李雯靜 張馨心 焦宇豪

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430081;2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430081)

礦井排水是伴隨采礦工程產(chǎn)生的一項附加系統(tǒng)工程[1],其主要目的是排出因自然或生產(chǎn)原因產(chǎn)生的井下積水,保障井下生產(chǎn)作業(yè)和人員安全。由于井下排水系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,設(shè)備種類繁多,管理工作難以有效進行。傳統(tǒng)的礦井排水控制平臺多從智能控制角度出發(fā),未能兼顧到排水系統(tǒng)的設(shè)備維護和日常管理[2-3],其仿真系統(tǒng)難以表達井下排水設(shè)備信息的空間關(guān)系和傳遞過程。建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)[4]以三維數(shù)字化為載體,直觀描述礦井排水系統(tǒng)的三維特征和拓撲關(guān)系,關(guān)聯(lián)設(shè)計、施工、運維管理等相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)所需信息,為系統(tǒng)全生命周期信息的傳遞與追蹤提供了有力支持。

隨著礦井排水系統(tǒng)在規(guī)劃建設(shè)、日常維護及管理方面需求的不斷完善,礦山企業(yè)不同部門針對礦井排水有不同詳細程度的應(yīng)用需求[5-6]。對于綜合管理部門,需從宏觀角度關(guān)注礦井范圍內(nèi)設(shè)施設(shè)備分布情況;對于機電工程部門,排水設(shè)備日常管理更關(guān)注組件級設(shè)備模型的屬性信息,設(shè)備維護及檢修則更關(guān)注零件級設(shè)備模型。因此,針對礦山企業(yè)的多層應(yīng)用目的,構(gòu)建不同尺度的礦山排水系統(tǒng)BIM模型有助于降低模型內(nèi)容的復(fù)雜程度,提高其可讀性。目前,已有學(xué)者關(guān)注到BIM建模過程中要素間拓撲信息的產(chǎn)生[7-8],但建模要素多尺度表達造成的要素間拓撲關(guān)系的變化未能得到充分重視,分析礦井排水系統(tǒng)多個尺度模型的拓撲結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上把控模型的整體和細節(jié),從而準(zhǔn)確地反映建模對象的結(jié)構(gòu)特征。此外,城市地下網(wǎng)管在構(gòu)建拓撲關(guān)系模型方面已有一定的研究基礎(chǔ)[9-10],但其理論模型在礦井排水系統(tǒng)多尺度建模領(lǐng)域適用性不強,缺乏建模對象及其拓撲關(guān)系的綜合考慮,難以滿足多尺度模型的結(jié)構(gòu)化表達需求。

綜上所述,本研究分析了礦井排水系統(tǒng)組成要素的語義多尺度特征,在多尺度建模的基礎(chǔ)上提出了拓撲精細度(Topological Level of Details)模型,該模型將排水系統(tǒng)的構(gòu)筑物與設(shè)備緊密關(guān)聯(lián),真實反映了不同尺度層級設(shè)施設(shè)備間的拓撲關(guān)系,實現(xiàn)了基于拓撲關(guān)系的礦井排水系統(tǒng)多尺度BIM的可視化表達,為礦井排水系統(tǒng)全生命周期信息管理提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ),有助于提升建模工作效率,避免重復(fù)建模,更好地實現(xiàn)對客觀世界的真實模擬。

1 礦井排水系統(tǒng)細節(jié)層次模型

1.1 排水系統(tǒng)的實體要素分類

礦井排水系統(tǒng)是礦井重要的生產(chǎn)系統(tǒng)之一,經(jīng)涌水點產(chǎn)生的礦水由其所在巷道側(cè)的水溝自流而下,后經(jīng)開采水平運輸大巷、運輸石門自匯入井底車場水倉,再由水泵房經(jīng)副井的排水管道排至地面。礦井排水系統(tǒng)是由水溝、管道等眾多實體要素構(gòu)成的有向網(wǎng)絡(luò),每個實體要素是一個獨立且完整的空間單元,可以采用面向?qū)嶓w的方法[11]對其進行分類建模。在本研究中,礦井排水系統(tǒng)的建模對象主要包括水倉、水泵房、管子道等排水設(shè)施,以及水泵、排水管路、止回閥、閘閥等硬件設(shè)備。通過分析礦井排水系統(tǒng)的工作過程,按照其語義特征分為排水設(shè)施、排水設(shè)備及附屬設(shè)備3類實體要素。如圖1所示,排水設(shè)施主要指排水溝、水倉、泵房、管子道等構(gòu)筑物基礎(chǔ)設(shè)施,排水設(shè)備是指排水管、水泵、閥門等基礎(chǔ)排水設(shè)備,附屬設(shè)備即管件、管卡、法蘭盤等管道附屬設(shè)備。

圖1 排水系統(tǒng)實體類型分類Fig.1 Classification of drainage system entities

1.2 排水系統(tǒng)層次細節(jié)模型

多細節(jié)層次(Level of Details,LOD)是多尺度模型,也是定義BIM模型精細度的關(guān)鍵要素[12-13]。“尺度”是認知地理空間和地理目標(biāo)的基礎(chǔ),地理信息數(shù)據(jù)的尺度特征可以分為空間尺度、時間尺度和語義尺度3種[14]。其中,語義代表了地理事物實體及其屬性的具體含義,LOD層級增加,其語義豐富度也隨之增加[15-16]。諸多學(xué)者在多尺度研究領(lǐng)域逐漸重視對于語義的考量,將語義屬性作為劃分多尺度的重要因素,使得模型應(yīng)用所必需的語義信息得以充分表達[17-18]。

為滿足礦山排水的日常業(yè)務(wù)需求,參照語義多尺度劃分方式,本研究提出了一種針對排水系統(tǒng)實體要素的尺度劃分標(biāo)準(zhǔn)。按照1.1節(jié)對礦山排水系統(tǒng)實體要素的語義特征分類,劃分了LOD0～LOD3共4個細節(jié)層級。如表1所示,LOD0從全局角度描述礦井排水流向圖,以線狀要素表達礦水從涌水點至最后流出副井的路線,節(jié)點表示流經(jīng)的構(gòu)筑物類型及分流點;LOD1描述礦水流經(jīng)排水基礎(chǔ)設(shè)施的整體骨架模型,用塊體等幾何形狀表示構(gòu)筑物輪廓,如排水溝、水倉、水泵房、管子道等;LOD2在LOD1的基礎(chǔ)上增加了構(gòu)筑物內(nèi)部的排水設(shè)備結(jié)構(gòu)模型,如排水管、水泵、閘閥等,構(gòu)成了排水系統(tǒng)的整體輪廓;LOD3細化了排水系統(tǒng)輪廓模型,在LOD2基礎(chǔ)上增加了管道附屬設(shè)備的細節(jié)模型,如管件、管卡、法蘭盤等,呈現(xiàn)了排水系統(tǒng)的清晰細節(jié)及紋理形態(tài)。綜上所述,排水系統(tǒng)LOD模型通過定義一些特定的分類標(biāo)準(zhǔn)來劃分實體要素的LOD層級,能夠減少存儲需求,降低場景渲染的計算復(fù)雜度,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速傳輸。

表1 礦井排水系統(tǒng)離散層次細節(jié)模型Table 1 Discrete LOD framework of mine drainage system

2 礦井排水系統(tǒng)拓撲精細度模型

為了清晰地展現(xiàn)礦井排水系統(tǒng)BIM模型的整體結(jié)構(gòu)及局部要素特點,需要構(gòu)造建模對象部分或全部的拓撲關(guān)系信息。每個建模對象以獨立且具有地理意義的實體為基本單位,為構(gòu)建實體要素拓撲關(guān)系模型提供了方便。在不同的LOD層級中,隨著語義信息的增加,實體要素的抽象和簡化程度不同,模型間設(shè)施設(shè)備的拓撲關(guān)系也隨之變化。為保證不同層級拓撲模型的準(zhǔn)確性,本研究提出了“拓撲精細度”的概念。拓撲精細度(Topological Level of Details)是依據(jù)多尺度建模思想構(gòu)建的拓撲細節(jié)層次模型,是對實體要素拓撲關(guān)系的抽象描述,反映從全局到局部不同粒度的拓撲信息,表達多尺度模型間拓撲關(guān)系的復(fù)雜程度。

2.1 排水系統(tǒng)概念模型

礦井排水系統(tǒng)屬于有向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),為了保證模型的多尺度特征和拓撲關(guān)系的完整性,在較低層級LOD0～LOD2中,排水系統(tǒng)實體要素按照幾何形態(tài)及其空間關(guān)系,將其抽象為弧段和節(jié)點兩類對象?；《问桥潘到y(tǒng)中線狀排水設(shè)備的抽象,是構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的骨架,包括排水管、排水溝、水倉、管子道等線狀排水設(shè)施的抽象。節(jié)點為排水系統(tǒng)中設(shè)施設(shè)備的抽象點,不同節(jié)點類實體的拓撲特征存在明顯差異,可將節(jié)點細分為多類節(jié)點,包括:① 容器類節(jié)點,排水系統(tǒng)中構(gòu)筑物的抽象,其內(nèi)部設(shè)備與容器構(gòu)成從屬關(guān)系,例如水泵房、水倉等;②連接類節(jié)點,與線狀排水設(shè)備構(gòu)成上下游關(guān)系的設(shè)備,例如水泵、吸水井、閘閥等;③分流節(jié)點,線狀設(shè)備的分流點,例如水溝水倉分流點。在高層級的LOD3中,礦井排水系統(tǒng)中的實體要素的局部區(qū)域精細模型得以表達。例如,以排水管段作為設(shè)備載體,附著在管段上的附屬設(shè)備與管段之間存在附著關(guān)系,如法蘭盤、管卡、管件設(shè)備等。

為實現(xiàn)精細化表達,將與弧段存在連接關(guān)系的拓撲節(jié)點進一步細化,按其連接方式分為起始節(jié)點、二通節(jié)點、三通節(jié)點、四通節(jié)點、分流節(jié)點和終止節(jié)點幾類,各節(jié)點間的連接、分流與聚合關(guān)系如圖2所示。其中,分流節(jié)點包括實節(jié)點(構(gòu)筑物)和虛節(jié)點(排水溝、水倉交點),終止節(jié)點位于地表沉淀池匯面域。同時在不同的LOD層級,節(jié)點概念表達的精細程度不同:①在構(gòu)筑物級別,水泵房被視為四通節(jié)點,連接兩端排水溝、管子道與水倉;② 在設(shè)備級別,水泵被視為二通節(jié)點,吸水管和排水管作為其上下游管線;③在附屬設(shè)備級別,管件根據(jù)節(jié)點類型不同可分為二通、三通、四通。

圖2 礦井排水系統(tǒng)弧段與節(jié)點拓撲概念模型Fig.2 Conceptual model of arc and node topology of mine drainage system

2.2 拓撲精細度分層結(jié)構(gòu)模型

礦井排水系統(tǒng)實體要素模型的結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜,拓撲關(guān)系是呈現(xiàn)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)、分布特征和層次關(guān)系的有效方法,能夠提供直觀的視覺信息,并揭示模型元素和整體之間的關(guān)系。依據(jù)2.1節(jié)排水系統(tǒng)概念模型及對實體要素的抽象程度,本研究采用拓撲精細度TLOD(Topological Level of Details)模型,分析排水系統(tǒng)在不同多尺度層級實體要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,并確定其拓撲關(guān)系類型。

礦井排水系統(tǒng)拓撲關(guān)系是該系統(tǒng)中所有設(shè)施設(shè)備間拓撲關(guān)系的集合,為了準(zhǔn)確描述該系統(tǒng)不同層級間的拓撲結(jié)構(gòu)特點,本研究根據(jù)實體要素的空間關(guān)系,將弧段與節(jié)點間的拓撲關(guān)系劃分為聯(lián)通關(guān)系、附著關(guān)系、聚合關(guān)系、從屬關(guān)系及連接關(guān)系。為適應(yīng)模型不同比例的幾何語義信息關(guān)系,在多尺度建模過程中,模型間的拓撲關(guān)系構(gòu)成了不同層級的拓撲精細度。如圖3所示,TLOD0層次主要描述全局范圍內(nèi)礦水流經(jīng)弧段和構(gòu)筑物節(jié)點間的連接關(guān)系,在整體范圍內(nèi)形成排水的全過程線;TLOD1在TLOD0的基礎(chǔ)上描述排水系統(tǒng)中構(gòu)筑物間的聯(lián)通關(guān)系及不同構(gòu)筑物間的聚合關(guān)系;TLOD2中,由于增加了構(gòu)筑物節(jié)點內(nèi)部分級節(jié)點信息,例如排水管道、水泵、閘閥等,需要考慮構(gòu)筑物與排水設(shè)備間的空間從屬關(guān)系,以及排水設(shè)備間的連接關(guān)系;TLOD3增加了管道附屬設(shè)備及排水設(shè)備細節(jié)信息,表達排水設(shè)備及附屬設(shè)備間的附著關(guān)系和排水設(shè)備細節(jié)模型與上一層級模型間的從屬關(guān)系。

圖3 礦井排水系統(tǒng)精細拓撲關(guān)系Fig.3 Fine topological relationship of mine drainage system

在礦井排水系統(tǒng)拓撲關(guān)系中,聯(lián)通關(guān)系和連接關(guān)系成為構(gòu)建礦井排水系統(tǒng)BIM模型的關(guān)鍵,構(gòu)成了排水系統(tǒng)拓撲關(guān)系中的核心部分。建立設(shè)施設(shè)備之間明確的上下游關(guān)系能夠關(guān)聯(lián)排水系統(tǒng)實際運行的各個環(huán)節(jié),將設(shè)施設(shè)備的空間、屬性、預(yù)維、運行等相關(guān)業(yè)務(wù)信息關(guān)聯(lián)起來,形成信息集成優(yōu)勢,有助于實現(xiàn)排水過程的拓撲查詢、空間分析、排水模擬等功能。

3 礦井排水系統(tǒng)多尺度建模

由于礦井排水系統(tǒng)實體要素結(jié)構(gòu)復(fù)雜,大到構(gòu)建排水系統(tǒng)的構(gòu)筑物骨架,小到排水系統(tǒng)細小物體和設(shè)備器械等構(gòu)造物,建模過程極其復(fù)雜,可將復(fù)雜的三維模型分解成組件,從而起到細化整體模型的作用。采用基于Revit軟件的參數(shù)化建模方法,找到形狀固定、可重復(fù)使用的同類組件構(gòu)建族庫,可簡化建模流程,為設(shè)施設(shè)備批量建模創(chuàng)造了可能性。

3.1 排水系統(tǒng)實體要素數(shù)據(jù)編碼

為精確查詢族庫類型、構(gòu)建和儲存三維模型的拓撲和屬性信息,按照礦井排水系統(tǒng)的空間及屬性特征賦予實體要素唯一可識別的名稱編碼,并建立數(shù)據(jù)編碼與實體要素間的映射關(guān)系。規(guī)則的編碼體系有助于實現(xiàn)實體要素多類型空間信息統(tǒng)一分類,更快定位實體要素,為構(gòu)建礦井排水系統(tǒng)族庫提供編碼基礎(chǔ)。礦井排水系統(tǒng)實體要素編碼標(biāo)準(zhǔn)如圖4所示。

圖4 排水系統(tǒng)實體要素編碼標(biāo)準(zhǔn)Fig.4 Coding standard for entity elements of drainage system

排水系統(tǒng)實體要素編碼規(guī)則中,每個字段表示具體的類型特征。編碼標(biāo)準(zhǔn)前兩位表示設(shè)備類型,根據(jù)2.1節(jié)的分類方法,設(shè)備類型分為排水設(shè)施(P1)、排水設(shè)備(P2)和附屬設(shè)備(P3)。再采用3位相應(yīng)的英文字母來表示實體類型信息,例如水泵房(SBF)、管子道(GZD)、主水倉(ZSC)。第7位標(biāo)識抽象類型,有節(jié)點(0)和弧段(1);第8位標(biāo)識LOD 4個層級(0～3);第9、10位為要素型號代碼,例如不同尺寸的管段類型編碼不同。后6位為實體順序自編碼,順序自編碼的第一位為該元素拓撲關(guān)系類型,聯(lián)通關(guān)系(A)、附著關(guān)系(B)、聚合關(guān)系(C)、從屬關(guān)系(D)、連接關(guān)系(E)。例如P2PSG1201E00001為LOD2層級中某一排水管段的編碼。

3.2 參數(shù)化族庫建立

組件概念在建筑三維建模中已有應(yīng)用,采用參數(shù)化思想[19-20]來控制相同類型但可能具有不同結(jié)構(gòu)、尺寸、外觀和屬性的組件集。在組件的概念下,Revit為用戶提供了“參數(shù)化族庫”,將重復(fù)使用、不同類型的模型構(gòu)件獨立存儲并可在多個應(yīng)用中進行調(diào)用,同時允許用戶使用組裝和定制功能。

礦山排水系統(tǒng)實現(xiàn)高效建模的第一步是建立一套符合項目需求的參數(shù)化族庫,設(shè)置基本排水系統(tǒng)構(gòu)件的自定義參數(shù),運用Revit中的拉伸、放樣、融合等功能,建立各族構(gòu)件的參數(shù)化模型,通過參數(shù)控制族構(gòu)件的新建與修改。本研究將礦井排水系統(tǒng)按照LOD分級方式劃分族類型,并對不同類型的構(gòu)件進行編碼儲存,根據(jù)每級LOD的幾何簡化程度在Revit中構(gòu)建多尺寸參數(shù)模型。因此,排水系統(tǒng)族構(gòu)件參數(shù)類型不僅包括建模對象的尺寸約束信息,也包括由模型空間拓撲關(guān)系確定的位置信息和由連接關(guān)系確定的上下游拓撲連接模型編碼。將不同的族構(gòu)件載入項目中,設(shè)置項目中模型的唯一編碼,有助于確定模型的拓撲關(guān)系,輔助系統(tǒng)BIM模型構(gòu)建。以LOD2層級中閘閥構(gòu)件為例分析上下游連接關(guān)系,如圖5所示。

圖5 LOD2中閘閥構(gòu)件上下游設(shè)備及編碼Fig.5 Equipment and code for connecting sluice valves in LOD2

3.3 排水系統(tǒng)多尺度場景

本研究依據(jù)礦井排水系統(tǒng)層次細節(jié)模型及參數(shù)化族庫集成礦山排水系統(tǒng)多尺度應(yīng)用場景,采用Revit構(gòu)建多尺度參數(shù)化族庫,將其載入3DMax中進行細節(jié)添加和紋理渲染,構(gòu)建礦山排水系統(tǒng)離散層次細節(jié)模型(圖6)。在上述試驗中,多尺度模型構(gòu)建使得用戶能夠根據(jù)不同的應(yīng)用需求瀏覽不同尺度的模型場景,可只針對需要觀察的部分進行精細建模,以減少模型的細節(jié)冗余,避免影響模型渲染速度。參數(shù)化族庫的構(gòu)建及不同細節(jié)層次模型之間拓撲關(guān)系的確定,使得相同類型、不同尺寸的模型得以批量創(chuàng)建,且模型間連接關(guān)系清晰,上下游明確,避免了建模過程中可能造成的錯誤,進而提高了建模效率。

圖6 礦井排水系統(tǒng)多尺度場景及拓撲關(guān)系示例Fig.6 Example of multi-scale scene and topological relation of mine drainage system

圖6中,LOD0層級表達了礦井涌水流經(jīng)的構(gòu)筑物的空間位置,水泵房等實節(jié)點與排水溝交叉點等虛節(jié)點及線狀構(gòu)筑物的拓撲關(guān)系,每類構(gòu)筑物都有唯一的編碼信息,以便清晰地查看礦井涌水的流向。同時,可輔助礦山企業(yè)綜合管理部門進行水溝等線狀構(gòu)筑物的空間分析,判斷排水設(shè)施敷設(shè)是否合理。

LOD1層級在LOD0層級的基礎(chǔ)上,結(jié)合構(gòu)筑物間的聯(lián)通關(guān)系,構(gòu)建了礦井排水系統(tǒng)構(gòu)筑物的實體模型,用以構(gòu)成排水系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的整體骨架。以排水溝為例,每段排水溝設(shè)置不同的編碼信息,以便礦山機電工程部門準(zhǔn)確記錄水溝清淤等排水構(gòu)筑物的日常管理情況。

LOD2層級新增了構(gòu)筑物內(nèi)部的排水設(shè)備信息,以水泵房為例,內(nèi)部設(shè)備的輪廓模型得以完整顯示,單個設(shè)備作為獨立的實體要素進行三維建模,其連接關(guān)系有利于機電工程部門的管理人員準(zhǔn)確掌握復(fù)雜的設(shè)備信息,對在運行過程中出現(xiàn)問題的設(shè)備進行故障定位及故障排查,及時進行維護與檢修,實現(xiàn)排水設(shè)備的可視化管理。另外,在此層級中,排水管網(wǎng)與排水設(shè)備間的拓撲關(guān)系清晰可見,為實時模擬排水系統(tǒng)的工作過程,制定礦井排水應(yīng)急預(yù)案及事故分析奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

LOD3層級增加了排水系統(tǒng)設(shè)備的細節(jié)及模型紋理,對需要重點觀察的設(shè)備零部件進行細致建模,為實現(xiàn)礦井排水系統(tǒng)精細化建模提供了可能,可用于礦山排水過程三維仿真及零件級設(shè)備的日常巡檢。

4 結(jié) 語

針對礦山不同部門對礦井排水系統(tǒng)日常管理的多種應(yīng)用需求,提出了拓撲精細度的多尺度BIM模型,研究了包含LOD層級和拓撲關(guān)系的礦井排水實體要素編碼方法,構(gòu)建了實體要素參數(shù)化族庫,并以井底車場及內(nèi)部水泵房為例搭建了排水系統(tǒng)多尺度應(yīng)用場景。通過將建模過程與礦井排水工作過程進行關(guān)聯(lián),用以準(zhǔn)確獲取排水設(shè)施設(shè)備的空間信息,合理描述實體要素間的連接關(guān)系,整合BIM模型信息,有效避免了重復(fù)建模,保證了排水過程三維仿真、運營階段分析優(yōu)化和維護維修等應(yīng)用的實現(xiàn)。