霍晨琛，吳衛(wèi)芳，陳 帥，劉曉明，肖詩偉

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

虛擬建造技術(shù)以數(shù)字模型為核心，通過集成表達(dá)模型信息，提升設(shè)計(jì)水平和數(shù)據(jù)傳遞效率，實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)劃、施工制造、方案分析和質(zhì)量檢驗(yàn)等過程，從而達(dá)到提高施工質(zhì)量、降低成本、縮短工期并降低數(shù)據(jù)管理難度的目的[1]。核電、航空、航天、船舶、汽車、兵器等領(lǐng)域的制造企業(yè)，正在關(guān)注并大力推進(jìn)虛擬建造技術(shù)的發(fā)展[2-7]。核電工程以建筑信息模型為核心，從施工邏輯分析、施工工藝模擬、施工方案論證、管線綜合設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了虛擬建造技術(shù)的應(yīng)用，為堆型固化、批量化建設(shè)先進(jìn)核電奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8]。

井場(chǎng)設(shè)計(jì)施工建造是鈾礦山地浸開采的重要過程，其建造技術(shù)對(duì)促進(jìn)礦山開發(fā)、提高金屬回收、提升管理水平等至關(guān)重要。中國(guó)鈾資源具有礦體規(guī)模小、品位低、滲透低、多層和零散等特點(diǎn)[9-10]，而地浸工藝鉆孔具有直徑大、成井工藝復(fù)雜等特點(diǎn)[11]；因此井場(chǎng)布置及鉆孔建造水平直接影響到井場(chǎng)的抽注平衡、溶浸范圍和資源利用率，同時(shí)對(duì)礦山服務(wù)年限和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生重要影響。

目前，中國(guó)地浸鈾礦山井場(chǎng)設(shè)計(jì)主要依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，通過編制二維圖紙來實(shí)現(xiàn)，對(duì)地層結(jié)構(gòu)、含水層結(jié)構(gòu)、鈾礦化等信息集成度不夠，對(duì)含水層頂?shù)装?、鈾礦體、樣品數(shù)據(jù)和鉆孔軌跡等信息空間表征不足，方案數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作量大。隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，地浸鉆孔結(jié)構(gòu)工藝多樣；若在設(shè)計(jì)與施工之間繼續(xù)依據(jù)二維圖紙進(jìn)行信息傳遞，則存在效率低、表達(dá)準(zhǔn)確性欠佳和圖紙更新維護(hù)困難等問題。因此，開發(fā)基于虛擬建造技術(shù)的地浸井場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，利用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行井場(chǎng)和鉆孔的虛擬建造，實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)自動(dòng)布孔、鉆孔可視化設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)管理，在提高工作效率、實(shí)現(xiàn)地浸井場(chǎng)設(shè)計(jì)與施工的可視化、數(shù)字化、協(xié)同性、信息集成性等方面具有重要意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

地浸井場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)綜合集成地形信息、探礦工程信息、樣段信息、鉆孔信息等，利用三維建模技術(shù)生成三維礦體模型和地表模型，依據(jù)井場(chǎng)設(shè)計(jì)方案利用礦體模型和地表模型約束關(guān)系進(jìn)行井場(chǎng)自動(dòng)布置，開展鉆孔工藝可視化設(shè)計(jì)建造，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)井場(chǎng)方案數(shù)據(jù)，并結(jié)合設(shè)計(jì)與施工間信息傳遞特點(diǎn)，開展井場(chǎng)及鉆孔三維可視化技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)“所見即所得”的技術(shù)交底效果。

為實(shí)現(xiàn)地浸井場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)上述功能，采用MongoDB非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[12]，使用Go語言作為后端開發(fā)語言，利用HTML5作為Web前端開發(fā)技術(shù)編寫前端頁面，基于WebGL技術(shù)構(gòu)建地浸井場(chǎng)三維場(chǎng)景[13]，通過JavaScript語言和Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)頁面交互，完成三維模型構(gòu)建。系統(tǒng)采用MVC(Model View Controller)框架模式設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)[14]，系統(tǒng)由視圖層、控制層、模型層和數(shù)據(jù)庫組成，詳見平臺(tái)總體架構(gòu)圖(圖1)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

視圖層采用基于Web技術(shù)的B/S架構(gòu)模式，即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，利用支持3D的瀏覽器如Chrome瀏覽器等，基于HTML5和WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁上繪制和渲染三維模型。視圖層是用戶與系統(tǒng)交互的接口，將控制層傳遞的數(shù)據(jù)采用瀏覽器訪問方式進(jìn)行界面的展現(xiàn)，也可將用戶反饋的信息傳遞給控制層。

控制層起著系統(tǒng)銜接的作用，主要負(fù)責(zé)平臺(tái)業(yè)務(wù)邏輯的處理，通過調(diào)用封裝模型層提供的方法接口來處理用戶在視圖層提出的需求，并將結(jié)果反饋給視圖層。

模型層根據(jù)控制層的業(yè)務(wù)處理需求，為控制層提供一系列數(shù)學(xué)模型和方法接口，以供控制層進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理。模型層的處理速度是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，在設(shè)計(jì)模型層時(shí)要充分考慮系統(tǒng)的性能問題，采用合理可并行計(jì)算的算法。

數(shù)據(jù)庫采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(MongoDB)對(duì)平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫可以存儲(chǔ)三維圖形等一些數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)運(yùn)算性能和快速加載能力，并方便數(shù)據(jù)格式的更改與更新。本系統(tǒng)三維圖形包括礦體模型、井場(chǎng)模型和鉆孔模型等。

2 系統(tǒng)功能模塊

為實(shí)現(xiàn)地浸井場(chǎng)及鉆孔虛擬建造、井場(chǎng)信息統(tǒng)計(jì)和井場(chǎng)方案比選等功能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能需求分解，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)共包括6個(gè)功能模塊(圖2)。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

2.1 井場(chǎng)建造模塊

在井場(chǎng)布置過程中需要考慮礦體分布特征、水文地質(zhì)條件、采區(qū)邊界等因素。井場(chǎng)建造模塊通過新建及管理井場(chǎng)方案，具有基于礦體模型自動(dòng)布孔、鉆孔添加、鉆孔刪除、采區(qū)劃分、抽注液孔采區(qū)配置等功能。其中基于礦體模型的自動(dòng)布孔功能是通過三維空間射線與三角形求交方法，利用礦體模型和地表模型的約束關(guān)系獲得設(shè)計(jì)鉆孔孔口坐標(biāo)和終孔坐標(biāo)；依據(jù)礦體模型產(chǎn)狀，以及設(shè)計(jì)的井型和井距，利用三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換方法得到鉆孔的展布，實(shí)現(xiàn)了高效可視化的井場(chǎng)鉆孔布置和井場(chǎng)優(yōu)化調(diào)整。

2.2 鉆孔建造模塊

鉆孔建造模塊可自動(dòng)識(shí)別導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的鉆孔巖性信息，設(shè)置巖層滲透性；然后按照各地浸鈾礦山鉆孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行鉆孔結(jié)構(gòu)建造設(shè)計(jì)。為提高鉆孔建造數(shù)字化水平與效率，對(duì)地形和礦層產(chǎn)狀變化較小的鉆孔實(shí)行鉆孔結(jié)構(gòu)批量建造，后期根據(jù)需要對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部修改和調(diào)整。

2.3 數(shù)據(jù)管理和查詢統(tǒng)計(jì)模塊

數(shù)據(jù)管理和查詢統(tǒng)計(jì)模塊包括鉆孔建造信息管理和礫料用量信息管理。鉆孔建造信息可自動(dòng)生成鉆孔建造信息報(bào)表，包括井場(chǎng)鉆孔坐標(biāo)、深度、直徑、過濾器起止等信息；依據(jù)不同的查詢條件，選擇單孔或采區(qū)關(guān)鍵詞實(shí)現(xiàn)建造信息的檢索。礫料用量信息包括井場(chǎng)或采區(qū)鉆孔礫料規(guī)格、投礫位置和用量等。

2.4 方案比選模塊

方案比選模塊采用分項(xiàng)計(jì)價(jià)和綜合單價(jià)的形式，對(duì)鉆孔主要構(gòu)件、礫料和施工成本進(jìn)行單價(jià)管理，計(jì)算方案成本；并綜合考慮方案經(jīng)濟(jì)性和工程量等條件，進(jìn)行方案比較和分析。

2.5 鉆孔質(zhì)量檢查模塊

鉆孔質(zhì)量檢查模塊支持鉆孔質(zhì)檢測(cè)井信息導(dǎo)入，設(shè)置偏斜率檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算鉆孔實(shí)際偏斜率，進(jìn)行鉆孔質(zhì)量合格性判定。

2.6 三維可視化模塊

三維可視化模塊采用先進(jìn)的三維引擎，對(duì)鉆孔全三維模型重構(gòu)渲染，實(shí)現(xiàn)與鉆孔建造信息聯(lián)動(dòng)同步；依據(jù)鉆孔實(shí)際施工時(shí)間，集成礦體模型和鉆孔模型實(shí)現(xiàn)三維井場(chǎng)動(dòng)態(tài)可視化。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要實(shí)時(shí)存儲(chǔ)井場(chǎng)設(shè)計(jì)過程中的三維模型。三維模型構(gòu)成元素復(fù)雜，組成點(diǎn)集眾多，系統(tǒng)采用MongoDB數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存和處理大數(shù)據(jù)，快速讀寫和動(dòng)態(tài)擴(kuò)展功能。

根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的需求，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)測(cè)繪信息、物探信息、三維地質(zhì)礦體模型、鉆孔建造信息、設(shè)計(jì)信息和方案成本信息等，各部分信息之間具有關(guān)聯(lián)關(guān)系(圖3)。實(shí)際孔位置信息表和計(jì)劃孔定位信息表，可從樣段信息表和測(cè)斜信息表中提取鉆孔軌跡和樣品數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)信息表包括孔徑信息表、過濾器信息表、沉砂管信息表和導(dǎo)中器信息表，儲(chǔ)存鉆孔設(shè)計(jì)信息，繼而通過各計(jì)算接口生成三維視圖進(jìn)行存儲(chǔ)。鉆孔建造信息表可以根據(jù)條件，如鉆孔名稱、位置、類型、孔深、過濾器位置及長(zhǎng)度、成本、工程量等，從設(shè)計(jì)信息表和方案成本信息表中提取，并以文檔形式進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖3 數(shù)據(jù)庫表關(guān)系圖

4 地浸井場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

鈾礦床原地浸出開采的首要任務(wù)是確定礦床井場(chǎng)方案及評(píng)估各方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。井場(chǎng)部署是影響井場(chǎng)生產(chǎn)能力、投資，及服務(wù)年限等指標(biāo)的重要因素。應(yīng)用地浸井場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行井場(chǎng)虛擬建造，輸入的參數(shù)包括井型、鉆孔直徑、井距、鉆孔深度等；系統(tǒng)集成三維礦體模型和地表模型，自動(dòng)進(jìn)行鉆孔位置和深度定位，繪制井場(chǎng)布置圖(圖4、圖5)。井場(chǎng)建造模塊操作簡(jiǎn)單，布孔效率高，布孔后具有自動(dòng)和手動(dòng)2種編輯修改功能，能適應(yīng)不同礦體形態(tài)的布孔，保證鉆孔布置均勻。

圖4 地浸開采鈾礦山井場(chǎng)建造平面布置示意圖

圖5 地浸開采鈾礦山井場(chǎng)建造三維效果示意圖

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理是保證生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)不合理的鉆孔在生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)過濾器配置不到位、抽液量與注液量達(dá)不到要求、資源利用率低等問題[15]。在鉆孔施工過程中，終孔鉆進(jìn)結(jié)束后進(jìn)行物探測(cè)井、井管安裝、投礫及封孔等工作。系統(tǒng)可導(dǎo)入物探測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，自動(dòng)生成鉆孔軌跡，集成顯示巖性信息和樣品數(shù)據(jù)，進(jìn)行鉆孔結(jié)構(gòu)建造和投礫設(shè)計(jì)(圖6)。鉆孔建造模塊具備依據(jù)測(cè)井資料開展鉆孔可視化設(shè)計(jì)及修改的功能，可快速確定鉆孔構(gòu)件及礫料充填位置等。業(yè)主、設(shè)計(jì)者和施工者在施工前能夠更加直觀地了解鉆孔工藝方案，評(píng)估設(shè)計(jì)施工可行性。鉆孔建造模塊有利于提高施工建造質(zhì)量。

圖6 地浸開采鈾礦山鉆孔建造示意圖

完成井場(chǎng)建造及鉆孔建造后，系統(tǒng)可對(duì)井場(chǎng)方案鉆孔建造信息包括鉆孔坐標(biāo)、直徑、終孔深度、過濾器起始及終止位置、套管長(zhǎng)度等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理(圖7)，并提供數(shù)據(jù)檢索查詢、數(shù)據(jù)輸出等功能。

圖7 數(shù)據(jù)管理與查詢統(tǒng)計(jì)界面

系統(tǒng)充分利用三維模型直觀、可視化和表達(dá)準(zhǔn)確的特點(diǎn)，基于模型特征定義和識(shí)別技術(shù)，按照鉆孔構(gòu)件裝配順序：沉砂管—過濾器—井管—導(dǎo)中器，自動(dòng)生成鉆孔三維裝配模型(圖8)，實(shí)現(xiàn)三維模型與建造信息的同步關(guān)聯(lián)，提高了數(shù)據(jù)表達(dá)的直觀性、信息傳遞效率和設(shè)計(jì)交底效果。

圖8 鉆孔全三維裝配模型示意圖

5 結(jié)論

基于虛擬建造技術(shù)，使用MVC服務(wù)框架、Go語言和WebGL技術(shù)開發(fā)了交互式Web端地浸井場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)基于三維礦體模型和地表模型，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)虛擬建造和信息實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)管理，提高了井場(chǎng)方案設(shè)計(jì)效率；集成巖性信息、鉆孔軌跡和樣品信息，實(shí)現(xiàn)鉆孔可視化建造，并以三維形式直觀呈現(xiàn)鉆孔建造模型。系統(tǒng)界面友好，操作簡(jiǎn)便，為井場(chǎng)設(shè)計(jì)，及設(shè)計(jì)與施工建造過程中工程信息的傳遞和反饋提供了技術(shù)支撐。