刘亚静 王建佳

(河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009)

矿山行业是一个相对传统的行业，目前矿山设计方案绝大多数都是以文字图表、二维图纸等为信息载体，尤其是在开采工程设计方面的成果表达大多采用传统的CAD制图的方法，这就很难将矿山的设计信息直观的表现出来。然而，金属矿山地下开采是一个复杂工程，采用三维系统对整个过程进行可视化表达与传统的方法相比则具有更直观和准确的特点。金属矿山地下开采工程三维推演系统研究，主要是根据矿山周边遥感影像和DEM数据、矿山开采设计所提供的巷道矢量数据以及相关的开采参数，模拟出包括自然实体和人工实体在内的三维空间，不仅可以更好地表达各种开拓、采准、切割巷道之间的空间关系，还可以根据采掘计划生动的推演矿山的开采过程，为采矿的设计决策提供支持。

1 系统的体系结构设计

在综合分析国内外现有3D矿业应用软件的开发模式、研究成果和采矿设计用户的实际应用需求的基础上，紧紧围绕数字矿山软件开发的总体目标，依托矿山地质学、采矿工程、计算几何学、软件工程、地理信息系统(GIS)和3D建模理论与技术研究开发金属矿山地下开采开拓工程三维推演系统。该系统包含3个子系统，分别是采矿设计子系统、三维场景管理子系统和金属矿山地下开采三维推演子系统，系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure diagram of the system

2 子系统设计

2.1 采矿设计子系统

对于某一特定矿床，可以采用多种不同的方式来进行开采，进而形成不同的开拓系统。如何在保证安全生产的前提下，设计一种开拓和回采方案不仅能够满足生产能力的要求和技术要求，而且能减少基建时间和费用成本，是矿山设计者首先需要考虑的问题。采矿设计子系统就是这样一个基于采矿专家经验和采矿领域知识进行开拓方案选择的人工智能系统，该系统可模拟拥有长期矿山设计和生产实践经验的采矿专家的思维逻辑与推理方法，对地质及赋存条件已知的矿体指出可行的优选的开拓方案。

采矿设计子系统的运行原理见图2所示。根据用户提交的矿床的赋存条件，如矿体的赋存深度、矿体的走向长度、矿体的倾角、矿体的厚度、围岩的稳定性等信息，系统调用开拓方案专家决策模块，执行开拓方案推理决策操作。即结合采矿约束条件数据库搜索匹配知识库中国内外矿床开拓实践中所运用的各种开拓方案。如果开拓方案匹配成功，则系统将决策结果以报告形式输出;若匹配失败，则进一步与用户交互，并将交互结果整理后存入采矿约束条件数据库并重复开拓方案推理决策操作。

2.2 三维场景管理子系统

图2 采矿设计子系统结构Fig.2 Sub-system structure of the mining design

传统的地下巷道的三维可视化的实现是采用AutoCAD和3DS MAX的技术路线，即首先在Auto-CAD软件中进行精确的建模，生成*.dwg二维格式的数据文件;然后再导入3DS MAX软件中进行三维建模;最后在三维平台中加载，实现地下巷道的三维可视化。上述方法的实现不仅需要有熟练的Auto-CAD和3DS MAX操作经验，而且制作的巷道模型在采矿设计应用的灵活性差，如果井巷方案需要改动的话，那么就需要重复上述复杂的巷道模型数据处理过金属矿山三维场景管理子系统见图3所示，程。为了克服传统三维巷道建模的缺点，采用地下巷道自动生成技术，用户只需向系统提供采矿设计的巷道二维Shapefile矢量数据，系统即可进行巷道和工作面模型对象的自动创建。这种技术的使用在很大程度上提高了三维可视化系统在采矿设计实际应用的灵活性。

图3 三维场景管理子系统结构Fig.3 Sub-system structure of 3D scene management

除此之外，系统还提供支持三维可视化场景的编辑和漫游功能:用户可以对矿山工业广场、井下设备等三维模型的添加删除、位置编辑、属性绑定与查询;系统三维场景漫游功能能够使用户身临其境的从不同角度了解从井上到井下的各种情况。

2.3 金属矿山地下开采三维推演子系统

采矿设计中给出了金属矿山的开采环境、采矿方法的技术及经济指标、开采工作量等信息，但是这些信息是以文本或图表形式保存的静态数据，不具备直观的动态表现功能。为了分析开采方案，检验采矿计划，通常还需要将采矿计划在时间轴线上进行动态地推演。金属矿山生产过程动态推演子系统见图4所示，可以动态视图直观地表现金属矿山采矿设计中所涉及的地下开采活动，将矿山设计中的人工实体信息和自然实体信息以三维可视化的方式在生产进度时间轴上运行起来，将矿山开采设计的方案以直观生动的形式展示出来。

图4 动态推演子系统结构Fig.4 Sub-system structure of the dynamic deduction

同时金属矿山地下开采是一个复杂过程，因而采矿计划的制定需要综合考虑多方面的因素。设计人员的不细致、开采过程本身的复杂性等都有可能会导致计划中隐藏着不易察觉的缺陷。在开采实施之前通过想定的推演，将计划逐一展开，检验初始化数据设置的是否合理，以便及时发现并纠正。同时，推演过程也可以启发设计人员进行深层次的思考，使修订后的采矿计划更加完备周详。

3 系统实现

3.1 三维场景漫游功能实现

三维场景采用World Wind数字地球的多线程渲染机制，即在系统启动时开启两个线程:Update()和Render()。其中 Update线程负责对可渲染列表(RenderableObjectList)中渲染对象进行循环检测，如果该对象未初始化，就调用对象的初始化函数(Initialize)将其初始化;对于已初始化的对象，则判断其数据是否需要更新，若对象数据发生改变，则调用其更新函数(Update)完成更新。Render线程负责对象的渲染，该线程会不停地的检测渲染列表中的所有对象，并调用可渲染对象的渲染方法(Render)进行对象的渲染操作。

在三维场景搭建起来之后，接下来我们可以通过设置渲染设备Device的视图变换矩阵、世界变换矩阵和投影变换矩阵来控制渲染在计算屏幕上的内容。因此我们构建虚拟相机(Camera)操作类，在三维虚拟场景中模拟现实世界中人的眼睛。并提供Pan()、Zoom()、SetPosition()、RotationYawPitch()来控制相机在三维场景中的位置、目标点位置。从而实现在三维场景中的放大、缩小、平移、俯仰、旋转等漫游操作。

3.2 地下井巷工程三维建模功能实现

(1)三维巷道建模。系统地下井巷工程三维建模功能采用一种基于巷道底面中线和断面的建模方法。首先读取采矿设计成果中井下巷道Shapefile数据，获取巷道中心线数据以及巷道的参数信息(类型、纹理等)，然后根据巷道的参数信息创建巷道断面对象(SectionType)，最后沿中心线在关键点处根据巷道属性绘制一系列巷道断面线框模型，并用线段依次将它们连接起来构成巷道实体的表面模型，见图5所示。

图5 井巷工程三维模型Fig.5 Three-dimensional tunnel model

(2)工作面建模。采矿工作面是一个形状不确定的复杂多边形，而且它的顶点多且不在同一平面上，这就导致我们在渲染的时候不能够像规则多边形那样将多边形的顶点和索引人为计算好然后传递给渲染设备。所以在获取工作面的顶点数据之后，需要采用三角形剖分技术将多边形剖分成一个三角形条带(Trianglelist)。在这里我们可以引用OpenGL.Glu库来实现多边形的三角剖分，OpenGL.Glu库是OpenGL的实用库，包含了纹理映射、坐标变换、多边形分化、绘制一些如椭球、圆柱、茶壶等简单多边形实体等功能。提供了 gluNewTess、gluTessVertex、gluT-essCallback、gluTessEndPolygon等网格化的方法。

3.3 地下开采过程动态推演功能实现

金属矿山地下开采过程动态推演的关键是采矿过程推演计划的建立。利用金属矿山地下开采的概念模型，提取动态推演所需要素信息，然后利用XML Schema脚本语言定义动态推演模型的组成要素，组成要素中至少应当包括推演计划说明、开采实体、开采行为、开采任务四部分。最后与开采过程采用的具体采矿方法相结合，生成一个可以在时间轴上播演整个开采过程的推演计划。得到推演计划之后，接下来就可以在三维场景中使用ParticleSystem(粒子系统，用于模拟爆炸等行为)和设备模型的骨骼动画将推演计划以可视化的方式直观展示出来。

4 结语

本研究以虚拟现实为基础，基于DirectX多媒体编程接口采用C#编程语言构建了金属矿山地下开采三维动态推演系统。该系统实现了地下巷道和工作面三维模型的自动生成，三维场景漫游以及矿山开采过程的三维动态推演。不仅可以使用户在其中自然地与各种虚拟实体进行交互，还可以生动的展示、模拟矿山的开采过程，为采矿的设计决策提供支持。

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