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构建矿井通风可视化仿真系统的关键问题研究 魏连江, 王德明 , 王 琪, 葛 鹏 中国矿业大学 能源与安全工程学院, 江苏 徐州 221008 摘 要 近几年来矿井通风安全管理系统在国内成为研究的热点, 而且已经取得了非常重要的成 就, 但是在构建矿井通风可视化仿真系统方面还有一些关键问题和技术需要解决和完善。本文 分析了矿井通风安全管理系统的开发现状、 趋势, 并对构建矿井通风可视化仿真系统的关键问题 进行了分析与研究, 并给出了相应的解决办法, 这对于构建矿井通风可视化仿真系统或改进现有 矿井通风管理系统具有一定的促进作用和参考价值。 关键词 构建; 矿井通风; 可视化; 仿真; 关键问题 中图分类号 TD724 文献标识码 A 文章编号 1003- 496X 2007 07- 0006- 04 Study on So m eKey Issues of Constructing VisualM ine Ventilation Si mulation System WEI L ian- jiang , WANG De- M ing , WANG Q , i GE Peng School of M ineral and Safety Engineering, China University ofM ining and Technology, Xuzhou 221008, China Abstract In recent years,the study on m ine ventilation and safety manage ment system had attracted much attention of experts and scholars and also already got some very i mportant achieve ments , but still so me key issues or technologies on developing the visualm ine ventilation si mulation system VMVSS should be solved or i mproved. This paper analyzed the present condition,trend of the VMVSS and then did some analysis and study on the key issues .Solutionswere presented to the key issueswhich w ill promote or provide the valuable reference for constructing theVMVSS and i mproving currentm ine ventilation and safety manage ment syste m. K ey words construct ; m ine ventilation;visualization;si mulation ;key issues 基金项目 国家自然科学基金资助项目 50604014 1 概 述 近年来, 矿井通风安全管理一直都是国内外矿 井火灾专家和计算机图形图像处理专家关注的焦 点。在国外, 美国开发的 Ventilation Design能够支 持交互式设计和三维显示。在国内, 中国矿业大学 于 1993年推出了矿井火灾救灾决策支持系统, 可以 实现矿井通风系统图计算机辅助绘制、 矿井火灾模 拟、 k条最佳救灾与避灾路线的选择、 火灾时期风流 控制的决策, 随后又推出了基于网络的煤矿通风安 全管理信息系统 [ 1]; 山东科技大学于 1999年研制出 了 矿井灾变处理系统 , 可以二维图形方式显示矿 井火灾情况下最佳避灾路线; 辽宁工程技术大学研 制了矿井通风仿真系统, 利用数值仿真等技术可以 科学、 准确地分析通风系统存在的问题, 并找出解决 问题的最优方案。 由上述分析可见在国内外矿井通风安全管理系 统研究取得了重要成果, 甚至有的已经形成产品, 应 用于实际生产, 但成熟完善的产品很少。纵观目前 的矿井通风安全管理系统, 多是从不同研究方向不 同程度上开发的, 系统功能不够完善, 许多关键问题 没有解决好, 主要存在以下问题 开发人员流动频 繁, 系统可持续开发的难度大, 图形操作和空间分 析功能弱, 空间数据与属性数据的录入效率低, 数 据重复录入现象严重, 生成通风网络图和通风立体 图的自动程度低, 数据和常用 CAD及 GIS数据格 式的数据共享程度低, 坐标投影体系不够完善, 很 难进行精确的空间分析。 矿井通风可视化仿真系统未来的发展趋势主要 有 真三维可视化支持 [ 2], 以二维、 三维或动画形式 模拟通风、 瓦斯相关参数的空间动态变化, 强大的空 间分析功能, 强大的网络功能以及专家智能决策支 持功能等等。 为了更有效促进矿井通风安全管理工作的信息 化快速发展, 本文分析和研究了矿井通风可视化仿 真系统的系统目标和构建过程中的关键问题, 并给 出了相应的解决办法。 6 煤 矿 安 全Total392 试验研究 2 系统目标 根据矿井通风可视化仿真系统的国内外研究和 开发现状、 发展趋势以及用户实际需求 确定系统要 完成的主要目标有 ∀ 矿井通风系统日常管理工作 采用计算机可视化管理, 实现信息管理快速、 高效 化; 系统友好, 运行稳定可靠; ∃ 空间信息和属性 信息一体化管理与存储; 数据共享, 系统能够使用 其它 CAD和 GIS格式的数据, 也能将系统的数据转 出为常用的 CAD及 GIS格式的数据; 购买相关的构件; ∃ 已有 成果的整理打包。 3快速构建系统原型。利用获取的构件, 根 据需求初步快速地构建一个反映用户需求矿井通风 可视化仿真系统的原型, 然后经过对原型系统的反 复试用和改进, 最终建立起完全符合用户需要的系 统。 4基于. NET 的快速原型法与构件技术相结 合的开发模式的优点。与传统的软件开发方法相 比, 基于. NET 的快速原型法与构件技术相结合的 开发模式来开发矿井通风可视化仿真系统, 可操作 性强, 可持续开发能力强, 具有以下优点 ∀ 开发比 较灵活, 易于系统的可持续开发和团队开发; 系统 可用预先编好的、 功能明确的成熟构件, 引入并行工 程思想, 加速软件的开发; ∃ 无需所有的构件都从底 层的基本功能做起, 而以一种强大和灵活的开发手 段来使构件无缝地协同工作在自己的系统中; 可 以快速建立初步反应用户需求的应用系统原型。 3 . 2 矿井通风专业 GIS和 W ebGIS基础开发平台 的研发 矿井通风相关的大量数据多是地下与空间位置 相关并且与大量属性信息密切结合的空间信息, 一 般的 CAD和 GIS平台不能完美地表达矿井通风特 有的点、 线、 面及其相互关系, 如果要有效对矿井通 风系统进行可视化仿真, 必须开发专业的矿井通风 专用的 GIS平台。国内对矿井通风系统可视化方 法, 主要有以下几种方法 对成熟绘图软件如 Auto cad进行二次开发; 在地理信息系统 GIS的开发平 台基础上进行二次开发或利用 GIS控件 如 M a pObject 、 M apX进行二次开发; 从底层进行开发。 利用现有的 CAD二次开发, 很难保证数据和图 形的一致性, 基于现有的 GIS平台或组件的二次开 发对于管理井下实体的空间数据和属性数据不是很 方便, 而且通用 GIS平台的空间分析功能对于矿井 7 试验研究 煤 矿 安 全 2007- 07 通风系统也没有多大意义。目前从底层开发的矿井 通风图形系统功能功能非常有限, 有的仅仅具备图 形的显示功能, 而图形编辑、 空间分析和坐标投影体 系功能非常弱。故矿井通风可视化仿真系统的图形 平台需要从底层开发与矿井通风密切相关的专业的 功能完善的矿井通风专用 GIS和 WebGIS开发平 台, 该系统必须具备图形的显示, 编辑和常用操作及 网络 GIS的部分功能, 还必须具备专业 GIS平台的 一些空间分析和辅助决策功能。从底层开发专业的 矿井通风专用 GIS平台难度比较大, 但是是可行的, 笔者基于. NET框架和 GDI 已初步开发出适合矿 井通风管理系统开发用的功能相对完善的基础 GIS 平台。笔者推荐基于. NET 框架和 GDI 开发矿井 通风基础 GIS平台, 具有开发效率高和运行稳定可 靠等特点。在开发专业的矿井通风 GIS平台的基础 上还必须完成以下几个关键问题 ∀ 矿井通风空间 信息与属性信息的一体化存储管理, 数据共享, 可 以与常用的 CAD和 GIS交换数据, 数据也可以通过 网络共享 如通过 IE浏览器与通风相关的图件, 并 可以查阅相关的信息 。 3 . 3 通风网络拓扑关系的自动建立与维护 通风网络拓扑关系的自动建立与管理是仿真系 统在矿井通风中进行推广应用的关键技术, 是矿井 通风可视化仿真系统的基础, 关系到系统的推广应 用。 传统的做法是人工维护通风网络的拓扑关系, 很难保持系统图和网络图以及拓扑关系之间的一致 性, 而且容易出错, 效率十分低下。因此, 通风网络 拓扑关系的自动建立与管理非常重要, 它可以节省 大量的人力, 大大提高工作效率, 提高数据的一致 性。 通风网络中的巷道都具有始末 2个节点, 节点 是连接巷道关节, 节点与巷道的关联矩阵决定整个 系统的拓扑关系。1条巷道只和 2个节点相关联, 任何 1个节点都不能孤立存在。在系统图中删除 1 个节点, 和其相关联的巷道要被删除。删除巷道时, 要求和其相关联的节点要解除与其关联关系, 如果 解除关联的关系节点成为孤立节点, 节点将被删 除 [ 3]。通风网络拓扑关系的自动建立与维护具体 实现方法如下 1建立矿井通风系统图 可以从 CAD图导 入, 点坐标包括 X、 Y、 Z坐标 。 2打断处理, 遍历所有巷道, 如果 1条巷道与 其他巷道相交 在三维空间里判断是否相交 并且 交点不与该巷道的始末节点重合, 如果该交点处无 风桥则该巷道从交点处分割为 2条巷道, 除了与长 度相关的属性外, 其他所有的巷道特征和属性都可 从原巷道继承。 3遍历所有巷道的始末点, 如果节点集合为 空则往节点集合加入该点并对所加节点进行编号, 否则将该点与集合中所有的节点比较, 如果该点与 集合中所有的节点的距离都不小于 1个规定的距离 1个给定的比较小的正数 , 那么就将该点加入节 点集合并对所加节点进行编号。 4获取所有巷道的首末节点与节点集合中的 节点进行节点匹配处理, 最后所有巷道的首末节点 都获取节点的编号, 即建立了节点和巷道的拓扑关 系。 5同时构筑物和通风动力装置根据其与巷道 的空间位置自动判断它属于哪一条巷道, 即建立了 构筑物和通风动力装置和巷道的拓扑关系。 6生成的通风网络拓扑关系保存 1个文件或 数据库中, 需要的时候可以从文件或数据库中读取, 不需要每次风网解算时都重新生成, 需要强调的是 在通风系统图发生变化时只需要重新生成一次通风 网络的拓扑关系即可。 实践证明, 上述方法可以动态维护通风网络的 拓扑关系。 3 . 4 通风网络解算 通风网络解算, 是通风可视化仿真系统的基础, 必须保证解算效率要高, 可喜的是这个问题经过中 外学者艰辛研究, 网络解算这一难题已解决。解算 方法采用国内外广泛使用的 Scott- H insley方法, 该 方法以图论为基础, 首先需要构造最小树, 然后确定 余数, 选定回路, 最后进行风量迭代计算, 直至满足 一定精度, 具体实现可参照文献 [ 4- 6]。 3 . 5 相关图件的自动生成 1单线井巷图自动转为双线井巷图。手工绘 制双线条巷道比较困难, 为了避免人工绘制双线图 的繁重而机械的劳动, 可以采用一定的算法由单线 通风系统图自动生成双线通风系统图, 具体如何实 现可以参照文献 [ 7- 9]。 2由通风系统图自动生成通风网络图。在一 定的规定下, 研究如何由通风系统图来获得通风网 络结构数据 分支和节点及联系 , 确定各节点的位 置、 分支的形状, 从而生成通风网络曲线图, 具体如 何实现可以参照文献 [ 10]。 3 . 6 通风网络三维仿真 8 煤 矿 安 全Total392 试验研究 矿井通风网络分布于井下三维空间里, 用二维 表达三维的井筒巷道的空间分布, 很难进行通风网 络的可视化仿真。我们可以引入 3D- GIS的理论 和思想来进行矿井通风可视化仿真, 具体的 3D- GIS平台, 我们可以独立自主从底层开发, 也可以利 用已有的商业化 3D- GIS平台。笔者基于国产灵 图公司的 VRMap和匹配线模型技术已成功实现井 下三维井巷的自动生成 [ 11] 人工建模的方式不可 行 , 并且在自动生成的井下三维场景中可以对通 风网络解算的结果进行实时模拟。 4 结论与展望 本文在分析矿井通风安全管理系统的开发现 状、 发展趋势以及系统目标的基础上, 对构建矿井通 风可视化仿真系统关键问题进行了分析与研究, 重 点研究了系统的可持续开发模式、 通风网络拓扑关 系的自动建立与维护以及矿井通风专业 GIS和 W ebGIS基础开发平台的研发等几个关键问题, 并给 出了相应的解决办法, 对于构建矿井通风可视化仿 真系统或对于现有矿井通风管理系统的改进有一定 的促进作用和参考价值。下一步的研究方向是矿井 通风安全信息分析的智能化和专家辅助决策功能的 加强等等。 参考文献 [ 1] 李 刚, 王德明, 周福宝. 基于网络的煤矿通风安全管 理信息系统的开发与设计 [ J]. 能源技术与管理, 2005 . 2. 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