矿井生产信息三维系统的设计与实现

黄 波

(中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710099)

0 引言

矿井中涉及到的信息属于空间范围的信息，其生产过程与三维空间有着密切关系。从20世纪80年代开始，煤矿行业研究信息三维可视化就从未停滞过，不断出现了地质三维建模系统和可视化信息系统[1-4]，这些系统不同程度的具备了一定的空间信息数据的处理、显示、分析等能力[5-8]，如今三维、四维地理信息，VR，AR[9-11]等技术也不断被提及和应用。

矿井的生产大部分在地下进行，人员下井只能了解到眼前局部的信息，而且矿井生产是随时间变化而动态变化的，采区、工作面、巷道的推进都在给生产带来影响，井下瓦斯、粉尘、水患、火灾等危险环境也时刻威胁着矿井安全，诸多因素的同时作用也使矿井的生产管理变得困难。因此，如何简单快速掌握各项生产活动，及时了解井下实时情况，为生产管理提供必要的信息支持，是目前矿井三维应用研究中的难点和热点。

为此，通过研究三维可视化技术基础，结合矿井实际生产和管理，提出构建矿井三维可视化信息系统的建设方案，以期通过本系统的设计和实现，发挥三维技术的优势作用，为矿井实际生产工作提供有效的技术支撑服务，提高其生产和管理效率。

1 三维可视化技术

三维系统根据矿井生产要求，须考虑详细的数据结构，以点、线、面、环、体以及复杂对象元素建立数据结构，采用多细节层次(levels of detail)算法实现对纹理与材质数据、栅格数据、矢量数据的动态多细节层次调度，从而实现平滑的实时三维显示效果。

根据矿井生产要求，在管理信息的同时还需实现专业的三维空间分析功能，必须完成三维模型建模工作，并且不同的建模对象需要考虑不同的构模方法和必要的模型间结构的拓扑关系[12]，从而基于三维数据实现诸如空间的距离、表面积、体积、通视等基本计算分析功能，以及结合算法和专业生产特点，实现通风网络解算、人员路径分析等更为复杂的网络分析能力。

2 系统建设及关键技术

2.1 系统建设的作用

矿井三维信息的管理主要包括地表三维信息和地下三维信息2个方面。矿井的生产工作主要体现在地下，管理工作主要集中在地面。矿井三维信息的管理主要工作方向在地下三维信息，为了保证矿区空间的完整性，同时辅助地下三维实体分析展示，附加了地表三维信息，它的属性数据主要是来自管理系统中的信息。地下三维信息管理的数据侧重点在地下实体数据，和生产、资源等要素密切相关，是研究最为重要的方面，也是本次系统设计的重点，其实现后的主要作用体现在以下4个方面：一是，与生产采掘工程结合，动态维护模型，直观了解生产现状，便于生产管理，利于工作计划布置；二是，整合管理信息数据、各类地质图件、测量图件、生产图件和规划图件等专题数据，实现数据的三维重现和一体化应用，充分挖掘数据潜力，为资源开采服务；三是，接入实时监测监控信息，直观反映井上下工作生产情况和环境变化，确保危险因素、人为因素时时受控；四是，实现矿山储量的动态监管，提供实时直观的资源开发现状，有助于决策层对长期规划的发展完善、补充或修改，避免资源浪费。

2.2 系统结构设计

由于需要进行三维可视化表达和大量空间计算及对运行环境、运行效率的考虑，系统架构采用Client/Server(客户机/服务器)模式。数据存储在服务器端，数据管理系统、图形系统和三维平台操作系统部署在客户机。在后续扩展应用需要时，也可将部分展示浏览等轻量级功能扩展为Browser/Server(浏览器/服务器)模式，以便充分使用各类方式进行系统构建和拓展应用。在C/S模式下，数据管理系统不和三维平台系统产生直接的数据联系，而是依靠服务器端的数据服务平台传输数据，数据管理系统将基础数据保存在数据库服务器中，三维平台系统从数据库服务器中提取建模需要的所有数据，在完成模型创建和分析计算后将中间数据和成果数据保存回数据库服务器中，这种模式便于各系统的分别部署。系统架构如图1所示。数据管理系统把基础数据保存在数据库中，三维平台系统用数据库中的基础勘探数据、测量数据和地质图件、工程图件生成三维模型，成果数据保存在数据库中，三维模型中空间对象与数据库中属性数据的对应依靠空间对象编号。

图1 系统架构示意Fig.1 System Architecture

2.3 系统关键技术

2.3.1 三维模型构建

从数据库中分层提取地质体顶底板高程，插值加密计算，利用三角剖分等算法构造三维地质模型，模型表面平滑、数据量小。在模型控制中采用碰撞监测算法，模型操作流畅，空间拾取准确。

2.3.2 测量数据自动成模

井巷数据存储在数据库中的记录信息为巷道编码和测量点坐标，绘制时直接读取测量坐标生成井巷工程三维模型，并对井巷交错点作连通处理，生成任意形态的复杂井巷。

2.3.3 模型动态更新及信息联动

地质体、巷道、设备等对象与数据库编码关联，在三维空间中编辑对象，其坐标变更直接修改数据库中对应记录表，或者修改模型相关数据表记录，三维空间中模型完成重绘更新，实现三维对象与库中数据双向同步更新。模型中布置的井巷、设备等三维空间对象均具备唯一编码，与数据库属性表编码映射，实现图属互查和衍生分析、计算。

2.3.4 块体计算

采用单元块体组成块体模型，块体按不同粒度细分，组成实体型，用三维体模型约束后形成实体，体积计算和分析计算时，按照不同粒度体的单元体积和属性进行统计分析，该种计算方式同时结合了三维表面模型与实体模型的计算特点及显示优势。

3 系统功能设计与实现

3.1 系统功能设计

设计开发的系统，由数据服务、数据管理、三维模型和监测报警4部分构成。

3.1.1 数据服务部分

数据服务的功能设计主要是提供数据存储服务和数据交互服务，这是系统的数据存储与中转枢纽，存储基础地理数据、基础地质数据、基础测量数据、模型辅助数据、分析计算数据等，为整个系统提供数据支持和服务。数据保存在数据库服务器中。

3.1.2 数据管理部分

数据管理主要设计管理基础地理、地质数据、测量数据、生产数据等，是系统的数据管理平台，实现数据输入输出、编辑更新、查询检索等功能。

3.1.3 三维模型及监测报警部分

三维模型主要设计实现三维模型构建与分析应用功能，包括三维地质体模型、三维工程对象模型、三维设施表面模型等的构建与组合，负责模型的更新与维护管理，同时实现模型浏览、控制及相应的生产应用和空间分析、空间计算等。模型构建中生成的辅助数据同时保存在数据库服务器中，便于系统加载模型时同步调用参数。监测报警主要设计实现各监测设备数据的实时接入和显示，以及监测报警、汇总、分析。

3.1.4 系统总体结构

系统结构相对松散，各模块间相对独立，依靠数据服务中转传输数据，网络在系统中承担纽带作用，将系统的4个部分紧密连接在一起。这种结构有利于工作阶段划分，同时有利于系统的部署和扩展。系统总体结构如图2所示。

图2 系统总体结构示意Fig.2 Overall structure of the system

3.2 系统主要功能的实现

3.2.1 数据管理

数据管理主要实现数据表结构管理、数据编码管理、数据输入输出、数据查询分析、数据更新编辑功能。其中数据编码管理数据的编码格式，确保数据应用的唯一性和一致性。

3.2.2 三维模型的功能

三维煤层体模型构建：依据断层切割地层情况整理钻孔勘探数据，提取钻孔中各煤层顶底板数据，每层形成一个离散点数据文件，然后依据断层切割情况，形成离散点插值边界，合并上下层及边界，形成煤层构造体，使其煤层最终形态贴合实际情况，如图3所示。

图3 煤层模型示意Fig.3 Coal seam model

井下工程模型建立：以井下生产工程图形和测量数据、属性数据为基础，建立井下各工程三维的对象(如巷道、运输路线等)。通过图形对象节点的三维坐标和三维拓扑关系建立三维井下工程对象，依据直径参数、切面图形、交错点连通关系控制三维对象的布设形态，生成后记录三维对象编码，建立与属性的对应关系。井巷工程构建如图4所示。

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

钻孔模型布设：以钻孔资料为基础，依据深度和底层厚度、钻孔坐标以及直径参数绘制三维柱状钻孔模型，同时填充地层符号，在钻孔三维柱状对象建立后，记录对象编码与属性进行对应。

井上下附属设施模型部署：加载设备、设施三维模型，依据附属设施分布属性，按坐标生成三维空间对象，三维设施图层中每个三维对象记录编号和数据库建立影射关系。

模型浏览及剖切：对建立的三维模型可各方位旋转、移动的全方位观察。通过直接画线或两点坐标法绘制切割线，切割线只控制位置和斜率，可以设置切割面的角度，做水平、垂直或斜向切割模型，展示切割断面，并提供动态方式切割，切割后在模型表面移动切割线，展示连续的切割断面。

空间计算和分析：基于三维空间算法，进行模型体空间计算，实现体积计算、区块计算、距离量算、储量计算等。基于三维空间拓扑关系，进行以巷道为依据的人员路径回溯、通风网络解算等，井下通风解算如图5所示。

图5 井下通风解算示意Fig.5 Calculation of mine ventilation

图件生成：通过三维模型生成符合生产精度要求的剖面图、等值线图等。

生产规划：在三维场景中通过采掘工程和附属设施，计算工作量，预测工作面的地质构造，辅助生产规划。

3.2.3 监测报警

监测报警功能主要实现将矿井生产监测设备部署在三维场景中，通过统一的三维监测平台，直观展示各监控点位置和监测指标的实时数据，通过警戒阈值设置，对超标数据进行及时报警反映，并可按时间序列回溯，绘制数值拟合曲线，汇总分析监测数据。井下实时监测如图6所示。

图6 井下实时监测示意Fig.6 Mine real-time monitoring

4 结语

矿井从工作阶段分为勘探、设计和井下采掘，这3类工作都可利用直观的三维重现和便利准确的三维计算分析进行辅助，而矿井生产信息三维系统的建立，能很好地发挥三维技术的优势作用。通过结合矿井实际生产，使矿井的生产运行、环境监测、人员位置、设备状态等直观形象地展示出来，并在三维模型基础上完成系统空间分析功能，也可为矿井实际生产工作提供有效的服务支持。通过使用神木地区矿井所存数据资料形成的专业三维信息系统可看出，充分考虑用户需求差异，为用户定制适合的一体化信息管理解决方案是客户的需要，也是信息服务发展的趋势，这种扩展有利于在不同矿井间推广经验，能够提升生产管理水平。