一种矿山三维井巷模型生成及透明工作面构建方法

1.本发明属于矿山虚拟仿真技术领域，具体涉及一种矿山三维井巷模型生成及透明工作面构建方法。


背景技术：

2.矿山三维井巷及透明工作面模型高精度构建是智慧矿山建立的关键部分之一，对煤炭资源开采工艺向智能化、自动化发展有着重要现实意义。目前，在矿山三维井巷模型构建方面，存在弧巷、不规则巷道等模型建立空间位姿形态易畸变失真，联通巷道交叉处三维模型表征复杂、重叠、不连通等。在透明工作面模型构建方面，由于煤层赋存状态多样、煤矿智能综采系统的要求，构建适用于各种复杂地质条件的高精度模型，仍是核心研究内容之一。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种矿山三维井巷模型生成及透明工作面构建方法，以期实现矿山井巷及透明工作面系统模型的一体化构建，并依据生产施工进度实时对系统模型进行动态更新、修正。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种矿山三维井巷模型生成及透明工作面构建方法，包括如下构建步骤：
5.步骤一：采集巷道、透明工作面建模信息；
6.步骤二：建立系统的多源数据预处理模型，清洗采集的建模信息，并利用数据库技术规范化、系统化存储处理的多源建模数据；
7.步骤三：提出一种“参数化”建模方法，基于该方法编写集巷道、岩层的三维精细化模型动态生成算法；
8.步骤四：调动贴图、渲染技术对步骤三中生成的三维模型进行实时处理；
9.步骤五：设计交互操作功能模块；
10.步骤六：优化、集成算法模块，研发巷道、岩层空间模型一体化动态重构虚拟仿真平台。
11.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤一中，采集信息的方法包括导线测量、autocad图纸提取和钻孔钻探；获取巷道建模信息包括巷道中心导线点三维坐标、巷道截面高度和联通情况；获取岩层建模信息包括岩层厚度、岩性和测点坐标。
12.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤二中，利用建立系统的多源数据预处理模型，可对采集的建模信息进行数据清理、数据集成、数据变换、数据归约处理；基于postgresql设计建立数据库，合理存储处理后的建模数据，为三维可视化模型重构提供支撑。
13.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤三中，巷道空间模型“参数化”建模方法具体包括：
14.a.数据读取与处理：利用数据读取与处理模块直接调取数据库中存储的历史数据与实时采集的动态数据；
15.b.巷道中心线生成：基于弯曲弧巷直巷化的思想，调用空间关键点信息生成井巷系统中心线；
16.c.空间结构模型生成：基于巷道中心线及断面特征信息，求解出各巷道断面关键特征点三维坐标，建立数据集存储；按循环方式逐个生成各巷道断面的轮廓线，即可完成井巷系统空间结构模型构建；
17.d.单节巷道模型构建：沿各井巷中心线推进方向，按序调取邻接两巷道截面关键特征点信息，并按照一定规律，通过循环方式每四个关键生成一个平面，利用生成的一系列平面即可无缝拼接成单节巷道模型；
18.e.单一巷道模型构建：以巷道断面关键特征点数据集存储的数据为支撑，通过单节巷道模型构建方法，生成多个具有特定空间位置的单节巷道；以单节巷道为结构单元，按序两两紧密连接，即可组成整条巷道模型；
19.f.井巷系统模型构建：基于化繁为简的思想，将矿山井巷系统划分为多条巷道模型；利用循环方式连续调用建模信息，通过单一巷道模型构建方法，先生成第一条巷道模型，再生成第二条巷道模型，直至生成最后一条巷道模型结束循环，即可组成井巷系统模型；
20.g.新开挖巷道模型动态生成：重复步骤b至步骤f，动态重构生产过程中新掘进的巷道模型。
21.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤三中，岩层空间模型“参数化”建模方法具体包括：
22.a.调用数据库存储的岩体建模数据，包括钻孔探测点坐标、煤层厚度；
23.b.利用插值算法分别对岩层顶面、底面采样点进行插值处理，得到一系列关键点坐标，并建立不同list分别对岩层顶面、底面关键点坐标进行存储；
24.c.通过循环方法调用delaunay算法模块，先依据岩层顶面关键点坐标按一定规律以每三个关键点进行组合，并提取每组关键点索引值存储于新建的 list中；再利用相同方法提取、存储岩层底面关键点索引值；
25.d.利用循环方式，先调取存储于list中的第一组岩层顶面、底面关键点索引值，利用索引值调取对应的关键点三维坐标为数据支撑，联合three.js建模功能生成三棱柱；再调用下一组岩层顶面、底面关键点索引值生成三棱柱，直至生成最后一组三棱柱即可无缝拼接成地层模型；
26.e.调用新采集的数据，更新、校改建立的地层模型。
27.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤四中，实时处理包括制作并存储巷道、不同岩层材质平面图；利用three.js贴图功能依据岩性等调用材质平面图，实现巷道、岩层的贴图。
28.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤四中，调用three.js的 webgl renderer渲染器，对生成的模型进行渲染。
29.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤五中，交互操作功能模块包括平移、旋转、缩放、三视图、透明度设置，利用javascript语言编写代码模块。
30.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤六中，基于python、 javascript、three.js程序语言，联合开发矿山井巷模型生成及透明工作面构建平台，实现对巷道、岩层的可视化模型三维重构。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果是：针对复杂的矿山地质以及煤矿智能综采系统的需求等，设计开发了集矿山井巷系统与透明工作面空间模型构建的平台；该平台适用于不同地质条件下，高效、动态生成矿山井巷系统及透明工作面空间精细化模型。
附图说明
32.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
33.图1为本发明单节巷道空间结构模型示意图；
34.图2为本发明倾斜巷道生成算法及模型示意图；
35.图3为本发明竖直巷道生成算法及模型示意图；
36.图4为本发明t型巷道结构展示示意图；
37.图5为本发明y型巷道结构展示示意图；
38.图6为本发明单节巷道模型生成示意图；
39.图7为本发明单条巷道模型生成示意图；
40.图8为本发明基于钻孔的岩层数据采集示意图；
41.图9为本发明中岩层模型单元结构示意图；
42.图10为本发明单层岩层三维刻画示意图；
43.图11为本发明岩层模型构建示意图；
44.图12为本发明构建原理框图；
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.请参阅图1-图12，本发明提供以下技术方案：一种矿山三维井巷模型生成及透明工作面构建方法，包括如下构建步骤：
47.步骤一：采集巷道、透明工作面建模信息；
48.步骤二：建立系统的多源数据预处理模型，清洗采集的建模信息，并利用数据库技术规范化、系统化存储处理的多源建模数据；
49.步骤三：提出一种“参数化”建模方法，基于该方法编写巷道、岩层的三维精细化模型动态生成算法；
50.步骤四：调动贴图、渲染技术对步骤三中生成的三维模型进行实时处理；
51.步骤五：设计交互操作功能模块；
52.步骤六：优化、集成算法模块，研发巷道、岩层空间模型一体化动态重构虚拟仿真平台。
53.具体的，本实施例中，步骤一中，采集信息的方法包括导线测量、 autocad图纸提取和钻孔钻探；获取巷道静态、动态建模信息包括，巷道中心导线点三维坐标、巷道截面高度和联通情况；获取岩层建模信息包括岩层厚度、岩性和测点坐标，对于断层、起伏变化大、空间关键点(巷道交汇点、最高点等)等区域应合理加密钻孔数量，加大数据采集力度。
54.具体的，本实施例中，步骤二中，利用建立系统的多源数据预处理模型，可对采集的建模信息进行数据清理、数据集成、数据变换、数据归约处理；利用插值方式对岩层、巷道特征变化明显的细部区域数据进行加密处理，如起伏变化大、巷道弯曲、岩层断层等区域；基于postgresql设计建立数据库，合理存储处理后的建模数据，为三维可视化模型重构提供支撑。
55.具体的，本实施例中，步骤三中，基于参数化建模方法，编写井巷系统空间模型与透明工作面动态精细化生成算法，利用该算法快速调用数据库的建模信息，结合three.js建模功能实现巷道空间模型以及透明工作面模型的精细化构建，巷道空间模型“参数化”建模方法具体包括：
56.a.数据读取与处理：利用数据读取与处理模块直接调取数据库中存储的历史数据与实时采集的动态数据；
57.b.巷道中心线生成：基于弯曲弧巷直巷化的思想，调用空间关键点信息生成井巷系统中心线；
58.c.空间结构模型生成：基于巷道中心线及断面特征信息，求解出各巷道断面关键特征点三维坐标，建立数据集存储；按循环方式逐个生成各巷道断面的轮廓线，即可完成井巷系统空间结构模型构建，由于巷道空间形态不同，不同巷道断面关键特征点求解公式各异，如式(1)、(2)、(3)为平直巷道断面关键特征点三维坐标计算公式，如图1所示，平直巷道第一个巷道断面轮廓线上的关键特征点为d(1,0)、d(1,1)
……
d(1,k)，d(1,0)、d(1,1)的三维坐标可分别利用式(1)、(2)求取，圆弧上关键特征点d(1,2)-d(1,k)的数学表达式如式(3)所示：
[0059][0060]
[0061][0062]
其中，设中心导线点o1、o2的坐标分别为(x0，y0，z0)和(x1，y1，z1)，巷道宽度为w，巷道直墙高为h，β为圆弧上相邻两关键特征节点与o1的夹角，θ为弧线上第一个关键特征节点与x轴的夹角，计算公式如式(4)：
[0063][0064]
倾斜巷道断面底部两关键特征点坐标求取公式与平直巷道不同，如式 (1)、(2)，倾斜巷道断面关键特征点三维坐标计算公式如下式：
[0065][0066]
其中，α为倾斜巷道倾斜角；l为扇形半径，a＝α-nk/2，n为等分扇形个数，k为0～n间的整数，b＝1-cosa，c＝arctan[(o2_x-o1_x)/(o2_y-o1_y)]。
[0067]
如图3，竖直巷道可近似看作为壁厚很薄的空心圆柱，对空心圆柱o0、 o1所在圆进行等分，圆上的等分点即为竖直巷道关键特征点，竖直巷道断面关键特征点三维坐标计算公式如下式：
[0068][0069]
设圆心坐标为(x0，y0，z0)，半径为r，则关键特征点坐标数学表达式如式 (6)，其中n为等分圆的个数(0≤n≤15)。
[0070]
对于t、y型特殊巷道而言，可将其分解为三部分巷道，如图4，将t 型巷道分解为1、2、3部分巷道，为了真实重构巷道模型、保持相交巷道的联通性，需求取co
″′
d、co
″′
q及do
″′
q上的关键特征点坐标。以o为坐标中心建立坐标轴，设∠o
′o″′
n＝α、hq＝ql＝o
′o″′
＝l，则qo
″′
、do
″′
、co
″′
所对应的圆弧上的关键节点解算公式分别为式(7)、(8)、(9)。其中，z0为o
″′
的z坐标；h为墙高，m；l为co
″′
的长度，m；l1为do
″′
的长度，m；θ为圆心角，
°
；β＝(180
°‑
θ)/2；n为等分圆个数；k为0～n/2之间的整数，则t 巷道相交面上的关键特征点三维坐标计算公式如下：
[0071][0072]
[0073][0074]
y型巷道与t型巷道无缝重构原理相同，但在巷道截面关键点坐标求取上存在差异，见图5所示，若∠cmb＝α；o0f＝l；巷道宽为w；o0的坐标为 (x0，y0，z0)。
[0075]
设巷道直墙高为h；圆弧拱圆心角为γ；n为等分圆个数；k为0～n/2之间的整数。则oc、ob、oa所对应圆弧上关键点坐标求取公式见式(10)、(11)、(12)，y巷道相交面上的关键特征点三维坐标计算公式如下：
[0076][0077][0078][0079]
利用循环方式逐个调用各巷道断面的关键特征点三维坐标信息，生成一系列闭合曲线(巷道断面轮廓线)，即可完成井巷系统空间结构模型构建，见图1，a断面生成a0a1…an-1
a0闭合曲线、b断面生成b0b1…bn-1
b0闭合曲线，即可完成井巷系统空间结构模型构建。
[0080]
d.单节巷道模型构建：见图6，断面a、b为邻接巷道截面，沿各井巷中心线推进方向，按序调取邻接两巷道截面关键特征点信息，并按照一定规律，通过循环方式每四个关键生成一个平面，利用生成的一系列平面即可无缝拼接成单节巷道模型，调用两邻接巷道截
面关键特征点三维坐标数据，调用a0a1…an-1
、b0b1…bn-1
点的三维坐标数据，分别存储于a,b集合中，a,b 集合的长度均为n；先按序调取集合a中0、1集合b中1、0索引值对应点的坐标数据，结合three.js建模功能，生成平面a0a1b1b0；再以平面 a0a1b1b0建模方式，调取集合a中1、2集合b中2、1索引值对应点的坐标数据，生成平面a1a2b2b1，直至生成平面a
n-1
a0b0b
n-1
，通过生成的一系列平面可无缝组成单节巷道模型。
[0081]
e.单一巷道模型构建：以巷道断面关键特征点数据集存储的数据为支撑，通过单节巷道模型构建方法，生成多个具有特定空间位置的单节巷道；以单节巷道为结构单元，按序两两紧密连接，即可组成整条巷道模型，即从单一巷道起始点开始，先调用第一、二巷道截面关键特征点信息，通过单节巷道模型构建方法，生成首节巷道模型；再利用循环方式调取第二、三巷道截面关键特征点信息，生成次节巷道模型，以此类推，直至最后一节巷道模型生成结束循环，以单节巷道为结构单元，按序两两紧密连接，即可组成整条巷道模型，见图7，从单条巷道起始点o1开始，先调用第一、二巷道截面 (a、b断面)关键特征点信息，通过单节巷道模型构建方法，生成首节巷道模型(ab巷道)；再利用循环方式调取第二、三巷道截面(b、c断面) 关键特征点信息，生成次节巷道模型(bc巷道)，以此类推，直至最后一节巷道模型生成结束循环。以单节巷道为结构单元，按序两两紧密连接，即可组成整条巷道模型；
[0082]
f.井巷系统模型构建：基于化繁为简的思想，将矿山井巷系统划分为多条巷道模型；利用循环方式连续调用建模信息，通过单一巷道模型构建方法，先生成第一条巷道模型，再生成第二条巷道模型，直至生成最后一条巷道模型结束循环，即可组成井巷系统模型；
[0083]
g.新开挖巷道模型动态生成：重复步骤b至步骤f，动态重构生产过程中新掘进的巷道模型。
[0084]
具体的，本实施例中，步骤三中，岩层空间模型“参数化”建模方法具体包括：
[0085]
a.数据读取：访问数据库，调取透明工作面建模所需的历史数据，包括采集的钻孔数据、物探数据、断层数据等；
[0086]
b.特征点坐标解算：设某一钻孔对应的岩体顶面采样点三维坐标为(z
1-1
_x,z
1-1
_y,z
1-1
_z)，岩体厚度为δz，则岩体下层面采样点(z
1-2
点)三维坐标计算公式如下：
[0087][0088]
c.数据集构建：将不同岩层、同一岩层的断层、陷落柱等均视为独立个体，整合每个独立个体的信息空间特征点坐标、岩性等，并建立数据集分别存储。
[0089]
d.虚拟钻孔加密：调用岩层空间特征点坐标数据；依据需求设置网格精度，分别计算x，y网格数量；利用python语言的universal kriging函数，基于调用的坐标数据与网格精度，通过插值方式获取加密的虚拟钻孔三维坐标，并将三维坐标信息存储至建立的数据集中。下式为测量点估计量的数学表达式：
[0090][0091]
其中，wi(i＝0,1,2
……
n，n表示样品点的个数)为权重系数。
[0092]
e.基于bowyer-watson算法构建空间三角网络解算模型，该模型的具体步骤为：
①
建立顶点、三角形链表；构造容纳岩层上层面全部空间特征点的三角形，将三角形顶点与三角形分别存储至顶点、三角形链表中；
②
利用循环方式插入对应数据集的空间特征点，在三角形链表中搜索出该点的影响三角形；对影响三角形进行处理，并将插入的空间特征点与影响三角形顶点连接；
③
优化形成的三角形，将优化后的三角形及顶点分别保存至三角形、顶点链表；
④
当数据集中最后一个空间特征点插入结束循环；
⑤
利用上述步骤，获取岩层下层面空间特征点组成三角网的顶点链表。
[0093]
f.单元结构模型生成：见图9，调取岩层上、下层面空间特征点组成三角网顶点链表中的第i组数据([(y
1-1-4
x,y
1-1-4
y,y
1-1-4
z,)
…
(y
1-1-6
x,y
1-1-6
y,y
1-1-6
z,)]与[(y
1-2-4
x,y
1-2-4
y,y
1-2-4
z,)
…
(y
1-2-6
x,y
1-2-6
y,y
1-2-6
z,)])；以调取的数据为支撑，利用three.js建模功能生成两个具有固定空间位置的三角形(三角形y
1-1-4y1-1-5y1-1-6
与三角形y
1-2-4y1-2-5y1-2-6
)；再按一定规律调取的两组数据，生成三个具有固定空间位置的四边形(四边形y
1-1-4y1-1-5y1-2-5y1-2-4
、y
1-1-5y1-1-6y1-2-6y1-2-5
、y
1-1-6y1-1-4y1-2-4y1-2-6
)；通过生成的三角形与四边形即可拼接成一个三棱柱模型。
[0094]
g.单个岩层三维刻画：见图10，定义自变量i(0≤i＜n，n＝4)，建立循环模型；当i＝0时开始循环，调用顶点链表中的第一组数据([(y
1-1-4
x,y
1-1-4
y,y
1-1-4
z,)
…
(y
1-1-6
x,y
1-1-6
y,y
1-1-6
z,)]与[(y
1-2-4
x,y
1-2-4
y,y
1-2-4
z,)
…
(y
1-2-6
x,y
1-2-6
y,y
1-2-6
z,)])，以单元结构模型生成方法生成第一个三棱柱模型(三棱柱 1)；再生成第二个三棱柱模型(三棱柱2)，以此类推直至生成第n个模型结束循环(三棱柱4)；利用生成的一系列三棱柱模型，即可实现单层岩体模型的三维可视化描述。
[0095]
h.模型命名：利用three.js函数给生成的三维岩层模型命名。
[0096]
i.全部岩层模型构建：见图11，定义自变量j(0≤j＜m，j取整数，m为岩层、断层、陷落柱等数量总和，取m＝2)，建立循环模型；当j＝0时开始循环，调用数据集中第1组数据，利用步骤e中阐述的方法生成第1层岩层上、下层面空间特征点组成三角网的顶点链表([[(y
1-1-1
x,y
1-1-1
y,y
1-1-1
z),(y
1-1-2
x,y
1-1-2
y,y
1-1-2
z),(y
1-1-3
x,y
1-1-3
y,y
1-1-3
z)],
…
,[(y
1-1-4
x,y
1-1-4
y,y
1-1-4
z),(y
1-1-5
x,y
1-1-5
y,y
1-1-5
z),(y
1-1-6
x,y
1-1-6
y,y
1-1-6
z)]]与[[(y
1-2-1
x,y
1-2-1
y,y
1-2-1
z),(y
1-2-2
x,y
1-2-2
y,y
1-2-2
z),(y
1-2-3
x,y
1-2-3
y,y
1-2-3
z)],
…
,[(y
1-2-4
x,y
1-2-4
y,y
1-2-4
z),(y
1-2-5
x,y
1-2-5
y,y
1-2-5
z),(y
1-2-6
x,y
1-2-6
y,y
1-2-6
z)]])，再利用步骤f、步骤g中介绍的方法实现第1层岩层模型的三维可视化描述(岩层1)；开始第2次循环，生成第2层岩层三维可视化模型(岩层2)；以此类推，直至第m层岩层三维可视化模型生成结束循环。
[0097]
j.模型交互校改：将后期矿山开采过程中，采集的更为精准、详细的数据存储至数据库；岩层模型生成算法将自动调取新保存的数据，并将数据处理、插入相应的数据集中；算法将在不重新建模的前提下，自动依据新插入点的坐标对地层模型更新校改。
[0098]
具体的，本实施例中，步骤四中，实时处理包括制作并存储巷道、不同岩层材质平面图；利用three.js贴图功能依据岩性等调用材质平面图，实现巷道、岩层的贴图，具体包括：a.依据模型名称调取采集的属性信息，判断巷道及煤层的性质；再调用数据库中相应的材质图片，对模型进行贴图处理； b.调用three.js的webgl renderer渲染器，对生成的模型进行渲染。
[0099]
具体的，本实施例中，步骤五中，利用javascript语言编写代码模块，设计开发了
基本操作、透明度设置、三视图功能；其中，基本操作可实现对虚拟场景的平移、缩放、旋转；透明度设置功能支持在任意透明度下，对不同的模型进行展示；三视图功能可基于同一用户界面从三个不同视角对虚拟场景的模型进行展示。
[0100]
具体的，本实施例中，步骤六中，基于python、javascript、three.js程序语言，联合开发矿山井巷模型生成及透明工作面构建平台，实现对巷道、岩层的可视化模型三维重构。
[0101]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。