地下矿山斜坡道三维模型参数化构建方法研究-矿业114网 
首页 >> 文献频道 >> 矿业论文 >> 正文
地下矿山斜坡道三维模型参数化构建方法研究
2015-10-12
针对地下矿山斜坡道建模技术不完善且在矿山的应用程度低的问题,基于参数化思想开展 了地下矿山 斜坡道三维建模方法研究。首先,根据斜坡道断面参数,构建斜坡道断面的二维轮廓线;其次,根据 斜坡道路径参数, 经系列坐标转换得到斜坡道断面的三维轮廓线;再次,采用连续断面的侧面构建算法快速建立斜坡 道三维模型;最 后,将斜坡道的模型参数存贮于相应模型的数据结构中,以便于计算其工程数据和检索、查询、动 态修正模型参数。借 助该方法和HOOPS 组件,运用VC++工具,开发了一个地下矿山斜坡道参数化建模系统。基于该系统 并根据某矿山 地下斜坡道的路径平面图、斜坡道坡度和...
Series No. 472 ꢀ Octoberꢀ 2015 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 472期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ METAL MINE 2015 年第 10 期 · 机电与自动化· 地下矿山斜坡道三维模型参数化构建方法研究 1 ,2 1,2 1,2 1,2 唐忠伟 ꢀ 徐ꢀ 帅 ꢀ 王运森 ꢀ 李元辉 ( 1. 东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;2. 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,辽宁 沈阳 110819) 摘ꢀ 要ꢀ 针对地下矿山斜坡道建模技术不完善且在矿山的应用程度低的问题,基于参数化思想开展了地下矿山 斜坡道三维建模方法研究。 首先,根据斜坡道断面参数,构建斜坡道断面的二维轮廓线;其次,根据斜坡道路径参数, 经系列坐标转换得到斜坡道断面的三维轮廓线;再次,采用连续断面的侧面构建算法快速建立斜坡道三维模型;最 后,将斜坡道的模型参数存贮于相应模型的数据结构中,以便于计算其工程数据和检索、查询、动态修正模型参数。 借 助该方法和 HOOPS 组件,运用 VC++工具,开发了一个地下矿山斜坡道参数化建模系统。 基于该系统并根据某矿山 地下斜坡道的路径平面图、斜坡道坡度和断面参数信息,成功构建了斜坡道的三维参数化模型,并能根据矿山施工进 展动态修正模型。 关键词ꢀ 斜坡道ꢀ 参数化建模ꢀ HOOPSꢀ 动态修改 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD67ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2015)-10-116-05 Research on a Method of Parameterized 3D Modeling of Mine Ramp 1 ,2 1,2 1,2 1,2 Tang Zhongwei ꢀ Xu Shuai ꢀ Wang Yunsen ꢀ Li Yuanhui ( 1. College of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China; 2 . Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines,Shenyang 110819,China) Abstractꢀ Aiming at the actuality of the imperfection and low application rate of the model-building technique of mine ramp,we research the method of 3D-modeling based on parametric idea. Firstly,we build a parameterized 2D model contour of the ramp according to its cross section parameters. Secondly,building a 3D model contour of the ramp sections via coordinate transformations on the basis of the parameters of its path. And then,a 3D model of the ramp is quickly created according to the algorithm which utilize the side face of consecutive cross section. Finally,the model parameters are saved in its corresponding database so that we may finger up the engineering data and query or modify the model dynamically. With the help of the method mentioned above,together with HOOPS components and VC++ tools,we develop a parametric modeling system of the mine ramp. Based on this system and the planar graph,gradients and other parameters of a mine ramp,we built a parameterized 3D model for the ramp and modified it as the condition changed during the construction process of the mine ramp. Keywordsꢀ Ramp,Parametric modeling,HOOPS,Dynamic modifying ꢀ ꢀ 随着地下矿山无轨采掘设备的迅猛发展,斜坡道 直线段和(或) 曲线段组合而成,其中直线段用于改 [5] 开拓越来越普遍。 与传统开拓方式相比,斜坡道开拓 有利于矿山开展无轨设备、提高采矿效率和生产能 变高程,曲线段用于改变方向 ,其建模方法不同于 [ 6] [7] 平巷。 刘斌 和孙运乾 运用最短路径原理,在已 知斜坡道入口点和与之相连的平巷结点的坐标情况 下,实现了斜坡道的自动寻径及建模。 但井下巷道复 杂多样,仅仅考虑其路径是不符合矿山实际的。 徐 [ 1] 力、降低生产成本 。 近年来,数字化和可视化技术 在采矿业的应用越来越广泛。 矿山采动的三维仿真 能及时地记录和再现地下工程的变迁,可提高矿山的 工作效率和管理水平,对开采设计和工程施工等都具 [ 8] 帅 采用平面图形梯度差值生长算法,可由斜坡道 [ 2-4] 有重要意义 斜坡道建模与井巷工程建模有所不同,斜坡道由 。 二维投影图和相关参数构建其三维模型。 但这些方 法在已知斜坡道模型参数后必须要在作图空间中手 收稿日期ꢀ 2015-05-26 基金项目ꢀ 国家自然科学基金项目(编号:51204031,51274055),“十二五”国家科技支撑计划项目(编号:2013BAB02B03),教育部基本科研业务 费项目(编号:N130401007),辽宁省教育厅一般科技项目(编号:L2014100)。 作者简介ꢀ 唐忠伟(1990—),男,硕士研究生。 通讯作者ꢀ 徐ꢀ 帅(1881—),男,东北大学,副教授。 · 116· ꢀ ꢀ ꢀ 唐忠伟等:地下矿山斜坡道三维模型参数化构建方法研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 10 期 工绘制出斜坡道的二维投影平面图才能构建其三维 2. 1ꢀ 构建斜坡道三维路径 模型,具有一定的局限性。 斜坡道的平面路径由直线段和曲线段组成,需将 其转换为二维多段线。 其中,直线段部分取线段端 点,曲线段部分则通过折线进行拟合。 如图 2 所示为 斜坡道平面路径图, P0(xs ,ys ) 为斜坡道起点,A1 为 第一条直线段的角度,L1 为第一条直线段 P0 P1 长度, 则点 P1(xm,ym) 的坐标计算公式为 1 ꢀ 参数化建模技术 参数化建模是指用一组参数来描述结构形状比 较固定的设计模型,简单地改变模型中的参数值就能 [ 9] 建立新的模型的一种建模方法 。 从上世纪 60 年代 至今,参数化建模的思想以其优越性和强大功能被广 泛应用,如陈志刚等对 Adams 圆柱齿轮减速器的参 数化建模、胡添元等对飞翼外形的参数化建模、龚亚 xm = xs + L1 × cos(A1 ) . m = ys + L1 × sin(A1 ) (1) { y [ 10-14] 琦等对基于 ANSYS 的桥梁参数化建模等 。 斜坡 道的断面结构和形状比较固定,适合参数化构建其三 维模型。 本研究基于参数化建模的思想,通过控制斜 坡道路径参数和断面参数,构建斜坡道的参数化三维 模型。 该方法能够实现斜坡道模型的参数化修改和 动态更新,大大减少了设计人员工作量,提高了建模 效率。 2 ꢀ 斜坡道参数化建模算法 斜坡道依据运输线路的布置形式,分为直线式, 图 2ꢀ 斜坡道平面路径 Fig. 2ꢀ The planar path of ramp 折返式和螺旋式 3 种,均由直线段和曲线段联合组 成。 根据斜坡道各构成要素的特点,构建斜坡道三维 参数化模型的方法如下:①获取斜坡道路径参数,计 算斜坡道路径上各点的平面坐标,依据斜坡道各部分 坡度推算各点的三维坐标;②获取斜坡道断面参数, 构建斜坡道断面二维轮廓线;③根据斜坡道三维路径 信息,将斜坡道二维断面轮廓线经坐标转换得到在斜 坡道路径上顶点处的三维断面轮廓线信息;④构建斜 坡道侧面,完成斜坡道三维模型的建立;⑤计算并存 贮斜坡道模型参数和工程数据信息,便于斜坡道三维 模型的检索和修正。 弧 P1 P2 为第一条曲线段,点 O(xo ,yo )表示曲线 段圆心坐标,a1 为曲线段旋转角度( 逆时针方向为 正),圆心 O(xo ,yo )的计算公式如下: xo = xm - R × sin(A1 ) ,a1 > 0; { yo = ym + R × cos(A1 ) (2) xo = xm + R × sin(A1 ) , a1 ≤ 0. { yo = ym - R × cos(A1 ) ꢀ 若将曲线分为 N 条折线,则曲线段上插入点个 数为 N ꢁ 1,如图 2 第一条曲线段上第 i 个插入点 P1i xi ,yi )的坐标可由点 P1(xm,ym)绕圆心 O 旋转 ai 角 ꢀ ( 度得到,计算公式如下: 建立斜坡道三维参数化模型的流程如图 1 所示。 cos(ai ) sin(ai ) cos(a 0ö 0 ì æ T = - sin(a ) ) , i i èxo(1 - cos(ai )) + yo sin(ai ) - xo sin(ai ) + yo(1 - cos(ai )) 1ø í î ( xi yi 1) = (x m y m 1) × T, ai = i × a/ N ( i £N,i = 1, 2, 3,…) . (3) ꢀ ꢀ 当 i = N 时,所得的点即为下一条直线段的起点 坐标 P2 。 第二条直线段 P2 P3 的角度 A2 为 A2 = A1 + a1 . (4) ꢀ ꢀ 按以上算法,可求得下一条直线段和曲线段各点 坐标,进而得到斜坡道的平面路径。 然后,根据斜坡 道各直线段和曲线段的坡度计算出斜坡道路径上各 点高程。 图 1ꢀ 斜坡道参数化建模流程 ꢀ ꢀ 直线段高程计算公式为 zi+1 = zi + D × di , Fig. 1ꢀ The process of Parametric modeling of ramp (5) · 117· 总第 472 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 10 期 曲线段高程计算公式为 zi+1 = zi + a / N × R × di , XOY 面的角度 a2 。 将断面以 X 轴为旋转中心旋转 a2 角度,再以 Z 轴为旋转中心旋转 a1 角度,然后将断面 平移到斜坡道路径上相应点处。 斜坡道路径顶点的 断面轮廓线转换算法如下: (6) 式中,zi 为斜坡道路径第 i 个点的高程坐标;D 为第 i 个点所在直道的长度;di 为斜坡道路径第 i 条线段的 坡度;a 为该点所在曲线段的旋转角度;N 为该点所 在曲线段上插入点的个数;R 为该点所在曲线段的旋 转半径。 ′ ′ (x y z 1 ) = (xi 0 zi 1 ) × T, i i i cosa1 / cosb2 sina1 / cosb2 casa2 cosa1 0 0ö 0 æ è - cosa2 sina1 sina2 T = . sina2 sina1 / cosb1 - sina2 cosa1 / cosb1 cosa2 / cosb1 0 2 . 2ꢀ 构建斜坡道二维断面 xo yo zo 1ø 确定巷道断面形状,如圆弧拱型、三心拱型和梯 形拱型,巷道断面形状类型如图 3 所示。 然后确定相 应的参数,如巷道宽度、墙高等,断面参数信息如表 1 所示。 根据以上参数,以巷道断面底边中点为坐标原 点,底边延伸方向为 X 轴正方向,顶板方向为 Z 轴正 方向计算断面的二维轮廓线。 其中,断面的圆弧部分 也需用曲线段拟合算法将断面轮廓线拟合成一条封 闭的多段线。 (7) 、 、 式中,(xo ,yo ,zo )为点 Po 的坐标;(xi ,0,zi ),二维轮 廓线上第 i 个点的坐标;(xi ,yi ,zi )为 Po 点处轮廓线 上第 i 个点的三维坐标;b1 为与点 Po 相连的 2 条折 线段的坡度变化值的一半;b1 为与点 Po 相连的 2 条 折线段在 XOY 面上投影的向量变化角度的一半;a1 为 Po 处断面的法向量在 XOY 面的投影与 Y 轴的夹 角;a2 为 Po 处断面的法向量与 XOY 面的夹角。 经过以上步骤,结果如图 4 所示。 图 3ꢀ 巷道断面类型 Fig. 3ꢀ The three types of tunnel section 表 1ꢀ 巷道断面参数 Table 1ꢀ Parameters of tunnel section 图 4ꢀ 斜坡道断面三维轮廓线 Fig. 4ꢀ The 3D section contour of ramp 2. 4ꢀ 构建斜坡道侧面模型 断面类型 圆弧拱型 参ꢀ ꢀ 数 断面宽 B1 、直墙高 H1 、高跨比 高 跨 比: 1 / 2 ( 半 圆 h1 / B1 拱)、1 / 3、1 / 4、1 / 5 断面宽 B2 、直墙高 H2 、高跨比 高跨比:1 / 3、1 / 4、1 / 备ꢀ 注 经过坐标转换后,在斜坡道路径的各个顶点处生 成一个三维断面轮廓线。 首先将相邻 2 断面对应的 三心拱型 梯形拱型 h2 / B2 底板宽 B3 、巷道高 H3 、内夹角 A3 = 90° 时,为矩形 A3 拱型断面 5 顶点坐标相连生成线段 P Q 、P Q 、P Q 等,如图 5 1 1 2 2 3 3 所示;然后依次以相邻两条线段为边界构建四边形面 片, 如 图 5 所 示, 则 生 成 P1 P2 Q2 Q1 、 P2 P3 Q3 Q2 、 P3 P4 Q4 Q3 等面片,将这段巷道包裹形成巷道的侧面; 最后按上述方法依次构建各段巷道的侧面模型,进而 构建出斜坡道的三维实体模型。 2 . 3ꢀ 构建斜坡道三维断面 根据斜坡道路径信息对二维断面轮廓线进行坐 标转换得到路径上各点处的断面轮廓线的三维坐标。 断面轮廓线坐标转换步骤如下: ( 1)在斜坡道路径上 2 线段相交位置,计算两相 邻线段的倾角变化值的一半 b1 ,和这 2 条线段在 XOY 面上投影的向量变化角度的一半 b2 。 将断面在 Z 轴 方向上放大 1 / cosb1 倍,在 X 轴方向上放大 1 / cosb2 倍。 其中,在斜坡道路径起点和终点处角度 b1 、b2 设 置为 0°。 ( 2)根据斜坡道路径上 2 相邻折线段的变化情 况,计算出该点处断面的法向向量。 3)计算出斜坡道路径上各特征点处断面的法 向量在 XOY 面的投影与 Y 轴的角度 a1 和法向量与 图 5ꢀ 巷道侧面模型 Fig. 5ꢀ The lateral model figure of tunnel ( 2. 5ꢀ 计算和存贮斜坡道模型参数和工程数据信息 为方便对斜坡道模型的快速检索、查询和修改, · 118· ꢀ ꢀ ꢀ 唐忠伟等:地下矿山斜坡道三维模型参数化构建方法研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 10 期 将斜坡道参数信息分类存贮起来。 用户可能通过检 索斜坡道的工程名、模型编号或断面参数等信息快速 查询和修改斜坡道模型的模型参数,如斜坡道路径参 数和断面参数。 用户还可以根据需要查询斜坡道的 工程数据信息,如断面面积、路径长度、斜坡道高度、 开挖量和支护面积等。 3 ꢀ 斜坡道参数化建模算法实现 图 7ꢀ 某矿山地下斜坡道建模效果 HOOPS 及其 3D 组件是由 Tech Soft America 公 Fig. 7ꢀ The effect of a mine ramp modeling 司开发并以 Spatial 再次销售的产品,是业界领先的 4ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)通过对斜坡道建模和参数化思想的研究,根 3 D 造型和可视化引擎,为当今许多主流 3D 应用程 据斜坡道路径的特点及其拓扑关系,运用曲线段插点 拟合算法和梯度生长算法构建出斜坡道的三维路径。 序提 供 核 心 图 形 基 础 架 构 及 功 能。 本 研 究 基 于 HOOPS 组件和本文所述斜坡道参数化建模算法,运 用 VC++工具开发了一套斜坡道参数化建模系统。 该系统具有良好的交互界面,只需用户输入和设置斜 坡道的路径平面参数、坡度和断面参数就能完成斜坡 道三维模型构建及其工程数据信息的计算和存贮。 其中,用户可通过交互获取已知的斜坡道路径的平面 图来实现斜坡道平面路径参数的输入。 ( 2)借助斜坡道断面类型及特点,基于图形学原 理,利用断面的三维坐标转换和连续断面的侧构建法 构建出斜坡道三维模型。 ( 3)基于 HOOPS 组件和 VC++工具,开发出了斜 坡道参数化建模系统,具有良好的交互界面,操作简 单。 并将该系统应用于某矿山地下斜坡道参数化模 型的构建,验证了地下矿山斜坡道模型的参数化建模 方法的正确性和该系统的实用性。 某矿山斜坡道断面类型为三心拱型,底宽 5 m、 墙高 4 m、高跨比为 1 / 5。 选择斜坡道路径后,系统可 自动计算出斜坡道路径的平面参数,并显示于交互界 面上,如图 6(a) 所示。 用户可继续设置斜坡道各条 直线段和曲线段坡度以完成斜坡道路径三维参数的 输入,然后设置断面参数,如图 6(b)所示。 系统可根 据这些输入参数快速构建斜坡道模型 ( 如图 7 所 示)。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ 1]ꢀ 马俊生,朱瑞军. 斜坡道开拓的应用现状及其新进展[J]. 金属 矿山,2009(S1):204-206. Ma Junsheng,Zhu Ruijun. Present situation and trend of decline de- velopment[J]. Metal Mine,2009(S1):204-206. 2]ꢀ 吴立新,殷作如,等. 论 21 世纪的矿山———数字矿山[J]. 煤炭 学报,2000(4):337-342. Wu Lixin,Yin Zuoru,et al. Research to the mine in the 21st centu- ry:digital mine[J]. Journal of China Coal Society,2000 (4):337- 342. [ [ 3]ꢀ 顾清华,郭进平,卢才武. 基于离散点的不规则巷道断面三维快 速重构算法[J]. 金属矿山,2011(7):51-53. Gu Qinghua,Guo Jingping,Lu Caiwu. 3D reconstruction algorithm on irregular cross section tunnel based on discrete points [ J] Metal Mine,2011(7):51-53. 4]ꢀ 陈建宏,周智勇,古德生. 采矿 CAD 系统研究现状与关键技术 [ J]. 金属矿山,2004(10):5-9. Chen Jianhong, Zhou Zhiyong, Gu Desheng. Current status of re- search on mining CAD system and its key techniques [ J]. Metal Mine,2004(10):5-9. [ [ 5]ꢀ 解世俊. 金属矿床地下开采[M]. 2 版. 北京:冶金工业出版社, 1 986:34-37. Xie Shijun. Metal Deposit Underground Mining[ M]. 2nd ed. Bei- jing:Metallurgical Industry Press,1986:34-37. 6]ꢀ 刘ꢀ 斌. 井巷布局设计及其三维可视化[D]. 泰安:山东科技大 学,2006. 图 6ꢀ 斜坡道模型参数设置 Liu Bin. Laneway Layout Design and 3D Visualization[ D]. Taian: Shandong University of Science and Technology,2006. Fig. 6ꢀ The references of the model of ramp · 119· 总第 472 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 10 期 [ [ [ 7]ꢀ 孙运乾. 斜坡道计算机辅助设计系统研究与开发[ D]. 泰安:山 东科技大学,2011. [J]. 飞机设计,2007(6):10-13. Hu Tianyuan,Yu Xiongqing. A parametric modeling of flying-wing configuration using API in CATIA[J]. Aircraft Design,2007(6): 10-13. Sun Yunqian. Research and Development on Ramp Computer[D]. Taian:Shandong University of Science and Technology,2011. 8]ꢀ 徐ꢀ 帅. 地下矿山数字开采关键技术研究[D]. 沈阳:东北大学, [12]ꢀ 龚亚琦,刘小虎,杨文兵. 基于 ANSYS 的桥梁参数化建模[J]. 中南公路工程,2006(4):77-79. 2009. Xu Shuai. Study on the Key Technology in Digital Exploration of Un- derground Mine[D]. Shenyang:Northeastern University,2009. 9]ꢀ 董玉德. 离线参数化理论与方法[M]. 合肥:中国科学技术大学 出版社,2004:1-3. Gong Yaqi,Liu Xiaohu,Yang Wenbing. Bridge parametric modeling based on ANSYS [ J]. Central South Highway Engineering,2006 (4):77-79. [13]ꢀ 陈秋晓,等. 城市道路参数化建模规则初探[ J]. 建筑与文化, 2013(7):40-41. Dong Yude. The Theories & Methods of Off-line Parametric Design [ M]. Hefei:Press of University of Science and Technology of Chi- Chen Qiuxiao,et al. Elementary study on parametric modeling rule for urban road[J]. Architecture & Culture,2013(7):40-41. [14]ꢀ 曹ꢀ 率,莫ꢀ 蓉,宫中伟. 航空涡轮叶片气膜孔参数化建模研究 [J]. 航空计算技术,2011(3):77-81. na,2004:1-3. [ [ 10]ꢀ 陈志刚,吴雪飞. 基于 Pro/ E 及 Adams 圆柱齿轮减速器的参数 化建模及运动仿真[J]. 机械研究与应用,2005(2):105-106. Chen Zhigang,Wu Xuefei. Parametric design and dynamic simula- tion of a cylinder gear retarder based on pro/ E and Adams [J]. Mechanical Research & Application,2005(2):105-106. 11]ꢀ 胡添元,余雄庆. 基于 CATIA 二次开发的飞翼外形参数化建模 Cao Shuai,Mo Rong,Gong Zhongwei. Research on parametric mod- eling of aeronautic turbine blade filmhole[J]. Aeronautical Compu- ting Technique,2011(3):77-81. ( 责任编辑ꢀ 石海林) · 120·
  • 中矿传媒与您共建矿业文档分享平台下载改文章所需积分:  5
  • 现在注册会员立即赠送 10 积分


皖公网安备 34050402000107号