CN104102792B - 一种充填开采的仿真实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充填开采的仿真实现方法，首先采用自顶向下、分层的树状结构组织整个空间数据，构建煤矿充填开采仿真的场景图形；对所构建的场景图形进行更新、拣选和绘制三种遍历操作；基于所构建的场景图形，采用相交测试的网格变形技术对采煤机在采煤过程中的切割煤壁变化过程进行模拟，并针对煤粒的坠落，采用粒子系统进行模拟；基于所构建的场景图形，对充填动画中管道流动和空间充填效果进行仿真实现。该方法能够提高系统的实时渲染速度，解决采煤设备复杂运动的运动控制，并提供了割煤场景中的落煤特效及充填仿真解决方案，从而提高煤炭的采出率和利用率。

Description

一种充填开采的仿真实现方法

技术领域

本发明涉及三维仿真技术领域，尤其涉及一种充填开采的仿真实现方法。

背景技术

目前，随着矿山行业信息化进程的日益加快，国内外研究工作人员开始实验性地将虚拟现实技术应用在矿山开采领域。在矿业自动化、信息化程度比较高的发达国家如德国、法国、美国、澳大利亚、加拿大和南非，最早尝试将三维可视化技术应用在矿山开采领域，上述技术均涉及到了场景组织、纹理贴图、粒子系统等关键技术。

为了方便三维图形应用的开发和对图形性能进行优化，产生了场景图的概念。场景数据库包含欲表现的几何图形及状态信息，它被组织成分级层次结构，称为场景图。场景图是通常意义上图的子集，是一种有向无环图，图中节点之间的关系有确定的方向性，即自顶向下，从左到右。场景中没有环，否则当遍历场景图时可能导致无限循环。纹理贴图使用图像、函数或其他数据源改变物体表面外观，以较小的代价增强模型的真实感。将纹理图描述为在(0,1)区间上的规格化坐标，称为纹理坐标，用(s,t)表示。要将纹理图映射到物体对应的顶点位置上，需要通过投影函数计算物体相应顶点的纹理坐标，即将空间三维点转化为纹理坐标。此外，还需要对图像放大、缩小以及纹理坐标大于1时纹理卷绕进行处理。

粒子系统是一组分散的微小物体集合，通常是点或线的集合，这些微小物体按照控制算法运动。在场景中的每个粒子都拥有位置和速度，除此之外还可能拥有色彩、生命周期、尺度、透明度和形状等属性。为了增强粒子的真实感，也可以对粒子进行贴图，粒子系统应用非常广阔，包括火焰、烟、爆炸、流水、树木等其他一些自然现象。

在现有技术的充填开采仿真方案中，一种是结合OpenGL和Visual C++6.0建立综采工作面仿真系统，该系统设计数据输入、场景模拟、场景漫游、交互控制和工艺仿真五个功能模块，通过行为建模和交互控制实现了液压支架和采煤机的运动控制，系统具有场景漫游和设备操作等交互功能。系统根据用户输入的具体数据，生成不同尺寸的场景模型和对应的设备模型。然后用户可以通过键盘或鼠标在场景中查看，并且可以对液压支架或采煤机进行操作控制。但由于该系统采用OpenGL根据输入数据实时对场景和设备进行了建模，因而场景看起来比较粗糙，设备模型也相对简单，且OpenGL缺乏对大场景的组织管理，当模型数量上升时，系统需要对其进行大量的组织工作，且渲染效率提升效果有限。

另一种结合3ds Max和Virtools工具进行采矿仿真，首先在3ds Max中完成模型的建立，涉及到角色动画或实体变形动画也全部在3ds Max中完成。为提高渲染效率，系统减少模型的多边形数目，然后导入到Virtools中。系统利用了行为模块组中的Interface和Controller里提供的鼠标和键盘以及按钮的功能，直接制作出了菜单和按钮以及实现屏幕物体的拾取、文字现实等。但该方案由于Virtools没有提供菜单功能，因此在用户交互界面开发比较耗费精力，当模型数量增多时，系统的渲染速度严重下降，同时复杂的逻辑控制也会降低显示帧率。

发明内容

本发明的目的是提供一种充填开采的仿真实现方法，能够提高系统的实时渲染速度，解决采煤设备复杂运动的运动控制，并提供了割煤场景中的落煤特效及充填仿真解决方案，从而提高煤炭的采出率和利用率。

一种充填开采的仿真实现方法，所述方法包括：

采用自顶向下、分层的树状结构组织整个空间数据，构建煤矿充填开采仿真的场景图形；

对所构建的场景图形进行更新、拣选和绘制三种遍历操作，实现动态的几何体更新、拣选、排序和高效渲染；

基于所构建的场景图形，采用相交测试的网格变形技术对采煤机在采煤过程中的切割煤壁变化过程进行模拟，并针对煤粒的坠落，采用粒子系统进行模拟；

基于所构建的场景图形，对充填动画中管道流动和空间充填效果进行仿真实现；

其中，所述管道流动通过在纹理动画中实现，在其表面进行纹理贴图，并实时更新纹理矩阵，实现纹理移动的效果；所述空间充填效果通过粒子系统实现。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方法能够提高系统的实时渲染速度，解决采煤设备复杂运动的运动控制，并提供了割煤场景中的落煤特效及充填仿真解决方案，从而提高煤炭的采出率和利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供充填开采的仿真实现方法流程示意图；

图2为本发明实施例所举实例最终的场景树示意图；

图3为本发明实施例所举出的人机交互更新实例的流程示意图；

图4为本发明实施例所举出的场景拣选的流程示意图；

图5为本发明实施例所举出的场景拣选的流程示意图；

图6为本发明实施例所举具体实例中采煤机的简易结构示意图；

图7为本发明实施例所举具体实例中运动控制的仿真算法过程示意图；

图8为本发明实施例所举实例相交测试的示意图；

图9为本发明实施例所举实例中粒子同平面碰撞的示意图；

图10为本发明实施例所举实例充填效果示意图。

具体实施方式

下面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，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供充填开采的仿真实现方法流程示意图，所述方法包括：

步骤11：采用自顶向下、分层的树状结构组织整个空间数据，构建煤矿充填开采仿真的场景图形；

在该步骤中，首先场景图形中主要包括两类节点：组节点和子节点。场景图形结构的顶部是一个根节点，从根节点向下延伸，各个组节点均包含了几何信息和用于控制其外观的渲染状态信息。根节点和组节点都可以有零个或多个子节点。在场景图形的最底部，各个叶节点包含了构成场景中物体的实际几何信息。组节点包含多种类型，如开关节点，用于设置其子节点的可用及不可用；细节层次节点，可以根据观察者的距离调用不同的子节点；变换节点可以改变子节点几何体的坐标变换状态。

如图2所示为本发明实施例所举实例最终的场景树示意图，结合图2，在构建煤矿充填开采仿真的场景图形的具体过程中：

根节点为具有开关属性的组节点，其下为地上和地下两个子节点，通过组节点的开关变量控制地上/地下的显示状态，完成场景的切换；

在地下节点之下，包括采煤场景节点和充填场景节点两部分；其中所述采煤场景节点根据设备依次添加采煤机、刮板输送机和液压支架，节点中包括设备模型以及模型的运动控制；

所述充填场景节点为一个具有开关属性的组节点，包括充填管道和充填效果两部分，初始状态关闭充填效果。

步骤12：对所构建的场景图形进行更新、拣选和绘制三种遍历操作，实现动态的几何体更新、拣选、排序和高效渲染；

在该步骤中，所构建的场景图形中，采煤机和液压支架是两大运动设备，其中采煤机的运动主要包括平动、摇臂的转动以及割轮的转动；液压支架的运动包括前梁的旋转和前移时所需的下降、平移、上升三大步骤。

上述三种遍历操作中，场景的更新包括人机交互事件的更新和用户自定义与系统调度的更新两种，两种更新方式类似。以人机交互更新为例，如图3所示为本发明实施例所举出的人机交互更新实例的流程示意图。

而场景的拣选是负责从一个庞大的三维场景中选择需要进行绘制的对象，如图4所示为本发明实施例所举出的场景拣选的流程示意图。

通过上述的场景拣选，场景绘制就是将上述拣选后的结果进行绘制，如图5所示为本发明实施例所举出的场景拣选的流程示意图。

步骤13：基于所构建的场景图形，采用相交测试的网格变形技术对采煤机在采煤过程中的切割煤壁变化过程进行模拟，并针对煤粒的坠落，采用粒子系统进行模拟；

在该步骤中，由于不同部件运动模式不同，有的只有平动，有的既有平动又有转动，因此需要对上述采煤机和液压支架的各个部件运动进行归类分析，然后设计相应的运动控制方法，进行运动仿真。

举例来说，如图6所示为本发明实施例所举具体实例中采煤机的简易结构示意图，图6中：1是滚筒，2是摇臂，3是箱体。根据采煤机的前进方向，摇臂要带动割轮进行相应的调整，以保证前端摇臂处于举起状态，进而滚筒切割顶部煤壁，后端相反。

以该采煤机为例，运动控制的仿真算法过程如图7所示，结合图7进行举例说明：

在三维变换中，T表示平移控制矩阵，整个采煤机的平移控制矩阵如下，

x(t)，y(t)，z(t)分别为关于时间t的函数，表示在时刻t时的位置。箱体只有平移运动，从t0时刻到达t时刻后的位置为

Vbox(t)＝T(t)·Vbox(t₀)

摇臂除了进行平移运动，还要绕其与采煤机的连接轴转动。由于摇臂的旋转轴不与世界坐标系重合，因此需要将其平移到世界坐标系原点上，再进行旋转，最后再平移到原来的位置。摇臂旋转轴的位置记为[x_yb y_yb z_yb 0]，其旋转控制矩阵为

摇臂整个旋转运动控制矩阵为

摇臂在时刻t的位置为

Vyaobi(t)＝T(t)·M_yb(t)·Vyaobi(0)

滚筒除了进行平移运动，跟随摇臂做旋转运动之外，还要绕其中心轴旋转，滚筒中心轴的位置记为[x_gl y_gl z_gl 0]，其在时刻t的旋转控制局限如下：

则滚筒在时刻t的位置为

Vgelun(t)＝T(t)·M_yb(t)·M_gl(t)·Vgelun(0)

由于采煤机在采煤过程中，通过滚筒不断的切割煤壁，基于上述仿真控制在此过程中主要引起两种变化，煤壁逐渐被切割变薄，滚筒切割煤壁从而不断产生下落的煤粒。因此，采用相交测试的网格变形技术对采煤机在采煤过程中的切割煤壁变化过程进行模拟，并针对煤粒的坠落，采用粒子系统进行模拟。

举例来说，首先以切割煤壁的模拟过程为例：首先对煤壁建模，采用面片建模技术来模拟煤壁,渲染效率高，便于实现，易于做相交测试；在面片表面进行纹理贴图，可以产生逼真的煤壁效果，具体包括步骤：

1)建立一个(w×h)的四边形模拟煤壁，w表示网格宽，h表示网格高，煤壁初始位于yz平面，即x_＜i,j＞＝0；再将其剖分为(m×n)个网格，m表示行数，n表示列数。则第i行j列个四边形的四个顶点为，

其中0≤i≤n-1,0≤j≤n-1。

2)在此基础上，由网格和采煤机(主要是采煤机的滚筒)做相交测试。采煤机滚筒由轮齿及等多个部件构成，为了提高相交测试效率，提取滚筒的包围盒，进而计算包围盒和网格的相交。

求滚筒的轴对齐包围盒，即表面法线与标准轴方向一致的长方体，用两个顶点a^min 和a^max来表示，其中

在利用折半查找法，根据＜a^min.y,a^max.z＞查找可能和包围盒相交的网格，如图8所示为本发明实施例所举实例相交测试的示意图，结合图8：

首先，根据a^min.x比较包围盒与网格之间的关系，有三种情况：

1、a^min.x＞x_＜i,j＞时，包围盒位于平面外侧，不与平面相交；

2、a^min.x≤x_＜i,j＞＜a^max.x时，包围盒与平面相交；

3、a^max.x≤x_＜i,j＞时，包围盒位于平面内侧，完全进入平面。

如果相交，则计算相交深度Depth＝x_＜i,j＞-a^min.x，并平移对应的网格。

通过以上步骤就可以得到长方体和哪些网格发生了相交，并且可以计算出相交深度，进而对网格进行移位形变，该方法可以提高相交测试效率，从而满足实时性。

针对煤粒的坠落，采用粒子系统进行模拟，所述模拟过程具体包括：

粒子源产生新的粒子，并注入到当前系统中；

为产生的每一个新粒子赋予独立的属性，并消除到达平面的粒子；

进一步根据粒子的运动模式移动当前的粒子，并绘制当前的粒子。

举例对上述各步骤进行详细说明，首先粒子产生的数目N在指定的范围[m,n]内随机变化，利用随机数发生器，特定时刻t产生的粒子数目N(t)＝n+(m-n)*rand(t)；

粒子属性包括初始位置、初始速度和方向、初始大小、初始透明度、形状和生命周期。初始位置、速度和方向可以基于动力学在系统中实时求解，其他参数可以在指定范围内随机产生；在落煤场景仿真中，煤粒发生的位置需要通过滚筒和煤壁的求交结果确定。具体步骤如下：

1)对煤壁进行建模，煤壁的平面方程为Ax+P(t)＝0，即为过点(P(t),0,0)平行于平面yoz的方程；

2)比较滚筒的位置是否和煤壁发生碰撞，采煤机沿y轴运动，只需比较滚筒在t时刻的y方向上的位置和煤壁的关系即可，

如果Vgelun(t).y＜P(t),则煤粒在时刻t的发生位置为

l(t,θ)＝Vgelun(t)+(0,r*cosθ,r*sinθ),其中r为割轮的半径，θ表示发生位置与

滚筒中心轴的夹角，-2/π≤θ≤2/π。

3)煤粒在l(t,θ)处的发射方向为其切线方向，即π/2-θ。

经过以上三步，即确定了煤粒的初始参数。

进一步需要对粒子是否到达刮板或皮带进行检测。由于此处的障碍物(刮板输送机和充填掩体)均为固定障碍物，且均和xoy平面平行，如图9所示为本发明实施例所举实例中粒子同平面碰撞的示意图，结合图9对粒子进行碰撞检测：首先计算粒子在Z轴方向的大小，将结果和障碍物在Z轴的固定大小进行比较，如果大于则更新粒子位置；如果小于，则发生碰撞，进行碰撞处理。

通过上述检测过程，在一帧的时间里，对每个粒子作出一次比较，得到碰撞检测结果，对于发生碰撞的粒子，使其沿着输送机运动。

步骤14：基于所构建的场景图形，对充填动画中管道流动和空间充填效果进行仿真实现。

其中，所述管道流动通过在纹理动画中实现，在其表面进行纹理贴图，并实时更新纹理矩阵，实现纹理移动的效果，具体来说：

首先将二维纹理映射到圆柱体，举例来说，在绘制纹理映射场景时，必须提供每个顶点的物体坐标和纹理坐标。经过变换后，物体坐标决定了顶点将被渲染到屏幕的什么地方，纹理坐标决定纹理图像中的哪个纹素将被用于该顶点。对于二维纹理，使用s和t坐标表示纹理坐标。为了将纹理方便的映射到圆柱体，通过圆柱坐标系计算纹理坐标。贴图位于方位角θ_a到θ_b、z轴z_a到z_b之间。管道采用多边形网格表示，表面是矩形的条带，纹理坐标(s,t)和圆柱体上一点的方位角、高度(θ,z)之间存在一个直接的线性关系；圆柱体有N个面片围绕而成，第i个面片左边的方位角是θ_i＝2πi/N，左上角顶点的纹理坐标为：(s_i,t_i)＝((2πi/N-θ_a)/(θ_b-θ_a),1)，其他顶点纹理坐标求法类似。

然后动态更新纹理矩阵，执行纹理映射之前，将用纹理坐标乘以一个4×4的纹理矩阵。默认情况下，纹理矩阵为单位矩阵。若在重新绘制物体时修改纹理矩阵，可使纹理在物体表面平移，使之绕物体表面旋转、拉伸或缩小纹理，或者实现上述三种变换的任何组合。

上述空间充填效果可以通过粒子系统实现，如图10所示为本发明实施例所举实例充填效果示意图，图10中粒子先由管道口呈抛物线状发出，如图中虚线1所示；在接触到平面(地面)后，向两边扩散，做水平运动，如图虚线2所示；待蔓延至两侧，最后在做垂直向上运动，如图虚线3所示。为了简化运动路径的编写，将充填过程划分为两个阶段：抛物运动和水平扩散运动为第一阶段，垂直向上运动为第二阶段，上述过程具体包括：

首先，设置粒子发射初始属性，包括初始速度大小、初始数量、初始速度方向(水平向右)和重力环境；

再利用粒子碰撞检测算法检测粒子是否到达平面，若粒子到达平面，则以p的概率向右移动，(1-p)的概率向左移动，p>0.5；

然后检测粒子是否到达边界，若到达边界，这开始向上移动，并在到达上边界后停止产生粒子。

通过本发明实施例所提供的充填开采的仿真实现方法，就能够提高系统的实时渲染速度，解决采煤设备复杂运动的运动控制，并提供了割煤场景中的落煤特效及充填仿真解决方案，从而提高煤炭的采出率和利用率，可以更好的保护地下水文环境，具有极大的社会经济效益。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种充填开采的仿真实现方法，其特征在于，所述方法包括：

采用自顶向下、分层的树状结构组织整个空间数据，构建煤矿充填开采仿真的场景图形；

对所构建的场景图形进行更新、拣选和绘制三种遍历操作，实现动态的几何体更新、拣选、排序和高效渲染；

基于所构建的场景图形，采用相交测试的网格变形技术对采煤机在采煤过程中的切割煤壁变化过程进行模拟，并针对煤粒的坠落，采用粒子系统进行模拟；

基于所构建的场景图形，对充填动画中管道流动和空间充填效果进行仿真实现；

其中，所述管道流动通过在纹理动画中实现，在其表面进行纹理贴图，并实时更新纹理矩阵，实现纹理移动的效果；所述空间充填效果通过粒子系统实现；

其中，所述构建煤矿充填开采仿真的场景图形，具体包括：

在所述场景图形中，根节点为具有开关属性的组节点，其下为地上和地下两个子节点，通过组节点的开关变量控制地上/地下的显示状态，完成场景的切换；

在地下节点之下，包括采煤场景节点和充填场景节点两部分；其中所述采煤场景节点根据设备依次添加采煤机、刮板输送机和液压支架；

所述充填场景节点为一个具有开关属性的组节点，包括充填管道和充填效果两部分，初始状态关闭充填效果；

在所构建的场景图形中，采煤机和液压支架是两大运动设备，其中采煤机的运动主要包括平动、摇臂的转动以及割轮的转动；液压支架的运动包括前梁的旋转和前移时所需的下降、平移、上升三大步骤；

进一步的，所述针对煤粒的坠落，采用粒子系统进行模拟，所述模拟过程具体包括：

粒子源产生新的粒子，并注入到当前系统中；

为产生的每一个新粒子赋予独立的属性，并消除到达平面的粒子；

进一步根据粒子的运动模式移动当前的粒子，并绘制当前的粒子。

2.根据权利要求1所述充填开采的仿真实现方法，其特征在于，所述空间充填效果通过粒子系统实现，具体包括：

设置粒子发射初始属性，包括初始速度大小、初始数量、初始速度方向和重力环境；

利用粒子碰撞检测算法检测粒子是否到达平面，若粒子到达平面，则以p的概率向右移动，(1-p)的概率向左移动，p>0.5；

检测粒子是否到达边界，若到达边界，则向上移动，并在到达上边界后停止产生粒子。