基于WebGL的三维矿山巷道系统研究.pdf
第 4 3卷 第 1 1 期 2 0 1 7年 l 1月 工矿 自 动化 I n dus t r y an d M i ne Au t oma t i on Vo 1 . 4 3 No. 1 l NO V .2 O1 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 l 1 0 0 7 0 0 5 D OI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 7 . 1 1 . 0 1 4 基于 We b G L的三维矿山巷道系统研究 李 昀 , 苏小 东 , 董加 岩。 , 黄 乐 1 . 中煤科 工集 团重 庆研究 院有 限公 司 , 重 庆4 0 0 7 9 9 ; 2 . 江西 省基 础测绘 院 ,江西 南 昌 3 3 0 2 0 0 ; 3 . 黑 龙江 省地 质矿 产测试 应 用研 究所 ,黑龙 江 哈尔 滨 1 5 0 0 3 6 ; 4 . 中国核工业集团公司 二七 。研究所 ,江西 南 昌 3 3 0 2 9 9 摘要 介 绍 了基 于 We b GL的三 维矿 山巷道 系统 的架构 , 研 究 了数 据 源处理 、 巷 道拓 扑 网络 构 建 、 巷 道 模 型构 建等 基础 问题 , 分析 了数 据预 处理 与 清洗 、 规则 建模 、 数 据 格 式转 换 、 二 三 维视 图对 应 、 路 径 分析 等 关键 技 术 。该 系统 实现 了三维巷 道 可视化 并 维持 了三 维巷道 的拓 扑 关 系 。 关键 词 数 字矿 山 ;三 维巷 道 ;巷 道 空 间拓 扑 关 系;We b GL;数据 清 洗 ; 路 径 分析 中图分类 号 T D 6 7 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 7 1 O ~ 2 7 0 9 1 7 网络 出版 地址 h t t p / / k n s . c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . TP . 2 0 1 7 1 0 2 7 . 0 9 1 7 . 0 1 4 . h t ml Re s e a r c h o n t hr e e d i me ns i o n a l mi n e r o a d wa y s y s t e m b a s e d o n W e b GL I . I Yu n , S U Xi a o d o n g 。 , DONG J i a y a n 。 ,HUANG L e 1. CCTEG Cho ng q i ng Re s e a r c h I ns t i t ut e,Ch on gq i n g 4 0 0 79 9, Chi n a;2. Ba s i c Sur v e y i ng a nd M a ppi ng I n s t i t u t e o f J i a n g x i Pr o v i n c e ,Na n c h a n g 3 3 O 2 0 0 ,Ch i n a ;3. He i l o n g j i a n g Pr o v i n c i a l Ge o l o g y a n d Mi n e r a l Re s ou r c e s Te s t a nd Ap pl i c a t i o n I ns t i t u t e,H a r b i n 1 5 00 36,Chi n a; 4. Re s e a r c h I n s t i t u t e No . 2 7 0 ,C h i n a Na t i o n a l Nu c l e a r Co r p o r a t i o n,Na n c h a n g 3 3 0 2 0 0,Ch i n a Ab s t r a c t A r c hi t e c t u r e o f t hr e e d i me ns i o na 1 mi ne r o a d wa y s ys t e m ba s e d o n W e bGL wa s i nt r od uc e d, ba s i c pr o bl e ms o f d a t a S OU r C e p r oc e s s i n g, r oa d wa y t o po l o gy ne t wor k c ons t r uc t i on a nd r o a d w a y mod e l c o ns t r u c t i o n we r e s t u di e d,a nd da t a pr e p r oc e s s i n g a nd c l e a ni n g,r u l e m o de l i ng, d a t a f or ma t c o nv e r s i on, t wo d i me n s i o n a l a n d t h r e e d i me n s i o n a l v i e w c o r r e s p o n d e n c e ,p a t h a n a l y s i s a n d o t h e r k e y t e c h n o l o g i e s we r e a na l y z e d.The s y s t e m a c h i e v e s t hr e e d i me ns i o na l r o a d wa y v i s u a l i z a t i o n a nd m a i nt a i ns t hr e e d i m e ns i on a l r o a d wa y t op o l og i c a l r e l a t i o ns. Ke y wo r d s d i g i t a l mi n e ;t h r e e d i me n s i o n a l r o a d wa y;t o p o l o g y r e l a t i o n s h i p o f r o a d wa y s p a c e ; W e b GL; d a t a c l e a n i ng;pa t h a na l y s i s 0 引言 三维 矿 山 巷 道 系 统 一 般 有 桌 面 端 和 W e b端 2种形 式 。桌面 端三 维矿 山巷 道 系 统 的实 现 方 式可 分 为基 于基础 图形 接 口和 基 于 图 形 软件 框 架 2种 。 如文献[ 1 3 ] 基于 Op e n GL底层 函数类库实现三维 矿山巷道系统 , 文献[ 4 ] 基于 Di r e c t X底层函数库实 现三维矿 山巷道系统 , 文献[ 5 ] 基 于底层 为 D i r e c t X 的 Og r e图形 渲染 框 架 实 现三 维 矿 山巷 道 系 统 。在 HTMI 5 We b GL规 范 出 现 前 , W e b端 三 维 矿 山巷 收稿 E t 期 2 0 1 7 0 6 0 8 ; 修回 日期 2 0 1 7 - 0 8 1 8 ; 责任编辑 胡娴。 基金项 目 中 国煤 炭 科 T 集 团有 限公 司 科 技 创 新 基 金 资 助 项 目 2 0 1 4 MS 0 3 2 ; 中 煤 科 T 集 团 重 庆 研 究 院 青 年 创 新 基 金 资 助 项 目 2 01 4 QNJ J O 6 。 作者简介 李昀 1 9 8 6 一 , 男, 重 庆 人 , 助 理 _r程 师 , 从 事信 息 系 统 研 发 工作 , 主要 研 究 方 向 为 矿 山应 急 管 理 信 息 化 , E ma i l 2 0 1 4 0 3 0 c qc c t eg.c om 。 引用格 式 李昀 , 苏小东, 董加 岩, 等. 基于 We b GL的j维矿 山巷道系统研究[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 7 , 4 3 1 1 7 0 7 4 . I I Yu n . S U X i a o d o n g . D ONG J i a y a n , e t a 1 .R e s e a r c h o n t h r e e d i me n s i o n a l mi n e r o a d wa y s y s t e m b a s e d o n We b GL E J ] . I n d u s t r y a n d M i n e Aut o ma t i o n, 2 01 7, 4 3 1 1 7 0 7 4 . 2 0 1 7年第 1 1 期 李昀等 基于 We b GL的三维矿 山巷道 系统研究 7 1 道系统只能通过插件方式实现。插件可分为特种建 模语言插件和通用图形插件 , 前者如 O3 D建模语言 插件[ 和 VR ML建模语 言插件r 7 ] , 后者如 Ap p l e t 通 用 图形 插件 _ 8 。W e b端 图形技 术 We b GL的 开 放性、 可移植性 、 可用性 、 安全性 、 负载能力均优于插 件 , 目前 基 于 we b GL 的各类 应 用 系统 已逐 步 出 现E a l - l s ] , 但 尚未见基 于 We b GL的三维矿 山巷道 系 统 的相 关研 究 。 三 维 矿 山巷 道 系 统 除 必 须 解 决 可 视 化 问题 之 外 , 还要 维 持巷 道 空间拓 扑关 系 , 这是 实现 矿 山巷道 系 统应 用功 能 的基 础 。本 文研 究 了数 据 源 处 理 、 巷 道拓扑网络构建 、 巷道模型构建等基础问题 , 确保矿 山巷道数据的三维可视化 ; 设计实现 了二三维一体 显示和路径分析应用功能 , 以验证三维巷道应具备 的空间拓扑关系。 1 系统 架 构 基 于 We b GL 的 三 维 矿 山 巷 道 系 统 使 用 J a v a S c r i p t 为 主 要 开 发 语 言 , T o mc a t 作 为 We b服 务器 , 各种数据均 以文件形 式存储 , 系统架构如 图 1 [三 [二 ] 层 芒三 E三 l 二维窗口 l l 三维窗口 l 框架层 服务层 数据层 支持 We b G L的浏览器 n 网络应用层协议 i H t tp ; W e b S o c k e t We b服务器 图 1 基 于 We b GL 的三 维 矿 山巷 遭 系 统 架 构 F i g . 1 S t r u c t u r e o f t h r e e - d i me n s i o n a l mi n e r o a d wa y s y s t e m b a s e d o n W e b GL 数 据 层 将 巷 道数 据 从 C AD 格 式 转 换 为 地 理 空间格式 , 再转换为三维模型。 服务 层 完 成 巷道 数据 的 we b发 布 。 框架 层 实现 三维 矿 山巷道 的可 视化 。 应用层 实现二维、 三维一体显示 , 验证 三维巷 道具备空间拓扑关系 。 1 . 1数 据 源 处 理 将数 据从 C AD格式转换 为地理 空间格式 目 前大多数矿井巷道 的图形数据为 C AD格 式 , 且缺 乏三维值 的记录。一般巷道 图形采用形式化的双线 绘制, 并不具备拓扑关系 , 这导致无法实现任何空间 分析, 无法进行规则建模 。因此 , 必须通过数据预处 理与清洗技术对 C AD数 据进行处理 , 使 其成为具 备拓扑关系并包含空间定位信息和属性信息的实体 要 素数据 。 将数 据 从 地 理空 间格 式 转换 为三 维模 型 实 际 巷道线数据通过纯人工建模的工作量巨大 , 因此 , 必 须通过规则建模技术来实现半 自动化甚至 自动化建 模 , 将空间数据转换 为巷道三维模型数据 。为保证 巷道三维模型数据具备空 间拓扑关系, 应在规则建 模 的 同时记 录实体 要 素与三 维模 型之 间 的映射 。规 则建模首要工作是进行规则程序的编写和调试 , 同 时规则建模要求实体要素具备规则所需 的属性 , 可 能会产生对地理空间数据的二次加工过程 。 1 . 2 We b发 布 与展 示 三维模 型发 布到 we b端 常用 的格式有 S TL, VR XM 等 , 这些格式的规范均较复杂, 因此 , 需要专 门设计一种轻量化的明码数据格式 。要实现三维矿 山巷道 的可视 化 , 在 W e b GL的基 础上 , 还需 要大 量 绘制 、 渲 染 程 序 , 一 般 会 选 用 一 些 成 熟 的 基 于 We b GL的图形引擎框架来完成 。选择框架等应考 虑场景模式的封装程度 、 坐标系接 口的完善性、 相关 文档 能 否 降低 学 习成 本 等 因素 。本 文 选择 的是 T h r e e J S框架 。 1 . 3拓 扑关 系验证 为方便查看 比较三维模型的拓扑关系 , 系统应 设计二维显示、 三维显示 2个窗 口。但这样会带来 二 维 和三维 显示 窗 口之 间 的视 图一 致 问 题 , 需 要 专 门设计一种功能来平衡维度缺失。基于拓扑关系计 算最优 路径 , 实 现路 径分 析功 能 , 可 以证 明巷 道模 型 具 备 空间 拓扑关 系 。 2关 键技 术 2 . 1 数 据 预 处理 与清洗 矿井 C AD数据一般 具备高斯平面坐标 系, 而 不具备 Z轴坐标 , 矿 图一般标注部分巷道 口点 的标 高和设备名称, 巷道 以双线形式绘制, 巷宽不均匀 。 本文使用 F ME软件来完 成格式转换与语义清洗 , 数据处理步骤 ① 将标 注 的高程 值都转换 为点要 素, 设备标注同理 。② 将双线融合成单线 , 并对单 7 2 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 线赋予巷宽值 , 该过程会 产生一些拓扑错误和赋值 错误 , 需 人工 干预 清理 。③ 利 用 空 间插 值对 巷 道线 要 素进 行 高程 插 值 , 插 值 结 果 也 需 人 工 干 预 清 洗 。 ④ 建立要素问的拓扑关系, 注意此时坐标点已具备 XYZ三个维度。⑤ 将巷道线要素数据及其拓扑关 系数据 转换 为符 合 we b使 用 习惯 的 Ge o J S O N 格式 和 To p J S ON格 式 。 2 . 2 规 则建模 建模 逻 辑是 先 通 过 中心 线 建 造巷 道 地 面 , 再 根 据地面搭建巷壁和巷顶 , 最后贴 图上色。建模使用 的参数包括巷宽、 巷高、 中心偏移值 、 拐点精度、 截面 类型、 基色等。建模逻辑可设计为建模规则 , 规则可 以 通 过 特 定 开 发 语 言 代 码 来 描 述 。本 文 使 用 C i t y E n g i n e 软 件进行 规 则建模 。 在规 则建 模 的同时 要记 录实 体要 素与 三维模 型 之间的映射 , 输 出二维要素与三维模 型映射关系数 据 ① 坐标系映射参数 We b GL默认使用右手坐标 系 , 而地理 空 间数据 一般 都使 用世 界 坐标 系 , 需要 计 算 出 2类 坐标 系 的变换 参数 。② 要 素一 模 型 映射列 表 列 表包 括要 素 线 与 巷道 体 模 型 的映 射 及要 素点 与巷道岔 口点模型、 巷道拐弯模型的映射。 2 . 3数 据格 式转 换 为使模型数据适用 于 We b端的发布、 传输 、 转 换等 应 用 , 将 三 维 模 型数 据 转换 为 J S ON 格 式 的 明 码文 本数 据 , 数 据 格 式 结 构 如 图 2所 示 。J S ON 属 于半 结构 化数 据 , 三 维模 型数 据 也 可 以通 过 构 建数 据 表存 人关 系型 数据 库 , 本 文不 做深 入讨 论 。 图 2三维模 型明码格式结构 Fi g .2 Cl e ar f or ma t s t r u c t u r e of t hr e e di me ns i o na l mod e l 2 . 4二三 维视 图对 应 二 维与 三维 视 图的一 致 问题 可转 化为 双方 的 中 心点一致问题来处理 。在三维场景中使相机始终对 着一个视图中心点 , 使三维视 图中心点的二维坐标 与 二维 视 图 中心点 的 坐 标 一 致 , 三 维 视 图 中心点 的 Z值 最好 等 于场 景 中所有 物体 的平 均 高 度 。二 维视 图的比例尺与三维视 图中相机和中心点的距离存在 一 种换 算机 制 。设 二 维 视 图窗 口为 边 长 为 A 的 正 方形 , 比例尺为 1 C; 三维视图相机与 中心点的距离 为 D, 相 机采用 透 视 投 影 , 透 视 长度 无 限 , 视 场 角 度 F OV 为 a , 则对 应关 系为 AC 一 2 Dt a n 1 2 . 5路 径分 析 路径分析功能运行过程如图 3所示 。常用的路 径 搜 索 分 析 算 法 包 括D i j k s t r a , A S t a r , F l o y d Wa r s h a l l 等, 本文使用 Di j k s t r a 算法 。 人机交互选择 I 起点、终点l I 输入 条件 得到路径 数据 将 射 到 模型上 l ’ \ 、 、 映射数据 .. .... ... _- J’ 、 . . . . . 一 一 输出 在三 维中展 示路径 图 3路 径 分 析功 能 运 行 过 程 Fi g. 3 Run ni n g pr o c e s s of pa t h an a l y s i s f unc t i on 3系统 实现 与验 证 在 能 支 持 W e b GL 的 Ch r o me浏 览 器 上 调 试 三维巷 道 , 如 图 4所 示 , 从 下 方 调 试 面 板 可 以 看 到 C a n v a s 标 签 , 证 明图形 是通 过 We b GL渲 染 的 。 视 图对应 关 系如 图 5所示 。三 维 窗 口的相 机在 Z轴方向倾斜面 向视 图中心点 , 二维窗 口中心点显 示正 确 , 可 以证 明二维 、 三 维视 图一 致 。图 5中线段 MN 是分 析 出 的 一 条 路 径 , 点 G 沿 路 径 方 向 移 动 , 可 以证 明三 维巷 道也 具备 拓扑 关 系 。 4 结 论 1 介绍 了基 于 We b GI 的 三维 矿 山巷 道 系 统 的架构和关键技术 , 实现 了三维巷道可视化并维持 了三维 巷道 的拓 扑关 系 , 达 到 了研 究 目标 。 2 该 系统 存 在 以下 不 足 ① 数 据 处 理过 程 未 2 0 1 7年 第 1 1 期 李昀等 基 于 w ; I 的三 维矿 山巷道 系统 研 究 7 3 鬻骥 阁霹鞲 l a t 4 I ] q L 。 j i n de x h 基薹 基 盎 溢蕊毒 ’, .4 1 vI d m ” ’ i d fl 。 q I1 ⋯ ~ ’ I 】 a h M m “ h ⋯ h f嘲 ⋯k h i h R 一 0 f ~ c’ ⋯It {H‘ 一⋯r E f 4 维 拄 道 心 试 罔 5 对 心 父 系 实现 全 自动化 , 针 对该 f J 题 , 可将 涉 及 的多种 软件 集 成为 --I . 并钊一 对 攀 个过程 制 定数据 规 范 , 有 效控 制 各 阶段 数 据 的质量 . 实 现整 个数 据 处 过 程 自动 化 ② 系统 ■维 交 能 力不 足 . 术 义实 现 的路径 分 析 功 能 是在 二维 环境 下 通 过 人 机 交 互 启 动 的 . 下 一 步 『| 『 研 究三 维环 境下 的 人机 交 功能 。 参 考 文 献 Re f e r e n c e s 张志华. 矿山巷道 三维 网络模 型的构 建及其路径分 析 方法研究E D ] . 两安 两安科技大学 . 2 l o . 鲍艳. 矿l h信息系统 中巷道 的 维 矢量数据结 构 【 j r叮 视化E D ] . 两安 两 安科技大学 . 2 0 0 3 . 王建 民. 三维巷道建模 及其应用 研究 [ I . 太原 太原 维 街 【 】 理 I _ 大学 . 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[ 9 欧 洪原 . 孙 做杰. 轼于 H F MI 5的 维地 理 信息平 台环 境 搭 建 技 术 探 讨 l l】 .测 绘 .2 1 】 { .3 6 3 】 O 2 l 03 第 4 3卷 第 1 1期 2 0 1 7年 1 1月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t oma t i on V0 L 4 3 NO . 1 1 NO V . 2 O 1 7 文章编 号 1 6 7 l ~ 2 5 1 X 2 0 1 7 1 1 ~ 0 0 7 4 0 6 D OI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 7 . 1 1 . 0 1 5 恒负载工况下调遮型磁力偶合器气隙特性研究 郭永存 , 陈健 康 , 胡坤 , 王鹏 或 , 王 爽 , 方 成 1 . 安徽 理工 大学 安 徽矿 山机 电装 备协 同创新 中 心 ,安徽 淮 南 2 3 2 0 0 1 ; 2 . 中国科学院 合肥物质科学研究院 , 安徽 合肥 2 3 0 0 0 0 摘 要 以轴 向永磁 异 步调速 型磁 力偶合 器 为研 究对 象 , 基 于磁路 法建立 了磁 力偶 合 器输 出转速 与 气 隙的 数 学模型 , 分析 了磁力偶合 器的气隙特性, 研究 了恒 负载工况下磁力偶合 器的气隙与输 出转速 的关系, 获得 了磁 力偶合器在不同气隙下对应的输 出转速变化规律 随着永磁体盘和铜盘之间工作气隙的增加 , 磁力偶合 器输 出转速 逐渐 减 小 , 当气 隙从 2 . 5 ~1 2 . 5 F i l m 线性 增加 时, 输 出转速从 7 7 3 r / mi n逐 渐减 小至 7 2 3 r / mi n; 当 负载 转矩 一定 时 , 随着 气 隙的增加 , 功 率损 耗逐 渐增 加 , 当气隙从 2 . 5 ~ 1 2 . 5 mm 线性 增加 时 , 实验 功 率 损 耗 从 5 6 5 w 逐 渐增加 至 1 6 1 3 W , 在 实际运行 中 , 可 以通过 适 当减 小 气隙 来减 小功 率损耗 。这一研 究结果 对 调 速型磁 力偶合 器在 恒 负载 工况 下的输 出转 速控 制具 有 一定 的指 导意 义 。 关 键词 调速 型磁 力偶 合 器 ;气隙特性 ;输 出转速 ;恒 负载转 矩 ;功 率损耗 中图分类 号 T D6 1 4 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 1 O ~ 2 7 0 9 2 4 网络 出版地 址 h t t p / / k n s . c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . T P . 2 0 1 7 1 0 2 7 . 0 9 2 4 . 0 1 5 . h t mI 收稿 日期 2 0 l 7 一 O 5 2 6 ; 修 回日期 2 0 1 7 - 0 7 1 8 ; 责任编辑 张强。 基金项 目 高等学校博士学科点专项科研基金项 目 2 0 1 3 3 4 1 5 1 1 0 0 0 3 ; 安徽省教育厅科研基金项 目 KJ 2 0 1 6 A1 9 9 。 作者简介 郭永存 1 9 6 5 一 , 男 , 安徽舒 城人, 教授 , 博 士研究生导师 , 主要研究方 向为永磁涡流传 动 , E ma i l g u o y c a u s t . e d u . c n。通 信作者 陈健康 1 9 9 3 一 , 男, 安徽合肥人 , 硕士研究生 , 主要研究方 向为永磁调速 型磁力偶合器 , E - ma i l 1 8 0 7 9 7 6 0 3 0 q q . c o rn。 引用格式 郭永存 , 陈健康 , 胡坤 , 等. 恒负载工 况下调速 型磁力偶合器气 隙特性研究[ J ] . 7 - _ 矿 自动化 , 2 0 1 7 , 4 3 1 1 7 4 7 9 . GU0 Yo n g c u n, CHEN J i a n k a n g, HU Ku n. e t a 1 . Re s e a r c h o n c h a r a c t e r i s t i c s o f a i r g a p o f s p e e d r e g u l a t i o n ma g ne t c ou p l e r u n d e r c o n d i t i o n o f c o n s t a n t l o a d [ J ] . I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n , 2 0 1 7 , 4 3 1 1 7 4 7 9 . [ 1 0 3 [ 1 1 ] OUYANG Ho n g y u a n, S UN J i n g j i e . 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