三维地学模拟与虚拟矿山系统

她。 3D打印店铺

摘要:三维地学模拟(3D Geoscience Modelling ,简称3DGM) 与虚拟矿山系统(Virtual Mine Sys2tem ,简称VMS) 是数字矿山(Digital Mine ,简称DM) 战略实施的关键技术,其中3DGM是VMS 及所有真三维地学虚拟现实系统的基础。基于国内外VMS 研究与应用分析,指出目前2. 5 维VMS 的缺陷和不足;同时,对当前国际学术界3DGM理论与方法进行了评析。进而,从3DGM与VMS 耦合的角度出发,提出了一种新的3DGM方法:类三棱柱(Analogic Tri2Prism ,简称ATP)法。ATP 模型由点、TIN 边、TIN 面、棱边、侧面TIN 和ATP 体共6 组基本元素组成。本文设计了ATP 的数据结构,并给出了基于实验钻孔的3DGM可视化图。
    1 　前言
    虚拟现实(Virtual Reality ,简称VR) 技术是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电子、机械、视听等高新技术,模拟人在特定环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术[1] 。VR 在许多工程领域和基础研究方面已得到较广泛的应用,在国外矿业领域的研究起步也较早,出现了一些2. 5 维的虚拟矿山系统(Virtual Mine System , 简称VMS) [2～4] ,有效地支持了矿山生产决策和矿山培训与职业教育工作。我国的VRM研究起步于20 世纪末,目前在矿山安全、火灾模拟等研究领域取得阶段性进展[5～7] 。
    由于矿山是一个真三维动态地理/ 地质环境,所有矿山生产与组织活动均是在真三维地理/ 地质环境中进行的。因此,真正实用的VMS (以及所有虚拟地学系统) ,都应是真三维的,即必须以3DGM 为基础,而目前仍是空白点。DM 是21 世纪新经济条件下利用信息技术改造传统产业的矿山科技创新与发展战略,3DGM与VMS 则是实施DM战略的关键技术[8 ,9] 。本文将总结介绍国内外3DGM与VMS 的研究现状,并分析未来发展中应解决的关键问题。
    2 　3DGM 理论与方法
    矿山的自然地质现象与人造工程如矿体、地层、断裂、钻孔、井巷、采空区等,都是三维空间实体。2 维或基于DEM/ DTM 的2. 5 维GIS、VMS 都难以表达复杂的地下三维地质与工程问题及进行矿山空间分析,包括复杂矿体、断层、褶皱等不连续体的真三维建模、地质体任意剖面生成、三维可视化等。近年,真3DGM、地面地下工程的空间整合分析、三维动态模拟、三维地学可视化与地学多维图解的集成[10]等问题,已成为GIS 的技术前沿和攻关热点。如何对这些多维空间数据进行集成管理、动态处理和时空分析,是国内外学术界和工程应用面临的一大理论与技术难题。
    3DGM技术就是为了解决地学领域中遇到的三维问题,如三维地层、断裂、矿体和巷道的显示、三维巷道的空间拓扑分析、三维矿体的体积与储量计算等问题而提出来的。3DGM 是由勘探地质学、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质、GIS、图形图像学、科学可视化(SciV) 等学科交叉而形成的一门新兴学科[11] 。它由加拿大SimonW. Houlding 于1993 年首先提出[12] ,其含义为:3EDGM是一门运用现代空间信息理论来研究地层及其环境的信息处理、数据组织、空间建模与数字表达,并运用SciV 来对地层及其环境进行真三维再现和可视化交互的科学与技术。
    2. 1 　构模方法评析
    三维地学构模方法大致有以下5种:
    2. 1. 1 　块段(block) 构模法
    块段构模技术的研究和应用始于20 世纪60年代初,是一种传统的地学构模方法。20 世纪60年代和70 年代开发的一些计算机系统即采用这种构模技术, 比较典型的有奥廷托锌业公司(RTZ) 开发的OBMS 和OPDP 系统, 控制数据(Control Data) 公司的MINEVAL 系统和Minetec 公司的MEDS 系统。这类构模技术是把要建立模型的整个立方块空间分割成规则的三维立方网格(grid) ,称为块段;每个块段在计算机中存储的地址与其在自然矿床中的位置相对应;用克立格法、距离加权平均等方法和优势原则来确定各块段中的品位或质量参数。这种技术的优点是可以采用隐含定位技术来节省存储空间和运算时间;但在精确模拟矿体边界与分割粒度(存储量) 上存在尖锐矛盾。
    2. 1. 2 　线框(wire frame) 构模法
    线框构模技术是一种表面构模技术,即把面上的点用直线连接起来,形成一系列多边形,然后把这些多边形面拼接起来形成一个多边形网格,以此来模拟地质边界或开采边界。该法的缺陷是无法表达边界内部或地质体内部。
    2. 1. 3 　实体(solid) 构模法
    实体构模法是采用多边形网格来描述地质和开采过程所形成的形体边界,并用传统的块段模型描述形体内部的品位或质量的分布。实体构模技术以LYNX 系统中提供的三维元件构模(3Dcomponent modeling) 为代表。该构模方法以真实的地质或开采形体的几何形态为基础,以中平面的前后扩展为构模原理,交互式逐个生成由地质分表面( sub2surface) 和开采边界面所构成的各地质元件(component) 。元件是3DGM 的基本单元,不仅表示一个形体,也表示封闭的体积以及形体中的地质特征(品位或质量等) 分布。实体构模法实质是线框构模法与扩展的块段构模法的耦合,因此弥补了块段构模处理边界的不足。
    2. 1. 4 　断面(section) 构模法
    断面构模技术是再现传统的手绘建模方法的计算机化矿床构模技术,即通过一系列平面图或剖面图来描述矿床,并记录信息。其特点是将3维问题2 维化,便于地质描述,大大简化了模型的设计和程序的编制;但它在矿床的表达上是不完整的,往往需要与其他构模方法配合使用。
    2. 1. 5 　表面(surface) 构模法
    表面模型有时也称为数字地面模型(DigitalTerrain Models ,简称DTM) 。有很多方法可以用来表达表面,如等高线模型、网格模型等,而最常用的模型还是不规则三角网(TIN) 。表面模型多用于层状矿床构模,一般先生成各岩层的接触界面或厚度在模型域上的表面模型,然后根据岩层间的截割和切错关系通过“修剪”、“优先级次序覆盖”等逻辑运算来对各模拟面进行精确修饰。在TIN 表面建模的基础上,LYNX 还通过上、下相邻表面TIN 的对应连接形成一组三棱柱,来模拟地层或矿床内部;其前提条件是上、下相邻表面TIN上的对应点无平面位置偏移,即( x , y) 相同。
    2. 2 　类三棱柱构模
    实际上由于钻孔偏斜和界面采样的随机性,上、下相邻表面TIN 上的对应点无法保证平面位置无偏移,因此导致所连接形成的三棱柱的侧面不是平面。作者称这种三棱柱为类三棱柱(Ana2logic Tri2Prism ,简称ATP) ;进而提出了将层间表面TIN 与TIN 间ATP 的联合使用来构建三维地质模型的方法,称为类三棱柱法(简称ATP 法) 。图1所示为2 层ATP 模型的基本结构。


    ATP 模型由点、TIN 边、TIN 三角形、棱边、侧面(分割为三角形) 、ATP 体共6 组基本元素组成。采用ATP 构模技术,不仅可以精确模拟地层或矿床的点的x , y , z 坐标next :long ;
      // 指向下一个点的指针
    　TINEdge[n] :array of TTINEdge ; // 点周围的TIN 边
    　UppsmEdge , DownPsmEdge : TprismEdge ; //点所对应的上、下棱边
      End ;
    2. 2. 2 　TIN 边的数据结构
      Type
    　TINEdge = Record
    　Pstart ,Pend : Tpoint ; // TIN 边的起点、终点
    　LeftTriID , RightTriID : integer ; // TIN 边的左、右三角形标识号
      End ;
    2. 2. 3 　棱边的数据结构
       Type
     　PrismEdge = Record
     　Pstart ,Pend : Tpoint ; // 棱边的起点、终点
     　NeighbourTriID : array of integer ;// 相邻的多个侧面三角形标识号
       End ;
    2. 2. 4 　TIN 三角形的数据结构
      Type
    　Triangle = Record
    　TriID : Integer ; // 三角形的标识号
    　Point [3] : Tpoint ; // 组成三角形的3 个顶点
    　TINEdge[3] :TTINEdge ; // 组成三角形的3条边
    　NeighbourTri [3] :Array of Integer ; // 相邻的3 个三角形的标识号
      End ;
    2. 2. 5 　侧面三角形的数据结构
      Type
    　SideTriangle = Record
    　SideTriID :integer ;// 三角形的标识号
    　Point [3] : Tpoint ; // 组成三角形的3 个顶点
    　LeftTriPrism , RightTriPrism: TanatriPrism; //三角形的左右ATP
      End ;
    2. 2. 6 　ATP 的数据结构
      Type
    　AnatriPrism = Record
    　PrismID : Integer ;// ATP 的标识号
    　Point [6] : Tpoint ; // 组成ATP 的6 个顶点
    　UpTri ,DownTri : Triangle ;// 组成ATP 的上、下TIN
    　SideTri [6] : TsideTriangle ; // 组成ATP 的6个侧面三角形
    　NeighbourPsm[5] :Array of integer ; // 相邻的5 个ATP 标识号
      End ;
    2. 3 　ATP 构模方法实验示例
    作者对ATP 法进行初步程序实现,并用一组实验钻孔数据进行了3DGM 与可视化。钻孔数据库由以下字段组成:钻孔号、岩层编号、岩层倾角、岩层方位角、岩层名称、岩性描述、岩层厚度、岩层界面坐标。图2 为从钻孔数据库里提取地层层面数据、运用ATP 法自动生成的3D 地质模型。


    3 　VR技术在矿山工程中的应用
    VR 技术在矿业领域较早得到应用,目前的研究主要集中在利用现有的VR 平台进行VMS 开发,在矿山风险评估、事故模拟与调查、职业教育与技术培训等方面取得长足进展。
    3. 1 　矿山生产环境的风险评价
    在矿山安全监察中对矿山环境中潜在的灾害事故进行有效的预测与分析是保障安全生产的主要途径。风险评价已成为现代矿山生产管理日常工作的一部分。英国诺丁汉大学AIMS Solutions公司已经开发出一系列矿山VR 模型,如露天矿单斗2卡车作业系统、矿井开采系统模拟模型等。
    通过应用VR 技术辅助识别和评价对象(如设备、人员) 的风险状况,从而得出更客观的风险评价。
    这种VR 计算机系统可动态地进行生产环境的风险分析。采矿设备周围的风险区域是动态的,它依据当前时刻虚拟环境中所处的状态对回采工作的多个工序如割煤、支架前移等进行风险评价。以风险标度即不同颜色的立体框表征风险的大小,如绿色表征低风险、黄色为中等风险、红色则为高风险[4～6] 。矿山VR 模型为用户提供了一种强有力的观测矿山风险环境的方法,风险标度可以放置在环境中的任何位置甚至是附着在移动的物体上,从而实现矿山风险发育过程的可视化。
    3. 2 　事故模拟与调查分析
    矿山事故预防的关键在于创造并维护安全的工作环境、宣传并执行安全的作业行为,从而防止错误行为的发生。应用VR 可以快速、有效地在计算机屏幕上再现事故发生的过程。因而事故调查者可以从各种角度去观测、分析事故发生过程,从而找出事故发生的原因并采取预防措施,防止类似事故的再次发生。
    图3 为通过VR 技术再现的井下矿车事故发生的情景 。通过交互式改变该模型中的环境参数来模拟再现事故过程,可以找到避免类似事故发生的技术途径和工人安全注意事项。


    3. 3 　生产过程的动态模拟与技术培训
    VR 创造出的矿山生产环境具有逼真、交互作用的特点。因此,应用VR 技术制作出的软件或录像,可以直观模拟采矿环境及其作业过程,适于矿山职业教育与岗位培训。
    应用VR 技术开发的房柱式开采的模拟系统VR2MINE[2] ,不仅以三维的形式动态地显示出矿井作业环境,而且可进行生产作业过程的系统模拟。该系统在南非的一个金矿用于培训井下工人识别矿井开采危害及岩石冒落事故的发生。系统所建立的三维环境是该矿最忙碌且事故频发的工作面,其危害主要来自岩体冒落和设备运行。一旦训练者进入虚拟环境中的某个危险区,而又未作出正确的反应时(系统在屏幕底部显示出一系列图标来表征不同的反应) ,系统就会以图像和声音形式模拟出这种灾害的动态发展过程。同时记录每个训练者的成绩,以供评价和比较。南非金矿的应用表明,矿工通过这种训练,不仅强化了安全意识,也增强了事故识别能力,达到了减小矿山灾害发生及其危害程度的目的 。
    4 　VR技术在煤矿防灭火中的应用
    煤矿火灾的发生具有一定的突发性,其发展又具有一定的连续性,对矿井设备具有极大的破坏性,对井下工作人员甚至是部分地面工作人员的安全均有很大的威胁。煤矿火灾事故的这些特点,使得灾害发生后,井下工作人员的自救、互救以及井上救灾指挥员的指挥和救护队员的救护工作显得尤为重要。如何有效地防止这些灾害事故的发生,如何保证灾害发生后能及时有效地发现并控制灾害,以及如何在灾害发生后组织灾害现场人员有效地撤离现场或让处于现场的人员懂得如何采取自救措施,是当前摆在矿山火灾救护人员面前的紧迫任务。
    研究矿井火灾害防治的VR 系统,首先要解决2 个关键技术:一个是灾害的数值模拟;另一个是灾害现象的真实描述。其中第2 个问题的基础数据来自于第1 个问题的计算结果,第1 个问题是用数值模拟方法将矿井火灾时期温度场及烟流场分布情况表现出来。如何将火灾时期火灾现象及烟流流动形态用可视化的方式表现出来是矿井灾害防治VR 系统的基础,也是技术难点。
    目前软件采用多种算法模拟火焰,如基于细胞自动机的火焰模型、基于扩散过程的火焰模型及基于粒子系统算法模型等。上述方法基本上是一种简单的形态表现,仅是让观察者看到出火焰或烟流形态,而不是与现实世界实际的火焰或烟流流动相匹配,即无法将第1 个问题计算得出的数值模拟结果与这些软件联系起来。现实煤矿中火灾的火焰、烟流流动的形态是多种多样的,随风流、障碍物的不同而呈不同的流动形态,其具体形态应来自数值模拟结果,而不是预先设定的简单的形态。


    故本文第3 作者采用粒子系统对矿井火灾进行了三维可视化研究。在应用VC 6. 0 和OPGLAPI 开发的程序中,设计了地下井巷真实感模型和火灾烟气与火焰模型,并考虑了风向对火焰及烟流形态的影响、巷道高度受限影响等因素。图4 所示为该系统完成的巷道火灾模拟结果。
    该系统所模拟的火焰形态不细腻主要是因为计算机运算速度及显示速度的影响,以及火焰描述算法不够健全。下一步将深化火焰描述算法的研究,并将分形技术引入火焰的描述,同时考虑直接将火灾模拟结果与可视化程序直接接口;此外,还考虑采用分布式计算的方式将火灾模拟程序与可视化程序分别置于不同的网络计算机中,通过研究合理的分布式计算方法来完成火灾模拟程序及火灾可视化程序的分布式计算,从而提高模拟结果的实时功能。
    5 　结　语
    目前国内外矿业界已开发出的VMS 大都是利用商业VR 平台或OPGL 技术,二次开发的基于地学表面特征的2. 5 维系统,而不是基于真三维的地层环境与采矿工程的整合模拟。这就限制了VMS 对矿井开挖、岩层运动、力场演变等地层内部三维现象进行再现、交互及动态可视化的能力。从底层研究开发一套真正意义的3DGM 系统,并以此作为国产VMS、甚至其他三维地学虚拟系统的公共平台,已成为当务之急。本文提出的以ATP 为核心的3DGM 理论与技术,为建立真三维VMS 提供了可能,近期将推出基于ATP 的VMS 实验系统。就目前进展和未来目标来看,仍有以下理论与技术问题亟待研究解决:1. 基于ATP 的复杂地质构造形态的半自动快速构模;2. ATP 模型的动态更新与局部细化;3. 基于ATP 的拓扑描述、表达与查询;4. 基于ATP 的拓扑分析与采动影响研究;5. 基于ATP 的开挖设计与过程仿真、矿井灾害虚拟再现等。以上问题构成数字矿山理论与技术的部分基础。数字矿山战略实施及3DGM 与真三维VMS的研究、开发与应用,无疑将促进矿山安全、高效生产,并彻底改变传统采矿业危险、艰苦和低效的面貌,促进采矿业信息化改造,提高采矿业的技术含量和信息化水平。


图4 　采用粒子系统算法的矿山巷道火灾



图3 　应用VR 进行矿车事故的调查与再现



图2 　基于ATP 生成的真3 维地质模型



图1 　ATP 构模基本结构

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