基于SOA的煤矿三维可视化系统研究.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教 J 币的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名壑查篮日期丝 堇 厶 鲨 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的．， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名奎冬圣取日期Ⅻ．g ．2 导师签名醴垒龚日期 阳慨5 ，宕 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I I l l l l l l1 1 1 1 1 1 1I I I I II IUI I l Y 2 7 9 7 5 3 0 基于S O A 的煤矿三维可视化系统研究 摘要 煤炭工业不仅带动着我国经济建设的发展，还影响着整个现代化的发 展进程。然而煤炭生产环境非常复杂，企业内部的业务应用系统繁多，各 个业务部门所完成的功能不同，并且各部门所用计算机上的操作系统也不 同，以及用来存储数据的数据库各不相同，从而出现了系统隔离的现象， 由于煤矿各子系统间的数据和信息不能得以共享而形成的“信息孤岛”，导致 了各应用系统的相互独立，严重制约了煤矿信息系统的快速发展。因此， 建立一个集成化的三维可视化信息管理平台具有非常重大的意义。 本文针对现有煤矿系统的信息孤岛问题，提出了基于S O A 的煤矿三维 可视化系统，系统的设计思路是首先创建煤矿系统的三维模型，并利用 S O A 思想设计系统集成架构；其次，利用组态王开发三维可视化平台，将 煤矿系统的各种三维模型导入其中，实现三维模型的组态，从而构建出虚 拟三维煤矿系统；最后再利用S O A 架构思想在三维可视化平台上开发系统 集成界面，将煤矿各系统集成起来，设计出集成化管理的界面。本文所开 发的系统不仅能够集成煤矿各个系统间的数据，使得各系统间的信息可以 相互交互；而且能够模拟井下生产过程，使得井上管理人员能够更为直观 地了解现场生产状况，为煤矿安全生产与管理提供了技术支持。论文的主 要内容如下 在查阅大量国内外相关文献的基础上，分析了煤矿系统的复杂特征后， 提出了混合建模方法以及基于T I N 和A R T P 的集成建模方法，以煤矿系统 中的各实物为研究对象，创建虚拟三维煤矿系统。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 分析了目前煤矿系统的各子系统间信息孤岛产生的原因，提出了基于 S O A 的煤矿系统集成方案，设计了基于E S B ．S O A 的煤矿系统集成架构， 实现了煤矿各子系统的集成。 依据S O A 架构的思想，提出了基于组态王的三维可视化平台，并将煤 矿系统的各三维模型导入其中，实现了煤矿系统三维模型的集成，从而构 建了虚拟三维煤矿场景，并根据煤矿三维可视化系统的需求，在该平台上 设计了交互模块、通讯模块、三维动态控制模块以及数据库模块。 为实现系统的集成，采用基于组态王的三维可视化平台，开发了煤矿 系统一体化主界面和二维／三维界面，将煤矿各异构系统集成到同一平台上， 最终实现系统的集成，并以井下排水系统为例来说明煤矿三维可视化系统 的实现。 关键词S O A ，O p e n G L ，三维可视化，组态王 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 R e s e a r c ho n3 DV i s u a l i z a t i o nS y s t e mo fC o a lM i n eB a s e do nS O A A B S T R C A T C o a li n d u s t r yn o to n l yd r i v e st h ed e v e l o p m e n to ft h ew h o l en a t i o n a l e c o n o m y ，b u ta l s oa f f e c t st h ew h o l ep r o c e s so f t h em o d e m d e v e l o p m e n t ．B u tt h e p r o d u c t i o ne n v i r o n m e n to fc o a l i s v e r yc o m p l e x ．T h eb u s i n e s sa p p l i c a t i o n s y s t e mi n s i d et h ee n t e r p r i s ei sv a r i o u s ．T h ef u n c t i o np e r f o r m e db ye a c hb u s i n e s s u n i ti sd i f f e r e n t ，a n dt h ec o m p u t e ro p e r a t i o ns y s t e m su s e db ye a c hd e p a r t m e n t a r ed i f f e r e n t ，a n dt h ed a t a b a s e sw h i c ha r eu s e dt os t o r ed a t aa r ed i f f e r e n t ．T h u s t h e s e l e a dt op r o d u c et h ep h e n o m e n o no ft h ei s o l a t e ds y s t e m ．T h ed a t aa n d i n f o r m a t i o no f e a c hs y s t e mC a n ’tb es h a r e de a c ho t h e r ，a n dm a k ee a c hs y s t e mi n c o a lm i n eb e c o m et h e i n f o r m a t i o ni s l a n d ，a n dt h e ni tl e a d st op r o d u c em a n y i n d e p e n d e n ta p p l i c a t i o ns y s t e m s ．A sar e s u l t ，i tr e s t r i c t ss e r i o u s l yt h er a p i d c o n s t r u c t i o no ft h ec o a lm i n ei n f o r m a t i o ns y s t e m ．T h e r e f o r e ，i ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c et oe s t a b l i s ha ni n t e g r a t i o ni n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tp l a t f o r mo ft h e t h r e e ．d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o n ． A i m i n ga tt h ep r o b l e m so fi n f o r m a t i o ni s l a n d si nt h ec o a lm i n es y s t e m ，t h e p a p e rp u t sf o r w a r dam e t h o d w h i c hi su s e dt or e a l i z et h ei n t e g r a t i o ni n f o r m a t i o n s y s t e mo ft h ec o a lm i n et h r o u g ha d o p t i n gt h eS O Aa r c h i t e c t u r e ，t h ed e s i g ni d e a o ft h es y s t e mi s F i r s t l y ，c r e a t eat h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h es y s t e mo fc o a l m i n e ，a n du s eS O At od e s i g nt h es y s t e m ’Si n t e g r a t i o na r c h i t e c t u r e ；S e c o n d l y ， u s et h eK i n g V i e wt od e v e l o pt h e3 Dv i s u a l i z a t i o np l a t f o r m ，l e a dm a n yd i f f e r e n t 3 Dm o d e l so ft h es y s t e mo fc o a lm i n ei n t ot h ep l a t f o r mt or e a l i z et h e c o n f i g u r a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l ，a n dt h e nb u i l da3 Dv i r t u a lm i n e s y s t e m ；F i n a l l yu s et h ei d e ao fS O A t od e v e l o pt h es y s t e mi n t e g r a t i o ni n t e r f a c e i nt h et h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o np l a t f o r m ，i n t e g r a t et h es y s t e mo fc o a l m i n ea n dd e s i g nt h ei n t e g r a t e dm a n a g e m e n ti n t e r f a c e ．I nt h i sp a p e r ，t h es y s t e m ．I I I． 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 c a nn o to n l yi n t e g r a t et h ec o a lm i n ed a t aa m o n ga l lt h es y s t e m s ，m a k i n gt h e i n f o r m a t i o nb e t w e e nt h ev a r i o u ss y s t e m si n t e r a c tw i t he a c ho t h e r ，b u ta l s o s i m u l a t et h eu n d e r g r o u n dp r o d u c t i o np r o c e s s ，m a k i n gt h ew e l lm a n a g e m e n t p e r s o n n e lm o r ei n t u i t i v e l yu n d e r s t a n dl i v ep r o d u c t i o ns i t u a t i o na n dp r o v i d e t e c h n i c a ls u p p o r tf o rs a f e t yp r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n to ft h ec o a lm i n e ．T h e m a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s O nt h eb a s i so fc o n s u l t i n gal a r g en u m b e ro fr e l a t e dl i t e r a t u r ea th o m ea n d a b r o a d ，a n a l y z et h ec o m p l e xc h a r a c t e r i s t i c so fc o a lm i n es y s t e m ，p r o p o s et h e h y b r i dm o d e l i n gm e t h o da n dt h ei n t e g r a t e dm o d e l i n gm e t h o db a s e do nT I Na n d A R T P ，w i t ha l lt h em a t e r i a lo b je c t so ft h ec o a lm i n es y s t e ma st h er e s e a r c h o b je c t ，t oc r e a t et h ev i r t u a l3D c o a lm i n es y s t e m ． A n a l y s i st h ec a u s e so fi n f o r m a t i o ni s l a n db e t w e e ne a c hs u b s y s t e mo ft h e c u r r e n tc o a lm i n es y s t e m ，p r o p o s et h ec o a lm i n es y s t e mi n t e g r a t i o np l a nb a s e d o nS O A ，d e s i g nt h es y s t e mi n t e g r a t i o no fc o a lm i n eb a s e do nt h eE S B - S O A a r c h i t e c t u r e ，r e a l i z et h ei n t e g r a t i o no ft h es u b s y s t e m so ft h ec o a lm i n e ． B a s e do nt h ei d e a so ft h eS O Aa r c h i t e c t u r e ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h e3 D v i s u a l i z a t i o np l a t f o r mb a s e do nk i n g v i e w ，a n di m p o r t sa l lt h e3Dm o d e l so ft h e c o a lm i n es y s t e m ，h a sr e a l i z e dt h ei n t e g r a t i o no ft h e3 Dm o d e lo fc o a lm i n e s y s t e m ，t ob u i l dav i r t u a l3 Ds c e n eo fc o a lm i n e ，a n da c c o r d i n gt ot h ed e m a n do f t h ec o a lm i n e3Dv i s u a l i z a t i o n s y s t e m ，d e s i g n t h ei n t e r a c t i v e m o d u l e ， c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，3 Dd y n a m i cc o n t r o lm o d u l ea n dd a t a b a s em o d u l eo n t h ep l a t f o r m ． T oa c h i e v et h ei n t e g r a t i o no ft h es y s t e m ，u s et h e3Dv i s u a l i z a t i o np l a t f o r m b a s e do nk i n g v i e wt od e v e l o pt h ei n t e g r a t e dm a i ni n t e r f a c ea n d2 D ／3 D i n t e r f a c eo ft h ec o a lm i n es y s t e m ，i n t e g r a t i n gt h eh e t e r o g e n e o u ss y s t e mo ft h e c o a lm i n eo nt h es a m ep l a t f o r m ，f i n a l l yt or e a l i z et h ei n t e g r a t i o no ft h es y s t e m ， a n dt a k et h eu n d e r g r o u n dd r a i n a g es y s t e ma sa ne x a m p l et oi l l u s t r a t et h e i m p l e m e n t a t i o no f3 Dv i s u a l i z a t i o ns y s t e mo fc o a lm i n e ． K E Y W O R D S S O A ，O p e n G L ，3 Dv i s u a l i z a t i o n ，K i n g v i e w ．工V ． 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A B S T R C A T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一I I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题的背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．4 论文研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 第二章煤矿系统三维建模的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ．1 煤矿系统的特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．2 建模技术的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．3 煤矿系统数据建模的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．3 ．1 数据模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．3 ．2 地层和巷道的数据建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 ．3 地层和巷道的数据结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．4 煤矿系统几何建模的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l1 2 ．4 ．1 巷道的几何建模及算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．4 ．2 地质煤层的几何建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．3 矿区场景的几何建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．5 煤矿系统三维可视化的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 ．1 可视化技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 ．2 煤矿系统的可视化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．5 ．2 ．1 煤矿系统可视化的步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 第三章基于S O A 的系统集成设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 S O A 集成思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．1 S O A 的组成分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 ．2S O A 的性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．1 ．3 实现S O A 架构的关键技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 6 3 ．2 E S B ．S O A 需求分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．1 煤矿系统的E S B ．S O A 架构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．3 基于S O A 的煤矿系统集成设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．3 ．1 集成系统中数据集成的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 第四章 煤矿三维可视化显示平台的开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 4 ．1 组态王类型的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．1 ．1 组态王的结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．1 ．2 组态王的功能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 三维可视化平台的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．1 三维可视化平台的开发条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．2 三维可视化界面的开发过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．3 绘制三维模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 ．1 巷道和地层建模的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 ．2 设置纹理映射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3 ．3 三维模型的组态嵌入⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．3 ．4 三维模型控制模块的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．4 动画连接的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．5 构建三维可视化平台的数据库⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．6 三维可视化平台的交互显示设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．6 ．1 视点设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 4 ．6 ．2 键盘设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．7 通讯模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 第五章基于S O A 的煤矿三维可视化系统的开发及实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 7 5 ．1 系统特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．2 系统总体结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 5 ．2 ．1 系统框图介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．2 ．2 系统数据的传输过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 ．3 一体化界面设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．3 ．1 设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．3 ．2 设计过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．4 煤矿三维可视化系统的集成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．5 排水系统的可视化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 3 6 ．1 结{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．7 9 攻读硕士研究生期间发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 课题的背景和意义 第一章绪论 煤炭能源是推动我国国民经济快速发展的重要动力，也影响着人们的日常生活，社 会对煤炭的需求量也日益增多。到目前为止，我国的煤产量基本满足了市场的需求，并 且处于供大于求的状态。这便为社会的发展奠定了坚实的能源基础，极大地推动了经济 和科技的快速发展。然而煤矿生产中的安全性问题也不容小觑。据资料显示，2 0 0 7 年， 全国煤矿的死亡人数达三千多；2 0 0 3 年我国原煤总产量为1 7 亿多吨，死亡人数高达六 干，并且百万吨死亡率远远高于国外一些发达国家的死亡率【l 】。这几年，我国严加治理 安全隐患并花费大量资金以改善煤矿生产环境，可是由于我国煤矿安全起点水平低、根 基不牢，因此要想彻底解决这个问题不是一蹴而就的事情。 煤矿是井下生产，井上管理的企业；井下煤层分布不均匀、生产环境恶劣、生产设 备繁多、人员职业素质普遍低；井上各管理系统与井下各生产系统相互孤立，各类信息 不能相互交互，形成了许多信息孤岛。因此有必要建立一个能使各系统间相互交流信息 并使生产与管理同步的煤矿综合信息系统。 随着计算机技术、可视化技术的不断发展，这些技术被广泛应用于许多领域，特别 是应用到煤矿领域后，可以使工作人员身临其境，真实地感受井下的生产状况并对其加 以管理和操作，实现生产、管理一体化。井下生产系统的复杂多变性给安监部门的工作 带来重重困难，而三维可视化技术的应用使井下生产透明化，为生产管理带来了极大的 方便，从而削弱了由安全性的问题引发的威胁。所以，开发煤矿三维可视化系统不仅可 以提高煤矿生产的管理水平，使技术人员能时刻观察到煤矿的整个生产情况；而且能降 低煤矿安全事故发生的概率。因此，建立煤矿三维可视化系统，是煤矿安全生产的关键， 是解决我国主要能源有效供给和谐社会建设的重要前提。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．2 国外研究现状 西方矿业运用三维可视化技术的历史可追溯到二十世纪7 0 年代初，那时的矿下三 维可视化技术只是处于计算机辅助阶段，没有实际成型；；随着计算机技术、三维可视 化技术的不断发展，这些技术被广泛应用到矿业三维可视化后，矿业三维可视化技术也 得到了快速发展，由此也被应用到矿业的更多领域；在8 0 年代末，矿下三维可视化技 术在图像仿真技术和3 DG I S 技术发展潮流的推动下不断发展，在此基础上，一系列矿 下真三维可视化系统应用到了生产实际中。9 0 年代初，运用U N I X 开发了许多系统，这 些系统广泛应用于工作站。到9 0 年代中期，微型计算机具有了强大的功能，使得许多 具有先进水平的矿下真三维可视化系统在微型计算机中便可以操作。到现在为止，一些 常用的三维系统都能够运行于W i n d o w sX P 系列的微型计算机上，同时在相连的每台计 算机上都能操作这些三维系统。比较典型的系统有G O C A D 系统、D A E D A L U S 系统、 E M C O M 系统、L Y N X 系统等。 在数字化开采方面，国外研究也较早。研发的许多先进软件传播到全世界。它们具 有多种不同的性能，这些性能有整理地质探测数据、绘制巷道及地层的三维模型、存 储和修改测量数据、编排进度等。比较典型的有D a t a M i n e 、M I C R O M I N E 、V u l c a n 、 M i n C A D 等。 虚拟现实技术 V i r t u a lR e a l i t y ，V R 是继数字矿山之后的第二次革命。它起源于 美国，最早应用的领域是军队飞行员的虚拟训练，随着V R 技术的不断发展，其应用范 围逐渐扩大到煤矿、建筑、地质、航天等领域。 到目前为止，煤矿领域中采用了V R 技术的生产过程有煤层开采、爆破工程、煤矿 安全生产工程等。其中比较有名的有澳大利亚E a r t h w o r k s 公司开发的I n t o u c h 、C S I R O M i n eE n g i n e e r i n gG R O U P 开发的V i r t u a lM i n e 、英国A I M S 研发中心开发的V RM I N E 和F S V 系统等【2 J 。这些软件主要用于煤层开采的模拟。而澳大利亚的M i c r o m i n e 、英国 的D a t a M i n e 、加拿大的L Y N X [ 3 】等软件，则用于爆破工程的模拟，这些软件在爆破工程 领域的应用，不仅简化了生产工程，还降低了事故发生率。除此之外，V R 技术也用于 煤矿安全生产培训、事故分析、露天矿监控以及煤矿生产条件的风险评估等。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．3 国内研究现状 与国外采矿生产的发展水平相比，国内的煤矿三维可视化的研究起步较晚、水平 较低。 上世纪8 0 年代我国开始对矿山的三维可视化技术进行研究，主要将其应用于煤矿 和石油行业。到8 0 年代中期，我国设计出了具有专业特色的C A D 软件，并应用于地矿、 测量等领域。其中，马鞍山的矿山研究院、鞍山冶金设计院、东北大学、北京科技大学、 中南大学、中国矿业大学等在这个领域均取得了一些成果，并将这些成果相继应用于各 大铁矿和煤矿企业，使矿山C A D 技术有了进一步的发展。目前，采矿业的繁荣发展， 使得更多的院校和软件公司纷纷投入到该行业的研究中，以满足采矿业的需求。这些软 件中比较典型的有M C A D 、D I M I N E 、3 D M i n e 等。我国将三维可视化技术应用到矿业 领域后，逐渐赶上了国外矿业发展的步伐。 其次，国内在数字矿山方面的研究与推广也比国外的晚一些。通过借鉴国外的先进 技术，许多大学、设计院和矿山企业逐渐以计算机为基础对矿山生产进行研究。上世纪 9 0 年代，随着我国矿业信息化水平的不断提高，许多矿山企业在国外先进技术的基础上， 自主研发了符合企业需求的信息化系统，与生产管理系统相互通讯，构建了企业化的局 域网。上世纪9 0 年代末，人们渐渐察觉到矿山系统中各子系统之间相互孤立，各类 信息难以共享，构成了许多的异构系统。因此开发一个综合信息管理系统成为缓解这种 现象的最佳方法。到目前为止，矿山企业迫于安全问题的压力，大力投资建设综合信息 集成系统和监控系统，开发了用于露天矿的基于G I S 的卡车调度软件。 此外，我国对V R 技术的应用也较晚，其他一些与之相关的技术也同样如此，如计 算机技术、数据库技术、计算机软件技术等。鉴于此，我国V R 技术的研发水平与发展 速度远远落后于国外的发展水平。同时V R 技术水平低于国际水平，例如V R 技术在矿 山企业的应用范围非常狭窄，因此极大地限制了矿山企业发展的速度。随着国内计算机 相关技术的不断发展，国内I T 企业越来越重视V R 技术，并且开始开发和推广该技术。 V R 技术已经被国家国防科工委当作首要课题，许多科研机构也都开始研究V R 技术， 并获得了相应的成果。如北京航空航天大学作为国内早期开发V R 技术的成员之一，其 开发水平处于领先地位，所研究的成果有虚拟与三维可视化实验室、模拟飞机飞行的 训练系统，虚拟与现实相结合的系统等，还设计出了视觉接口的硬件和三维建模的相关 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 算法。清华大学运用Q u i c k T i m e 技术构建出的“布达拉宫“ 虚拟模型图。浙江大学研 究出的基于C A D C G 技术的虚拟场景的实时漫游系统[ 4 1 。 1 ．4 论文研究内容 本文在解析了国内外三维可视化发展状况的基础上，开发了一套基于S O A 的煤矿 三维可视化系统。主要内容安排如下 1 、介绍了煤矿三维可视化系统的研究背景及意义，分析了国内外研究状况，设计 了基于S O A 的煤矿三维可视化系统的方案，即运用S O A 架构的思想来缓解煤矿各系统 间存在的信息孤岛现象。 2 、以煤矿系统中的各实物为研究对象，研究了三维模型的建模方法以及相关算法。 介绍了创建虚拟煤矿系统的混合建模方法以及基于T I N 和A R T P 的集成建模方法。 3 、针对煤矿各子系统间存在的信息孤岛问题，本文设计了基于S O A 的集成系统， 并建立了基于E S B ．S O A 的煤矿集成架构体系。 4 、分析组态性能及组成的基础上，开发了基于组态的三维可视化集成平台，并研 究了O P C 通信模块、三维模型的绘制及组态嵌入、一体化界面、人机交互、数据库。 5 、构建出了基于S O A 的煤矿三维可视化系统具体实现框架，开发出了煤矿三维可 视化平台的主界面和子界面，并以井下排水系统为例来说明煤矿三维可视化系统。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章煤矿系统三维建模的研究 煤矿系统中的各实物模型的建立是构建虚拟煤矿系统、煤矿三维可视化系统的前 提，因此本章详细介绍了煤矿系统的三维建模、可视化等技术。煤矿系统的实物中，作 为安全生产的关键因素之一的巷道，是整个煤矿系统的核心部分；其次，井下生产所用 的机械设备和井上建筑以及工作人员都是煤矿生产系统不可或缺的关键部分，而这些都 属于矿区场景范畴；除此之外，煤矿开采离不开煤层，因此本章主要研究了这三者的建 模。 2 ．1 煤矿系统的特征分析 煤矿环境包括井上和井下各种自然的和人为的实体，这些实体相互作用形成一个 繁杂的体系。要对煤矿三维场景实现三维建模，需要了解煤矿矿区场景的特征。 井下生产的场景可分为两部分自然环境和人为场景。其中自然环境包括地层、 矿体等，这些场景的形状是不规则的，是由地质体运动产生的。人为场景有巷道、采 矿区、硐室等，是工作人员进行生产活动所形成的实体，一般具有比较规则的形状。 首先，井下生产的场景所具有的基本性质表现在属性，空间位置、空间关系等。其 中属性特征是指模型的各种内在性质，例如地质的内在性质是厚度和年代；空间位置 特性是模型在空间的具体位置和外表构造；空间关系主要是模型间固有的与空间性质 相关的关系，如巷道与采矿区的相邻关系。其次，生产场景的特征还包括动态性、 系统性、多维性等。动态性以开采作业为例来说明，采煤机的不断开采，开采面的模 型便需要不断地更新。系统性说的是煤矿生产系统中每个生产流程几乎都是以系统的 形式存在的，如排水系统。多维性是指同一实体处于不同用途的生产系统中时，其所 起的作用便有所不同。 2 ．2 建模技术的选择 为了实现煤矿井下生产子系统中各三维模型的可视化，建立煤矿井下生产子系统 的各个实体模型是其前提条件。煤矿系统包括不断变化的地形地貌、构造复杂的设备 ．5 ． 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 仪器、不同工种的生产工人、形形色色的办公车