金屬礦山地下開采工程三維推演系統架構研究

劉亞靜 王建佳

(河北聯合大學礦業工程學院，河北唐山063009)

礦山行業是一個相對傳統的行業，目前礦山設計方案絕大多數都是以文字圖表、二維圖紙等為信息載體，尤其是在開采工程設計方面的成果表達大多采用傳統的CAD制圖的方法，這就很難將礦山的設計信息直觀的表現出來。然而，金屬礦山地下開采是一個復雜工程，采用三維系統對整個過程進行可視化表達與傳統的方法相比則具有更直觀和準確的特點。金屬礦山地下開采工程三維推演系統研究，主要是根據礦山周邊遙感影像和DEM數據、礦山開采設計所提供的巷道矢量數據以及相關的開采參數，模擬出包括自然實體和人工實體在內的三維空間，不僅可以更好地表達各種開拓、采準、切割巷道之間的空間關系，還可以根據采掘計劃生動的推演礦山的開采過程，為采礦的設計決策提供支持。

1 系統的體系結構設計

在綜合分析國內外現有3D礦業應用軟件的開發模式、研究成果和采礦設計用戶的實際應用需求的基礎上，緊緊圍繞數字礦山軟件開發的總體目標，依托礦山地質學、采礦工程、計算幾何學、軟件工程、地理信息系統(GIS)和3D建模理論與技術研究開發金屬礦山地下開采開拓工程三維推演系統。該系統包含3個子系統，分別是采礦設計子系統、三維場景管理子系統和金屬礦山地下開采三維推演子系統，系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 子系統設計

2.1 采礦設計子系統

對于某一特定礦床，可以采用多種不同的方式來進行開采，進而形成不同的開拓系統。如何在保證安全生產的前提下，設計一種開拓和回采方案不僅能夠滿足生產能力的要求和技術要求，而且能減少基建時間和費用成本，是礦山設計者首先需要考慮的問題。采礦設計子系統就是這樣一個基于采礦專家經驗和采礦領域知識進行開拓方案選擇的人工智能系統，該系統可模擬擁有長期礦山設計和生產實踐經驗的采礦專家的思維邏輯與推理方法，對地質及賦存條件已知的礦體指出可行的優選的開拓方案。

采礦設計子系統的運行原理見圖2所示。根據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、圍巖的穩定性等信息，系統調用開拓方案專家決策模塊，執行開拓方案推理決策操作。即結合采礦約束條件數據庫搜索匹配知識庫中國內外礦床開拓實踐中所運用的各種開拓方案。如果開拓方案匹配成功，則系統將決策結果以報告形式輸出;若匹配失敗，則進一步與用戶交互，并將交互結果整理后存入采礦約束條件數據庫并重復開拓方案推理決策操作。

2.2 三維場景管理子系統

圖2 采礦設計子系統結構Fig.2 Sub-system structure of the mining design

傳統的地下巷道的三維可視化的實現是采用AutoCAD和3DS MAX的技術路線，即首先在Auto-CAD軟件中進行精確的建模，生成*.dwg二維格式的數據文件;然后再導入3DS MAX軟件中進行三維建模;最后在三維平臺中加載，實現地下巷道的三維可視化。上述方法的實現不僅需要有熟練的Auto-CAD和3DS MAX操作經驗，而且制作的巷道模型在采礦設計應用的靈活性差，如果井巷方案需要改動的話，那么就需要重復上述復雜的巷道模型數據處理過金屬礦山三維場景管理子系統見圖3所示，程。為了克服傳統三維巷道建模的缺點，采用地下巷道自動生成技術，用戶只需向系統提供采礦設計的巷道二維Shapefile矢量數據，系統即可進行巷道和工作面模型對象的自動創建。這種技術的使用在很大程度上提高了三維可視化系統在采礦設計實際應用的靈活性。

圖3 三維場景管理子系統結構Fig.3 Sub-system structure of 3D scene management

除此之外，系統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廣場、井下設備等三維模型的添加刪除、位置編輯、屬性綁定與查詢;系統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

采礦設計中給出了金屬礦山的開采環境、采礦方法的技術及經濟指標、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數據，不具備直觀的動態表現功能。為了分析開采方案，檢驗采礦計劃，通常還需要將采礦計劃在時間軸線上進行動態地推演。金屬礦山生產過程動態推演子系統見圖4所示，可以動態視圖直觀地表現金屬礦山采礦設計中所涉及的地下開采活動，將礦山設計中的人工實體信息和自然實體信息以三維可視化的方式在生產進度時間軸上運行起來，將礦山開采設計的方案以直觀生動的形式展示出來。

圖4 動態推演子系統結構Fig.4 Sub-system structure of the dynamic deduction

同時金屬礦山地下開采是一個復雜過程，因而采礦計劃的制定需要綜合考慮多方面的因素。設計人員的不細致、開采過程本身的復雜性等都有可能會導致計劃中隱藏著不易察覺的缺陷。在開采實施之前通過想定的推演，將計劃逐一展開，檢驗初始化數據設置的是否合理，以便及時發現并糾正。同時，推演過程也可以啟發設計人員進行深層次的思考，使修訂后的采礦計劃更加完備周詳。

3 系統實現

3.1 三維場景漫游功能實現

三維場景采用World Wind數字地球的多線程渲染機制，即在系統啟動時開啟兩個線程:Update()和Render()。其中 Update線程負責對可渲染列表(RenderableObjectList)中渲染對象進行循環檢測，如果該對象未初始化，就調用對象的初始化函數(Initialize)將其初始化;對于已初始化的對象，則判斷其數據是否需要更新，若對象數據發生改變，則調用其更新函數(Update)完成更新。Render線程負責對象的渲染，該線程會不停地的檢測渲染列表中的所有對象，并調用可渲染對象的渲染方法(Render)進行對象的渲染操作。

在三維場景搭建起來之后，接下來我們可以通過設置渲染設備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算屏幕上的內容。因此我們構建虛擬相機(Camera)操作類，在三維虛擬場景中模擬現實世界中人的眼睛。并提供Pan()、Zoom()、SetPosition()、RotationYawPitch()來控制相機在三維場景中的位置、目標點位置。從而實現在三維場景中的放大、縮小、平移、俯仰、旋轉等漫游操作。

3.2 地下井巷工程三維建模功能實現

(1)三維巷道建模。系統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。首先讀取采礦設計成果中井下巷道Shapefile數據，獲取巷道中心線數據以及巷道的參數信息(類型、紋理等)，然后根據巷道的參數信息創建巷道斷面對象(SectionType)，最后沿中心線在關鍵點處根據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成巷道實體的表面模型，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。采礦工作面是一個形狀不確定的復雜多邊形，而且它的頂點多且不在同一平面上，這就導致我們在渲染的時候不能夠像規則多邊形那樣將多邊形的頂點和索引人為計算好然后傳遞給渲染設備。所以在獲取工作面的頂點數據之后，需要采用三角形剖分技術將多邊形剖分成一個三角形條帶(Trianglelist)。在這里我們可以引用OpenGL.Glu庫來實現多邊形的三角剖分，OpenGL.Glu庫是OpenGL的實用庫，包含了紋理映射、坐標變換、多邊形分化、繪制一些如橢球、圓柱、茶壺等簡單多邊形實體等功能。提供了 gluNewTess、gluTessVertex、gluT-essCallback、gluTessEndPolygon等網格化的方法。

3.3 地下開采過程動態推演功能實現

金屬礦山地下開采過程動態推演的關鍵是采礦過程推演計劃的建立。利用金屬礦山地下開采的概念模型，提取動態推演所需要素信息，然后利用XML Schema腳本語言定義動態推演模型的組成要素，組成要素中至少應當包括推演計劃說明、開采實體、開采行為、開采任務四部分。最后與開采過程采用的具體采礦方法相結合，生成一個可以在時間軸上播演整個開采過程的推演計劃。得到推演計劃之后，接下來就可以在三維場景中使用ParticleSystem(粒子系統，用于模擬爆炸等行為)和設備模型的骨骼動畫將推演計劃以可視化的方式直觀展示出來。

4 結語

本研究以虛擬現實為基礎，基于DirectX多媒體編程接口采用C#編程語言構建了金屬礦山地下開采三維動態推演系統。該系統實現了地下巷道和工作面三維模型的自動生成，三維場景漫游以及礦山開采過程的三維動態推演。不僅可以使用戶在其中自然地與各種虛擬實體進行交互，還可以生動的展示、模擬礦山的開采過程，為采礦的設計決策提供支持。

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