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        礦山地質(zhì)工程中三維成像勘查系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

        2021-06-28 06:13:00
        中國金屬通報 2021年8期
        關(guān)鍵詞:控制面板板件勘查

        蔡 毅

        (河北省地質(zhì)工程勘查院,河北 保定 071000)

        在早期的礦山勘查工作中,空間內(nèi)礦產(chǎn)資源含量分布受勘查技術(shù)的限制,主要依靠手工統(tǒng)計的方式對數(shù)據(jù)信息進行分析,繪制二維空間的簡單的礦區(qū)地質(zhì)圖[1]。雖然取得了一定的成果,但其實施過程中,工作量巨大,效率較低,且受主觀因素影響明顯,應(yīng)用效果不盡如人意[2]。隨著計算機時代的到來,信息技術(shù)飛速發(fā)展,三維成像技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,其可以快速、準確、有效地把海量數(shù)據(jù)信息進行綜合統(tǒng)計處理,以三維圖像的形式進行表達[3],更加直觀地展現(xiàn)礦產(chǎn)資源在空間內(nèi)的展布形態(tài)和變化趨勢[4],通過分析這些信息,對于預(yù)測含礦隱伏構(gòu)造具有極其重要的作用[5]。

        基于此,本文提出礦山地質(zhì)工程中三維成像勘查系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用研究。將地質(zhì)勘探工作的開展方式進一步拓展,以期為實際應(yīng)用提供參考。

        1 硬件設(shè)計

        1.1 核心控制電路

        三維成像勘查系統(tǒng)核心電路由PWM控制主機、I/O主機、NRF24電阻、FSMC元件共同組成。在連通狀態(tài)下,電壓及電流參量分別進入PWM控制主機,以及電流控制設(shè)備,一部分電壓傳輸至電路外部,供下級設(shè)備應(yīng)用,另一部分電壓經(jīng)過采樣設(shè)備進入I/O主機。其中,核心用電設(shè)備為FSMC[6],根據(jù)NRF24的負載情況調(diào)節(jié)輸入電流,將符合應(yīng)用需求的電壓傳輸至FSMC。具體電路如圖1所示。

        1.2 采樣控制芯片

        采樣控制芯片是三維成像勘查系統(tǒng)中的信息采集控制元件[7],由ARM板件、數(shù)據(jù)傳輸管腳、PWM板件、SPI附屬元件以及應(yīng)用電阻組成[8]。其中,4個ARM板件以兩兩并列方式連接,1個ARM板件僅作為參與性結(jié)構(gòu),用于提供傳輸連接。傳輸管腳通過對松弛度進行轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)對ARM板件連接狀態(tài)的協(xié)調(diào)控制。在PWM板件中的SPI元件負責(zé)調(diào)節(jié)采樣控制芯片的負載,將密集數(shù)據(jù)調(diào)度至核心區(qū),以此適應(yīng)控制指令的需求。在采樣控制芯片最底層,分布有電阻,分擔(dān)系統(tǒng)中的傳輸電壓,抑制采集數(shù)據(jù)流的傳輸下降趨勢。

        1.3 數(shù)據(jù)逆變器

        本文以IGBT調(diào)節(jié)裝置作為核心設(shè)備搭建數(shù)據(jù)逆變器,實現(xiàn)對礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的資源分配。數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)傳輸端相連,在連接狀態(tài)時,將待轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)信息規(guī)整成實體。電流存儲器、電壓存儲器均為其下級負載元件,按照系統(tǒng)內(nèi)待轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)信息數(shù)量,控制資源承載量。IGBT逆變器的傳輸導(dǎo)流器控制電路中電流的總量。系統(tǒng)內(nèi)待轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)總量增加時,傳輸導(dǎo)流器進入極值調(diào)試狀態(tài),吸收系統(tǒng)內(nèi)的所有可利用傳輸電子。

        1.4 CPLD控制面板

        CPLD控制面板的主控芯片與數(shù)據(jù)逆變器、采樣控制芯片相連,按照傳輸需求,更改相連設(shè)備的狀態(tài)。CPLD主控芯片上的數(shù)據(jù)平衡裝置,可按照指令更改數(shù)據(jù)的排列,指揮ARM板件控制數(shù)據(jù)交流,提高鄰節(jié)點數(shù)據(jù)的敏感度。接入插口連接采樣控制芯片,傳輸系統(tǒng)指令的同時,將對不必要的電子進行分散。

        2 軟件設(shè)計

        2.1 礦山地質(zhì)信息采集

        首先,通過控制芯片,對現(xiàn)場的地質(zhì)數(shù)據(jù)進行采集,數(shù)據(jù)包含采集方向、角度、電位、視電阻率等。在數(shù)據(jù)采集過程中,本文采用SPI作為提取采集區(qū)域中心的核心,借助SPI的數(shù)字處理能力,高速準確地提取采集區(qū)域中心,同時由CPLD控制面板進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化,提高系統(tǒng)的速度和精度。其具體流程為,首先,CPLD控制面板發(fā)出采集命令,采集芯片占用總線,采集數(shù)據(jù)到ARM。結(jié)束后CPLD控制面板通知SPI占用總線,采樣控制芯片的SPI開始對ARM中的采集區(qū)域數(shù)據(jù)進行處理,CPLD控制面板同時喚醒數(shù)據(jù)逆變器,為下一步數(shù)據(jù)處理做準備。SPI處理結(jié)束,通知CPLD控制面板占用總線,CPLD控制面板讀取ARM中處理后的數(shù)據(jù),準備構(gòu)建礦山三維圖像,同時采集芯片開始新一輪采集。

        2.2 數(shù)據(jù)三維轉(zhuǎn)化

        在上述地址數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上,將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果進行網(wǎng)格化處理,通過數(shù)據(jù)逆變器,對探測方向、探測角度的數(shù)據(jù)進行疊加逆變。以IGBT調(diào)節(jié)裝置內(nèi),利用測點的深度數(shù)據(jù)L,可將平面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為(Px,Py,Pz)三維數(shù)據(jù),其轉(zhuǎn)換方式為

        2.3 三維地質(zhì)圖像生成

        根據(jù)建立的礦山地質(zhì)三維圖像,對礦山的地質(zhì)環(huán)境進行分析,并作為礦山地質(zhì)的勘查輸出結(jié)果。對三維圖像進行構(gòu)建,流程如圖2所示。

        圖2 礦山三維圖像構(gòu)建流程圖

        把采集和處理所得到的采集區(qū)域數(shù)據(jù),與所其在空間的相對位置相聯(lián)系,再采用曲面逼近的方式對采集區(qū)域進行三維成像。以此實現(xiàn)更加直觀地展現(xiàn)礦山地質(zhì)情況,為礦山工程提供施工依據(jù)。

        3 試驗測試

        為測試所提系統(tǒng)的實際應(yīng)用性能,本文進行了試驗測試。同時,為提高實驗結(jié)果的可靠性,分別采用文獻[4]和文獻[5]提出的方法同時進行實驗,對比三個系統(tǒng)的實驗結(jié)果。

        3.1 實驗環(huán)境

        實驗采用某銅鎳礦區(qū)為實驗對象,礦區(qū)南北向長度為162.53公里,東西向長度為122.02公里,區(qū)域內(nèi)富含豐富斷裂及褶皺構(gòu)造,南向北50°至75°之間存在大角度傾陡。地表組成為主要是砂、礫石、黏土,化學(xué)原色綜合程度較高,Cu、Ni、Ag、As、Pb、Zn等均有分布,且元素之間套合強度較高。

        3.2 實驗結(jié)果

        首先,在此環(huán)境中,分別采用三種方法對礦區(qū)內(nèi)的礦產(chǎn)資源進行勘查。分別采用三種方法進行礦區(qū)內(nèi)的找礦工作,分別確定10個開采點,并計算其礦藏所在深度及存儲量。根據(jù)計算結(jié)果,并進行實際的開采工作,以不同方法的分析結(jié)果與實際情況的擬合度。

        分別對比了三種方法的礦藏深度分析結(jié)果的有效性。其結(jié)構(gòu)如表1所示。

        表1 三種方法對礦藏深度分析結(jié)果與實際差異對比表/m

        從表1中可以看出,對比三種方法對礦藏深度的分析結(jié)果,本文方法的輸出結(jié)果與實際情況的差異最小,基本穩(wěn)定在10m以內(nèi),且分析結(jié)果與實際結(jié)果的差異僅為5.3m,相對于文獻[4]和文獻[5]方法有明顯優(yōu)勢。這主要是因為本文設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了對礦區(qū)地質(zhì)因素的綜合分析,并建立精準的地質(zhì)三維信息圖像,提高了對地質(zhì)勘查的精度和準確度。

        在此基礎(chǔ)上,對比三種方法的對地質(zhì)的深層的含水量進行分析,同樣分別設(shè)計10個測試,并根據(jù)其分析結(jié)果對其進行水源探測,判斷其對于水源預(yù)測結(jié)果的可靠性,具體結(jié)果如表2所示。

        表2 三種方法的含水量分析結(jié)果與實際差異對比表/m3

        從表2中可以看出,對比三種方法對深層水源的探測結(jié)果,文獻[4]方法對含水量的分析結(jié)果誤差始終在100m3以上,甚至達到200 m3以上,而本文方法的誤差基本穩(wěn)定在50 m3以內(nèi),具有較高的勘查精度。這主要是因為本文方法以設(shè)計地質(zhì)環(huán)境信息為基礎(chǔ),建立礦區(qū)的三維地質(zhì)圖像,并不斷對地質(zhì)信息進行轉(zhuǎn)化,以提高其與實際情況的擬合度,以此提高地質(zhì)勘查結(jié)果的可靠性。

        4 結(jié)束語

        隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,對于資源的需求不斷增加,在此環(huán)境下,對于礦山的勘查工作成為提高資源開發(fā)的重要手段。本文提出礦山地質(zhì)工程中的三維成像勘查系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用的研究。通過將三維成像技術(shù)引入到地質(zhì)勘查系統(tǒng)中,提高對礦山地質(zhì)分析精度,從而降低由于勘查結(jié)果誤差引起的無效施工。通過本文的研究,以期為地質(zhì)勘查的相關(guān)工作提供有價值的參考。

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