矿井通风三维可视化仿真系统的设计与实现.pdf

SeriesNo . 373 July 2007 金 属 矿 山 M ETALM I NE 总 第 373期 2007年第 7期 * 国家重点基础研究 973项目 2005cb221504、 国家 十五科技 攻关项目 2005BA813B- 3- 01 牛永胜 1973, 男, 华北科技学院建工系, 硕士研究生, 主讲教师, 101601北京东燕郊 206信箱建工系。 矿井通风三维可视化仿真系统的设计与实现 * 牛永胜 1 曹 荣 1 陈学习 2 王 平 2 1华北科技学院; 2 中国矿业大学 摘 要 针对目前国内外通风仿真系统软件存在的不足, 提出了矿井通风三维可视化仿真系统的总体设计, 系统由 4大模块组成, 即通风系统的三维自动构建、 通风系统的三维可视化、 动态风流仿真和通风图属三维交互查 询。通风系统构建模块为系统提供数据, 三维可视化模块用于系统的三维可视化操作。动态风流仿真模块基于改 进的粒子系统算法, 可显示风流方向、 风流类型、 风量等通风参数。三维交互查询模块用于通风系统的空间查询与 分析。对上述 4个模块的关键问题进行了详细研究和实现, 并以开滦矿区某矿通风数据进行了实际应用, 验证了 系统的可行性与实用性。 关键词 矿井通风 三维可视化仿真系统 改进粒子系统算法 三维交互查询 Design and Implementation of 3D Visualized Si mulation Syste m ofM ine Ventilation N iu Yongsheng 1 Cao Rong 1 Chen Xuexi 2 Wang Ping 2 1. N orth China Institute of Science and Technology; 2. China University of Science and Technology Abstract An overalldesign of 3D visualized si mulation syste m ofm ine ventilation is proposed, which is co mposed of the modules of 3D automatic construction of the ventilation syste m, 3D visualization of the ventilation system,dyna m ic air flow si mulation and 3D interactive inquiry of the attributes of the ventilationmap. The module of ventilation system construc tion is to provide the data to the syste m; the 3D visualizationmodule is for the 3D visualization operation of the system;the dyna m ic airflo w si mulationmodule isbased on themodified particle syste m algorithm and can display the ventilation para m eters such as airflo w direction, airflo w type and airflo w a mount ; and the 3D interactive inquiremodule isused for the space inquiry and analysis of the ventilation system. The detailed study and i mplementation aremade on the above fourmodules , and the practicalapplication of them w ith the ventilation data of am ine in Kailuanm ine area has verified the feasibility and practicability of the syste m. K eywords M ine ventilation, 3D visualized si mulation syste m,I mproved particle syste m algorethi m,3D interactive inquiry 建立可视化的矿井通风仿真系统是当前矿山信 息技术领域最富有活力的研究方向之一 [ 1]。近年 来, 国外在矿井通风仿真系统方面的研究十分活跃, 相继推出 Ventilation Design 、 VENDIS、3D - CAN VENT、 VENTGRAPH 等一批商业化软件 [ 2]。国内一 些科研院所和大专院校在这方面也做了大量的工 作, 如辽宁工程技术大学研制出了矿井仿真系统软 件 MVSS [ 3], 中国矿业大学推出了矿井通风系统图 形管理和救灾辅助决策系统 M ineCAD [ 4], 北京四维 远见信息技术有限公司开发了煤矿井下通风可视化 管理系统 3D- CMVRS [ 5]。这些通风仿真系统软件 在国内外矿山行业都在应用, 取得了一定的效果, 但 也存在着一些不足。如国外软件尽管在通风可视化 和计算功能上较强, 但很少经过汉化, 且价格昂贵, 不适合中国矿山的实情。国内软件大部分不能实现 通风系统三维图形的自动建立与拓扑关系动态更 新, 三维可视化效果较差, 不能实现巷道内风流的动 态模拟, 并且将图形数据与属性数据相分离, 实际应 用时受到许多限制。 鉴于此, 本研究以面向对象的程序开发语言 VisualC 6 . 0和三维图形应用程序接口 OpenGL 为主要开发工具, 设计并初步实现了一个矿井通风 三维可视化仿真系统。系统由通风系统的三维自动 构建、 通风系统的三维可视化、 动态风流仿真和通风 73 图属三维交互查询等 4大模块组成。文中对这 4大 模块实现关键技术进行了深入研究, 并以开滦矿区 某矿通风数据进行了实际应用, 验证了系统的可行 性与实用性。 1 系统总体结构与功能 1 . 1 系统总体结构 基于面向对象的程序设计思想和模块化的系统 结构, 本着方便实用、 界面友好、 易于扩展等原则, 设 计了系统的总体结构。系统主要功能模块包括 通 风系统的三维构建、 图形三维显示、 风流动态模拟、 图属三维交互查询。系统功能结构如图 1所示。 图 1 矿井通风仿真系统功能 1 . 2 系统主要功能 1系统的三维自动构建。系统的三维自动构 建主要是巷道建模。巷道三维空间数据和属性数据 以固定的格式保存在数据文件中, 包括 巷道弧测量 导线的起点、 终点空间坐标, 巷道名称和巷道的起 点、 终点标志等。系统从数据库中读取三维数据后, 能够根据拓扑关系和显示比例对数据进行处理, 自 动构建矿井三维通风系统。 2 图形的三维显示。用户可以在系统图上随 意改变视角, 通过鼠标和键盘的控制, 实现对图形的 平移、 旋转、 缩放等几何操作, 从任意角度观察三维 通风系统的空间对象。用户可以通过设置颜色、 光 照和材质等参数增强图形三维立体感。 3风流动态模拟。用户可以选择要进行模拟 的巷道, 系统将根据用户的选择, 从数据库中读取这 些巷道的数据, 定出风流的方向、 类型 新乏风 、 速 度和风量的大小, 同时, 进入风流动态模拟状态。在 系统中, 新鲜风流用绿色显示, 乏风显示为红色。巷 道设置为半透明, 以保证模拟风流能被用户看到。 4图属三维交互查询。采用微软数据库引擎 ADO作为数据库查询工具, 利用 OpenGL的选择拾 取机制, 实现对巷道和通风参数的交互式查询。在 矿井通风系统图上, 用户只需在某条巷道上点击即 可进行选择和拾取, 系统会从后台空间数据库中查 询用户所点选的巷道的属性及其通风属性, 显示在 属性显示框中。反之, 用户在属性显示框中输入相 关属性参数后, 可显示满足条件的图形。 2 系统主要功能实现关键技术 2 . 1 通风系统的三维自动构建 通风系统的三维自动构建主要是建立井下巷道 三维可视化模型, 它是显示矿井通风线路的前提和 基础。国内外学者在巷道建模方面做了大量的工 作, 提出的主要有网状模型和体状模型 2种 [ 67]。网 状模型从宏观上将巷道看成是二维线状实体, 即用 巷道的中心线代替巷道本身, 并用中心线间的拓扑 关系表达巷道间的拓扑关系。体状模型将巷道看成 三维体状实体, 它由巷道弧和断面等元素构成, 以巷 道弧表达巷道体的不同类型及该巷道体与其它巷道 体的连接关系。作为矿井通风三维可视化仿真系 统, 其主要显示的是风流的网络结构, 因此可以把巷 道模型简化为二维, 在立体上纵横交错形成三维网 状模型, 这并不影响实际应用且易于实现。采用的 巷道数据结构如下 C lass CLaneway { public long m_nLanewayID;/ /巷道标识 CString LanewayNa m e ;/ /巷道名称 CString LanewayAttribute ;/ /巷道属性 CPoin* tm _pStartPoin, t m _pEndPoin; t/ /巷道 起始点 CArray adjLanew ay ;/ /所关联的其它巷道 C laneway* Prev , * Nex; t/ /巷道前后指针 / /其它成员变量及成员函数 }; 从通风系统数据库中读出巷道数据后, 根据巷 道数据结构中所描述的拓扑关系, 调用 OpenGL 函 数 glBegin GL_ LI NE _STRIPS 即可实现对巷道的 绘制, 完成通风巷道系统的自动构建。 2 . 2 三维可视化操作显示 系统图形的平移、 旋转、 缩放等几何变换利用 OpenGL的视图和造型变换函数 glTranslate 、 gl Rotate 和 glScale 以及投影变换函数 gluPer spective 、 glFrustum 和 gl Ortho 实现。用户 可以通过鼠标和键盘, 对系统图形进行几何操作, 从 74 总第 373期 金 属 矿 山 2007年第 7期 任意角度观察模型。 颜色和光照材质的设置对于三维真实感图形非 常重要, 如果这些参数处理不当, 所绘制的图形仍然 没有立体感, 和二维图形不会有太大的差别。本研 究在系统中采用了 OpenGL 中的 RGBA颜色模型, 指定了缺省的光源和材质特性。在此基础上设计了 友好的用户界面, 允许用户自己修改颜色、 光照和材 质参数。此外, 为了观察到巷道中的风流, 使用了 OpenGL中的 融合技术。 融合就是指两种颜色各分 量依据一定的比例混在一起合二为一, 这种比例来 源 r, g, b,中的 值, 通常称 为不透明性, 称 1- 为透明性。通过调节模型的透明度, 可以将 遮挡的物体显现出来。在系统中, 只要将巷道设置 为半透明, 便可以观察到在巷道中的风流。具体的 代码为 glEnable GL_BLEND;/ /激活颜色融合 glB lendFunc GL _SRC _ALPHA, GL _ONE _M I NUS_SRC_ ALPHA;/ /设置融合参数 glColor4f 0 . 9, f 0 . 9, f 0. 9, f 0. 9f; / /设置 RG BA值 2 . 3 基于改造粒子系统方法的风流动态模拟 粒子系统方法是由 Reeves提出的主要用于模 拟不规则模糊物体的方法 [ 8]。其基本思想是将景 物看作由不规则的、 随机分布的粒子组成, 每个粒子 均有诞生、 活动及死亡 3个阶段, 并且这 3个阶段具 有随机发生特性, 它们不断改变形状, 不断运动。粒 子的这一特性, 使得它充分体现了模糊物体的动态 性和随机性, 能很好地模拟三维复杂自然景物。传 统的粒子系统方法不适于巷道风流模拟, 本研究对 其进行了改造, 方法是确定其生命 3个阶段的发生 过程, 除去其随机特性。即把粒子生成位置固定在 风流模拟显示巷道起点, 其运动路径固定在巷道中, 每个粒子的消亡时间是它运动到巷道末端的时刻。 另外, 对粒子采用短线表示, 短线的颜色表示风流的 性质 即新乏风 , 短线运动速度表示巷道风流速 度, 短线的长度表示风流的大小。粒子的结构如下 ClassCW indPartic { public CPoin* tm_pStar, t m _pEnd;/ /起始、 终止点 COLOR m _pColor ;/ /粒子颜色 Double m_pLength ;/ /粒子长度 Doublem _pPace ;/ /粒子运动速度 Long m _pL ife;/ /粒子生命值 / /其它成员变量及成员函数 }; 上述结构中, m_pColor GREEN或 RED分别 表示风流为新、 乏风。粒子长度可从通风数据库中 得到巷道风量 Q, 将风量乘以一个系数 w, 取整后获 得, 即 m _pLength Qw。 粒子的运动速度是指粒 子在下一帧的显示位置与上一帧显示位置的差值的 大小。从数据库中取得巷道风流速度值 V, 取绝对 值后乘 以 系数 w, 赋 值 于 粒子 运 动速 度, 即 m _pSpace Vw。 粒子的生命值表示粒子能够存活 的步数, 即如果粒子每一帧都显示的话, 它能在多少 帧后灭亡。对巷道风流粒子的生命值可以采用 2种 方法来获得 ①设巷道的长度为 L, 粒子的长度为 P, 粒子运动的速度 S, 则该粒子的生命值为 m _ pLife L /P S。 此时, 每显示一次该粒子就要将其生命 减 1 , 当 m _ pLife 0时该粒子消亡; ②设粒子的生 命值为无穷大, 此时粒子的消亡不能靠其生命值来 判断, 而是当其移动到或超过巷道的终点时消亡。 2 . 4 图属三维交互查询 图形与属性交互查询可通过 OpenGL 提供的选 择与反馈机制实现。为实现从属性查询图形, 在 OpenGL下具有属性的巷道实体需要采用特殊的方 法进行标注, 如在构建此实体时可以为它们建立名 字空间 实际是为巷道建立一个 ID号 , 每一个名 字空间都对应了相应的巷道实体。在建立属性数据 库时需要为巷道实体增加名字空间的标识字段。这 样在已有数据库的基础上, 实现属性到图形的查询 步骤为 ①通过 SQL 语句在属性数据库中找到与指 定属性匹配的巷道实体号; ②找到与属性匹配的巷 道实体的名字空间标识; ③利用 OpenGL 的选择模 式在名字空间堆栈中找到巷道匹配的名称; ④用高 亮度重绘巷道实体, 视点坐标自动转换到合适的观 察位置。 由图形到属性查询必须用一定的方法确定屏幕 上的二维坐标所对应的属性信息, 这可利用 OpenGL 的坐标转换函数和拾取函数实现。如果鼠标捕捉到 的二维点对应的属性信息为巷道实体的 I D号, 则使 用简单的 SQL 语句 select* . * ,from database , where I D * * * 即可获取巷道及通风属性 信息。如果鼠标捕捉到的二维点对应的属性信息为 z坐标, 则该点对应的三维坐标为 X,Y, Z x, 75 牛永胜等 矿井通风三维可视化仿真系统的设计与实现 2007年第 7期 y, zT - 1, T为由三维向二维投影的变换矩阵 。 查询结果可以通过更新属性框的数据显示面板, 最 终将查询结果返回给用户。 3 应用实例及结论 在上述研究成果的基础上, 以 VC 和 Open GL为开发工具, 本研究初步实现了一个矿井通风三 维可视化仿真系统 VSS MV 3D, 并以河北开滦矿区某 矿的部分矿井通风数据进行了实际应用。 应用结果表明, 所开发的系统可以及时、 方便、 直观地分析井下通风系统的变化, 有助于提高矿井 通风信息管理水平, 具有较好的实用价值。下一步 的工作是完善系统的数据管理功能, 如数据的动态 修改、 数据的报表打印等。此外, 三维可视化操作和 图属交互查询效率的优化和提高也是有待深入研究 的课题。 参 考 文 献 [ 1] 华 臻, 范 辉, 李晋江, 等. 基于虚拟现实的矿井通风系统可 控可视化研究 [ J].金属矿山, 2003 7 5356 [ 2] 李春民. OpenGL在矿山井巷工程三维可视化仿真系统中的应 用 [ J]. 北京科技大学学报, 2004 5 457458 [ 3] 倪景峰. 矿井通风仿真系统可视化研究 [ D]. 阜新 辽宁工程 技术大学, 2004, 310315 [ 4] 周 平, 王德明. 矿井通风系统的可视化设计与应用 [ J]. 煤矿 安全, 2003 5 1819 [ 5] 熊 伟. 煤矿虚拟环境系统三维数据模型与 VR 技术研究 [ D]. 北京 北京大学, 2002 , 125127 [ 6] 程朋根, 龚健雅.地勘工程 3维空间数据模型及其数据结构设 计 [ J]. 测绘学报, 2001 1 7578 [ 7] 杨奎奇, 谭海樵. 面向对象的巷道三维显示与查询系统模型 [ J]. 煤矿现代化, 2004 1 3537 [ 8] 戚宜欣, 马国超, 王 平. 基于粒子系统算法的矿井火灾可视 化研究 [ J]. 系统仿真学报, 2001 11 4649 收稿日期 2007 0610 上接第 66页 6 对螺杆泵冷却水、 精乳机冷却水流量进行 监测, 实行断流自动报警和连锁保护。 7 对螺杆泵流量、 系统压力、 精乳机电流及基 质温度进行监测, 异常自动报警, 直至强行停车。 8 对敏化基质温度采用红外测温, 将敏化温 度控制在工艺要求的温度范围内。 9 系统中设置独立的报警模块和安全连锁装 置。一但发生异常情况, 系统可根据工艺要求在生 产现场或控制室分别进行自动报警和全线连锁保护 停车。 1 . 2 . 3 控制系统特点 1 对生产工艺中的主要设备实现了集中控制 操作, 既可以单机设备独立启停, 又可以实现生产设 备按工艺的要求进行自动开车和自动停车。 2 对生产工艺中的主要参数如温度、 液位、 压 力、 流量、 电流实现监控, 确保产品质量的稳定和提 高。 3 强化监控、 报警、 安全连锁保护手段, 确保 安全生产。 4 适应能力强, 在合适的工艺设备选型和合 理的工艺流程下, 用户通过计算机用户界面就可以 非常方便地调整系统中各种参数, 如修改产能、 物料 配比等。 5对工艺设备的状态及工艺参数实时采集并 自动记录, 形成历史数据库, 可随时查询、 打印、 分析 任何时间段的生产情况, 为强化生产管理提供了科 学手段。 6 采用 DCS系统结构, 具有组态灵活、 安装 调试方便、 易于扩展和联网、 人机界面友好、 运行安 全可靠等优点, 还可方便地接入企业管理网络。 7 采用数据通信技术, 把生产过程中主要参 数在现场用数字大屏幕显示, 用以指导现场工作人 员生产。 2 结 论 安徽江南化工有限公司电子监控系统自 2005 年元月投运以来, 运行实践证明, 该系统运行稳定可 靠, 适用有效, 产品质量稳定。系统实现全厂范围的 视频监控与实时控制, 大大地提高了系统的安全性 与可扩展性。 2006年 10月该项目已通过安徽省科 技厅组织的技术鉴定, 项目的技术水平达到国际先 进。 新型的电子监控系统一方面保留了现场控制网 络控制的高可靠性、 高实时性等方面的优越性; 另一 方面, 系统采用先进的网络技术, 除了能很好地完成 生产现场的数据处理和数据通讯外, 还能通过网络 接入整个企业的信息网络管理平台, 大大提高了企 业的管理水平和市场竞争力。 收稿日期 2007 0610 76 总第 373期 金 属 矿 山 2007年第 7期