郭向前，王良民， 郝偉濤

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南 鄭州 450006；2.河南省地質(zhì)勘查信息化工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450006）

隨著計算機科學(xué)與空間信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及“數(shù)字地球（digital earth）”、“數(shù)字中國”與“數(shù)字城市”等術(shù)語的提出，信息化與網(wǎng)絡(luò)化成為各行業(yè)數(shù)字化的重要基礎(chǔ)手段，在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。數(shù)字礦山（digital mine）等概念及相關(guān)的理論和技術(shù)研究已被納入了工業(yè)信息化的課題。在這一大環(huán)境下，企業(yè)信息化建設(shè)正處于一個關(guān)鍵性階段。

近十年來，我國礦山信息化發(fā)展迅速，特別是大型礦山企業(yè)對信息化的需求較大，然而煤炭行業(yè)信息化應(yīng)用整體水平并不高，對硬件設(shè)備的需求仍然占據(jù)了主要部分。隨著煤炭行業(yè)信息應(yīng)用水平的不斷提高，軟件應(yīng)用越來越受到煤炭企業(yè)的重視。礦山信息系統(tǒng)的實施，極大地改善和促進了煤礦的安全生產(chǎn)管理和決策，為實現(xiàn)高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)和綠色生產(chǎn)的和諧目標(biāo)提供了技術(shù)支持。

1 概 述

基于3DGIS技術(shù)的可視化礦山及建設(shè)是一套完全基于網(wǎng)絡(luò)的三維空間數(shù)據(jù)交互式可視化解決方案平臺，它可以快速集成多源數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)倉庫，有效支持大型數(shù)據(jù)庫和實時信息流通信技術(shù)。

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等基礎(chǔ)上，利用獲取的地面鉆探數(shù)據(jù)（鉆孔數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、地層數(shù)據(jù)）、三維地震數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、數(shù)字影像數(shù)據(jù)、地形圖數(shù)據(jù)等，構(gòu)建包含各種復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造（正斷層、逆斷層、陷落柱、含水層、老窯區(qū)等）的高精度三維地質(zhì)模型，模擬出礦井中自然實體和人工實體等在三維空間中的狀態(tài)。

用戶在虛擬的可視化礦山中，可以與地表和地下各種虛擬實體進行動態(tài)交互，如進行修改、編輯、剖切、查詢等；可實現(xiàn)與二維GIS系統(tǒng)的無縫集成，將掘進巷道、回采工作面位置等三維動態(tài)空間數(shù)據(jù)實時發(fā)布。

在高精度地質(zhì)模型基礎(chǔ)之上，可實現(xiàn)掘進工作面災(zāi)害（陷落柱、采空區(qū)、老窯區(qū)、斷層等）預(yù)警、生產(chǎn)輔助管理、生產(chǎn)運行系統(tǒng)的調(diào)度集成等應(yīng)用，如通風(fēng)線路模擬、生產(chǎn)進度模擬、設(shè)備屬性查詢；通過訪問其他系統(tǒng)（如瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)、水文監(jiān)測系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)，可以顯示瓦斯監(jiān)測和人員定位的實時數(shù)據(jù)，可瀏覽和查詢井下設(shè)備的各種參數(shù)和實時狀態(tài)信息。

2 數(shù)據(jù)倉庫

利用礦山開采、地理信息系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)倉庫的最新技術(shù)，設(shè)計可視化礦山的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、分析模型等，設(shè)計滿足煤礦生產(chǎn)輔助管理、運行集成調(diào)度的專用系統(tǒng)平臺框架，實現(xiàn)專業(yè)數(shù)據(jù)的分析和處理，實現(xiàn)系統(tǒng)與監(jiān)測監(jiān)控、自動化設(shè)備、其他應(yīng)用軟件信息的共享。

2.1 礦山數(shù)據(jù)倉庫

1）基于圖層的海量空間數(shù)據(jù)分類管理。根據(jù)地質(zhì)、水文、通風(fēng)、采礦、綜合自動化、在線檢測等行業(yè)規(guī)范，構(gòu)建具有相同屬性要素的同類空間實體的圖層分類標(biāo)準，并實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)動態(tài)管理。

2）基于圖層的實體分割線性八叉樹索引。針對每個圖層建立一個空間線性八叉樹索引，即把每個圖層作為立體索引空間，并計算包圍實體的區(qū)域所在八叉樹的標(biāo)識。利用這些標(biāo)識，結(jié)合系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，過濾相關(guān)圖形實體，從而達到減少計算量，提高系統(tǒng)運行速度的目的。

3）空間數(shù)據(jù)倉庫的構(gòu)建?？臻g數(shù)據(jù)倉庫主要由空間數(shù)據(jù)庫和空間元數(shù)據(jù)庫組成。前者主要包括圖形庫、圖像數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫和專業(yè)模型數(shù)據(jù)庫（如地測模型數(shù)據(jù)庫、通風(fēng)模型數(shù)據(jù)庫、采礦設(shè)計模型數(shù)據(jù)庫、決策支持模型數(shù)據(jù)庫）的組織、管理、綜合分析和事務(wù)處理；空間元數(shù)據(jù)庫是完成空間數(shù)據(jù)庫組織、管理、分析等元數(shù)據(jù)的組織與管理，也是專業(yè)應(yīng)用GIS程序元素數(shù)據(jù)庫和空間服務(wù)元數(shù)據(jù)庫。

4）空間數(shù)據(jù)庫引擎的設(shè)計和開發(fā)。采用標(biāo)準規(guī)范進行接口的設(shè)計，對關(guān)系數(shù)據(jù)庫（如MySQL、SQL Server）進行接口封裝；采用IOCP技術(shù)實現(xiàn)并發(fā)操作；客戶端和服務(wù)器端緩存技術(shù)研究，使檢索、編輯操作效率最大化；數(shù)據(jù)傳輸格式的設(shè)計，采用二進制數(shù)據(jù)+Protocol Buffer表現(xiàn)數(shù)據(jù)來傳輸，這將保證數(shù)據(jù)量足夠小的前提下能夠?qū)?shù)據(jù)進行解釋。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

煤礦3DGIS可視化礦山系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 煤礦3DGIS可視化礦山系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

從圖1可以看出，整個系統(tǒng)由四大模塊組成：數(shù)據(jù)管理、三維幾何建模、三維綜合管理基礎(chǔ)平臺和專業(yè)應(yīng)用。其中，數(shù)據(jù)管理在數(shù)據(jù)倉庫基礎(chǔ)上為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)；三維幾何建模采用三維的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達地層、巷道和設(shè)備；三維綜合管理基礎(chǔ)平臺利用一系列的虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬的礦山環(huán)境，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺，并能與虛擬環(huán)境進行交互，是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)環(huán)境；專業(yè)應(yīng)用包括高精度地質(zhì)模型可視化表達、二三維一體化聯(lián)動、生產(chǎn)輔助管理、生產(chǎn)運行系統(tǒng)集成調(diào)度、分析預(yù)警等多個方面。

3 三維綜合管理基礎(chǔ)平臺

三維綜合管理基礎(chǔ)平臺與煤礦專用二維GIS平臺基于統(tǒng)一的地理空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計，確保從數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)更新、可視化、空間分析、業(yè)務(wù)定制等方面實現(xiàn)二三維一體化。

平臺支持分布式海量空間數(shù)據(jù)存儲，利用三維空間數(shù)據(jù)的分布式存儲引擎能夠高效地對圖形圖像數(shù)據(jù)進行存儲、管理和查詢操作。同時利用先進的圖形引擎技術(shù)，支持多紋理光影渲染烘焙和動態(tài)光影、復(fù)雜數(shù)學(xué)模型擴散計算、大規(guī)模三維模型同屏、超大密度廠礦設(shè)備群等內(nèi)容。

基礎(chǔ)平臺采用組件式開發(fā)，提高平臺二次開發(fā)效率，開放有標(biāo)準組件通用接口，提供網(wǎng)絡(luò)支持。

1）三維模型可視化模塊。實現(xiàn)工業(yè)廣場主要建筑物、道路、綠地、樹木、煤倉、井口等的建模與可視化，如圖2、3所示。

圖2 工業(yè)廣場三維可視化

圖3 副井井底車場

實現(xiàn)井口、井下主要巷道、采煤設(shè)備、運輸設(shè)備的建模和可視化，如圖4所示。

圖4 井口三維可視化及其漫游

將工業(yè)廣場可視化與巷道及各煤層三維可視化疊加，形成一種新型的井上下對照圖，即三維井上下對照圖。

2）模型導(dǎo)入模塊。實現(xiàn)了地表工廣、建筑、樹木等3DMax數(shù)據(jù)，三維地測建模數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出，如圖5所示。

圖5 地表工業(yè)廣場導(dǎo)入和可視化效果

3）三維模型數(shù)據(jù)庫模塊。系統(tǒng)提供三維模型數(shù)據(jù)庫，通過對各類模型的管理，方便虛擬場景的構(gòu)建。用戶對模型進行交互式操作，可以快速搭建三維虛擬場景。

4）場景設(shè)置模塊。實現(xiàn)各種三維場景屬性的配置。包括圖層設(shè)置、指南針設(shè)置、背景顏色設(shè)置、顯示方式設(shè)置、圖片導(dǎo)出、地理網(wǎng)格、天空盒等功能。

5）場景匹配模塊。通過交互編輯，平移、旋轉(zhuǎn)等，將3DMax模型、自動生成的地測模型、天空球、地層輪廓等無縫匹配到一起。

6）圖層控制模塊。場景中的各種數(shù)據(jù)都是分層組織和管理的。包括圖層可見性、圖層顏色和材質(zhì)、圖層碰撞監(jiān)測、圖層渲染序列號等。

7）視圖控制模塊。實現(xiàn)三維場景中的視圖控制，如視圖平移、視圖旋轉(zhuǎn)、視圖縮放、頂視圖、底視圖、前視圖、后視圖、左視圖和右視圖，顯示模式等。

8）對象編輯模塊。實現(xiàn)了對三維實體的鼠標(biāo)選擇、框選擇、移動、旋轉(zhuǎn)、縮放、模型拉伸、實體剖切等。

9）屬性信息查詢模塊。查詢?nèi)S實體的相關(guān)圖片、參數(shù)等屬性信息?？梢詮棾鰧υ捒颍部梢赃M行超鏈接等。

4 高精度地質(zhì)模型可視化表達

將井下地測基礎(chǔ)圖形自動生成井下地層、巷道、鉆孔和采空區(qū)的三維模型、并建立拓撲關(guān)系，同時更新二維和三維數(shù)據(jù)。

1）地層三維可視化。系統(tǒng)利用復(fù)雜地質(zhì)條件下三維地質(zhì)模型建模技術(shù)，利用點數(shù)據(jù)（如鉆孔、探煤點、導(dǎo)線點、實際煤層底板修改數(shù)據(jù)等）和邊界數(shù)據(jù)（如斷層、陷落柱、礦區(qū)邊界等），能快速生成各個煤層和其他地層的三維模型。

2）鉆孔自動建模。將地質(zhì)鉆孔、灌漿孔、水文觀測孔、瓦斯抽放孔、排水孔、電力電纜孔、水文地質(zhì)鉆孔、井下疏放水鉆孔等數(shù)據(jù)自動生成三維模型。

3）斷層建模。將斷層、陷落柱、斷裂、向斜軸、背斜軸、反轉(zhuǎn)軸、巖漿侵入等數(shù)據(jù)自動生成三維模型。

4）巷道建模。將井筒、巷道、硐室、采空區(qū)、工作面、煤倉、水倉等井下數(shù)據(jù)自動生成三維模型。巷道空間形態(tài)可視化、巷道斷面可視化、巷道內(nèi)部及設(shè)施可視化等。

5）積水區(qū)、陷落柱等建模?；诂F(xiàn)有采掘工程平面圖、水文地質(zhì)圖、瓦斯地質(zhì)圖等上圈定的區(qū)域，實現(xiàn)含水層、富水層、煤層、陷落柱、斷層、高瓦斯區(qū)、突水區(qū)、老空區(qū)、采空區(qū)等自動建模。

5 二三維一體化聯(lián)動

整合二維GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，有效控制煤層、斷層、陷落柱、老窯區(qū)、老巷，甚至瓦斯、水的空間位置，實時修改、增刪數(shù)據(jù)，實現(xiàn)編輯數(shù)據(jù)的自動更新。

1）巷道、工作面二三維聯(lián)動。巷道、工作面聯(lián)動是在二維圖中創(chuàng)建巷道、工作面，同時三維系統(tǒng)接受服務(wù)器數(shù)據(jù)后在場景中自動進行巷道、工作面的創(chuàng)建。

2）煤層二三維聯(lián)動。二維創(chuàng)建煤層，三維系統(tǒng)接受服務(wù)器傳來的數(shù)據(jù)，便自動生成三維地層模型。

6 生產(chǎn)輔助管理

通過礦山三維漫游查看、三維地質(zhì)模型剖切和輔助設(shè)計等功能實現(xiàn)生產(chǎn)輔助管理。

1）礦山三維漫游查看：三維漫游是礦井虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主要功能。包括系統(tǒng)提供自動漫游和手動漫游兩種漫游瀏覽方式。

自動漫游：用戶可以通過自定義視點的位置、方向、高度、俯仰角和漫游速度來自動漫游三維場景。

手動漫游：系統(tǒng)提供鼠標(biāo)、鍵盤或操縱桿控制，實現(xiàn)三維場景的任意瀏覽。

分層次實時顯示生產(chǎn)與安全綜合動態(tài)工況。實現(xiàn)工業(yè)廣場主要建筑、道路、綠地、樹木等的漫游。實現(xiàn)井口、井下主要巷道、掘進、回采動態(tài)信息管理，實現(xiàn)采煤設(shè)備、運輸設(shè)備的動畫現(xiàn)實。

2）儲量計算：在煤層框選區(qū)域，自動計算該區(qū)域的面積、容重、平均厚度、體積、儲量等。

對于高精度三維地質(zhì)模型，其輔助設(shè)計的功能主要是儲量計算。用戶可以根據(jù)設(shè)計參數(shù)圈定煤層區(qū)域，系統(tǒng)則自動計算該區(qū)域的面積、容重、平均厚度、體積、儲量等。

7 生產(chǎn)運行系統(tǒng)的集成調(diào)度

系統(tǒng)接入采、掘、機、運、通等生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，利用三維空間拓撲關(guān)系，提供一體化生產(chǎn)運行系統(tǒng)集成調(diào)度指揮界面，使決策者快速掌握所關(guān)心的企業(yè)運行數(shù)據(jù)。

1）井下環(huán)境監(jiān)測信息實時顯示。系統(tǒng)可以將井下瓦斯監(jiān)測、防治水監(jiān)測、束管監(jiān)測、頂板壓力監(jiān)測、頂板離層監(jiān)測等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中直觀地進行展示。

2）綜合自動化信息管理。在三維環(huán)境下，可以通過鼠標(biāo)點擊查詢各種設(shè)備的基本參數(shù)（如設(shè)備編號、型號、規(guī)格、生產(chǎn)廠家、購買日期、單價、使用年限、安裝地點、責(zé)任人等）和工作狀態(tài)（綜合自動化信息，如電流、電壓等）。查詢結(jié)果可以通過對話框、語音提示、動畫模擬等不同方式進行展示。

3）工業(yè)視頻數(shù)據(jù)接入與實時顯示。系統(tǒng)可以將在煤礦地面、井下等重要場所采集的工業(yè)視頻信號集成并在三維環(huán)境中直觀地進行實時展示。

4）人員定位數(shù)據(jù)接入與實時顯示。在礦井實時動態(tài)工況圖中實時顯示全礦井井下人員總數(shù)、井下不同區(qū)域的人員分布。同時，能夠查詢井下某一基站附近人員，相關(guān)人員的井下活動軌跡等信息。

8 分析預(yù)警

利用空間分析技術(shù)，通過危險源分析、突水模型、通風(fēng)仿真等算法，實現(xiàn)可視化礦山的分析預(yù)警功能。

1）緩沖區(qū)查詢。所謂緩沖區(qū)是指圍繞地理對象一定寬度的區(qū)域。緩沖區(qū)查詢常用來分析地理對象的影響范圍或服務(wù)范圍，如河流的灌溉范圍、商店或銀行的服務(wù)范圍等。本系統(tǒng)特指查詢某一感興趣地質(zhì)體周邊或井上下信息的功能。緩沖區(qū)分為矩形緩沖區(qū)、球形緩沖區(qū)、投影地表緩沖區(qū)3種類型。

2）危險源三維預(yù)警。通過高精度地質(zhì)模型和巷道模型，可以動態(tài)計算掘進頭至相關(guān)地層的垂直距離，為預(yù)防瓦斯突出等災(zāi)害提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)及時傳輸給技術(shù)和管理部門。

3）礦井三維通風(fēng)仿真。礦井三維通風(fēng)仿真包括通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)三維可視化，風(fēng)機三維可視化、巷道信息可視化、節(jié)點編號可視化、解算結(jié)果可視化、風(fēng)流及風(fēng)機動態(tài)模擬、用戶交互界面模塊。

9 結(jié) 語

以煤礦專用地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)開發(fā)研制的高精度地質(zhì)模型應(yīng)用系統(tǒng)，不僅提高了安全管理水平，而且為礦山安全生產(chǎn)提供了重要的現(xiàn)代化手段，對改善煤企安全生產(chǎn)狀況，保障礦工生命安全意義重大。使礦井達到高度信息化、自動化、高安全、高可靠、高效率及高效益的目的。為實現(xiàn)數(shù)字礦山奠定了堅實的基礎(chǔ)。

高精度可視化礦山平臺的構(gòu)建和應(yīng)用，可以通過網(wǎng)絡(luò)直觀顯示礦區(qū)二維圖形和三維模型之上的生產(chǎn)運行狀況和預(yù)警信息；通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動傳輸，進一步提高了決策的準確性、可靠性，真正確保煤礦的安全生產(chǎn)。