基于MAPGIS-TDE的三维矿井通风系统.pdf

计算机工程应用技术 本栏目责任编辑贾薇薇 Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第5卷第18期2009年6月 基于 MapGIS-TDE 的三维矿井通风系统 崔新友 1,2，唐珊1 （1.中国地质大学 信息工程学院，湖北 武汉430074；2.武汉军械士官学校，湖北 武汉430075） 摘要基于MapGIS-TDE平台开发了一套三维矿井通风系统。 充分利用平台架构和平台功能，数据以图层的方式组织，功能模块以 插件的形式集成，专注于业务功能的开发。 系统具备3D巷道建模、通风网络动态调节、报表自动生成等功能，能够很大程度上减轻 矿井通风人员的工作量，对于提高煤炭企业通风管理信息化水平具有重要意义。 关键词矿井通风；MapGIS-TDE；三维建模；动态调节 中图分类号TP311文献标识码A文章编号1009-3044200918-4867-02 Development of Digital Mine Ventilation System Based on MapGIS-TDE CUI Xin-you1,2,TANG Shan1 1.Faculty of Ination Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;2.Wuhan Ordnance N.C.O Academy, Wuhan 430075, China Abstract MapGIS-TDE-based plat for the development of a set of three-dimensional mine ventilation system. Take full advantage of the plat architecture and plat functionality, data organized in layers, the functional modules in the of plug-in integration, focusing on the development of business functions. System with 3D roadway modeling, dynamic adjustment of the ventilation network, automatically generating of reports and other functions, to a large extent, reduce the workload of mine ventilation, ventilation of coal enter- prises to improve the level of management ination of great significance. Key words mine ventilation; MapGIS-TDE; three-dimensional modeling; dynamic adjustment 煤矿井下作业条件十分艰苦，除了空间狭小，光线不足外，还存在着瓦斯、炮烟和粉尘等有毒有害物质，威胁着煤矿企业的正常 生产和安全生产。 矿井通风是创造矿井正常生产环境和安全条件的基础，也是从技术角度解决这些问题的重要手段，它在整个矿井 建设和生产期间始终占有非常重要的地位。 我们基于MapGIS-TDE平台开发了一套三维矿井通风系统。 该系统具备巷道三维建模、通风网络解算和动态调节、自动报表生 成等功能。 1系统结构 1.1 MapGIS-TDE平台 MapGIS -TDE三维GIS开发平台是中地公司在MapGIS7.0中推出的一套真三维数据处理开发平台， 它采用先进的三维空间 数据模型、构模算法、三维可视化技术及框架插件的软件架构体系，具有良好的框架开放性和功能构件的可动态扩展性。 MapGIS -TDE的组成除了MapGIS核心模块以外，还包括显示平台，数据存储平台以及功能开发框架。 显示平台是TDE的三维 引擎，是用C开发的面向对象的3D图形渲染引擎。 数据存储平台采用全新的面向实体和拓扑的数据组织方式进行数据管理，实 现了多种三维模型数据的一体化存储管理。 支持三维要素的本地存储和网络数据库存储。 功能开发框架是TDE平台的主要二次开 发层，它是在“插件对象”的基础上构建应用系统。 1.2系统结构图 如图1所示， 在MapGIS-TDE的插件层和界面层开发了数据输入插 件、三维建模插件、动态调节、自动报表生成插件等以及两个视图三维视图 和通风解算视图。 各插件和功能模块是对等的关系，它们之间可以通过全局消息的方式 进行信息交互和数据传递，也可以通过TDE数据库进行数据共享，它们都 可以访问和修改TDE数据库的数据。 原始数据由数据输入插件读入并检查 无误后，传送给三维建模插件建立三维模型，三维建模插件把建好的三维模 型和属性数据关联到一起后存入TDE数据库并在三维视图显示。 动态调节 插件从数据库中读取巷道的属性信息后首先通风网络解算，解算的结果一 方面保存回数据库，另一方面在二维视图进行显示，之后可以根据需要对通 风网络进行动态调节。 报表生成插件也能够从数据库读取数据，自动生成 报表。三维基础功能库提供三维交互、灯光管理、材质管理等三维基础功能。 三维分析功能库提供一些基本的空间查询和分析功能。 收稿日期2009-03-28 作者简介崔新友，男，中国地质大学（武汉）硕士研究生，主要研究方向为三维GIS技术与应用工程，虚拟现实技术与应用工程。 图1系统结构图 ISSN 1009-3044 Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术 Vol.5,No.18, June 2009, pp.4867-4868,4881 E-mail kfyj Tel86-551-56909635690964 4867 本栏目责任编辑贾薇薇 计算机工程应用技术 Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第5卷第18期2009年6月 2主要功能介绍 2.1数据输入插件 在数字通风系统中，涉及到的几类对象包括巷道、构筑物、风机、风门、风桥等。 巷道相关的数据包括结点和中心线信息、巷道名 称、岩性、支护方式、断面几何信息、阻力系数以及巷道中所流动的气体的性质，比如空气密度、氧气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等 气体浓度等。 巷道的断面有矩形、半圆形、圆形、梯形、三心拱等形状。 断面以二维坐标点的形式给出，按照逆时针顺序给出横截面二 维坐标，根据建模精度的需要确定给出点的个数。 数据输入插件的主要的功能是进行数据检查和数据预处理。 检查巷道的结点信息和中心线的信息是否对应，以及数据是否越 界、是否匹配等。 如果出现异常的数据，则标识出出错的数据，提示用户修改后重新输入。 如果数据无误，则把用户原始数据转换为 内部使用的数据格式。 2.2三维建模插件 三维建模插件是数据输入插件和TDE数据库之间的桥梁，是系统重要的插件，它主要负责三维构模，并在三维模型上附加相应 的属性信息。 这些属性信息，可用于空间查询和空间分析。 巷道三维模型是系统主要的信息载体，它是可以进入内部漫游的三维模型，巷道内部还要放置风门、调节墙等构筑物，巷道壁 还可用来表达风向、风力大小等信息，所以对模型的精度要求比较高。 巷道建模包括几何建模和纹理建模。 2.2.1巷道几何建模 整个矿区的三维建模分两步首先分别建立每一条巷道的三维模型，然后处理巷道交叉口。 建立单条巷道的三维模型，需要巷道的中心线和断面几何信息。 与文献[2]介绍的方式类似，对巷道进行表面建模，在几何建模 的同时，计算纹理坐标，根据不同的岩性，选择不同纹理的材质。 与文献[2]介绍的管线建模方法不同的是，巷道变断面也要加以处 理。 变断面之间的连接采用剖面连接算法进行处理。 对于巷道交叉口，采用三维模型的布尔运算算法进行处理。 2.2.2巷道纹理建模 为了直观的表达巷道岩性、巷道类型以及风力和风向我们对巷道模型的纹理进行了研究。 纹理的底层用来表达巷道的岩性，比 如煤巷、岩巷、半煤岩等。 然后，在此基础上通过文字标识出巷道的类型，比如进风巷、总进风巷、主要进风巷、采区进风巷等。 最 后，为了直观表达风向和风量，把风力分为几个等级，每个等级采用不同的标志，结合风向箭头标志，采用动态纹理的方式进行纹理 映射。 2.2.3通风构筑物建模 常见的通风构筑物有风门、调节墙、密闭墙、调节风门等。 这些构筑物的三维模型预先使用商业三维建模软件进行建模。 建模插 件根据它们的方位和缩放比例放置它们的位置。 2.3动态调节插件 动态调节插件的主要任务是进行通风网络解算和网络风量调节，它由通风网络解算和通风网络风量调节两个子模块组成。 通 风网络解算，是网络风量调节的基础，解算方法采用国内外广泛使用的Scott-Hinsley方法。 该方法以图论为基础，首先构造巷道风 阻最小树，然后确定余数，选定网络独立回路，拟合风机特性曲线，最后进行风量迭代计算，直至满足一定精度。 通风网络调节采用 回路计算法，动态调节框图可参考[4]。 2.4报表生成插件 报表可看作一种格式化的文本，它的内容由一般样式和数据两部分组成。 样式定义了报表的外观属性包括数据展示的风格及 报表采用的标题、图片等，数据则包括基本数据和衍生数据，它们按照指定的样式进行展示。 在这里我们把样式定义到一个预定义的Excel样表中，该样表中具备了标题、表头等静态数据，其它的数据可以分为数据库查 询结果和计算结果两类。 生成报表时，首先读取样表的预定义的宏信息，对照宏信息查询数据库相关的数据，对这些数据处理后写 到新的报表中去。 报表生成插件能够提供的报表有旬报表、月报表、日报表、风机性能报表等。 2.5三维基础功能库 三维基础功能库主要有灯光管理模块、材质编辑模块、巷道漫游模块、模型编辑模块、三维图层管理模块等。 2.6三维分析功能库 三维分析功能库提供基本的空间查询和空间分析功能。 系统 支持标准的SQL查询语言， 在输入了Select有关的内容和条件 后，系统转化为标准的关系数据库SQL查询语句，由数据库管理 系统执行，查询得到满足条件的空间对象，并根据需要在三维视 图里进行标记。 提供的空间分析功能包括空间测算和空间分析。 3应用 本系统功能开发完成后， 使用峰峰集团羊渠河矿数据进行试 用。 该矿由原来的羊一矿、羊二矿合并而成，其通风系统十分复杂， 矿井日常通风管理难度很大。 由于该系统具备数据检查和巷道自 动建模功能， 系统建模时， 不但能够自动检查原始数据录入的错 误，而且在三维巷道模型建立后能够进行直观的查错和修改， （下转第4881页） 图2通风网络图 4868 计算机工程应用技术 本栏目责任编辑贾薇薇 Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第5卷第18期2009年6月 （上接第4868页） 整个矿区巷道数据录入进展十分顺利。系统配合使用二维和三维视图对数据进行管 理、显示和分析。如图2所示，在二维视图显示的是采用系统通风网络解算结果生成 的通风网络图。如图3所示，三维视图显示的是三维建模插件生成的巷道三维模型。 从实际运行效果来看，该系统的动态调节模块，能够快速准确地给出通风网络调节 方案，报表自动生成模块能够迅速生成各种报表。 4总结 实践表明，基于MapGIS-TDE平台开发能够充分利用平台提供的框架结构和功 能，不必关注三维显示和系统框架的底层细节，能够集中精力开发业务相关的功能，系统开发并行度较高，代码量小。 系统着重研究 了三维建模、动态调节、报表生成几个插件，该系统在使用过程中，能够大大减轻通风管理人员的工作量，提高工作效率。 参考文献 [1]王英敏.矿井通风与安全[M].北京冶金工业出版社,1984186-201. 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