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三维可视化技术在矿井通风节能系统中的应用研究 王军号 安徽理工大学, 安徽 淮南 232001 摘 要 为了运用三维可视化技术来研究矿山通风节能的问题, 分析了矿井通风仿真系统的开发现状、 发展趋势以 及实现目标, 研究了在 VR Map 仿真平台的基础上, 利用. NET 框架, 分别针对 VRMap的数据层、 核心层和应用层进 行二次开发, 构建了矿井通风系统可视化仿真模型, 提高了矿井通风节能的有效管理和信息化水平。 关键词 三维可视化; VRMap; 矿井仿真; 通风节能 中图分类号TD724 文献标识码 A 文章编号 1008- 8725201003- 0195- 03 Application Study of 3D Visualization in System of Energy Conservation of Mine Ventilation WANG Jun- hao Anhui University of Science andTechnology, Huainan 232001, China AbstractTo use 3D visualization technology to study the question of mine ventilation energy conservation, the paper analyzes the present development situation of mine ventilation simulation system, the trend of develop ment aswell as the achievement goal. It is studied that in the foundation of VRMap simulation plat, using .NET frame, the re- development aiming at the data level, the core level and the application layer of VRMap is carried on. The system of mine ventilation visualization simulation model is constructed, enhanced the mine ventilation energy conservation effective management and the infomationization level. Key words 3D visualization; VRMap; mine simulation; ventilated economy energy 0 引言 在煤矿生产中, 通风系统是矿井生产的重要环 节, 其中通风机耗电占全矿井总耗电量的 30 , 甚 至更多, 可见通风节能在整个矿井生产节能中占有 重要地位。但是矿井生产系统又是一个复杂多变的 随机服务系统, 它受矿井地质、 设备、 管理水平等众 多因素的影响, 那么对现有通风系统进一步优化就 是一个比较复杂的系统工程。因此, 采用计算机科 学技术的方法和现代系统工程等知识, 利用三维可 视化技术, 通过研究矿井通风系统三维模型, 科学管 理巷道数据, 利用现代计算方法进行风网解算, 给出 优化的通风网络图和矿井风流路线, 进而快速准确 地分析矿井通风现状, 对矿井通风系统做出科学的 评价, 合理改进风机分布和调节风量, 优化矿井通风 系统, 实现风机与风网的最佳匹配, 为矿井通风节能 管理提供可靠的决策依据, 这对搞好原煤成本管理, 提高煤矿经济效益具有十分重要的意义 [1- 3] 。 2 三维可视化技术分析 目前国内外关于矿井通风系统的仿真软件种类 比较多, 其中常用的软件有国外的 MultiGen Creator 和Vega、 Cool3D以及适普公司的 IMAGIS 等。但是, 他们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 [ 4] 系统的语言兼容性不强, 后续开发的难 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; 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; 缺乏网络管理功能和专家智能决 策支持功能; 坐标投影体系不够完善, 很难进行精确 的空间分析等。 通过综合比较, 选择国产灵图公司的 VRMap 作 为开发平台, 结合匹配线模型技术, 利用. NET 框架 的开发语言, 对其进行二次开发, 可以很好地满足需 要, 成功实现井下三维井巷的自动生成, 并能够对 收稿日期 2009- 09- 04; 修订日期 2009- 11- 23 基金项目 安徽省自然科学基金KJ2009B140Z 作者简介 王军号1970- , 男, 江苏赣榆人, 硕士, 实验师, 现工作于安徽理工大学计算机科学与工程学院, 研究方向为计算机 仿真,Tel 13625623389。 第 29卷第 3 期 2010 年 3月 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol29,No03 Mar, 2010 通风网络解算的结果进行实时模拟和控制, 有效地 促进了矿井通风节能的管理。 3 实现目标 根据矿井通风可视化仿真系统的国内外研究和 开发现状、 发展趋势以及用户的节能降耗的需要, 确 定系统要完成的主要目标有 通风网络拓扑算法 和井下三维空间的模型建立与绘制, 巷道内设备的 建模和生成问题; 矿井数据的测量和表示, 通风系 统及设备等的参数与数据的输入; 通风网络的风 网解算方法和模型建立, 智能决策支持系统集成算 法的建立以及在此基础上的风机分布、 风量调节和 系统优化; 数据共享, 数据以多种方式输出, 既能 够与常用的CAD和 GIS 格式的数据兼容, 也能够实 现基于Web 的网络管理。 4 基于 VRMap 的通风仿真系统研发 4. 1 VRMap软件平台 [5] 1VRMap 产品系列是北京灵图软件技术有限 公司拥有完全自主知识版权的国际领先的三维地理 信息系统平台软件, 可以在三维地理信息系统与虚 拟现实领域提供从底层引擎到专业应用的全面解决 方案。VRMap 的特点主要有以下几点 海量数据 处理能力; 出色的仿真效果与GIS 的结合; 组件 式3DGIS 平台与 2 次开发支持; 完整的空间数据 描述体系; 良好的人机交互; 支持跨平台通信 等。 2VRMap 的体系结构如图 1 所示, 它包括 3 个 层面 VRMap数据层 数据层包含了数据访问的中 间层以及各种数据源组件。 VRMap 核心层 VR Map核心层以金字塔数据引擎为核心, 包含各种可 视化组件、 编辑组件、 皮肤组件以及 VRMap 渲染引 擎。 VRMap应用层VRMap 应用层包含 VRMap 平 台, VRMap 控件以及VRMap 插件集。这一层包含了 VRMap 的全部发布功能。 从VRMap 的体系结构图上可以看出,VRMap 是 一个开放的体系结构, 开放的体系结构能很快的根 据用户的需求定制用户的功能。同时, 开放的体系 结构能保持很好的版本延续性以及可扩展性。因 此, 基于. NET 框架和 GDI 开发矿井通风基础VR Map 平台, 具有开发效率高和运行稳定可靠等特点。 图 1 VRMap三层体系结构 4. 2 .NET 框架 . NET 框架支持多种语言, 允许在这些语言中进 行空前的集成, COM 技术的跨语言集成问题在. NET 中已不存在。便于实现系统的无缝升级, 并且 使维护变得简单。与传统的软件开发方法相比, 基 于.NET 的快速原型法与组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, 便于系统的后续开发; 系统可用预先编好的、 功能 明确的成熟组件, 引入并行工程思想, 加速软件的开 发; 系统兼容性好, 能够让各种不同的组件在自己 的系统中平滑地协同工作; 可以快速建立反应用 户需求的应用系统原型和算法。 4. 3 动态通风网络拓扑算法 通风网络拓扑算法的自动建立与管理是矿井通 风可视化仿真系统的基础, 是动态调整风网系统的 各种参数从而实现节能降耗的关键技术。 通风网络中的巷道都具有始末 2 个节点, 节点 是连接巷道的关节, 节点与巷道的关联矩阵决定整 个系统的拓扑关系。一条巷道只和 2 个节点相关 联, 任何 1 个节点都不能孤立存在。在系统图中若 删除 1 个节点, 和其相关联的巷道都要被删除。通 风网络拓扑算法的具体实现如下 [ 6- 8] 1 建立矿井通风系统图 可以从 CAD 中导入 数据 。 196 煤 炭 技 术 第29 卷 2 打散处理, 遍历所有巷道, 如果一条巷道与 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两条巷道, 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 原巷道重载。 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一个规定的距 离,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 建立通风动力装置和巷道的拓扑关系,测 算出各种条件下通风井巷的风阻、风压、风量等参 数,为风网系统的风机分布、风量调节提供依据, 实现风机与风网的合理匹配,达到通风系统节能降 耗的目的。 6 生成的通风网络拓扑关系保存到文本文件 或数据库中, 可以在风网解算时重载生成。实践证 明, 上述方法可以动态建立通风网络的拓扑关系, 便 于进行通风节能的分析和决策。 4. 4 通风网络解算 通风网络解算利用有限元 有限差分 FE FD 及 智能决策支持技术, 采用 D. Scott - Hinsley 和 H. Cross 迭代算法进行风网解算 [ 9] , 从根本上提高系统 的统计分析、 智能决策支持的能力, 充分提高矿井通 风系统的节能效率。这里运用. NET 框架开发通风 网络解算和智能决策算法, 根据仿真测量的风网数 据和风机特性曲线, 用网络解算程序可以较准确地 计算出矿井通风状况。还可以以某一时期的通风状 况模拟为基础, 根据矿井未来生产布局的变化情况 修改通风网络结构和有关数据, 然后进行风网解 算, 可预测未来不同时期的通风状况。它能够与 VRMap 软件平台实现平滑联结, 效果较好。 4. 5 数据处理与网络发布 采用组件式开发方法, 应用 SQL Server 为后台 数据库, 集成 PHP 或 JSP 等开发工具, 与 VRMap 平 台进行对接, 开发出整合 Web 管理、 科学计算、 可视 化、 决策支持等技术的三维矿井通风系统节能管理 信息平台。生成通风系统三维数据仓库和报表处理 系统, 对矿井通风系统的数据进行归纳、 维护、 存储 等, 使得到的数据以多种方式输出, 包括视频、 图片 以及文字表格等形式, 并最终实现基于 Web 的网络 管理与数据共享。 4. 6 系统总体架构 整个系统的总体架构如图 2 所示, 系统主要层 次 应用层主要包括个性化工作平台、 数据输出及 管理等; 核心层主要包括 3DGIS 平台、 数据访问 交换机制、 节能管理和智能决策等; 数据层主要包 括基本地理信息和三维空间数据库等。 图 2 系统框架结构 5 结论 三维可视化仿真技术的应用, 为研究矿山通风 节能提供了广阔的技术支持领域。加大煤矿通风系 统节能的仿真模型研究有助于节能技术的应用和提 高, 是大势所趋。但是由于矿井内部结构的特殊性, 导致了在数据的采集、 管理、 分析、 表示和系统设计 等方面的复杂性, 加之矿井本身的特殊场景, 总的看 来, 在矿井通风系统三维数据建模、 数据多维化系统 集成和智能决策支持等方面的技术理论体系, 还有 待于进一步研究。 参考文献 [ 1] 赵梓成, 谢贤平. 矿井通风理论与技术进展评述[ J] . 云南冶 金, 2006, 3 . [ 2] 华臻, 等. 虚拟现实技术在矿井通风系统中的应用[ J] . 煤炭科 学技术, 2004, 3 . 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