礦井生產信息三維系統的設計與實現

黃 波

(中煤航測遙感集團有限公司，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，其生產過程與三維空間有著密切關系。從20世紀80年代開始，煤礦行業研究信息三維可視化就從未停滯過，不斷出現了地質三維建模系統和可視化信息系統[1-4]，這些系統不同程度的具備了一定的空間信息數據的處理、顯示、分析等能力[5-8]，如今三維、四維地理信息，VR，AR[9-11]等技術也不斷被提及和應用。

礦井的生產大部分在地下進行，人員下井只能了解到眼前局部的信息，而且礦井生產是隨時間變化而動態變化的，采區、工作面、巷道的推進都在給生產帶來影響，井下瓦斯、粉塵、水患、火災等危險環境也時刻威脅著礦井安全，諸多因素的同時作用也使礦井的生產管理變得困難。因此，如何簡單快速掌握各項生產活動，及時了解井下實時情況，為生產管理提供必要的信息支持，是目前礦井三維應用研究中的難點和熱點。

為此，通過研究三維可視化技術基礎，結合礦井實際生產和管理，提出構建礦井三維可視化信息系統的建設方案，以期通過本系統的設計和實現，發揮三維技術的優勢作用，為礦井實際生產工作提供有效的技術支撐服務，提高其生產和管理效率。

1 三維可視化技術

三維系統根據礦井生產要求，須考慮詳細的數據結構，以點、線、面、環、體以及復雜對象元素建立數據結構，采用多細節層次(levels of detail)算法實現對紋理與材質數據、柵格數據、矢量數據的動態多細節層次調度，從而實現平滑的實時三維顯示效果。

根據礦井生產要求，在管理信息的同時還需實現專業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模方法和必要的模型間結構的拓撲關系[12]，從而基于三維數據實現諸如空間的距離、表面積、體積、通視等基本計算分析功能，以及結合算法和專業生產特點，實現通風網絡解算、人員路徑分析等更為復雜的網絡分析能力。

2 系統建設及關鍵技術

2.1 系統建設的作用

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個方面。礦井的生產工作主要體現在地下，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，為了保證礦區空間的完整性，同時輔助地下三維實體分析展示，附加了地表三維信息，它的屬性數據主要是來自管理系統中的信息。地下三維信息管理的數據側重點在地下實體數據，和生產、資源等要素密切相關，是研究最為重要的方面，也是本次系統設計的重點，其實現后的主要作用體現在以下4個方面：一是，與生產采掘工程結合，動態維護模型，直觀了解生產現狀，便于生產管理，利于工作計劃布置；二是，整合管理信息數據、各類地質圖件、測量圖件、生產圖件和規劃圖件等專題數據，實現數據的三維重現和一體化應用，充分挖掘數據潛力，為資源開采服務；三是，接入實時監測監控信息，直觀反映井上下工作生產情況和環境變化，確保危險因素、人為因素時時受控；四是，實現礦山儲量的動態監管，提供實時直觀的資源開發現狀，有助于決策層對長期規劃的發展完善、補充或修改，避免資源浪費。

2.2 系統結構設計

由于需要進行三維可視化表達和大量空間計算及對運行環境、運行效率的考慮，系統架構采用Client/Server(客戶機/服務器)模式。數據存儲在服務器端，數據管理系統、圖形系統和三維平臺操作系統部署在客戶機。在后續擴展應用需要時，也可將部分展示瀏覽等輕量級功能擴展為Browser/Server(瀏覽器/服務器)模式，以便充分使用各類方式進行系統構建和拓展應用。在C/S模式下，數據管理系統不和三維平臺系統產生直接的數據聯系，而是依靠服務器端的數據服務平臺傳輸數據，數據管理系統將基礎數據保存在數據庫服務器中，三維平臺系統從數據庫服務器中提取建模需要的所有數據，在完成模型創建和分析計算后將中間數據和成果數據保存回數據庫服務器中，這種模式便于各系統的分別部署。系統架構如圖1所示。數據管理系統把基礎數據保存在數據庫中，三維平臺系統用數據庫中的基礎勘探數據、測量數據和地質圖件、工程圖件生成三維模型，成果數據保存在數據庫中，三維模型中空間對象與數據庫中屬性數據的對應依靠空間對象編號。

圖1 系統架構示意Fig.1 System Architecture

2.3 系統關鍵技術

2.3.1 三維模型構建

從數據庫中分層提取地質體頂底板高程，插值加密計算，利用三角剖分等算法構造三維地質模型，模型表面平滑、數據量小。在模型控制中采用碰撞監測算法，模型操作流暢，空間拾取準確。

2.3.2 測量數據自動成模

井巷數據存儲在數據庫中的記錄信息為巷道編碼和測量點坐標，繪制時直接讀取測量坐標生成井巷工程三維模型，并對井巷交錯點作連通處理，生成任意形態的復雜井巷。

2.3.3 模型動態更新及信息聯動

地質體、巷道、設備等對象與數據庫編碼關聯，在三維空間中編輯對象，其坐標變更直接修改數據庫中對應記錄表，或者修改模型相關數據表記錄，三維空間中模型完成重繪更新，實現三維對象與庫中數據雙向同步更新。模型中布置的井巷、設備等三維空間對象均具備唯一編碼，與數據庫屬性表編碼映射，實現圖屬互查和衍生分析、計算。

2.3.4 塊體計算

采用單元塊體組成塊體模型，塊體按不同粒度細分，組成實體型，用三維體模型約束后形成實體，體積計算和分析計算時，按照不同粒度體的單元體積和屬性進行統計分析，該種計算方式同時結合了三維表面模型與實體模型的計算特點及顯示優勢。

3 系統功能設計與實現

3.1 系統功能設計

設計開發的系統，由數據服務、數據管理、三維模型和監測報警4部分構成。

3.1.1 數據服務部分

數據服務的功能設計主要是提供數據存儲服務和數據交互服務，這是系統的數據存儲與中轉樞紐，存儲基礎地理數據、基礎地質數據、基礎測量數據、模型輔助數據、分析計算數據等，為整個系統提供數據支持和服務。數據保存在數據庫服務器中。

3.1.2 數據管理部分

數據管理主要設計管理基礎地理、地質數據、測量數據、生產數據等，是系統的數據管理平臺，實現數據輸入輸出、編輯更新、查詢檢索等功能。

3.1.3 三維模型及監測報警部分

三維模型主要設計實現三維模型構建與分析應用功能，包括三維地質體模型、三維工程對象模型、三維設施表面模型等的構建與組合，負責模型的更新與維護管理，同時實現模型瀏覽、控制及相應的生產應用和空間分析、空間計算等。模型構建中生成的輔助數據同時保存在數據庫服務器中，便于系統加載模型時同步調用參數。監測報警主要設計實現各監測設備數據的實時接入和顯示，以及監測報警、匯總、分析。

3.1.4 系統總體結構

系統結構相對松散，各模塊間相對獨立，依靠數據服務中轉傳輸數據，網絡在系統中承擔紐帶作用，將系統的4個部分緊密連接在一起。這種結構有利于工作階段劃分，同時有利于系統的部署和擴展。系統總體結構如圖2所示。

圖2 系統總體結構示意Fig.2 Overall structure of the system

3.2 系統主要功能的實現

3.2.1 數據管理

數據管理主要實現數據表結構管理、數據編碼管理、數據輸入輸出、數據查詢分析、數據更新編輯功能。其中數據編碼管理數據的編碼格式，確保數據應用的唯一性和一致性。

3.2.2 三維模型的功能

三維煤層體模型構建：依據斷層切割地層情況整理鉆孔勘探數據，提取鉆孔中各煤層頂底板數據，每層形成一個離散點數據文件，然后依據斷層切割情況，形成離散點插值邊界，合并上下層及邊界，形成煤層構造體，使其煤層最終形態貼合實際情況，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：以井下生產工程圖形和測量數據、屬性數據為基礎，建立井下各工程三維的對象(如巷道、運輸路線等)。通過圖形對象節點的三維坐標和三維拓撲關系建立三維井下工程對象，依據直徑參數、切面圖形、交錯點連通關系控制三維對象的布設形態，生成后記錄三維對象編碼，建立與屬性的對應關系。井巷工程構建如圖4所示。

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

鉆孔模型布設：以鉆孔資料為基礎，依據深度和底層厚度、鉆孔坐標以及直徑參數繪制三維柱狀鉆孔模型，同時填充地層符號，在鉆孔三維柱狀對象建立后，記錄對象編碼與屬性進行對應。

井上下附屬設施模型部署：加載設備、設施三維模型，依據附屬設施分布屬性，按坐標生成三維空間對象，三維設施圖層中每個三維對象記錄編號和數據庫建立影射關系。

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

空間計算和分析：基于三維空間算法，進行模型體空間計算，實現體積計算、區塊計算、距離量算、儲量計算等?；谌S空間拓撲關系，進行以巷道為依據的人員路徑回溯、通風網絡解算等，井下通風解算如圖5所示。

圖5 井下通風解算示意Fig.5 Calculation of mine ventilation

圖件生成：通過三維模型生成符合生產精度要求的剖面圖、等值線圖等。

生產規劃：在三維場景中通過采掘工程和附屬設施，計算工作量，預測工作面的地質構造，輔助生產規劃。

3.2.3 監測報警

監測報警功能主要實現將礦井生產監測設備部署在三維場景中，通過統一的三維監測平臺，直觀展示各監控點位置和監測指標的實時數據，通過警戒閾值設置，對超標數據進行及時報警反映，并可按時間序列回溯，繪制數值擬合曲線，匯總分析監測數據。井下實時監測如圖6所示。

圖6 井下實時監測示意Fig.6 Mine real-time monitoring

4 結語

礦井從工作階段分為勘探、設計和井下采掘，這3類工作都可利用直觀的三維重現和便利準確的三維計算分析進行輔助，而礦井生產信息三維系統的建立，能很好地發揮三維技術的優勢作用。通過結合礦井實際生產，使礦井的生產運行、環境監測、人員位置、設備狀態等直觀形象地展示出來，并在三維模型基礎上完成系統空間分析功能，也可為礦井實際生產工作提供有效的服務支持。通過使用神木地區礦井所存數據資料形成的專業三維信息系統可看出，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，也是信息服務發展的趨勢，這種擴展有利于在不同礦井間推廣經驗，能夠提升生產管理水平。