金属矿山地下开采三维动态推演系统研究

第 1 章 绪论

1.1 研究背景
数字矿山和数字地球的基本理论和关键即使是一致的，只是在空间尺度和研究范围上有所差异[2]。所谓数字矿山就是指通过在矿山企业的范围内建立在数字化、信息化、虚拟化和集成化的矿山信息模型的基础上，由计算机网络管理的管、控一体化系统，提供有效、方便和直观的检索手段和显示手段，使有关人员都可以快速准确、充分和完整地了解及利用矿山各方面的信息[3]。进而综合生产、经营、管理、环境、资源、安全与效益等各种因素，使企业在实施绿色采矿的条件下实现整体协调优化，以增强矿山企业在市场中的竞争能力和适应能力，其最终目标是实现矿山的高度信息化、自动化与高效率[4,5]。数字矿山是以计算机和地理信息技术为依托，对矿山企业范围内的所有地理空间信息和实际生产、管理相关的属性数据进行数字化和可视化表达、管理、维护等操作，实现矿山企业各个部门的一体化，从而达到安全生产、高效管理和科学决策的目标。对于一个矿山而言，对数字矿山的实践和建设要做好长期持久的思想准备，因为它不是短期内就能完成的工程，投入使用就能取得立竿见影收益更是不现实的[6]。近年来计算机技术的快速发展大大促进了我国数字矿山的研究进程，科研人员及矿山技术人员组成的数字矿山研究团队逐步开发了一系列适合我国国情的矿业软件和系统，这些软件在一定程度上减轻了从业人员的劳动强度，提高了劳动效率和管理科学性[7]。但是在指导采矿方案设计和采矿生产方面的应用还存在不足，所以根据当前的应用现状，本文以金属矿山为背景提出了数字矿山地下开采三维动态推演系统的研究。
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1.2 国内外研究现状
自从上世纪九十年代，美国首先提出“数字地球”概念之后，许多专家和学者结合本国的实际情况，在其基础上衍生出了“数字城市”、“数字水利”、“数字矿山”等理论，并在实际生产和管理中得到应用。世界上矿产储量丰富、矿业相对比较发达国家，如澳大利亚、美国、加拿大等在“数字矿山”的理论研究和生产实践方面的起步较早，已经开发出了许多数字矿山建设方面的软件。通过对国外现有的数字矿山软件平台的分析，可以得到国外对数字开采的研究现状[10,11]。美国 Mintec 公司是世界上著名的矿业软件公司,他们的数字矿山软件产品Medsystem/Minesight 已经在世界多个国家的三百多个矿山企业的矿山规划中得到成功的应用。其软件平台中 Medsystem 子系统主要负责管理矿山企业基础数据及开采信息，并对矿山开采计划的制定进行人工智能分析；而 MineSight 子系统是矿山三维虚拟展示系统，主要负责将 Medsystem 系统分析的数据进行三维直观的呈现，并提供对三维图形数据管理和编辑修改的功能。英国 Datamine 矿业软件公司的采矿技术应用软件，在全球五十多个国家和地区用有一千三百多个用户。是我国最早认证的国外软件，它不但具有关于地质条件探测、矿产储量计算、三维矿体模型、矿山采矿方案设计等三维矿业软件通用的基本功能外，还可以进行矿山开采过程三维可视化管理、分析并制定开采进度计划表、矿山采场选址分析等。Datamine 软件可以针对不同用户的不同应用需求进行模块化的配置，定制具有不同功能特点的矿业应用软件，在很大程度上提高软件的实用性；除此之外软件提供单机版和网络版选择，用户可以通过网络对矿山的数据信息进行配置，从而极大的提高工作效率和实现数据共享。SURPAC 软件是由澳大利亚 GEMCOM 公司研发的集地质、采矿、测量和生产管理等功能为一体的共享信息的矿业应用平台；是由矿业领域专家和计算机专家组成的研发团队经过多年的努力研制成功的，拥有强大的技术优势。能够实现对主流的数据库和主流数据格式的读取、编辑、维护等；并提供二次开发包，功能强大方便用户针对各自使用需求定制自己的应用软件。自从世纪九十年代进入我国矿业领域，到现在 SURPAC 软件产品和服务得到了我国广大矿山企业的支持和认可，并得到了中国国土资源部的认证。该平台的基本功能包括：创建和管理地质勘察信息数据库、创建矿体三维可视化模型、计算矿产资源储量、输出地质分析报告等；矿山开采方案设计、分析并制定开采计划进度表、爆破分析等；矿山测量数据处理、测量数据入库管理和工程量验收等。
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第 2 章 系统结构设计

2.1 系统的体系结构设计
通过对国内外现有 3D 矿业开采应用软件的开发模式、研究成果和采矿设计用户的实际应用需求的综合分析，本文以金属矿山地下开采软件开发为总体目标，依托矿山地质学、采矿工程、软件工程、地理信息系统（GIS）和 3D 建模理论与虚拟仿真技术研究开发了金属矿山地下开采开拓工程三维推演系统。该系统包含三个子系统，分别是采矿设计子系统、三维场景管理子系统和金属矿山地下开采三维推演子系统[15]。系统结构图如下图所示。

2.2 子系统设计
对于某一特定矿床，可以采用多种不同的方式来进行开采，进而形成不同的开拓系统。如何在保证安全生产的前提下，设计一种不仅能够满足生产技术、能力要求，而且能减少基建时间和费用成本开拓方案，是矿山设计者首先需要考虑的问题。采矿设计子系统就是这样一个基于采矿专家经验和采矿领域知识进行开拓方案选择的人工智能系统，该系统可模拟拥有长期矿山设计和生产实践经验的采矿专家的思维逻辑与推理方法，对地质及赋存条件已知的矿体指出可行优选的开拓方案。采矿设计子系统的基本原理是：根据用户提交的矿床的赋存条件，如矿体的赋存深度、矿体的走向长度、矿体的倾角、矿体的厚度、围岩的稳定性等信息，系统调用开拓方案专家决策模块，执行开拓方案推理决策操作。即结合采矿约束条件数据库搜索匹配知识库中国内外矿床开拓实践中所运用的各种开拓方案。如果开拓方案匹配成功，则系统将决策结果以报告形式输出；若匹配失败，则进一步与用户交互，将交互结果整理后存入约束条件数据库并重复开拓方案推理决策操作[16]。为了克服传统三维巷道建模的缺点，金属矿山三维场景管理子系统采用地下巷道自动生成技术，用户只需向系统提供采矿设计的巷道二维 Shapefile 矢量数据，系统即可进行巷道和工作面模型对象的自动创建。这种技术的使用在很大程度上提高了三维可视化系统在采矿设计实际应用的灵活性。除此之外，，系统还提供支持三维可视化场景的编辑和漫游功能：用户可以对矿山工业广场、井下设备等三维模型的添加删除、位置编辑、属性绑定与查询；系统三维场景漫游功能能够使用户身临其境的从不同角度了解从井上到井下的各种情况。
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第 3 章 矿山三维渲染引擎设计与实现.........12
3.1 矿山三维渲染引擎结构设计......12
3.2 矿山三维渲染引擎核心功能实现.....13
3.3 本章小结.........25
第 4 章 系统主要功能实现 .......26
4.1 三维巷道自动建模.......26
4.1.1 二维数据模型定义.....26
4.1.2 三维数据模型定义.....27
4.1.3 创建巷道三维模型.....28
4.2 工作面建模.....34
4.3 开采过程动态推演子系统 .........35
4.4 本章小结.........43
第 5 章 系统开发 ........44
5.1 系统开发环境........44
5.2 系统功能展示........45
5.3 本章小结.........54

第 5 章 系统开发

金属矿山三维动态推演系统以矿山开采设计成果中地下巷道二维矢量空间数据、开采设备和工业广场三维模型数据作为基础，以金属矿山地下开采空间多元特征为属性信息建立基础数据库，结合地下开采方法设计方案建立地下开采三维动态推演应用模型，设计数字矿山应用信息系统。系统开发基于上述三维场景渲染引擎，借助于 C#编程语言，采用模块化设计，各模块之间既相互独立又相互关联。

5.1 系统功能展示
将传统 GIS 系统的功能优势和 WPF 技术特点集成，对界面主菜单、工具栏、查询栏等功能的展现、操作形式加以改进，并对界面元素重新设计，使得界面易用性和美观度大幅提升。系统界面设计如下图所示，左侧为系统主菜单，包括巷道创建、巷道模型加载、设备库管理、设备管理、内部浏览、系统退出等；中间部分是系统的三维控件，用于展示金属矿山地上工业广场、地下巷道等三维场景；右侧为系统的巷道和设备列表信息，可以很方便的实现设备和巷道的定位以及属性信息编辑。自主开发的 EarthStorm 3DEngine 三维场景渲染引擎对大场景数据除了进行视截体裁剪外，还可以动态加载进入视域范围定的空间实体，卸载离开视域的空间实体所占用的内存和显存资源，保持内存、显存占用量在一个较低的水平，提高了FPS（Frame Per Second）从而保证了三维场景浏览集采做的流畅程度，也降低了大场景数据展示的电脑配置的要求。下图为金属矿山地上工业广场场景的渲染效果。
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结 论

在综合分析国内外现有 3D 矿业应用软件的开发模式、研究成果和采矿设计用户的实际应用需求的基础上，紧紧围绕数字矿山软件开发的总体目标，依托矿山地质学、采矿工程、软件工程、地理信息系统（GIS）和 3D 建模理论与虚拟现实技术研究开发金属矿山地下开采开拓工程三维推演系统。本文取得的主要研究成果如下：
1）本文提出了金属矿山地下开采三维动态推演系统的设计结构，以及该系统包含的三个子系统：采矿设计子系统、三维场景管理子系统和金属矿山地下开采三维推演子系统的设计结构以及实现思路。
2）设计并采用 Direct3D 图形渲染接口和 C#程序语言实现了针对矿山具体特点和应用需求的三维场景渲染引擎，整个引擎由操作层、渲染层、应用层组成。操作层负责实现与计算机输入输出设备交互，渲染层负责高效的渲染场景中需要展示对象实体，应用层为具体应用提供相应支持。
3）研究了一种在数字矿山井巷工程中二三维数据一体化的实现方法和地下巷道自动建模的算法，并实现了以二维矢量数据为基础，采用地下巷道模型动态生成技术手段创建三维巷道模型。
4）设计并实现地下开采过程推演子系统，能够实现在矿山地下开采实施之前将采矿计划以三维可视化的形式进行动态地推演将计划逐一展开，检验开采数据参数设置的是否符合要求。同时，开采过程推演也可以引起设计者更深层次的思考，以便对采矿计划进行更加细致的修改和完善。
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参考文献（略）