基于精細拓撲的礦井排水系統多尺度建模

李雯靜 張馨心 焦宇豪

(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)

礦井排水是伴隨采礦工程產生的一項附加系統工程[1],其主要目的是排出因自然或生產原因產生的井下積水,保障井下生產作業和人員安全。由于井下排水系統作業環境復雜,設備種類繁多,管理工作難以有效進行。傳統的礦井排水控制平臺多從智能控制角度出發,未能兼顧到排水系統的設備維護和日常管理[2-3],其仿真系統難以表達井下排水設備信息的空間關系和傳遞過程。建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)[4]以三維數字化為載體,直觀描述礦井排水系統的三維特征和拓撲關系,關聯設計、施工、運維管理等相關產業鏈的各個環節所需信息,為系統全生命周期信息的傳遞與追蹤提供了有力支持。

隨著礦井排水系統在規劃建設、日常維護及管理方面需求的不斷完善,礦山企業不同部門針對礦井排水有不同詳細程度的應用需求[5-6]。對于綜合管理部門,需從宏觀角度關注礦井范圍內設施設備分布情況;對于機電工程部門,排水設備日常管理更關注組件級設備模型的屬性信息,設備維護及檢修則更關注零件級設備模型。因此,針對礦山企業的多層應用目的,構建不同尺度的礦山排水系統BIM模型有助于降低模型內容的復雜程度,提高其可讀性。目前,已有學者關注到BIM建模過程中要素間拓撲信息的產生[7-8],但建模要素多尺度表達造成的要素間拓撲關系的變化未能得到充分重視,分析礦井排水系統多個尺度模型的拓撲結構能夠在一定程度上把控模型的整體和細節,從而準確地反映建模對象的結構特征。此外,城市地下網管在構建拓撲關系模型方面已有一定的研究基礎[9-10],但其理論模型在礦井排水系統多尺度建模領域適用性不強,缺乏建模對象及其拓撲關系的綜合考慮,難以滿足多尺度模型的結構化表達需求。

綜上所述,本研究分析了礦井排水系統組成要素的語義多尺度特征,在多尺度建模的基礎上提出了拓撲精細度(Topological Level of Details)模型,該模型將排水系統的構筑物與設備緊密關聯,真實反映了不同尺度層級設施設備間的拓撲關系,實現了基于拓撲關系的礦井排水系統多尺度BIM的可視化表達,為礦井排水系統全生命周期信息管理提供了數據基礎,有助于提升建模工作效率,避免重復建模,更好地實現對客觀世界的真實模擬。

1 礦井排水系統細節層次模型

1.1 排水系統的實體要素分類

礦井排水系統是礦井重要的生產系統之一,經涌水點產生的礦水由其所在巷道側的水溝自流而下,后經開采水平運輸大巷、運輸石門自匯入井底車場水倉,再由水泵房經副井的排水管道排至地面。礦井排水系統是由水溝、管道等眾多實體要素構成的有向網絡,每個實體要素是一個獨立且完整的空間單元,可以采用面向實體的方法[11]對其進行分類建模。在本研究中,礦井排水系統的建模對象主要包括水倉、水泵房、管子道等排水設施,以及水泵、排水管路、止回閥、閘閥等硬件設備。通過分析礦井排水系統的工作過程,按照其語義特征分為排水設施、排水設備及附屬設備3類實體要素。如圖1所示,排水設施主要指排水溝、水倉、泵房、管子道等構筑物基礎設施,排水設備是指排水管、水泵、閥門等基礎排水設備,附屬設備即管件、管卡、法蘭盤等管道附屬設備。

圖1 排水系統實體類型分類Fig.1 Classification of drainage system entities

1.2 排水系統層次細節模型

多細節層次(Level of Details,LOD)是多尺度模型,也是定義BIM模型精細度的關鍵要素[12-13]。“尺度”是認知地理空間和地理目標的基礎,地理信息數據的尺度特征可以分為空間尺度、時間尺度和語義尺度3種[14]。其中,語義代表了地理事物實體及其屬性的具體含義,LOD層級增加,其語義豐富度也隨之增加[15-16]。諸多學者在多尺度研究領域逐漸重視對于語義的考量,將語義屬性作為劃分多尺度的重要因素,使得模型應用所必需的語義信息得以充分表達[17-18]。

為滿足礦山排水的日常業務需求,參照語義多尺度劃分方式,本研究提出了一種針對排水系統實體要素的尺度劃分標準。按照1.1節對礦山排水系統實體要素的語義特征分類,劃分了LOD0～LOD3共4個細節層級。如表1所示,LOD0從全局角度描述礦井排水流向圖,以線狀要素表達礦水從涌水點至最后流出副井的路線,節點表示流經的構筑物類型及分流點;LOD1描述礦水流經排水基礎設施的整體骨架模型,用塊體等幾何形狀表示構筑物輪廓,如排水溝、水倉、水泵房、管子道等;LOD2在LOD1的基礎上增加了構筑物內部的排水設備結構模型,如排水管、水泵、閘閥等,構成了排水系統的整體輪廓;LOD3細化了排水系統輪廓模型,在LOD2基礎上增加了管道附屬設備的細節模型,如管件、管卡、法蘭盤等,呈現了排水系統的清晰細節及紋理形態。綜上所述,排水系統LOD模型通過定義一些特定的分類標準來劃分實體要素的LOD層級,能夠減少存儲需求,降低場景渲染的計算復雜度,實現網絡快速傳輸。

表1 礦井排水系統離散層次細節模型Table 1 Discrete LOD framework of mine drainage system

2 礦井排水系統拓撲精細度模型

為了清晰地展現礦井排水系統BIM模型的整體結構及局部要素特點,需要構造建模對象部分或全部的拓撲關系信息。每個建模對象以獨立且具有地理意義的實體為基本單位,為構建實體要素拓撲關系模型提供了方便。在不同的LOD層級中,隨著語義信息的增加,實體要素的抽象和簡化程度不同,模型間設施設備的拓撲關系也隨之變化。為保證不同層級拓撲模型的準確性,本研究提出了“拓撲精細度”的概念。拓撲精細度(Topological Level of Details)是依據多尺度建模思想構建的拓撲細節層次模型,是對實體要素拓撲關系的抽象描述,反映從全局到局部不同粒度的拓撲信息,表達多尺度模型間拓撲關系的復雜程度。

2.1 排水系統概念模型

礦井排水系統屬于有向網狀結構,為了保證模型的多尺度特征和拓撲關系的完整性,在較低層級LOD0～LOD2中,排水系統實體要素按照幾何形態及其空間關系,將其抽象為弧段和節點兩類對象。弧段是排水系統中線狀排水設備的抽象,是構成網狀結構的骨架,包括排水管、排水溝、水倉、管子道等線狀排水設施的抽象。節點為排水系統中設施設備的抽象點,不同節點類實體的拓撲特征存在明顯差異,可將節點細分為多類節點,包括:① 容器類節點,排水系統中構筑物的抽象,其內部設備與容器構成從屬關系,例如水泵房、水倉等;②連接類節點,與線狀排水設備構成上下游關系的設備,例如水泵、吸水井、閘閥等;③分流節點,線狀設備的分流點,例如水溝水倉分流點。在高層級的LOD3中,礦井排水系統中的實體要素的局部區域精細模型得以表達。例如,以排水管段作為設備載體,附著在管段上的附屬設備與管段之間存在附著關系,如法蘭盤、管卡、管件設備等。

為實現精細化表達,將與弧段存在連接關系的拓撲節點進一步細化,按其連接方式分為起始節點、二通節點、三通節點、四通節點、分流節點和終止節點幾類,各節點間的連接、分流與聚合關系如圖2所示。其中,分流節點包括實節點(構筑物)和虛節點(排水溝、水倉交點),終止節點位于地表沉淀池匯面域。同時在不同的LOD層級,節點概念表達的精細程度不同:①在構筑物級別,水泵房被視為四通節點,連接兩端排水溝、管子道與水倉;② 在設備級別,水泵被視為二通節點,吸水管和排水管作為其上下游管線;③在附屬設備級別,管件根據節點類型不同可分為二通、三通、四通。

圖2 礦井排水系統弧段與節點拓撲概念模型Fig.2 Conceptual model of arc and node topology of mine drainage system

2.2 拓撲精細度分層結構模型

礦井排水系統實體要素模型的結構層次復雜,拓撲關系是呈現模型內部結構、分布特征和層次關系的有效方法,能夠提供直觀的視覺信息,并揭示模型元素和整體之間的關系。依據2.1節排水系統概念模型及對實體要素的抽象程度,本研究采用拓撲精細度TLOD(Topological Level of Details)模型,分析排水系統在不同多尺度層級實體要素之間的關聯關系,并確定其拓撲關系類型。

礦井排水系統拓撲關系是該系統中所有設施設備間拓撲關系的集合,為了準確描述該系統不同層級間的拓撲結構特點,本研究根據實體要素的空間關系,將弧段與節點間的拓撲關系劃分為聯通關系、附著關系、聚合關系、從屬關系及連接關系。為適應模型不同比例的幾何語義信息關系,在多尺度建模過程中,模型間的拓撲關系構成了不同層級的拓撲精細度。如圖3所示,TLOD0層次主要描述全局范圍內礦水流經弧段和構筑物節點間的連接關系,在整體范圍內形成排水的全過程線;TLOD1在TLOD0的基礎上描述排水系統中構筑物間的聯通關系及不同構筑物間的聚合關系;TLOD2中,由于增加了構筑物節點內部分級節點信息,例如排水管道、水泵、閘閥等,需要考慮構筑物與排水設備間的空間從屬關系,以及排水設備間的連接關系;TLOD3增加了管道附屬設備及排水設備細節信息,表達排水設備及附屬設備間的附著關系和排水設備細節模型與上一層級模型間的從屬關系。

圖3 礦井排水系統精細拓撲關系Fig.3 Fine topological relationship of mine drainage system

在礦井排水系統拓撲關系中,聯通關系和連接關系成為構建礦井排水系統BIM模型的關鍵,構成了排水系統拓撲關系中的核心部分。建立設施設備之間明確的上下游關系能夠關聯排水系統實際運行的各個環節,將設施設備的空間、屬性、預維、運行等相關業務信息關聯起來,形成信息集成優勢,有助于實現排水過程的拓撲查詢、空間分析、排水模擬等功能。

3 礦井排水系統多尺度建模

由于礦井排水系統實體要素結構復雜,大到構建排水系統的構筑物骨架,小到排水系統細小物體和設備器械等構造物,建模過程極其復雜,可將復雜的三維模型分解成組件,從而起到細化整體模型的作用。采用基于Revit軟件的參數化建模方法,找到形狀固定、可重復使用的同類組件構建族庫,可簡化建模流程,為設施設備批量建模創造了可能性。

3.1 排水系統實體要素數據編碼

為精確查詢族庫類型、構建和儲存三維模型的拓撲和屬性信息,按照礦井排水系統的空間及屬性特征賦予實體要素唯一可識別的名稱編碼,并建立數據編碼與實體要素間的映射關系。規則的編碼體系有助于實現實體要素多類型空間信息統一分類,更快定位實體要素,為構建礦井排水系統族庫提供編碼基礎。礦井排水系統實體要素編碼標準如圖4所示。

圖4 排水系統實體要素編碼標準Fig.4 Coding standard for entity elements of drainage system

排水系統實體要素編碼規則中,每個字段表示具體的類型特征。編碼標準前兩位表示設備類型,根據2.1節的分類方法,設備類型分為排水設施(P1)、排水設備(P2)和附屬設備(P3)。再采用3位相應的英文字母來表示實體類型信息,例如水泵房(SBF)、管子道(GZD)、主水倉(ZSC)。第7位標識抽象類型,有節點(0)和弧段(1);第8位標識LOD 4個層級(0～3);第9、10位為要素型號代碼,例如不同尺寸的管段類型編碼不同。后6位為實體順序自編碼,順序自編碼的第一位為該元素拓撲關系類型,聯通關系(A)、附著關系(B)、聚合關系(C)、從屬關系(D)、連接關系(E)。例如P2PSG1201E00001為LOD2層級中某一排水管段的編碼。

3.2 參數化族庫建立

組件概念在建筑三維建模中已有應用,采用參數化思想[19-20]來控制相同類型但可能具有不同結構、尺寸、外觀和屬性的組件集。在組件的概念下,Revit為用戶提供了“參數化族庫”,將重復使用、不同類型的模型構件獨立存儲并可在多個應用中進行調用,同時允許用戶使用組裝和定制功能。

礦山排水系統實現高效建模的第一步是建立一套符合項目需求的參數化族庫,設置基本排水系統構件的自定義參數,運用Revit中的拉伸、放樣、融合等功能,建立各族構件的參數化模型,通過參數控制族構件的新建與修改。本研究將礦井排水系統按照LOD分級方式劃分族類型,并對不同類型的構件進行編碼儲存,根據每級LOD的幾何簡化程度在Revit中構建多尺寸參數模型。因此,排水系統族構件參數類型不僅包括建模對象的尺寸約束信息,也包括由模型空間拓撲關系確定的位置信息和由連接關系確定的上下游拓撲連接模型編碼。將不同的族構件載入項目中,設置項目中模型的唯一編碼,有助于確定模型的拓撲關系,輔助系統BIM模型構建。以LOD2層級中閘閥構件為例分析上下游連接關系,如圖5所示。

圖5 LOD2中閘閥構件上下游設備及編碼Fig.5 Equipment and code for connecting sluice valves in LOD2

3.3 排水系統多尺度場景

本研究依據礦井排水系統層次細節模型及參數化族庫集成礦山排水系統多尺度應用場景,采用Revit構建多尺度參數化族庫,將其載入3DMax中進行細節添加和紋理渲染,構建礦山排水系統離散層次細節模型(圖6)。在上述試驗中,多尺度模型構建使得用戶能夠根據不同的應用需求瀏覽不同尺度的模型場景,可只針對需要觀察的部分進行精細建模,以減少模型的細節冗余,避免影響模型渲染速度。參數化族庫的構建及不同細節層次模型之間拓撲關系的確定,使得相同類型、不同尺寸的模型得以批量創建,且模型間連接關系清晰,上下游明確,避免了建模過程中可能造成的錯誤,進而提高了建模效率。

圖6 礦井排水系統多尺度場景及拓撲關系示例Fig.6 Example of multi-scale scene and topological relation of mine drainage system

圖6中,LOD0層級表達了礦井涌水流經的構筑物的空間位置,水泵房等實節點與排水溝交叉點等虛節點及線狀構筑物的拓撲關系,每類構筑物都有唯一的編碼信息,以便清晰地查看礦井涌水的流向。同時,可輔助礦山企業綜合管理部門進行水溝等線狀構筑物的空間分析,判斷排水設施敷設是否合理。

LOD1層級在LOD0層級的基礎上,結合構筑物間的聯通關系,構建了礦井排水系統構筑物的實體模型,用以構成排水系統基礎設施的整體骨架。以排水溝為例,每段排水溝設置不同的編碼信息,以便礦山機電工程部門準確記錄水溝清淤等排水構筑物的日常管理情況。

LOD2層級新增了構筑物內部的排水設備信息,以水泵房為例,內部設備的輪廓模型得以完整顯示,單個設備作為獨立的實體要素進行三維建模,其連接關系有利于機電工程部門的管理人員準確掌握復雜的設備信息,對在運行過程中出現問題的設備進行故障定位及故障排查,及時進行維護與檢修,實現排水設備的可視化管理。另外,在此層級中,排水管網與排水設備間的拓撲關系清晰可見,為實時模擬排水系統的工作過程,制定礦井排水應急預案及事故分析奠定了數據基礎。

LOD3層級增加了排水系統設備的細節及模型紋理,對需要重點觀察的設備零部件進行細致建模,為實現礦井排水系統精細化建模提供了可能,可用于礦山排水過程三維仿真及零件級設備的日常巡檢。

4 結 語

針對礦山不同部門對礦井排水系統日常管理的多種應用需求,提出了拓撲精細度的多尺度BIM模型,研究了包含LOD層級和拓撲關系的礦井排水實體要素編碼方法,構建了實體要素參數化族庫,并以井底車場及內部水泵房為例搭建了排水系統多尺度應用場景。通過將建模過程與礦井排水工作過程進行關聯,用以準確獲取排水設施設備的空間信息,合理描述實體要素間的連接關系,整合BIM模型信息,有效避免了重復建模,保證了排水過程三維仿真、運營階段分析優化和維護維修等應用的實現。