù)據(jù)服務(wù)部分

數(shù)據(jù)服務(wù)的功能設(shè)計(jì)主要是提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)和數(shù)據(jù)交互服務(wù)，這是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與中轉(zhuǎn)樞紐，存儲(chǔ)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)、模型輔助數(shù)據(jù)、分析計(jì)算數(shù)據(jù)等，為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持和服務(wù)。數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

3.1.2 數(shù)據(jù)管理部分

數(shù)據(jù)管理主要設(shè)計(jì)管理基礎(chǔ)地理、地質(zhì)數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入輸出、編輯更新、查詢檢索等功能。

3.1.3 三維模型及監(jiān)測報(bào)警部分

三維模型主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三維模型構(gòu)建與分析應(yīng)用功能，包括三維地質(zhì)體模型、三維工程對象模型、三維設(shè)施表面模型等的構(gòu)建與組合，負(fù)責(zé)模型的更新與維護(hù)管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)模型瀏覽、控制及相應(yīng)的生產(chǎn)應(yīng)用和空間分析、空間計(jì)算等。模型構(gòu)建中生成的輔助數(shù)據(jù)同時(shí)保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，便于系統(tǒng)加載模型時(shí)同步調(diào)用參數(shù)。監(jiān)測報(bào)警主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入和顯示，以及監(jiān)測報(bào)警、匯總、分析。

3.1.4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對松散，各模塊間相對獨(dú)立，依靠數(shù)據(jù)服務(wù)中轉(zhuǎn)傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)中承擔(dān)紐帶作用，將系統(tǒng)的4個(gè)部分緊密連接在一起。這種結(jié)構(gòu)有利于工作階段劃分，同時(shí)有利于系統(tǒng)的部署和擴(kuò)展。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Overall structure of the system

3.2 系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)管理、數(shù)據(jù)編碼管理、數(shù)據(jù)輸入輸出、數(shù)據(jù)查詢分析、數(shù)據(jù)更新編輯功能。其中數(shù)據(jù)編碼管理數(shù)據(jù)的編碼格式，確保數(shù)據(jù)應(yīng)用的唯一性和一致性。

3.2.2 三維模型的功能

三維煤層體模型構(gòu)建：依據(jù)斷層切割地層情況整理鉆孔勘探數(shù)據(jù)，提取鉆孔中各煤層頂?shù)装鍞?shù)據(jù)，每層形成一個(gè)離散點(diǎn)數(shù)據(jù)文件，然后依據(jù)斷層切割情況，形成離散點(diǎn)插值邊界，合并上下層及邊界，形成煤層構(gòu)造體，使其煤層最終形態(tài)貼合實(shí)際情況，如圖3所示。

圖3 煤層模型示意Fig.3 Coal seam model

井下工程模型建立：以井下生產(chǎn)工程圖形和測量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立井下各工程三維的對象(如巷道、運(yùn)輸路線等)。通過圖形對象節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和三維拓?fù)潢P(guān)系建立三維井下工程對象，依據(jù)直徑參數(shù)、切面圖形、交錯(cuò)點(diǎn)連通關(guān)系控制三維對象的布設(shè)形態(tài)，生成后記錄三維對象編碼，建立與屬性的對應(yīng)關(guān)系。井巷工程構(gòu)建如圖4所示。

圖4 井巷工程示意Fig.4 Mine roadway engineering

鉆孔模型布設(shè)：以鉆孔資料為基礎(chǔ)，依據(jù)深度和底層厚度、鉆孔坐標(biāo)以及直徑參數(shù)繪制三維柱狀鉆孔模型，同時(shí)填充地層符號，在鉆孔三維柱狀對象建立后，記錄對象編碼與屬性進(jìn)行對應(yīng)。

井上下附屬設(shè)施模型部署：加載設(shè)備、設(shè)施三維模型，依據(jù)附屬設(shè)施分布屬性，按坐標(biāo)生成三維空間對象，三維設(shè)施圖層中每個(gè)三維對象記錄編號和數(shù)據(jù)庫建立影射關(guān)系。

模型瀏覽及剖切：對建立的三維模型可各方位旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)的全方位觀察。通過直接畫線或兩點(diǎn)坐標(biāo)法繪制切割線，切割線只控制位置和斜率，可以設(shè)置切割面的角度，做水平、垂直或斜向切割模型，展示切割斷面，并提供動(dòng)態(tài)方式切割，切割后在模型表面移動(dòng)切割線，展示連續(xù)的切割斷面。

空間計(jì)算和分析：基于三維空間算法，進(jìn)行模型體空間計(jì)算，實(shí)現(xiàn)體積計(jì)算、區(qū)塊計(jì)算、距離量算、儲(chǔ)量計(jì)算等?；谌S空間拓?fù)潢P(guān)系，進(jìn)行以巷道為依據(jù)的人員路徑回溯、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算等，井下通風(fēng)解算如圖5所示。

圖5 井下通風(fēng)解算示意Fig.5 Calculation of mine ventilation

圖件生成：通過三維模型生成符合生產(chǎn)精度要求的剖面圖、等值線圖等。

生產(chǎn)規(guī)劃：在三維場景中通過采掘工程和附屬設(shè)施，計(jì)算工作量，預(yù)測工作面的地質(zhì)構(gòu)造，輔助生產(chǎn)規(guī)劃。

3.2.3 監(jiān)測報(bào)警

監(jiān)測報(bào)警功能主要實(shí)現(xiàn)將礦井生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)備部署在三維場景中，通過統(tǒng)一的三維監(jiān)測平臺(tái)，直觀展示各監(jiān)控點(diǎn)位置和監(jiān)測指標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過警戒閾值設(shè)置，對超標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)報(bào)警反映，并可按時(shí)間序列回溯，繪制數(shù)值擬合曲線，匯總分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。井下實(shí)時(shí)監(jiān)測如圖6所示。

圖6 井下實(shí)時(shí)監(jiān)測示意Fig.6 Mine real-time monitoring

4 結(jié)語

礦井從工作階段分為勘探、設(shè)計(jì)和井下采掘，這3類工作都可利用直觀的三維重現(xiàn)和便利準(zhǔn)確的三維計(jì)算分析進(jìn)行輔助，而礦井生產(chǎn)信息三維系統(tǒng)的建立，能很好地發(fā)揮三維技術(shù)的優(yōu)勢作用。通過結(jié)合礦井實(shí)際生產(chǎn)，使礦井的生產(chǎn)運(yùn)行、環(huán)境監(jiān)測、人員位置、設(shè)備狀態(tài)等直觀形象地展示出來，并在三維模型基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)空間分析功能，也可為礦井實(shí)際生產(chǎn)工作提供有效的服務(wù)支持。通過使用神木地區(qū)礦井所存數(shù)據(jù)資料形成的專業(yè)三維信息系統(tǒng)可看出，充分考慮用戶需求差異，為用戶定制適合的一體化信息管理解決方案是客戶的需要，也是信息服務(wù)發(fā)展的趨勢，這種擴(kuò)展有利于在不同礦井間推廣經(jīng)驗(yàn)，能夠提升生產(chǎn)管理水平。