第 1 章 緒論

1.1 研究背景
數(shù)字礦山和數(shù)字地球的基本理論和關(guān)鍵即使是一致的，只是在空間尺度和研究范圍上有所差異[2]。所謂數(shù)字礦山就是指通過(guò)在礦山企業(yè)的范圍內(nèi)建立在數(shù)字化、信息化、虛擬化和集成化的礦山信息模型的基礎(chǔ)上，由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理的管、控一體化系統(tǒng)，提供有效、方便和直觀的檢索手段和顯示手段，使有關(guān)人員都可以快速準(zhǔn)確、充分和完整地了解及利用礦山各方面的信息[3]。進(jìn)而綜合生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理、環(huán)境、資源、安全與效益等各種因素，使企業(yè)在實(shí)施綠色采礦的條件下實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)優(yōu)化，以增強(qiáng)礦山企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)能力和適應(yīng)能力，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)礦山的高度信息化、自動(dòng)化與高效率[4,5]。數(shù)字礦山是以計(jì)算機(jī)和地理信息技術(shù)為依托，對(duì)礦山企業(yè)范圍內(nèi)的所有地理空間信息和實(shí)際生產(chǎn)、管理相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化和可視化表達(dá)、管理、維護(hù)等操作，實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)各個(gè)部門的一體化，從而達(dá)到安全生產(chǎn)、高效管理和科學(xué)決策的目標(biāo)。對(duì)于一個(gè)礦山而言，對(duì)數(shù)字礦山的實(shí)踐和建設(shè)要做好長(zhǎng)期持久的思想準(zhǔn)備，因?yàn)樗�不是短期�?nèi)就能完成的工程，投入使用就能取得立竿見影收益更是不現(xiàn)實(shí)的[6]。近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展大大促進(jìn)了我國(guó)數(shù)字礦山的研究進(jìn)程，科研人員及礦山技術(shù)人員組成的數(shù)字礦山研究團(tuán)隊(duì)逐步開發(fā)了一系列適合我國(guó)國(guó)情的礦業(yè)軟件和系統(tǒng)，這些軟件在一定程度上減輕了從業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)效率和管理科學(xué)性[7]。但是在指導(dǎo)采礦方案設(shè)計(jì)和采礦生產(chǎn)方面的應(yīng)用還存在不足，所以根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀，本文以金屬礦山為背景提出了數(shù)字礦山地下開采三維動(dòng)態(tài)推演系統(tǒng)的研究。
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
自從上世紀(jì)九十年代，美國(guó)首先提出“數(shù)字地球”概念之后，許多專家和學(xué)者結(jié)合本國(guó)的實(shí)際情況，在其基礎(chǔ)上衍生出了“數(shù)字城市”、“數(shù)字水利”、“數(shù)字礦山”等理論，并在實(shí)際生產(chǎn)和管理中得到應(yīng)用。世界上礦產(chǎn)儲(chǔ)量豐富、礦業(yè)相對(duì)比較發(fā)達(dá)國(guó)家，如澳大利亞、美國(guó)、加拿大等在“數(shù)字礦山”的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐方面的起步較早，已經(jīng)開發(fā)出了許多數(shù)字礦山建設(shè)方面的軟件。通過(guò)對(duì)國(guó)外現(xiàn)有的數(shù)字礦山軟件平臺(tái)的分析，可以得到國(guó)外對(duì)數(shù)字開采的研究現(xiàn)狀[10,11]。美國(guó) Mintec 公司是世界上著名的礦業(yè)軟件公司,他們的數(shù)字礦山軟件產(chǎn)品Medsystem/Minesight 已經(jīng)在世界多個(gè)國(guó)家的三百多個(gè)礦山企業(yè)的礦山規(guī)劃中得到成功的應(yīng)用。其軟件平臺(tái)中 Medsystem 子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)管理礦山企業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及開采信息，并對(duì)礦山開采計(jì)劃的制定進(jìn)行人工智能分析；而 MineSight 子系統(tǒng)是礦山三維虛擬展示系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)將 Medsystem 系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維直觀的呈現(xiàn)，并提供對(duì)三維圖形數(shù)據(jù)管理和編輯修改的功能。英國(guó) Datamine 礦業(yè)軟件公司的采礦技術(shù)應(yīng)用軟件，在全球五十多個(gè)國(guó)家和地區(qū)用有一千三百多個(gè)用戶。是我國(guó)最早認(rèn)證的國(guó)外軟件，它不但具有關(guān)于地質(zhì)條件探測(cè)、礦產(chǎn)儲(chǔ)量計(jì)算、三維礦體模型、礦山采礦方案設(shè)計(jì)等三維礦業(yè)軟件通用的基本功能外，還可以進(jìn)行礦山開采過(guò)程三維可視化管理、分析并制定開采進(jìn)度計(jì)劃表、礦山采場(chǎng)選址分析等。Datamine 軟件可以針對(duì)不同用戶的不同應(yīng)用需求進(jìn)行模塊化的配置，定制具有不同功能特點(diǎn)的礦業(yè)應(yīng)用軟件，在很大程度上提高軟件的實(shí)用性；除此之外軟件提供單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)版選擇，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)礦山的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行配置，從而極大的提高工作效率和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。SURPAC 軟件是由澳大利亞 GEMCOM 公司研發(fā)的集地質(zhì)、采礦、測(cè)量和生產(chǎn)管理等功能為一體的共享信息的礦業(yè)應(yīng)用平臺(tái)；是由礦業(yè)領(lǐng)域?qū)＜液陀?jì)算機(jī)專家組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的努力研制成功的，擁有強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主流的數(shù)據(jù)庫(kù)和主流數(shù)據(jù)格式的讀取、編輯、維護(hù)等；并提供二次開發(fā)包，功能強(qiáng)大方便用戶針對(duì)各自使用需求定制自己的應(yīng)用軟件。自從世紀(jì)九十年代進(jìn)入我國(guó)礦業(yè)領(lǐng)域，到現(xiàn)在 SURPAC 軟件產(chǎn)品和服務(wù)得到了我國(guó)廣大礦山企業(yè)的支持和認(rèn)可，并得到了中國(guó)國(guó)土資源部的認(rèn)證。該平臺(tái)的基本功能包括：創(chuàng)建和管理地質(zhì)勘察信息數(shù)據(jù)庫(kù)、創(chuàng)建礦體三維可視化模型、計(jì)算礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量、輸出地質(zhì)分析報(bào)告等；礦山開采方案設(shè)計(jì)、分析并制定開采計(jì)劃進(jìn)度表、爆破分析等；礦山測(cè)量數(shù)據(jù)處理、測(cè)量數(shù)據(jù)入庫(kù)管理和工程量驗(yàn)收等。
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第 2 章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有 3D 礦業(yè)開采應(yīng)用軟件的開發(fā)模式、研究成果和采礦設(shè)計(jì)用戶的實(shí)際應(yīng)用需求的綜合分析，本文以金屬礦山地下開采軟件開發(fā)為總體目標(biāo)，依托礦山地質(zhì)學(xué)、采礦工程、軟件工程、地理信息系統(tǒng)（GIS）和 3D 建模理論與虛擬仿真技術(shù)研究開發(fā)了金屬礦山地下開采開拓工程三維推演系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含三個(gè)子系統(tǒng)，分別是采礦設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、三維場(chǎng)景管理子系統(tǒng)和金屬礦山地下開采三維推演子系統(tǒng)[15]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

2.2 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
對(duì)于某一特定礦床，可以采用多種不同的方式來(lái)進(jìn)行開采，進(jìn)而形成不同的開拓系統(tǒng)。如何在保證安全生產(chǎn)的前提下，設(shè)計(jì)一種不僅能夠滿足生產(chǎn)技術(shù)、能力要求，而且能減少基建時(shí)間和費(fèi)用成本開拓方案，是礦山設(shè)計(jì)者首先需要考慮的問(wèn)題。采礦設(shè)計(jì)子系統(tǒng)就是這樣一個(gè)基于采礦專家經(jīng)驗(yàn)和采礦領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行開拓方案選擇的人工智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可模擬擁有長(zhǎng)期礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的采礦專家的思維邏輯與推理方法，對(duì)地質(zhì)及賦存條件已知的礦體指出可行優(yōu)選的開拓方案。采礦設(shè)計(jì)子系統(tǒng)的基本原理是：根據(jù)用戶提交的礦床的賦存條件，如礦體的賦存深度、礦體的走向長(zhǎng)度、礦體的傾角、礦體的厚度、圍巖的穩(wěn)定性等信息，系統(tǒng)調(diào)用開拓方案專家決策模塊，執(zhí)行開拓方案推理決策操作。即結(jié)合采礦約束條件數(shù)據(jù)庫(kù)搜索匹配知識(shí)庫(kù)中國(guó)內(nèi)外礦床開拓實(shí)踐中所運(yùn)用的各種開拓方案。如果開拓方案匹配成功，則系統(tǒng)將決策結(jié)果以報(bào)告形式輸出；若匹配失敗，則進(jìn)一步與用戶交互，將交互結(jié)果整理后存入約束條件數(shù)據(jù)庫(kù)并重復(fù)開拓方案推理決策操作[16]。為了克服傳統(tǒng)三維巷道建模的缺點(diǎn)，金屬礦山三維場(chǎng)景管理子系統(tǒng)采用地下巷道自動(dòng)生成技術(shù)，用戶只需向系統(tǒng)提供采礦設(shè)計(jì)的巷道二維 Shapefile 矢量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)即可進(jìn)行巷道和工作面模型對(duì)象的自動(dòng)創(chuàng)建。這種技術(shù)的使用在很大程度上提高了三維可視化系統(tǒng)在采礦設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用的靈活性。除此之外，，系統(tǒng)還提供支持三維可視化場(chǎng)景的編輯和漫游功能：用戶可以對(duì)礦山工業(yè)廣場(chǎng)、井下設(shè)備等三維模型的添加刪除、位置編輯、屬性綁定與查詢；系統(tǒng)三維場(chǎng)景漫游功能能夠使用戶身臨其境的從不同角度了解從井上到井下的各種情況。
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第 3 章 礦山三維渲染引擎設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).........12
3.1 礦山三維渲染引擎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)......12
3.2 礦山三維渲染引擎核心功能實(shí)現(xiàn).....13
3.3 本章小結(jié).........25
第 4 章 系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn) .......26
4.1 三維巷道自動(dòng)建模.......26
4.1.1 二維數(shù)據(jù)模型定義.....26
4.1.2 三維數(shù)據(jù)模型定義.....27
4.1.3 創(chuàng)建巷道三維模型.....28
4.2 工作面建模.....34
4.3 開采過(guò)程動(dòng)態(tài)推演子系統(tǒng) .........35
4.4 本章小結(jié).........43
第 5 章 系統(tǒng)開發(fā) ........44
5.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境........44
5.2 系統(tǒng)功能展示........45
5.3 本章小結(jié).........54

第 5 章 系統(tǒng)開發(fā)

金屬礦山三維動(dòng)態(tài)推演系統(tǒng)以礦山開采設(shè)計(jì)成果中地下巷道二維矢量空間數(shù)據(jù)、開采設(shè)備和工業(yè)廣場(chǎng)三維模型數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，以金屬礦山地下開采空間多元特征為屬性信息建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合地下開采方法設(shè)計(jì)方案建立地下開采三維動(dòng)態(tài)推演應(yīng)用模型，設(shè)計(jì)數(shù)字礦山應(yīng)用信息系統(tǒng)。系統(tǒng)開發(fā)基于上述三維場(chǎng)景渲染引擎，借助于 C#編程語(yǔ)言，采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊之間既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)。

5.1 系統(tǒng)功能展示
將傳統(tǒng) GIS 系統(tǒng)的功能優(yōu)勢(shì)和 WPF 技術(shù)特點(diǎn)集成，對(duì)界面主菜單、工具欄、查詢欄等功能的展現(xiàn)、操作形式加以改進(jìn)，并對(duì)界面元素重新設(shè)計(jì)，使得界面易用性和美觀度大幅提升。系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)如下圖所示，左側(cè)為系統(tǒng)主菜單，包括巷道創(chuàng)建、巷道模型加載、設(shè)備庫(kù)管理、設(shè)備管理、內(nèi)部瀏覽、系統(tǒng)退出等；中間部分是系統(tǒng)的三維控件，用于展示金屬礦山地上工業(yè)廣場(chǎng)、地下巷道等三維場(chǎng)景；右側(cè)為系統(tǒng)的巷道和設(shè)備列表信息，可以很方便的實(shí)現(xiàn)設(shè)備和巷道的定位以及屬性信息編輯。自主開發(fā)的 EarthStorm 3DEngine 三維場(chǎng)景渲染引擎對(duì)大場(chǎng)景數(shù)據(jù)除了進(jìn)行視截體裁剪外，還可以動(dòng)態(tài)加載進(jìn)入視域范圍定的空間實(shí)體，卸載離開視域的空間實(shí)體所占用的內(nèi)存和顯存資源，保持內(nèi)存、顯存占用量在一個(gè)較低的水平，提高了FPS（Frame Per Second）從而保證了三維場(chǎng)景瀏覽集采做的流暢程度，也降低了大場(chǎng)景數(shù)據(jù)展示的電腦配置的要求。下圖為金屬礦山地上工業(yè)廣場(chǎng)場(chǎng)景的渲染效果。
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結(jié) 論

在綜合分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有 3D 礦業(yè)應(yīng)用軟件的開發(fā)模式、研究成果和采礦設(shè)計(jì)用戶的實(shí)際應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，緊緊圍繞數(shù)字礦山軟件開發(fā)的總體目標(biāo)，依托礦山地質(zhì)學(xué)、采礦工程、軟件工程、地理信息系統(tǒng)（GIS）和 3D 建模理論與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究開發(fā)金屬礦山地下開采開拓工程三維推演系統(tǒng)。本文取得的主要研究成果如下：
1）本文提出了金屬礦山地下開采三維動(dòng)態(tài)推演系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以及該系統(tǒng)包含的三個(gè)子系統(tǒng)：采礦設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、三維場(chǎng)景管理子系統(tǒng)和金屬礦山地下開采三維推演子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)思路。
2）設(shè)計(jì)并采用 Direct3D 圖形渲染接口和 C#程序語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了針對(duì)礦山具體特點(diǎn)和應(yīng)用需求的三維場(chǎng)景渲染引擎，整個(gè)引擎由操作層、渲染層、應(yīng)用層組成。操作層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備交互，渲染層負(fù)責(zé)高效的渲染場(chǎng)景中需要展示對(duì)象實(shí)體，應(yīng)用層為具體應(yīng)用提供相應(yīng)支持。
3）研究了一種在數(shù)字礦山井巷工程中二三維數(shù)據(jù)一體化的實(shí)現(xiàn)方法和地下巷道自動(dòng)建模的算法，并實(shí)現(xiàn)了以二維矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用地下巷道模型動(dòng)態(tài)生成技術(shù)手段創(chuàng)建三維巷道模型。
4）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)地下開采過(guò)程推演子系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在礦山地下開采實(shí)施之前將采礦計(jì)劃以三維可視化的形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)地推演將計(jì)劃逐一展開，檢驗(yàn)開采數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置的是否符合要求。同時(shí)，開采過(guò)程推演也可以引起設(shè)計(jì)者更深層次的思考，以便對(duì)采礦計(jì)劃進(jìn)行更加細(xì)致的修改和完善。
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參考文獻(xiàn)（略）