CN107993283B - 用于透明化矿山的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于透明化矿山的构建方法，具体为用于矿山井上下地形地貌、建筑、设备、地层、开采环境、监测监控等数据高度一体化的三维透明化矿山的构建方法，包括：构建全自动模型构建规则库、拓扑关联规则库、动态匹配方法库以及设备模型库；构建基础数据库；构建初始不规则三角网地质模型和三维巷道、设备、开采环境、地表工业广场模型；绘制预想剖面线；平面‑剖面对应分析和动态调整；修改平面，剖面发生变化；修改剖面，平面发生变化；局部更新与重构不规则三角网地质模型等步骤。本发明能够形成包含自适应三维地质模型、设备模型等井上下全环境模型的透明化矿山，设计合理，能够动态局部更新所构建的三维模型，具有良好的推广价值。

Description

用于透明化矿山的构建方法

技术领域

本发明属于三维建模技术领域，具体涉及一种用于透明化矿山的构建方法。

背景技术

在煤矿井工开采过程中，由于开采的地质对象、机械设备、人员等都处于地下，无法直观的了解实际的生产状况。因此，采用透明化矿山的构建，实现井下地质体、设备等信息的可视化三维表达，是煤炭行业对于安全、高效、自动化生产的需求。实现地下对象透明化展示中最关键的两步是建模和可视化过程，其中建模过程是可视化过程的基础。目前三维建模方法很多，针对煤矿层状地质体的三维建模技术中，多采用类似表面模型方法来自动生成三维地质模型，常见的地质体建模方法按照所使用的数据源不同，可分为基于野外数据、剖面数据、钻孔数据、三维地震资料、多源数据等不同的建模方式。

以钻孔数据为例，现有的建模方法流程实现三维地质体建模的基本思路是：

(1)给工作区地层统一编号。

(2)对钻孔中的地层进行划分、编号。

(3)通过提取钻孔中的地层分界点信息，得到属于某一地层面的离散点。

(4)对这些点进行三角剖分，得到三维空间曲面。

(5)将这些曲面进行封闭，并最终生成实体模型。

以剖面数据为例，现有的建模方法流程实现三维地质体建模的基本思路是：

(1)剖面数据准备。包括两部分：利用钻孔自动生成的剖面、地震勘探解译资料、数字化纸质剖面图等可以获取剖面数据；将剖面数据划分组。

(2)地质界面建模。主要有两步：利用上一步保存的地质界线的拓扑关系数据，进行地质界线的追踪搜索，获取归属同一个地质界面的地质界线。对搜索出来的地质界线进行三角剖面，获取由此形成的地质界面。

(3)建模区边界面建模。将边界面投影到某个垂直的二维平面，然后对投影区域进行三角网构建，之后，再将生成的三角网转换到原始位置，获得建模区的边界面。

(4)地质界面修正及光滑。利用曲面细分算法进行地质体模型的加密，提高地质体模型的光滑和可视化效果。

(5)封闭成体。按照地质界面的拓扑和属性信息，能够方便的构建成体。

现有透明矿山模型构建技术主要存在以下缺点：

(1)人机交互复杂，无法全自动构建模型，尤其遇到逆断层时，需要介入人工交互操作才能构建完整的地质模型。

(2)现有方法仅支持地质体模型，没有构建开采过程中所使用的机械设备等的模型，也没有针对井下全环境模型进行自动匹配构建。

(3)没有考虑并接入开采过程中各类设备传感器反馈的实时数据，不能够进一步动态局部更新所构建的地质体模型。

(4)在开采过程中，没有针对地质模型变化与设备位置变化等信息的动态耦合方法。

(5)没有构建地质模型与设备模型之间、设备模型内部的拓扑关联规则库与动态匹配方法库。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种用于透明化矿山的构建方法，以克服了现有技术的不足。

一种用于矿山井上下地形地貌、建筑、设备、地层、开采环境、监测监控等数据高度一体化的三维透明化矿山的构建方法，包括以下几个步骤：

步骤1：构建全自动模型构建规则库、拓扑关联规则库、动态匹配方法库以及设备模型库；

步骤2：构建基础数据库；

步骤3：利用基础数据库构建初始不规则三角网(TIN)地质模型和三维巷道、设备、开采环境、地表工业广场模型；

步骤4：在煤层底板等高线图上任意位置绘制一条或多条预想剖面线；同一屏幕一分为二，屏幕上面部分显示为平面图形，下面部分显示一个或多个预想剖面图形；

步骤5：平面-剖面对应分析和动态调整：对绘制的预想剖面图形，利用地质规律判断是否合理，如果不合理，进行步骤6；如果任意绘制的预想剖面图形都合理，进行步骤8；

步骤6：修改平面，剖面发生变化；修改剖面，平面发生变化；获取修正的模型数据；

步骤7：根据修正的模型数据，局部更新与重构不规则三角网(TIN)地质模型；进行步骤5；

步骤8：地质模型、巷道模型、设备模型、监测监控数据的叠加、集成和三维可视化；

步骤9：自动拓扑关联；

步骤10：煤矿静态和动态监测数据的连接、更新、查询和显示，动态监测数据是否有更新；

A如果没有数据更新，完成透明化矿山模型建立，结束建模；

B如果有相关数据发生变化更新，判断数据类型；

B-1如果是设备数据更新，判断是否会导致矿山模型变化；

B-1-1如果导致矿山模型变化，跳转到步骤7，否则，进行步骤10；

B-1-2如果不导致矿山模型变化，那么进行设备模型更新，同时判断是否会导致关联设备模型变化，如果是，进行关联设备更新；否则，进行步骤10；

B-2如果是地质数据更新，判断是否有导致模型变化的地质数据，如果是，跳转到步骤7。

B-3如果是未定义类型，放弃当前数据，进行步骤10。

优选地，所述全自动模型构建规则库包括：

(1)常规Delaunay三角剖分的规则；

(2)制图区域划分规则，由边界相互封闭的子区域构成；

(3)自动联网搜索范围限定规则，仅在封闭子区域内搜索；

(4)合理性规则，如不能跨越正断层、边界线等；

(5)正负区判断规则，采用右手螺旋定则进行判断区域正负等。

优选地，所述拓扑关联规则库包括：

(1)设备与设备之间的拓扑关联，所述设备与设备之间包括采煤机与支架之间、支架与支架之间、支架与刮板运输机之间、采煤机与刮板运输机之间；

(2)设备与地质体之间的拓扑关联，所述设备与地质体之间包括采煤机与地质体之间、支架与地质体之间、刮板运输机与地质体之间。

优选地，所述动态匹配方法库包括：

(1)支架与采煤机干涉模型；

(2)支架间干涉模型。

优选地，所述设备模型库利用传统建模方法及软件，对矿山所用的采煤机、支架、刮板运输机、掘进机、馈电开关、移动变电站、胶带运输机、破碎机、水泵、喷雾泵、机柜等各类设备进行模型的构建，组成设备模型库，同时，设备模型库支持动态的更新，需根据现场实际情况不断的完善。

优选地，所述步骤3利用基础数据库构建初始不规则三角网(TIN)地质模型和三维巷道、设备、开采环境、地表工业广场模型的构建流程具体如下：

(1)针对原始数据中的边界、正断层、逆断层，分别预处理，赋予相关的属性；

(2)根据地质模型构建需要，确定需要绘制的界面，并划分为不同的制图区域；

(3)按照垂直投影关系，合并不同高程制图区域内的数据点，投影数据点的属性利用克里格插值或距离幂次反比插值进行填充。

(4)依据制图区域划分准则，在任意未处理的绘图区域内，查找其边界上的相邻两点，两点连线作为初始扩展边；

(5)利用传统Delaunay算法规则，同时考虑搜索范围限定及合理性规定，获得当前扩展边的扩展点，构建第一个三角形；

(6)获取构建三角形的三条边，除原始扩展边及绘制边界，剩余边线作为下一步的扩展边；

如果存在扩展边，重复步骤(5)；

如果不存在扩展边，重复步骤(4)，选取未处理的绘制区域继续处理，直至所有区域都处理完，进行步骤(7)；

(7)根据投影关系，将不同高程形成的三角网模型扩展成三棱柱模型，形成初始地质体模型；

(8)依据巷道、硐室等基础数据，构建三维巷道模型。

(9)通过三维巷道模型与初始地质体模型进行差运算，形成具有工作空间的地质模型。

优选地，所述步骤4中绘制预想剖面图形的具体过程为：

用户通过操作，在煤层底板等高线图上任意位置绘制一条或多条预想剖面线，系统通过地质模型的数据，自动计算剖面数据，同时将操作屏幕界面一分为二，屏幕上面部分显示为平面图形，下面部分显示一个或多个预想剖面图形。

优选地，所述步骤6中获取修正的模型数据的具体过程为：

系统通过地质模型的支持能够做到：修改平面，剖面发生变化；修改剖面，平面发生变化；利用地质规律，对预想剖面图形中不符合地质规律的位置加以调整，通过剖面到平面的对应关系，获取地质模型中需要修正的模型数据；

优选地，所述步骤7中局部更新与重构的具体过程为：

针对修正的模型数据、变动的地质数据，通过包含分析、膨胀搜索算法、曲面样条算法、平滑过渡算法等一系列操作，完成对三维地质模型的动态修正，实现初始地质模型的局部更新与重构。

优选地，所述步骤8中地质模型与设备模型叠加的具体方法为：

根据井下实际情况，从设备模型库中选取对应设备模型，利用设备传感平台中的坐标信息，基于动态匹配方法库中的干涉模型，将设备自动匹配到创建的带有工作空间的地质模型中。

优选地，所述步骤9中自动拓扑关联的具体过程为：

基于拓扑关联规则库，计算设备与设备之间、设备与地质体之间等的关系，并进行拓扑运算，实现不同对象之间的紧密联系。

本发明具有的优点在于：

(1)本发明能够形成包含自适应地质模型、设备模型等内容的井下全环境模型，并实现了地质模型与设备模型的拓扑关联；

(2)本发明能够分析利用煤矿开采过程中的实时数据，同时可以在获取到更新数据后，全自动的进行动态局部更新所构建的地质体模型，动态更新关联设备模型数据；

(3)本发明设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的推广价值。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于透明化矿山的构建方法的流程图。

图2为本发明中预想剖面图形的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

本发明提供一种用于矿山井上下地形地貌、建筑、设备、地层、开采环境、监测监控等数据高度一体化的三维透明化矿山的构建方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：构建全自动模型构建规则库、拓扑关联规则库、动态匹配方法库以及设备模型库；优选构建全自动模型构建规则库、拓扑关联规则库、动态匹配方法库以及设备模型库，构建次序不作限定，无先后顺序要求。

所述全自动模型构建规则库包括：

(1)常规Delaunay三角剖分的规则；

(2)制图区域划分规则，由边界相互封闭的子区域构成；

(3)自动联网搜索范围限定规则，仅在封闭子区域内搜索；

(4)合理性规则，如不能跨越正断层、边界线等；

(5)正负区判断规则，采用右手螺旋定则进行判断区域正负等。

所述拓扑关联规则库包括：

(1)设备与设备之间的拓扑关联，所述设备与设备之间包括采煤机与支架之间、支架与支架之间、支架与刮板运输机之间、采煤机与刮板运输机之间等；

(2)设备与地质体之间的拓扑关联，所述设备与地质体之间包括采煤机与地质体之间、支架与地质体之间、刮板运输机与地质体之间等。

所述动态匹配方法库包括：

(1)支架与采煤机干涉模型；

(2)支架间干涉模型等。

所述设备模型库利用传统建模方法及软件(如3DMAX)，对矿山所用的采煤机、支架、刮板运输机、掘进机、馈电开关、移动变电站、胶带运输机、破碎机、水泵、喷雾泵、机柜等各类设备进行模型的构建，组成设备模型库。同时，设备模型库支持动态的更新，现场应用过程中，用户可以根据需要构建新的设备模型，填充到设备模型库中进行完善。

步骤2：构建基础数据库，包括地质勘探线剖面图、煤层顶底板等值线图、钻孔、巷道、采空、积水、异常区、陷落柱、断层等。

步骤3：利用基础数据构建初始不规则三角网(TIN)地质模型和三维巷道、设备、开采环境、地表工业广场模型；

该步骤首先对基础数据进行预处理，然后利用全自动模型构建规则库，实现地质模型的全自动构建，构建流程具体如下：

(1)针对基础数据中的边界、正断层、逆断层等，分别预处理，赋予相关的属性，比如逆断层的上盘点、下盘点、拐点等；

(2)根据地质模型构建需要，确定需要绘制的界面，并划分为不同的制图区域；

(3)按照垂直投影关系，合并不同高程制图区域内的数据点，投影数据点的属性利用克里格插值或距离幂次反比插值进行填充。

(4)依据制图区域划分准则，在任意未处理的绘图区域内，查找其边界上的相邻两点，两点连线作为初始扩展边；

(5)利用传统Delaunay算法规则，同时考虑搜索范围限定及合理性规定，获得当前扩展边的扩展点，构建第一个三角形；

(6)获取构建三角形的三条边，除原始扩展边及绘制边界，剩余边线作为下一步的扩展边；

如果存在扩展边，重复步骤(5)；

如果不存在扩展边，重复步骤(4)，选取未处理的绘制区域继续处理，直至若所有区域都处理完，进行步骤(7)；

(7)根据投影关系，将不同高程形成的三角网模型扩展成三棱柱模型，形成初始地质体模型。

(8)依据巷道、硐室等基础数据，构建三维巷道模型。

(9)通过三维巷道模型与初始地质体模型进行差运算，形成具有工作空间的地质模型。

步骤4：在煤层底板等高线图上，地质模型范围内任意位置，绘制一条或多条预想剖面线，绘制条数不作限定。系统通过地质模型的数据，自动计算剖面数据，同时将操作屏幕界面一分为二，屏幕上面部分显示为平面图形，下面部分显示一个或多个预想剖面图形，如图2所示。

步骤5：平面-剖面对应分析和动态调整；

对绘制的预想剖面图形，利用地质规律(诸如参考《中国重要矿产和区域成矿规律》、《成矿规律与成矿预测》等，不作限定)判断是否合理：

如果不合理，进行步骤6；

如果合理，进行步骤8。

步骤6：修改平面，剖面发生变化；修改剖面，平面发生变化；获取修正的模型数据；

系统基于地质模型实现了平面图形与剖面图形的关联，修改平面(或剖面)时，对应的剖面(或平面)会发生变化。因此，利用地质规律，对预想剖面图形中不符合地质规律数据点的属性和高程加以调整，如高程的增加或者降低等，通过剖面到平面的对应关系，可以获取地质模型中需要修正的模型数据。

步骤7：根据修正的模型数据，局部更新与重构不规则三角网(TIN)地质模型；

针对修正的地质模型数据、变动的地质数据等，通过包含分析、膨胀搜索算法、曲面样条算法、平滑过渡算法等一系列操作，并根据全自动模型构建规则库，完成对三维地质模型的动态修正，实现对步骤5中初始不规则三角网(TIN)地质模型的局部更新与重构。

步骤8：地质模型、巷道模型、设备模型、监测监控数据等的叠加、集成和三维可视化；

根据井下实际情况，从设备模型库中选取对应设备模型，利用设备传感平台中的坐标信息，基于动态匹配方法库中的干涉模型，将设备自动匹配到创建的带有工作空间的地质模型中；基于监测监控数据的来源信息，将其自动映射到对应的模型之上，实现数据的关联；最终实现数据、模型的叠加、集成和三维可视化。

步骤9：自动拓扑关联；

基于拓扑关联规则库，计算设备与设备之间、设备与地质体之间的关系，并进行拓扑运算，实现不同对象之间的紧密联系(即数据更新时，有关联数据会导致关联更新)。

步骤10：煤矿静态和动态监测数据的连接、更新、查询和显示，动态监测数据是否有更新；

利用矿山传感网平台数据，动态监测其中是否有相关的数据(该数据有可能是模型，也有可能是属性)发生变化更新；

A如果没有数据更新，完成透明化矿山模型建立，结束建模；

B如果有相关数据发生变化更新，判断数据类型；

B-1如果是设备数据更新，判断是否会导致矿山模型变化；

B-1-1如果导致矿山模型变化，跳转到步骤7，否则，进行步骤10；

B-1-2如果不导致矿山模型变化，那么进行设备模型更新，同时判断是否会导致关联设备模型变化，如果是，进行关联设备更新；否则，进行步骤10；

B-2如果是地质数据更新，判断是否有导致模型变化的地质数据，如果是，跳转到步骤7。

B-3如果是未定义类型，放弃当前数据，进行步骤10。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (6)

1.一种用于矿山井上下地形地貌、建筑、设备、地层、监测监控数据高度一体化的三维透明化矿山的构建方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1：构建全自动模型构建规则库、拓扑关联规则库、动态匹配方法库以及设备模型库；

步骤2：构建基础数据库；

步骤3：利用基础数据库构建初始不规则三角网地质模型和三维巷道、设备、地表工业广场模型；

步骤4：在煤层底板等高线图上，任意位置绘制一条或多条预想剖面线；同一屏幕一分为二，屏幕上面部分显示为平面图形，下面部分显示一个或多个预想剖面图形；

步骤5：平面-剖面对应分析和动态调整：对绘制的预想剖面图形，利用地质规律判断是否合理，如果不合理，进行步骤6；如果任意绘制的预想剖面图形都合理，进行步骤8；

步骤6：修改平面，剖面发生变化；修改剖面，平面发生变化；获取修正的模型数据；

步骤7：根据修正的模型数据，局部更新与重构不规则三角网地质模型；进行步骤5；

步骤8：地质模型、巷道模型、设备模型、监测监控数据的叠加、集成和三维可视化；

步骤9：自动拓扑关联；

步骤10：煤矿静态和动态监测数据的连接、更新、查询和显示，动态监测数据是否有更新；

A如果没有数据更新，完成透明化矿山模型建立，结束建模；

B如果有相关数据发生变化更新，判断数据类型；

B-1如果是设备数据更新，判断是否会导致矿山模型变化；

B-1-1如果导致矿山模型变化，跳转到步骤7，否则，进行步骤10；

B-1-2如果不导致矿山模型变化，那么进行设备模型更新，同时判断是否会导致关联设备模型变化，如果是，进行关联设备更新；否则，进行步骤10；

B-2如果是地质数据更新，判断是否有导致模型变化的地质数据，如果是，跳转到步骤7；

B-3如果是未定义类型，放弃当前数据，进行步骤10；

所述全自动模型构建规则库包括：

(1)常规Delaunay三角剖分的规则；

(2)制图区域划分规则，由边界相互封闭的子区域构成；

(3)自动联网搜索范围限定规则，仅在封闭子区域内搜索；

(4)合理性规则，包括不能跨越正断层、边界线；

(5)正负区判断规则，采用右手螺旋定则判断区域正负；

所述拓扑关联规则库包括：

(1)设备与设备之间的拓扑关联，所述设备与设备之间包括采煤机与支架之间、支架与支架之间、支架与刮板运输机之间、采煤机与刮板运输机之间；

(2)设备与地质体之间的拓扑关联，所述设备与地质体之间包括采煤机与地质体之间、支架与地质体之间、刮板运输机与地质体之间；

所述动态匹配方法库包括：

(1)支架与采煤机干涉模型；

(2)支架间干涉模型；

所述步骤8中地质模型与设备模型的叠加的具体方法为：

根据井下实际情况，从设备模型库中选取对应设备模型，利用设备传感平台中的坐标信息，基于动态匹配方法库中的干涉模型，将设备自动匹配到创建的带有工作空间的地质模型中；

所述步骤9中自动拓扑关联的具体过程为：

基于拓扑关联规则库，计算设备与设备之间、设备与地质体之间的关系，并进行拓扑运算，实现不同对象之间的紧密联系。

2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述设备模型库利用传统建模方法及软件，对矿山所用的采煤机、支架、刮板运输机、掘进机、馈电开关、移动变电站、胶带运输机、破碎机、水泵、喷雾泵、机柜进行模型的构建，组成设备模型库，同时，设备模型库支持动态的更新，需根据现场实际情况不断的完善。

3.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述步骤3利用基础数据库构建不规则三角网地质模型和三维巷道、设备、地表工业广场模型的构建流程具体如下：

(1)针对原始数据中的边界、正断层、逆断层，分别预处理，赋予相关的属性；

(2)根据地质模型构建需要，确定需要绘制的界面，并划分为不同的制图区域；

(3)按照垂直投影关系，合并不同高程制图区域内的数据点，投影数据点的属性利用克里格插值或距离幂次反比插值进行填充；

(4)依据制图区域划分准则，在任意未处理的绘图区域内，查找其边界上的相邻两点，两点连线作为初始扩展边；

(5)利用传统Delaunay算法规则，同时考虑搜索范围限定及合理性规定，获得当前扩展边的扩展点，构建第一个三角形；

(6)获取构建三角形的三条边，除原始扩展边及绘制边界，剩余边线作为下一步的扩展边；

如果存在扩展边，重复步骤(5)；

如果不存在扩展边，重复步骤(4)，选取未处理的绘制区域继续处理，直至若所有区域都处理完，进行步骤(7)；

(7)根据投影关系，将不同高程形成的三角网模型扩展成三棱柱模型，形成初始地质体模型；

(8)依据巷道、硐室基础数据，构建巷道模型；

(9)通过巷道模型与初始地质体模型进行差运算，形成具有工作空间的地质模型。

4.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述步骤4中绘制预想剖面图形的具体过程为：

用户通过操作，在煤层底板等高线图上任意位置绘制一条或多条预想剖面线，系统通过地质模型的数据，自动计算剖面数据，同时将操作屏幕界面一分为二，屏幕上面部分显示为平面图形，下面部分显示一个或多个预想剖面图形。

5.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述步骤6中获取修正的模型数据的具体过程为：

系统通过地质模型的支持能够做到：修改平面，剖面发生变化，修改剖面，平面发生变化；利用地质规律，对预想剖面图形中不符合地质规律的位置加以调整，通过剖面到平面的对应关系，获取地质模型中需要修正的模型数据。

6.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述步骤7中局部更新与重构的具体过程为：

针对修正的模型数据、变动的地质数据，通过包含分析、膨胀搜索算法、曲面样条算法、平滑过渡算法，完成对三维地质模型的动态修正，实现初始地质模型的局部更新与重构。