李雯静 张馨心 焦宇豪

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081;2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北 武汉 430081)

矿井排水是伴随采矿工程产生的一项附加系统工程[1],其主要目的是排出因自然或生产原因产生的井下积水,保障井下生产作业和人员安全。由于井下排水系统作业环境复杂,设备种类繁多,管理工作难以有效进行。传统的矿井排水控制平台多从智能控制角度出发,未能兼顾到排水系统的设备维护和日常管理[2-3],其仿真系统难以表达井下排水设备信息的空间关系和传递过程。建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)[4]以三维数字化为载体,直观描述矿井排水系统的三维特征和拓扑关系,关联设计、施工、运维管理等相关产业链的各个环节所需信息,为系统全生命周期信息的传递与追踪提供了有力支持。

随着矿井排水系统在规划建设、日常维护及管理方面需求的不断完善,矿山企业不同部门针对矿井排水有不同详细程度的应用需求[5-6]。对于综合管理部门,需从宏观角度关注矿井范围内设施设备分布情况;对于机电工程部门,排水设备日常管理更关注组件级设备模型的属性信息,设备维护及检修则更关注零件级设备模型。因此,针对矿山企业的多层应用目的,构建不同尺度的矿山排水系统BIM模型有助于降低模型内容的复杂程度,提高其可读性。目前,已有学者关注到BIM建模过程中要素间拓扑信息的产生[7-8],但建模要素多尺度表达造成的要素间拓扑关系的变化未能得到充分重视,分析矿井排水系统多个尺度模型的拓扑结构能够在一定程度上把控模型的整体和细节,从而准确地反映建模对象的结构特征。此外,城市地下网管在构建拓扑关系模型方面已有一定的研究基础[9-10],但其理论模型在矿井排水系统多尺度建模领域适用性不强,缺乏建模对象及其拓扑关系的综合考虑,难以满足多尺度模型的结构化表达需求。

综上所述,本研究分析了矿井排水系统组成要素的语义多尺度特征,在多尺度建模的基础上提出了拓扑精细度(Topological Level of Details)模型,该模型将排水系统的构筑物与设备紧密关联,真实反映了不同尺度层级设施设备间的拓扑关系,实现了基于拓扑关系的矿井排水系统多尺度BIM的可视化表达,为矿井排水系统全生命周期信息管理提供了数据基础,有助于提升建模工作效率,避免重复建模,更好地实现对客观世界的真实模拟。

1 矿井排水系统细节层次模型

1.1 排水系统的实体要素分类

矿井排水系统是矿井重要的生产系统之一,经涌水点产生的矿水由其所在巷道侧的水沟自流而下,后经开采水平运输大巷、运输石门自汇入井底车场水仓,再由水泵房经副井的排水管道排至地面。矿井排水系统是由水沟、管道等众多实体要素构成的有向网络,每个实体要素是一个独立且完整的空间单元,可以采用面向实体的方法[11]对其进行分类建模。在本研究中,矿井排水系统的建模对象主要包括水仓、水泵房、管子道等排水设施,以及水泵、排水管路、止回阀、闸阀等硬件设备。通过分析矿井排水系统的工作过程,按照其语义特征分为排水设施、排水设备及附属设备3类实体要素。如图1所示,排水设施主要指排水沟、水仓、泵房、管子道等构筑物基础设施,排水设备是指排水管、水泵、阀门等基础排水设备,附属设备即管件、管卡、法兰盘等管道附属设备。

图1 排水系统实体类型分类Fig.1 Classification of drainage system entities

1.2 排水系统层次细节模型

多细节层次(Level of Details,LOD)是多尺度模型,也是定义BIM模型精细度的关键要素[12-13]。“尺度”是认知地理空间和地理目标的基础,地理信息数据的尺度特征可以分为空间尺度、时间尺度和语义尺度3种[14]。其中,语义代表了地理事物实体及其属性的具体含义,LOD层级增加,其语义丰富度也随之增加[15-16]。诸多学者在多尺度研究领域逐渐重视对于语义的考量,将语义属性作为划分多尺度的重要因素,使得模型应用所必需的语义信息得以充分表达[17-18]。

为满足矿山排水的日常业务需求,参照语义多尺度划分方式,本研究提出了一种针对排水系统实体要素的尺度划分标准。按照1.1节对矿山排水系统实体要素的语义特征分类,划分了LOD0～LOD3共4个细节层级。如表1所示,LOD0从全局角度描述矿井排水流向图,以线状要素表达矿水从涌水点至最后流出副井的路线,节点表示流经的构筑物类型及分流点;LOD1描述矿水流经排水基础设施的整体骨架模型,用块体等几何形状表示构筑物轮廓,如排水沟、水仓、水泵房、管子道等;LOD2在LOD1的基础上增加了构筑物内部的排水设备结构模型,如排水管、水泵、闸阀等,构成了排水系统的整体轮廓;LOD3细化了排水系统轮廓模型,在LOD2基础上增加了管道附属设备的细节模型,如管件、管卡、法兰盘等,呈现了排水系统的清晰细节及纹理形态。综上所述,排水系统LOD模型通过定义一些特定的分类标准来划分实体要素的LOD层级,能够减少存储需求,降低场景渲染的计算复杂度,实现网络快速传输。

表1 矿井排水系统离散层次细节模型Table 1 Discrete LOD framework of mine drainage system

2 矿井排水系统拓扑精细度模型

为了清晰地展现矿井排水系统BIM模型的整体结构及局部要素特点,需要构造建模对象部分或全部的拓扑关系信息。每个建模对象以独立且具有地理意义的实体为基本单位,为构建实体要素拓扑关系模型提供了方便。在不同的LOD层级中,随着语义信息的增加,实体要素的抽象和简化程度不同,模型间设施设备的拓扑关系也随之变化。为保证不同层级拓扑模型的准确性,本研究提出了“拓扑精细度”的概念。拓扑精细度(Topological Level of Details)是依据多尺度建模思想构建的拓扑细节层次模型,是对实体要素拓扑关系的抽象描述,反映从全局到局部不同粒度的拓扑信息,表达多尺度模型间拓扑关系的复杂程度。

2.1 排水系统概念模型

矿井排水系统属于有向网状结构,为了保证模型的多尺度特征和拓扑关系的完整性,在较低层级LOD0～LOD2中,排水系统实体要素按照几何形态及其空间关系,将其抽象为弧段和节点两类对象。弧段是排水系统中线状排水设备的抽象,是构成网状结构的骨架,包括排水管、排水沟、水仓、管子道等线状排水设施的抽象。节点为排水系统中设施设备的抽象点,不同节点类实体的拓扑特征存在明显差异,可将节点细分为多类节点,包括:① 容器类节点,排水系统中构筑物的抽象,其内部设备与容器构成从属关系,例如水泵房、水仓等;②连接类节点,与线状排水设备构成上下游关系的设备,例如水泵、吸水井、闸阀等;③分流节点,线状设备的分流点,例如水沟水仓分流点。在高层级的LOD3中,矿井排水系统中的实体要素的局部区域精细模型得以表达。例如,以排水管段作为设备载体,附着在管段上的附属设备与管段之间存在附着关系,如法兰盘、管卡、管件设备等。

为实现精细化表达,将与弧段存在连接关系的拓扑节点进一步细化,按其连接方式分为起始节点、二通节点、三通节点、四通节点、分流节点和终止节点几类,各节点间的连接、分流与聚合关系如图2所示。其中,分流节点包括实节点(构筑物)和虚节点(排水沟、水仓交点),终止节点位于地表沉淀池汇面域。同时在不同的LOD层级,节点概念表达的精细程度不同:①在构筑物级别,水泵房被视为四通节点,连接两端排水沟、管子道与水仓;② 在设备级别,水泵被视为二通节点,吸水管和排水管作为其上下游管线;③在附属设备级别,管件根据节点类型不同可分为二通、三通、四通。

图2 矿井排水系统弧段与节点拓扑概念模型Fig.2 Conceptual model of arc and node topology of mine drainage system

2.2 拓扑精细度分层结构模型

矿井排水系统实体要素模型的结构层次复杂,拓扑关系是呈现模型内部结构、分布特征和层次关系的有效方法,能够提供直观的视觉信息,并揭示模型元素和整体之间的关系。依据2.1节排水系统概念模型及对实体要素的抽象程度,本研究采用拓扑精细度TLOD(Topological Level of Details)模型,分析排水系统在不同多尺度层级实体要素之间的关联关系,并确定其拓扑关系类型。

矿井排水系统拓扑关系是该系统中所有设施设备间拓扑关系的集合,为了准确描述该系统不同层级间的拓扑结构特点,本研究根据实体要素的空间关系,将弧段与节点间的拓扑关系划分为联通关系、附着关系、聚合关系、从属关系及连接关系。为适应模型不同比例的几何语义信息关系,在多尺度建模过程中,模型间的拓扑关系构成了不同层级的拓扑精细度。如图3所示,TLOD0层次主要描述全局范围内矿水流经弧段和构筑物节点间的连接关系,在整体范围内形成排水的全过程线;TLOD1在TLOD0的基础上描述排水系统中构筑物间的联通关系及不同构筑物间的聚合关系;TLOD2中,由于增加了构筑物节点内部分级节点信息,例如排水管道、水泵、闸阀等,需要考虑构筑物与排水设备间的空间从属关系,以及排水设备间的连接关系;TLOD3增加了管道附属设备及排水设备细节信息,表达排水设备及附属设备间的附着关系和排水设备细节模型与上一层级模型间的从属关系。

图3 矿井排水系统精细拓扑关系Fig.3 Fine topological relationship of mine drainage system

在矿井排水系统拓扑关系中,联通关系和连接关系成为构建矿井排水系统BIM模型的关键,构成了排水系统拓扑关系中的核心部分。建立设施设备之间明确的上下游关系能够关联排水系统实际运行的各个环节,将设施设备的空间、属性、预维、运行等相关业务信息关联起来,形成信息集成优势,有助于实现排水过程的拓扑查询、空间分析、排水模拟等功能。

3 矿井排水系统多尺度建模

由于矿井排水系统实体要素结构复杂,大到构建排水系统的构筑物骨架,小到排水系统细小物体和设备器械等构造物,建模过程极其复杂,可将复杂的三维模型分解成组件,从而起到细化整体模型的作用。采用基于Revit软件的参数化建模方法,找到形状固定、可重复使用的同类组件构建族库,可简化建模流程,为设施设备批量建模创造了可能性。

3.1 排水系统实体要素数据编码

为精确查询族库类型、构建和储存三维模型的拓扑和属性信息,按照矿井排水系统的空间及属性特征赋予实体要素唯一可识别的名称编码,并建立数据编码与实体要素间的映射关系。规则的编码体系有助于实现实体要素多类型空间信息统一分类,更快定位实体要素,为构建矿井排水系统族库提供编码基础。矿井排水系统实体要素编码标准如图4所示。

图4 排水系统实体要素编码标准Fig.4 Coding standard for entity elements of drainage system

排水系统实体要素编码规则中,每个字段表示具体的类型特征。编码标准前两位表示设备类型,根据2.1节的分类方法,设备类型分为排水设施(P1)、排水设备(P2)和附属设备(P3)。再采用3位相应的英文字母来表示实体类型信息,例如水泵房(SBF)、管子道(GZD)、主水仓(ZSC)。第7位标识抽象类型,有节点(0)和弧段(1);第8位标识LOD 4个层级(0～3);第9、10位为要素型号代码,例如不同尺寸的管段类型编码不同。后6位为实体顺序自编码,顺序自编码的第一位为该元素拓扑关系类型,联通关系(A)、附着关系(B)、聚合关系(C)、从属关系(D)、连接关系(E)。例如P2PSG1201E00001为LOD2层级中某一排水管段的编码。

3.2 参数化族库建立

组件概念在建筑三维建模中已有应用,采用参数化思想[19-20]来控制相同类型但可能具有不同结构、尺寸、外观和属性的组件集。在组件的概念下,Revit为用户提供了“参数化族库”,将重复使用、不同类型的模型构件独立存储并可在多个应用中进行调用,同时允许用户使用组装和定制功能。

矿山排水系统实现高效建模的第一步是建立一套符合项目需求的参数化族库,设置基本排水系统构件的自定义参数,运用Revit中的拉伸、放样、融合等功能,建立各族构件的参数化模型,通过参数控制族构件的新建与修改。本研究将矿井排水系统按照LOD分级方式划分族类型,并对不同类型的构件进行编码储存,根据每级LOD的几何简化程度在Revit中构建多尺寸参数模型。因此,排水系统族构件参数类型不仅包括建模对象的尺寸约束信息,也包括由模型空间拓扑关系确定的位置信息和由连接关系确定的上下游拓扑连接模型编码。将不同的族构件载入项目中,设置项目中模型的唯一编码,有助于确定模型的拓扑关系,辅助系统BIM模型构建。以LOD2层级中闸阀构件为例分析上下游连接关系,如图5所示。

图5 LOD2中闸阀构件上下游设备及编码Fig.5 Equipment and code for connecting sluice valves in LOD2

3.3 排水系统多尺度场景

本研究依据矿井排水系统层次细节模型及参数化族库集成矿山排水系统多尺度应用场景,采用Revit构建多尺度参数化族库,将其载入3DMax中进行细节添加和纹理渲染,构建矿山排水系统离散层次细节模型(图6)。在上述试验中,多尺度模型构建使得用户能够根据不同的应用需求浏览不同尺度的模型场景,可只针对需要观察的部分进行精细建模,以减少模型的细节冗余,避免影响模型渲染速度。参数化族库的构建及不同细节层次模型之间拓扑关系的确定,使得相同类型、不同尺寸的模型得以批量创建,且模型间连接关系清晰,上下游明确,避免了建模过程中可能造成的错误,进而提高了建模效率。

图6 矿井排水系统多尺度场景及拓扑关系示例Fig.6 Example of multi-scale scene and topological relation of mine drainage system

图6中,LOD0层级表达了矿井涌水流经的构筑物的空间位置,水泵房等实节点与排水沟交叉点等虚节点及线状构筑物的拓扑关系,每类构筑物都有唯一的编码信息,以便清晰地查看矿井涌水的流向。同时,可辅助矿山企业综合管理部门进行水沟等线状构筑物的空间分析,判断排水设施敷设是否合理。

LOD1层级在LOD0层级的基础上,结合构筑物间的联通关系,构建了矿井排水系统构筑物的实体模型,用以构成排水系统基础设施的整体骨架。以排水沟为例,每段排水沟设置不同的编码信息,以便矿山机电工程部门准确记录水沟清淤等排水构筑物的日常管理情况。

LOD2层级新增了构筑物内部的排水设备信息,以水泵房为例,内部设备的轮廓模型得以完整显示,单个设备作为独立的实体要素进行三维建模,其连接关系有利于机电工程部门的管理人员准确掌握复杂的设备信息,对在运行过程中出现问题的设备进行故障定位及故障排查,及时进行维护与检修,实现排水设备的可视化管理。另外,在此层级中,排水管网与排水设备间的拓扑关系清晰可见,为实时模拟排水系统的工作过程,制定矿井排水应急预案及事故分析奠定了数据基础。

LOD3层级增加了排水系统设备的细节及模型纹理,对需要重点观察的设备零部件进行细致建模,为实现矿井排水系统精细化建模提供了可能,可用于矿山排水过程三维仿真及零件级设备的日常巡检。

4 结 语

针对矿山不同部门对矿井排水系统日常管理的多种应用需求,提出了拓扑精细度的多尺度BIM模型,研究了包含LOD层级和拓扑关系的矿井排水实体要素编码方法,构建了实体要素参数化族库,并以井底车场及内部水泵房为例搭建了排水系统多尺度应用场景。通过将建模过程与矿井排水工作过程进行关联,用以准确获取排水设施设备的空间信息,合理描述实体要素间的连接关系,整合BIM模型信息,有效避免了重复建模,保证了排水过程三维仿真、运营阶段分析优化和维护维修等应用的实现。