矿井通风三维仿真系统设计与实现.pdf

马斌，李仲学，李翠平，等矿井通风三维仿真系统设计与实现2010,31 1199 0引言 矿井通风系统是一个由通风网路、 通风动力和通风控制 设施构成的复杂的立体结构， 它与井下各作业地点相联系， 为 矿井各用风地点输送足够数量的新鲜空气， 稀释有毒有害气 体和排除矿尘， 以确保矿井安全和保持良好的工作环境。由 于通风系统的管理在矿井安全方面具有重要地位， 所以一直 以来对于矿井通风系统的管理尤其是在通风系统的仿真方面 倍受国内外专家和技术人员的关注， 辽宁工程技术大学 [1]、 西 安科技大学 [2-4]、 太原理工大学[5]及贵州大学[6]等许多高等院校 均进行了矿井通风仿真系统建立及其应用的研究， 同时， 开发 了一批以 VENDIS、 Ventilation Design 及 Mine FireSimulator 等 系统为代表的专业通风仿真软件。 这些软件在实际的矿山应用中均取得了较好效果， 但这 些系统多采用二维平面通风系统图的形式进行表达，需要专 业人员通过与井巷工程等信息结合才能在脑中建立通风系统 的三维空间模型，这对其他人员来说是具有一定难度的；另 外， 这些系统的实现多是建立在 C/S 模式的基础上， 这就使大 多数人只能通过专业技术人员在个人计算机上安装相应的通 风软件进行浏览， 致使矿井数据安全性较差， 且系统维护与升 级较难进行。 同时， 随着网络技术的飞速发展， 各种 Web 应用已能够 为影音数据流得传输、 海量数据得挖掘、 远程实时得监测、 预 警及控制等提供很好得支持和服务 [7-8]。因此，研究基于 B/S 结构的矿井通风三维可视化仿真系统的设计与实现正在成为 研究通风系统仿真的前沿之一， 同时通风三维可视化仿真系 统的建立对建设数字化矿山和指导矿山安全生产具有重要的 指导意义。 收稿日期2009-02-18；修订日期2009-10-21。 基金项目国家自然科学基金项目 50604003；国家“十一五”科技支撑计划重点基金项目 2006BAK04B04；教育部高等学校博士学科点专 项科研基金项目 20060008005 。 作者简介马斌 1979－，男，河南郑州人，博士研究生，研究方向为系统仿真； 李仲学 1957－，博士，教授，研究方向为系统建模、仿真 及可视化； 李翠平 1974－，博士，副教授，研究方向为系统建模、仿真及可视化； 李鑫 1984－，博士研究生，研究方向为系统仿真； 周 耀东 1983－，博士研究生，研究方向为系统仿真。E-mailma.bin 矿井通风三维仿真系统设计与实现 马斌， 李仲学， 李翠平， 李鑫， 周耀东 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 摘要 为了保障地下矿山工作人员的安全， 服务于矿山实际生产的需要， 在数据处理和系统界定的基础上研究了矿井通 风原理， 并建立了通风网路、 通风动力和通风控制设施等通风系统模型。结合计算机仿真和计算机网络技术， 提出了一套基 于网络的三维可视化仿真技术体系，设计并实现了以 B/S 结构为平台的矿井通风网络三维可视化仿真系统。并以某地下矿 山为实例进行了通风系统建模与仿真的验证，结果能够反映矿山井巷工程的三维空间位置及拓扑关系，符合矿山通风系统 正常运行状况， 可为通风系统的计算机辅助设计及采矿计划的制定提供参考。 关键词 矿井;通风系统;建模仿真;浏览器和服务器结构;可视化 中图法分类号 TP391.9文献标识码 A文章编号 1000-7024 2010 01-0199-04 Design and implementation for 3D ventilation system visualization of mine MA Bin,LI Zhong-xue,LI Cui-ping,LI Xin,ZHOU Yao-dong State Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety Metal Mines of Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China AbstractTo protect the safety of staff and meet the needs of actual production of underground mines,a ventilation system model including network of ventilation model, power of ventilation model and control of the ventilation facilities model is established after re- searching on the principles of mine ventilation based on data processing and systematic definition. A framework of web-based 3D visual simulation technology is proposed by using computer simulation and computer network technology. Based on this framework, a mine ventilation network of 3D simulation system is designed and implemented.With an underground mine as example,the results of the ventilation system modeling and simulate reflect the actual situation and topology relationship of the mine shaft, meet to the mine venti- lation system of operation and provide reference for mining computer-aided design and plan. Key wordsmine; ventilation system; modeling and simulate; B/S; visual 开发与应用 计算机工程与设计Computer Engineering and Design 2002010,31 1计算机工程与设计 Computer Engineering and Design 1系统预处理 1.1数据处理 在矿井通风系统三维仿真建模过程中，尽管通风网路的 空间位置及相互关系等数据大多来自于井巷工程信息，但通 风系统具有自己的许多特有属性如风压、 风速及风量等， 而 这些属性的数值需要在巷道原有数据的基础上，进行进一步 的采集、 整理与分析， 从而将各种不同来源的数据处理为符合 仿真所需要的数字信息。就矿井通风仿真系统的模型来说， 数据处理主要包括如下 3 个方面 1确定矿井通风系统的仿真对象涉及范围， 并简化通风 网络拓扑结构。 2设定通风巷道、 通风控制设施及通风动力等各对象的 相关属性， 如通风网路中各条巷道的风阻、 风速、 风量及风压 等， 风门的位置、 状态等， 风机的额定功率、 计算其特征曲线 方程等。 3建立巷道、 风门、 风窗、 风机的编号系统， 其中， 巷道采 用巷道类型、 矿体编号、 中段编号、 水平编号、 顺序号等属性组 合构成编号，编码方式如表 1 所示，例如编号 0129000100005 表示 1 号矿体 290 中段第一水平的第 5 条水平直形巷道。 1.2系统界定 在实际矿山生产过程中， 由于任何一个矿井通风系统均 是一个由多因素影响的、与多变量相关的、多层面的复杂系 统，所以要形成一个描述通风系统运行状况的仿真模型就需 要对实际的通风系统进行适当的简化和规范。在此，结合矿 山实际通风系统的特点，基于下面 4 点假设对通风系统模型 的边界进行了界定。 1假定对于每条直巷道中的风流方向惟一、 匀速， 风流各 向均质， 而对于弧形巷道则将其划分为多条直巷道， 每条直巷 道满足以上假设。 2假定巷道连接处无能量、 物质损失， 流入该连接处的各 巷道风流按风量比例均匀混合后，完全、无变化的流出该连 接， 且每个连接处流到各巷道的风流中各物质组分相同。 3假定在通风系统内无能量损失、 风流泄露， 满足风量平 衡定律、 风压平衡定律和通风阻力定律， 且没有独头巷道的存在。 4假定风门、 风窗等控制设备仅有开启和闭合两个状态。 2通风系统三维仿真建模 2.1系统建模 依据对系统仿真模型的系统边界界定结果，矿井通风仿 真系统模型主要包括通风井巷模型、 风机模型、 风门模型和通 风网络模型等几类。其中， 各系统模型的建立、 算法及数据结 构的设计如下。 1通风井巷模型 通风巷道模型是通风网络中基础模型 之一，也是通风系统仿真的主要对象。在对三维空间位置的 表达上， 通风井巷模型与原井巷工程模型基本相同， 但作为通 风系统的一部分， 它还具有断面面积影响参数、 巷道体积、 风 阻系数、 风流方向等通风属性； 在这些属性中， 对于直巷道， 其 风流方向是一个矢量值，它可由风流所在巷道的起点三维坐 标与终点三维坐标计算得出， 巷道体积可由巷道长度和断面面 积直接求出； 对于弧形巷道则需划分为多条直巷道进行计算。 2风机模型 风机模型包括扇风机的编号、 种类、 额定功 率、 风压、 风量、 所在巷道编号、 是否运转等属性， 并采用二项 式 123 2拟合扇风机曲线。 3风门模型 风门模型包括风门位置、 所在巷道及开关状 态等属性， 以影响通风系统的风流方向。 4通风网络模型 通风网络模型是一种具有三维空间关 系的复杂拓扑结构， 可以通过三维矢量图的形式进行描述。 其 中， 通风网络中的巷道可视作图中的各条边， 巷道关键点作为 图中的各顶点， 同时， 风流的方向可认为是图中各边的矢量方 向， 风阻、 风压、 风速等均可视作图中各边的权值或系数， 故通 风网络模型的建立和分析的过程，即是通风网络图的建立和 分析的过程。在此，分别以通风巷道即边为核心建立了通风 网络巷道关系模型和以各关键点为基础建立了通风网络节点 模型， 来建立和分析通风系统的网络拓扑关系。 通风网络巷道关系模型通风网络巷道关系模型主要 以每条巷道为基本数据结构， 与其它巷道进行相邻、 连通等拓 扑关系分析。 其模型建立过程为 首先， 根据井巷模型建立包 括风阻、 风压、 风量等属性的通风井巷模型； 其次， 按巷道中的 实际风流方向确定各条通风巷道的起点和终点，将每条巷道 矢量化即确定各边的方向； 然后， 遍历各条巷道建立每条巷 道的相邻接巷道集合，并将该集合中的巷道按起点相邻方式 和终点相邻方式进行划分， 形成两个子相邻巷道集合； 最后， 根据各条巷道的相邻巷道集合，以数组形式建立通风网络巷 道关系模型，为进一步分析该通风网络的连通性和各巷道风 流之间的影响程度做准备。 通风网络节点模型通风网络节点模型主要是在通风 网络巷道关系模型的基础上，以各巷道的关键点作为基本数 据结构，分析与该节点相连接的巷道通风状况。其模型建立 过程为 首先， 根据通风网络巷道关系模型中巷道的起点、 终 点提取通风网络中所包含的所有关键点， 建立关键点模型； 然 后， 遍历每个关键点， 建立与该关键点相连接的巷道集合， 并 按照风流方向划分为进风巷道子集合和出风巷道子集合；最 后， 按照各巷道流入节点的风量， 定量计算在该点均匀混合后 所形成的风流组成成分，并以数组方式为主建立通风网络节 点模型。 2.2模型解算 虽然各种仿真模型的建立和实现可以真实地模拟矿山通 风系统的布置状况， 但是为了系统、 全面的认知通风系统运行 情况，还需要对各巷道进行通风数值的模拟。这就需要对所 建立的通风网络模型进行数值的解算。目前，通风网络解算 算法已相当成熟， 因为 Scott-Hensley 算法 [9]具有收敛速度快、 表 1通风系统巷道编码方式 起始位置长度说明示例 1 2 3-5 6-8 9 10-13 1 1 3 3 1 4 巷道类型 矿体编号 中段编号 水平编号 巷道形态 顺序编号 0-平巷； 1-斜坡道； 2-井筒； ⋯ 1-1 号矿体； 2-2 号矿体； ⋯ 290-290 中段； 210-210 中段； ⋯ 001-001 水平； 002-002 水平； ⋯ 0-直巷； 1-曲巷或 0-竖井； 1-斜井 0001-9999 马斌，李仲学，李翠平，等矿井通风三维仿真系统设计与实现2010,31 1201 利于计算机编程实现等特点，故在此系统中采用该算法进行 模型的解算， 其步骤如下 1参数输入， 将巷道通风参数、 风机参数、 风门参数输入 系统中的通风网络模型、 风机模型、 风门模型。 2预处理， 对通风网络中各分支按风阻从大到小排列， 并 对固定风量分支，扇风机分支进行标注；选取风阻最小的分 支， 以PRIM算法建立最小生成树， 确定组成回路的基本分支； 以基本分支为基础构造独立回路。 3 迭代解算， 以独立回路为单位按 Scott-Hensley 算法进 行迭代其中固定风量分支不参与迭代， 直到在规定的迭代次 数内全部独立回路达到预定精度为止。 3通风仿真系统设计与实现 基于前述所建立的通风系统模型， 对于通风系统三维仿 真系统的设计主要包括基于 B/S 模式的仿真技术体系的设计 和通风系统数据库的设计。 3.1基于 B/S 的仿真技术体系设计 3.1.1基于 Java 的仿真技术 1基于 Java 的网络可视化技术。目前， 基于 Java 语言的 三维图形库有很多， 其中最具代表性的是JOGL技术和Java3D 技术。JOGL 图形库是建立在 OpenGL 技术基础上的， 是第一 个被认可的 Java 对 OpenGL 的绑定。它同时得到了 Java 创建 者 SUN 公司和 OpenGL 创建者 SGI 公司的共同支持。较之 Java3D 技术， JOGL 技术能直接获得图形硬件的支持， 从而具 有更强大的 3D 图形绘制功能。 2 基于 Java 的人机交互技术。在基于 Java 运行环境的 人机交互技术， 主要是由嵌入于网页的Applet程序实现的。 首 先， 在网页中加载用以响应用户活动的 Applet 程序； 然后， 通 过 Java 运行环境获取鼠标、 键盘等事件， 传递给 Applet 程序； 最后， 由 Applet 程序响应系统消息， 实现三维图形的旋转、 平 移和缩放等功能。 3.1.2系统仿真技术体系设计 基于J2EE定义的服务和规范， 将系统技术框架分为客户 层、 中间层Web层、 业务层和数据层， 实现了通风仿真系统的 核心功能、 模型管理和数据存储等功能 [10]。 1在客户层中， 以 JRE和 JVM 作为客户层 Applet 组件的 容器和 Java 运行环境， 接受系统消息； 以 JOGL 图形库作为三 维图形展现的工具， 利用三维空间的线、 面、 体等形状及其组 合来表达风流方向、 通风巷道及通风控制系统等模型； 以 Ap- plet 程序作为仿真系统的载体， 利用 AWT、 Swing 等控件来响 应键盘、 鼠标和其它外设的事件。 2在中间层中， 采用 JSP、 Struts、 JavaBean 技术组合实现 逻辑处理和模型的建立。在此，以 JSP 技术作为应用系统基 本展示平台， 用动态生成的Web页面来发布和查询业务数据； 以 Struts 作为系统逻辑处理手段， 用 XML 技术进行文件的配 置和访问的控制； 以JavaBean作为业务模型， 用面向对象技术 中的类来表示各种通风模型。 3在数据层中， 以数据库的概念层和物理层设计为核心， 采用空间数据库和关系型数据库相结合的方式，进行通风系 统数据库的设计。 3.2通风系统数据库设计 3.2.1通风系统数据库设计 通风系统数据库主要包括井巷工程表、 巷道关键点表、 通 风网络参数表、 风机表、 风机巷道关联表以及风门情况表。 1井巷工程表， 主要包括巷道编号、 巷道名称、 巷道类型、 所属水平、 所属矿区、 巷道开始点、 巷道结束点、 巷道断面类型 和巷道长度等属性。 2通风网络参数表， 主要包括巷道编号、 风阻、 墙壁类型、 墙壁影响因子、 起点处风压、 终点处风压、 风速、 风量和断面面 积等属性。 3风机表， 主要包括风机编号、 风机名称、 压力参数、 风 量参数和额定功率等。 4风机巷道关联表， 主要包括巷道编号、 风机编号、 风压、 风量、 特征参数和运行状态等属性。 5风门情况表， 主要包括风门编号、 风门所在巷道、 风门 状态等属性。 6关键点表， 主要包括各关键点编号和空间三维坐标等 属性。 3.2.2数据库接口设计 在对通风系统数据的管理、 压缩、 存储和备份进行接口方 面， 通风仿真系统采用了基于 Java 的数据库连接技术。 目前， 基于 Java 的数据库连接技术中主要包括两种一是用 JDBC- ODBC 桥来连接，二是用数据库厂商提供的相应驱动程序来 连接。在实际应用中， 系统存在海量数据吞吐、 大规模数值运 算等因素， 致使对数据库读写速度有较高要求， 故采用第 2 种 方法进行数据库操作， 可以收到较好的效果。 3.3通风系统仿真过程系统实现 1通风模型类设计 基于通风模型和通风数据表设计， 分 别建立风巷类、 风网类、 风机类、 风门类等。 其中， 风巷类包括 巷道编号、 巷道名称、 巷道开始位置、 巷道结束位置、 巷道断面 面积、 巷道长度、 风阻类型、 传播类型、 墙壁类型、 墙壁影响因 子、 传播影响因子、 巷道风阻力、 绝对风压、 起点风压、 终点风 压、 风速、 风量等属性； 风网类包括关键节点编号、 巷道集合、 关键点集合、 独立回路集合、 最小生成树集合等属性； 风机类 包括风机编号、 额定功率、 风压、 风量、 特征参数、 所在巷道等 属性； 风门类包括风门编号、 风门所在巷道、 风门状态等属性。 2通风系统仿真 通风系统仿真包括通风巷道仿真和通 风网络仿真两个部分。 通风巷道仿真与井巷工程各种巷道可视化的过程基本类 似， 采用始点、 终点和断面的描述方式进行仿真， 其过程为 首 先， 计算巷道的各关键点空间坐标， 形成巷道模型； 然后， 调用 JOGL 类库中面绘制函数， 绘制三维空间中巷道各侧面， 以形 成闭合的巷道实体， 从而完成通风巷道仿真。 通风网络仿真主要针对通风网络的拓扑结构、 风流方向 以及风压等主要属性进行仿真。其仿真过程为 首先， 在通风 系统模型建立的基础上， 分析通风网络拓扑结构模型， 建立通 风系统密切相关的风速、 风流、 风压、 风阻等数据结构； 再在客 户层中， 调用JOGL类库中的线、 点绘制函数， 以线段的形式来 展示通风网络的各边的情况， 以点的形式展示其各边的顶点， 以圆锥的形式在各边注释风向， 从而完成通风网络的仿真。 2022010,31 1计算机工程与设计 Computer Engineering and Design 3.4应用实例研究 本应用采用J2EE平台构建了基于B/S结构的矿井通风三 维仿真系统，并以一地下金矿为实例对其通风系统进行实例 研究， 该矿中央布置生产主井 1 号井和副井 2 号井， 采用压入 式通风； 两翼布置南风井和北风井， 采用抽出式通风， 主要风 机 2 个， 风门 1 个。在对该矿仿真过程中， 主要采集了 6 个中 段的水平运输大巷、 1 号井、 2 号井、 南风井、 、 斜坡道和溜井等 井巷工程，以及风机和风门的通风参数数据。经过预处理和 分析， 建立了相应的通风网络模型、 风机模型和风门模型等； 并在此基础上， 通过设定巷道相关参数， 求解通风网络各巷道 风量； 进而， 以点绘制、 线绘制、 面绘制、 体绘制等方法进行关 键点、 导向线、 风流方向、 井巷等的三维绘制； 同时， 在 Applet 中， 通过添加对鼠标、 键盘等事件的响应处理， 实现了旋转、 缩 放、 平移等操作。图 1 为某金矿通风巷道三维仿真效果， 图 2 为某金矿通风网络三维仿真效果。 4结束语 在本文提出的系统技术体系下，进行了矿井通风网络三 维仿真系统的设计，实现了基于 B/S 模式的矿井通风三维仿 真系统。经实例验证，三维可视化仿真效果基本能够反映矿 山的实际情况，满足矿山井巷工程实际三维空间位置及拓扑 关系， 符合矿山通风系统正常运行状况。 同时， 在实际矿山生 产过程中，工程技术人员可通过 IE 等浏览器， 远程查看通风 系统状态，并基于人机交互技术实现对矿山通风系统的属性 拾取、 位置查询， 以及对通风巷道三维实体的平移、 缩放、 旋转 和光照等处理， 从而增强了人们对通风系统三维空间状态的认 知能力， 为实现矿井通风系统的计算机设计提供了辅助手段。 参考文献 [1]倪景峰.矿井通风系统可视化程序设计原理[J].辽宁工程技术 大学学报,2003,224527-529. 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