基于Dynamo的礦井巷道參數化建模

李雯靜 焦宇豪 邱 莉 張馨心 任大軍

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院,湖北 武漢 430081;2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430081)

地下礦山的三維建模、可視化表達以及空間分析是提高地下礦山現代化管理水平的重要手段。近年來,計算機輔助設計技術以及三維可視化技術的迅猛發展促進了礦山三維建模水平的大幅提升[1-4]。地下礦山三維建模工作中,巷道和地層這兩類空間目標是測繪工作者主要面對的設計對象。其中,巷道是在地表與礦體之間鉆鑿出的用于運礦、通風、排水、行人以及為冶金設備采出礦石新開鑿的各種通路[5-6]。作為數字礦山建設的基礎,由巷道構成的復雜網絡系統模型對于礦山虛擬場景的實現顯得尤為重要。巷道三維模型能便捷而又直觀地顯示井下布局。準確的巷道三維模型既可以為礦山管理人員和生產工人提供更為全面的巷道空間結構與位置信息,又可開展相關的空間分析,為人員作業、避難救災、井下運輸及通風等工作提供輔助和參考。因此,如何快速準確地構建出礦井巷道的三維可視化模型是數字礦山領域的一個重要研究課題。

近年來,許多學者從不同角度對礦井巷道三維建模進行了深入研究,如劉杰等[7]提出了一種基于近景攝影測量技術的地下巷道三維建模方法來構建拍攝目標的三維模型;史瑤[8]研究了基于草圖輸入的煤礦巷道模型生成方法;石信肖等[9]基于三維激光掃描技術獲取數據點云對煤礦巷道進行了精細三維建模。這些研究在巷道三維建模方面實現了一定程度的自動化,但對模型復用性問題的研究還不夠深入,即對已構建模型進行編輯修改時過程較為繁瑣。同時,國內外科研機構和企業先后開發了一系列礦業類建模軟件,如Dimine、3Dmine和Surpac等。這些產品可以實現礦山巷道的三維可視化設計,但在三維模型持續拓展和修改的功能上還有待加強。綜上所述,針對井下巷道工程的參數化建模方法和技術還有待進一步深入研究。

當前,建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技術發展勢頭迅猛,為井巷工程三維建模與可視化漫游提供了新的技術支撐[10-12]。AutoDesk公司的Revit平臺是一款國內應用較多的BIM軟件,但針對復雜曲線和變化曲面,應用Revit進行直接建模的局限性日益凸顯。Dynamo作為Revit中的一款可視化編程插件,能使用戶通過編程的方式實現個性化的建模功能,可以彌補Revit在設計上的局限性。結合參數化建模思路,Dynamo更加注重提高建模效率與模型的復用程度,已有學者將其廣泛應用于橋梁、公路、隧道等結構物的建模[13-16]。本研究結合礦山巷道的空間結構特點,借助Dynamo探索對巷道三維模型的參數化設計和自動化建模,為礦山信息系統中輔助井巷工程掘進路線選擇、巷道模型可視化設計、施工過程中的重難節點標注以及后期運營維護等功能的實現提供技術支持。

1 Dynamo可視化編程

Dynamo作為一種可視化的編程工具,用戶能夠直觀地編寫行為腳本,通過自定義邏輯片段并使用文本編程語言來進行建模。在建模過程中,Dynamo的可視化編程語言通過在工作空間中連接相關功能節點來設置一套結構清晰的程序流(算法),并通過輸入、處理和輸出這一系列基本邏輯操作來解決幾何設計、參數提取及工作流程自動化等問題。

Dynamo功能節點由節點名稱、輸入項、輸出項和連綴圖標4個部分組成(圖1),通過組織連接預先設計的各節點表達數據處理的邏輯,生成一個可執行的程序。Dynamo中存在一些內置常用功能節點,如Point(點創建)、Curve(曲線創建)、Surface(曲面創建)、Extend(拉伸)、Loft(放樣)等,可實現點、線、面的創建以及對幾何形體的拉伸、放樣等操作。此外,Dynamo還允許用戶利用Python語言編寫一些能實現具有復雜功能需求的自定義節點并加入到現有節點庫。圖1所示為利用程序創建的一個線段坐標讀取的自定義節點,通過輸入存取有坐標數據的文件路徑及表名(輸入項),可實現生成線段起始點及方向向量(輸出項)的功能。

圖1 Dynamo自定義功能節點Fig.1 Custom function node in Dynamo

根據礦井巷道三維建模需求,利用Dynamo編寫程序能更高效地實現數據批量處理、巷道中心線構建、巷道斷面構建、快速放置巷道段等功能,達到巷道快速精準建模的目標。另外,通過編寫代碼的方式對已構建模型進行參數修改更加便利,有利于實現模型復用,大幅節約建模成本,提高建模效率。

2 巷道三維建模技術路線

目前,巷道三維模型的構建方法有多種思路[17],其中較為常用的是基于巷道中心線加載斷面的方式。即通過表示巷道走向的中心線,在線的控制點處計算斷面各點坐標得到巷道斷面,然后通過三角化得到巷道三維模型。本研究在上述基礎上做出改進,提出了基于Dynamo的巷道參數化建模方法,將巷道段分為斷面形狀發生變化(復合斷面巷道)和不發生變化(單一斷面巷道)兩種情況,分別采用不同的方式進行建模。利用Dynamo對巷道進行參數化建模的詳細流程如圖2所示。

圖2 巷道參數化設計流程Fig.2 Parametric design process of roadway

3 Dynamo巷道參數化建模方法

作為礦山地下開采的主要通路以及地下運礦、通風、排水等行為的主要發生場所,地下巷道的設計施工是礦山建設工程中的重點,其工程質量的優劣程度會對井下作業環境和生產效率產生直接影響,因此,有必要在巷道工程生命周期的初始階段從整體上把握地下巷道的空間結構與布局。本研究利用Dynamo對礦井巷道三維模型進行快速構建,主要包括巷道中心線構建、斷面參數族構建以及巷道段模型生成及耦合連接等內容。

3.1 巷道中心線構建

礦井巷道在水平方向上投影的幾何中線稱為巷道中心線,中心線之間相互連接構成的巷道網絡決定了巷道在井下的空間位置以及巷道間的拓撲關系。本研究主要利用Dynamo中的PolyCurve(多段線)和NurbsCurve(樣條曲線)節點構建巷道中心線。通過將錄入的起始導線點坐標相連,形成表征巷道走向的線模型。巷道中心線構建主要包含數據識別及坐標轉換兩個步驟。

3.1.1 中心線數據識別

首先在CAD軟件中提取DWG格式巷道中心線文件中的控制點坐標文件;然后利用Dynamo中的Data.ImportExcel(數據導入)節點將坐標文件導入到Dynamo中,并將此節點與圖1中的自定義功能節點匹配實現巷道中心線數據的識別獲取。

3.1.2 中心線坐標轉換

通過PolyCurve和NurbsCurve節點構建曲線是Dynamo中生成曲線的常用方法。前者可根據輸入點的順序依次將導線點連接起來形成曲線,后者則是通過在各控制點之間插值的方法創建樣條曲線。在Dynamo中生成巷道中心線時,長直巷道常選擇Poly-Curve節點構建曲線的方式,對巷道拐角處的圓滑處理則會選用NurbsCurve節點方式。由于巷道實際導線坐標值一般較大,而Dynamo中模型單位的數量級較小,試驗時通過式(1)的坐標轉換公式對原始坐標數據進行等比例縮小。將轉換后的相對坐標代替原始坐標添加到多段線或樣條曲線節點中,完成巷道中心線模型構建(圖3)。

圖3 巷道中心線模型Fig.3 Centerline model of roadway

式中,x'1,x'2,…,x'n和x1,x2,…,xn分別為巷道中心線原始坐標和轉換后的相對坐標;A為轉換矩陣。

3.2 斷面參數族構建

作為巷道三維模型的基礎元參數,斷面建模是巷道模型設計的基礎和關鍵。礦井巷道的斷面形狀通常有圓形、梯形、半圓拱形等,可以在二維平面內對其進行設計。從與中心線的位置關系來看,巷道斷面是指垂直于巷道中心線的巷道橫斷面。巷道的空間形態在巷道斷面形式的影響下,主要在形狀、寬度、高度三方面表現出差異。

根據巷道斷面形狀是否規則,分兩種情況構建斷面模型。對于形狀規則的斷面,可直接利用Dynamo中的巷道斷面模型庫進行構建;對于形狀不規則的斷面,則需要通過自定義節點創建新的構模設置,并將其添加到參數族庫中。

根據巷道斷面尺寸的變化,可以利用斷面參數族方法進行建模設計。通過提取相應的斷面模型并輸入對應參數完成巷道斷面建模。為適應各種類型斷面的自動化建模要求,本研究采用經典的三元組形式(拱形圓弧半徑r,巷道底面寬度w,巷道直壁高度h這3個參數)表示不同斷面形狀。由于半圓拱形在實際工程中被廣泛應用,故本研究以半圓拱形為例構建斷面參數族,主要步驟包括巷道斷面點細化和Python Script斷面構建。

3.2.1 巷道斷面點細化

為使構建的斷面模型更接近真實巷道斷面,需要對巷道斷面點進行細化處理。參考面為XOZ平面,以巷道中心線上的一個節點O為坐標原點,設斷面底板及頂板圓弧上細化點數為n,n越大可以表示頂板圓弧的細節層次越多,相應的模型數據量也越大。底板及頂板圓弧上的細化點分別用序號1,2,3,…,(n -1),n進行標識,除了起始點與終止點外,其余細化點均在頂板圓弧上。通過式(2)(起始點計算式)、式(3)(頂板圓弧上細化點計算式)、式(4)(終止點計算式)可分別推算斷面各點的坐標:

式中,x,y,z為巷道斷面上各細化點的三維坐標值;w為巷道底面寬度;h為巷道直壁高度;r為拱形圓弧的半徑;n為斷面細化點個數;i為對應坐標點的編號,i∈[2 ,n-1]。

當n=15時,斷面細分情況如圖4所示。1#點和15#點分別為斷面底板的起始點和終止點,2#～14#點為斷面頂板圓弧上按角度均勻分布的點。

圖4 拱形巷道斷面細分示意Fig.4 Subdivision schematic of arch roadway section

3.2.2 Python Script斷面構建

Dynamo作為一種可視化編程插件,僅依賴于Dynamo的內置節點進行斷面設計及建模存在一定的局限性。Python Script是Dynamo中一個帶有Python編程語言的節點,可根據此節點編寫程序解決數據處理、邏輯判斷、循環嵌套等復雜問題,定制個性化功能。

在計算出巷道斷面的細化點坐標后,利用上述Python Script節點進行編輯。Python Script節點能夠擴展輸入接口的規模。借助于Python Script節點的開放性,可完成對不同形狀巷道斷面參數族的構建。其中半圓拱形斷面的建模流程如圖5所示。

3.3 巷道段模型生成

本研究根據巷道斷面形狀的復雜性,將巷道模型分為單一斷面巷道和復合斷面巷道兩種,分別構建相應的模型。

3.3.1 單一斷面巷道段建模

單一斷面巷道段是指在掘進過程中斷面沒有發生形狀變化的巷道段。這種情況只需在巷道的起始點插入巷道斷面模型并沿中心線移動至終止點就能完成巷道三維建模。具體步驟為:①依據巷道中心線控制點的三維坐標值構建巷道中心線,并提取巷道段起始點坐標;②根據3.2節所述巷道斷面參數族的設計流程選定巷道斷面形式及相關尺寸參數;③將巷道斷面從起始點沿巷道中心線方向移動至終止點得到單一斷面巷道段的三維模型。半圓拱形斷面類型巷道的建模效果如圖6所示。

圖6 單一斷面巷道建模效果Fig.6 Modeling effect of single section roadway

3.3.2 復合斷面巷道段建模

巷道斷面有時為滿足工程需要或者由于周圍巖層力學性質的變化在設計時會變更形狀樣式,這一類巷道即為斷面發生變化的巷道或者復合斷面巷道。復合斷面形態多樣,本研究以同時具有拱形和梯形兩種斷面形態的巷道段為例,其建模步驟如下:

(1)圓滑處理。由于斷面發生變化的情況常出現在巷道的拐角處,為了使兩種不同形態的斷面能很好地連接在一起,首先需要對兩個斷面結合處進行圓滑處理。在Dynamo中利用NurbsCurve節點在巷道拐角處中心線的控制點間進行插值處理。圓滑處理后與原始的轉彎半徑會存在一定的誤差,可通過增加實測導線點個數進行擬合優化。

(2)選擇斷面類型。經圓滑處理后,分別在巷道中心線起點處加載拱形巷道斷面,在終點處加載梯形巷道斷面。

(3)沿中心線放樣。將兩種不同類型的斷面沿巷道中心線放樣得到巷道三維模型。經過圓滑處理后的拐角處復合斷面巷道段建模效果如圖7所示。

圖7 復合斷面巷道建模效果Fig.7 Modeling effect of compound section roadway

4 巷道參數化模型構建試驗

4.1 巷道交岔點建模

巷道交岔點處理是巷道三維建模過程中的難點。巷道的某個節點連接多條巷道時,在巷道交岔處容易出現重疊或者錯切現象,因此實現交岔點的無縫連接與貫通是三維巷道建模的關鍵。巷道交岔點需要與各相連巷道端口完全閉合,在交岔處建立一個溝通所有連接巷道端口的節點模型。本試驗基于Dynamo可視化程序與布爾運算算法,分水平交岔及傾斜交岔兩種情況對巷道交岔節點進行建模。

巷道交岔節點建模時首先在每個節點處將巷道分為直巷和交岔節點兩部分;然后對巷道的直巷和交岔節點分別建模,直巷的建模分解效果如圖8(a)所示。根據建模算法在交岔節點處生成交岔節點模型,如圖8(b)所示。

圖8 直巷及交岔節點分解示意Fig.8 Decomposition schematic of straight roadway and intersection node

通過Dynamo編寫可視化程序,對上述2個模型采用布爾運算算法實現水平交岔點的貫通,建模效果如圖9所示。

圖9 水平交岔巷道模型Fig.9 Horizontal intersection roadway model

傾斜巷道的兩個斷面位于不同高程位置,巷道與水平面間存在一定坡度,隨著坡度的增大,傾斜巷道的頂板面與底板面之間的距離變小,在交岔點處斷面連接會出現異常。在水平交岔巷道建模方法的基礎上,將傾斜巷道斷面旋轉一定角度使其與巷道中線平行,構建的傾斜巷道交岔模型如圖10所示。

圖10 傾斜交岔巷道模型Fig.10 Inclined intersection roadway model

4.2 巷道模型快速構建

本研究以國內某金屬礦區8-11中段內部分區域的導線控制點三維坐標、斷面參數及巷道位置信息為試驗數據,通過前文所述方法在Dynamo中構建巷道的三維參數化模型。根據3.1節所述的坐標轉換公式對導線控制點進行坐標轉換,轉換后部分導線控制點的相對坐標如表1所示,此時考慮的是單位長度,在工程中可根據實際測量時的數據值進行單位換算。

表1 導線控制坐標(部分)Table 1 Traverse control coordinates(part)

本研究參數化模型構建步驟為:①在CAD軟件中提取DWG格式巷道中心線文件中的控制點坐標文件;②在Dynamo中讀取坐標數據文件并構建表征巷道空間走向的巷道中心線模型;③利用Dynamo中的Python Script節點構建巷道斷面參數族;④依據斷面形狀的變化情況將巷道段分為斷面形狀未變化的簡單巷道段和斷面形狀變化的復雜巷道段,采用不同的方式建模,即簡單巷道段采取斷面沿中心線方向掃描的方式進行建模,斷面變化巷道段則經過圓滑處理后,通過兩變化斷面間放樣的方式進行建模;⑤將各巷道段進行耦合連接并對交岔點進行處理,最終實現礦井巷道的參數化建模。

在Dynamo中按照上述步驟進行編程,導入巷道數據并運行程序。巷道建模效果如圖11所示,圖左右兩側分別為不同細節層次的巷道三維模型。基于本研究建模方法,通過程序自動化地完成了平巷、斜井、豎井建模以及巷道交岔節點模型的圓滑處理與無縫拼接。

圖11 巷道參數化建模效果Fig.11 Effect of roadway parametric modeling

4.3 巷道參數模型復用

在實際井巷工程中,為滿足礦山不同工作部門的使用需求,并顧及到地質構造和施工要求不斷改變的影響,巷道斷面形狀也會隨之變化。因此,巷道模型的構建不僅要滿足礦山開采生命周期內不同階段對巷道空間形態的正確表達需求,還應該保證巷道模型在時空變換中的一致性,提高參數模型的復用性是解決這一問題的重要途徑。

參數化建模的優勢在于實現參數驅動模型以及模型復用,提高建模效率。本研究利用Dynamo對巷道模型進行參數化設計,通過參數來控制巷道模型的幾何形狀和尺寸大小,實現模型的快速動態調整。

試驗中以一個長度為10個單位長度、斷面尺寸為2個單位長度的直壁拱形巷道為例(圖12(a)),通過對巷道長度、斷面尺寸兩個參數節點對其進行調整(長度調整為15個單位長度、斷面尺寸調整為1個單位長度),實現對巷道模型設計的更改。經過參數調整后,巷道模型的形狀和尺寸都得到了修改(圖12(b))。

圖12 模型樣式參數化調整Fig.12 Parametric adjustment of model style

將該思路應用到整個巷道系統的建模中,利用參數驅動方式對巷道模型進行系統地編輯更新,不僅可以根據不同生產階段的需要快速完成巷道模型的設計和修改,還可以減少因為重復建模帶來的錯誤和誤差。

5 結 論

本研究基于Dynamo可視化編程技術,對巷道模型的參數化構建方法進行了初步探索。通過程序對巷道模型進行幾何參數驅動,可以更快完成巷道的三維設計優化,實現巷道三維模型的自動化創建。試驗結果反映出研究方法在巷道三維模型構建中的優勢體現在以下幾個方面:

(1)通過Python Script節點進行腳本編寫創建巷道斷面參數族,可以充分利用Dynamo與編程語言結合的適應性與開放性。

(2)通過導入坐標數據、設置斷面參數、加載中心線節點等關鍵步驟完成巷道自動化建模流程,該過程直觀且具有較強的邏輯性。

(3)通過布爾運算相關功能節點編寫可視化程序,可以實現巷道的無縫連接與交岔點貫通處理,調整后的巷道交岔模型貫通效果較好。

(4)通過調整建模參數實現模型的修改與更新,提升了建模效率和模型復用性。