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地下矿生产可视化管控系统关键技术研究

作　者: 熊书敏
导　师: 王李管
学　校: 中南大学
专　业: 采矿工程
关键词: 数字矿山平行系统管控系统空间数据模型三维可视化
分类号: TD67
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

进入21世纪,快速发展的计算机技术、自动控制技术、网络与通讯技术、空间信息技术为古老的采矿业注入了新的活力,采矿业正在向着数字化、智能化甚至无人采矿的方向发展。自从上世纪末提出“数字矿山”的概念以来,其定义、内涵和框架不断得到扩展和延伸。地下矿生产可视化管控系统是地下矿数字矿山建设的重要组成部分,是矿山平行系统、数字矿山、感知矿山的支撑软件。我国地下矿山的信息化建设在取得很大成绩的同时逐渐暴露出一些问题,通过构建管控系统提高地下矿的信息化水平具有重要的现实意义。地下矿生产可视化管控系统建立于3DGIS技术、虚拟现实与动画技术、三维建模与可视化技术之上,涉及矿山众多业务和各种生产系统,系统复杂,功能繁多,其功能还会随着数字矿山建设的进程而不断扩展。本文从当前矿山信息化建设的现状和需求出发,以建立一个平台性的地下矿生产可视化管控系统为目标,围绕地下矿空间数据模型与组织方式、自动化建模技术、实时数据集成技术、工况可视化技术、漫游技术和软件体系结构等关键技术展开研究,主要内容和研究成果如下：1)从构建矿山平行系统的角度论述了地下矿生产可视化管控系统的定义、目标、功能、主要支撑技术以及在矿山信息化建设中的地位。2)讨论了可视化管控系统对矿山空间数据模型的需求,提出了地下矿空间数据模型的总体设计思路,并设计了一种针对井巷工程和生产系统的参数化实体与网络复合数据模型和一种针对地下矿所有要素的面向实体的多维混合时空数据模型。在空间数据模型的层次上解决了分析和可视化的统一性问题、多维属性的支持问题和空间对象行为建模的问题。3)研究了地下矿空间数据组织技术。设计了一种覆盖地下矿山所有要素的分类编码体系,解决了地下矿空间要素的编码问题。引入“视点”概念,提出了一种基于视点的空间数据组织方式,实现了三维场景的快速定位与显示控制。4)提出了基于参数化实体与网络复合数据模型的自动化建模方案,实现了井巷工程与生产系统的快速建摸与更新。针对地下矿三维建模的需要,提出了一套建模流程和质量控制方法,对于规范地下矿建模工作,提高建模效率和质量具有重要的指导意义。5)研究了地下矿工况可视化技术和场景漫游技术。提出了一套可视化方案,包括基于纹理动画的生产系统仿真技术、基于骨骼动画的设备行为仿真技术、基于三维地理网络的人员位置仿真技术和多功能信息面板技术,解决了各生产系统状态、设备行为、人员位置、环境监测值和报警的可视化问题。提出了一种基于虚拟全路径漫游网络和有限状态机的交互式井巷漫游方式,实现了快速而灵活的井巷漫游的功能。6)研究了矿山实时数据采集与集成技术,以及利用实时数据控制可视化效果的机制。设计了一种面向对象的层次式状态传递机制和一种通用的数据驱动机制,通过关联对象之间的状态传递方式解决了从各种低层传感器到高层系统的状态传递问题,并以一种统一的方式实现了各种对象动画的控制、信息面板的更新和人员行为和位置的更新。7)对管控系统的体系结构进行了研究,提出了“层次式系统+功能插件+服务接口”的管控系统体系结构,奠定了管控系统作为数字矿山支撑软件的架构基础。本文的研究成果丰富了数字矿山的理论,解决了构建地下矿生产可视化管控系统的关键技术问题,开发出来的系统在一些地下矿山进行了应用,取得了良好的效果。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-14
第一章绪论  14-26
  1.1 研究背景与意义  14-17
  1.2 地下矿生产可视化管控系统的定义  17-18
  1.3 相关领域的研究进展  18-23
    1.3.1 数字矿山国内外研究现状  18-20
    1.3.2 组态软件国内外研究现状  20-21
    1.3.3 井下定位系统上位机软件国内外研究现状  21
    1.3.4 基于三维GIS的矿山管控软件国内外研究现状  21-22
    1.3.5 存在的问题  22-23
    1.3.6 发展趋势  23
  1.4 研究内容与技术路线  23-26
第二章地下矿生产可视化管控系统分析  26-36
  2.1 地下矿生产可视化管控系统的目标  26
  2.2 地下矿生产可视化管控系统功能需求分析  26-28
  2.3 地下矿生产可视化管控系统技术需求分析  28-32
    2.3.1 三维可视化技术  28-30
    2.3.2 计算机动画技术  30
    2.3.3 虚拟现实技术  30-31
    2.3.4 三维GIS技术  31
    2.3.5 三维建模技术  31-32
  2.4 地下矿生产可视化管控系统的定位  32-34
    2.4.1 与数字矿山的关系  33
    2.4.2 与虚拟矿山系统的关系  33-34
    2.4.3 与矿山SCADA的关系  34
    2.4.4 与矿山组态监控软件的关系  34
    2.4.5 与数字开采软件的关系  34
  2.5 本章小结  34-36
第三章地下矿三维空间数据模型与数据组织技术  36-72
  3.1 三维空间数据模型研究现状  36-39
  3.2 矿山空间要素的特征  39-41
    3.2.1 矿山空间环境的总体特征  39-40
    3.2.2 井巷工程和生产系统的空间特征  40-41
  3.3 地下矿三维空间数据模型设计思路  41-43
    3.3.1 矿山三维空间数据模型存在的问题  41
    3.3.2 地下矿三维空间数据模型需求分析  41-42
    3.3.3 地下矿三维空间数据模型设计总体思路  42-43
  3.4 参数化实体与网络复合数据模型  43-49
    3.4.1 PENDM模型的元素组成  43-45
    3.4.2 井巷工程与生产系统整体骨架模型  45-47
    3.4.3 PENDM模型的数据结构设计  47
    3.4.4 PENDM模型的应用示例  47-49
  3.5 面向实体的混合时空数据模型  49-55
    3.5.1 基于属性视图的多维属性模型  49-50
    3.5.2 含骨架的混合时空数据模型  50-52
    3.5.3 数据模型的应用示例  52-55
  3.6 地下矿空间要素分类编码  55-62
    3.6.1 空间要素分类编码的研究现状  55-57
    3.6.2 空间要素分类的基本因素  57
    3.6.3 矿山空间要素分类原则  57-58
    3.6.4 矿山空间要素分类与编码方法  58-59
    3.6.5 矿山空间要素分类与编码的实现  59-62
  3.7 地下矿空间数据的组织和管理  62-70
    3.7.1 空间数据的组织与管理技术  62-65
    3.7.2 基于视点的地下矿空间数据组织技术  65-67
    3.7.3 基于视点的地下矿空间数据组织和管理的实现  67-70
  3.8 本章小结  70-72
第四章地下矿井巷与生产系统自动化建模技术  72-103
  4.1 基于PENDM模型的井巷工程自动化建模技术  72-81
    4.1.1 井巷建模技术回顾  72-73
    4.1.2 基于PENDM模型的井巷自动化建模算法特点  73-74
    4.1.3 自动构建井巷工程三维实体模型的基本思路  74-75
    4.1.4 井巷工程PENDM模型的构建  75-76
    4.1.5 中线加断面的井巷体建模方法  76-80
    4.1.6 井巷交岔口的建模  80-81
    4.1.7 算法应用  81
  4.2 基于PENDM模型的排水系统自动化建模技术  81-87
    4.2.1 地下矿排水系统建模需求与思路  81-82
    4.2.2 地下矿排水系统PENDM模型  82-83
    4.2.3 水管自动化建模  83-85
    4.2.4 设备自动导入并定位  85-86
    4.2.5 算法应用  86-87
  4.3 基于PENDM模型的主运输系统自动化建模技术  87-94
    4.3.1 地下矿主运输系统建模需求与思路  87-89
    4.3.2 地下矿主运输系统PENDM模型  89-90
    4.3.3 胶带运输机系统自动化建模  90-93
    4.3.4 机车运输机系统自动化建模  93
    4.3.5 无轨运输系统的建模  93
    4.3.6 溜矿系统自动化建模  93
    4.3.7 算法应用  93-94
  4.4 地下矿三维建模流程与质量控制  94-101
    4.4.1 地下矿三维建模流程  95
    4.4.2 地下矿三维建模基本要求  95-99
    4.4.3 地下矿模型数据采集与处理要求  99-100
    4.4.4 地下矿三维模型制作  100-101
    4.4.5 地下矿三维建模检查验收  101
  4.5 本章小结  101-103
第五章地下矿实时数据集成技术  103-126
  5.1 直接面向硬件的数据采集和管理  103-110
    5.1.1 基于多线程的实时数据处理技术  104-105
    5.1.2 数据库设计  105-109
    5.1.3 实时数据采集模块的设计  109-110
  5.2 基于OPC技术的数据集成  110-117
    5.2.1 OPC技术概述  110-113
    5.2.2 基于OPC DA规范的监测数据服务器的开发  113-116
    5.2.3 基于OPC DA规范的客户端组件的开发  116-117
  5.3 面向数据库的数据集成  117-121
    5.3.1 ODBC技术  118-119
    5.3.2 DAO技术  119
    5.3.3 RDO技术  119
    5.3.4 OLE DB技术  119-120
    5.3.5 ADO技术  120
    5.3.6 ADO.NET技术  120-121
    5.3.7 数据库访问技术的选择  121
  5.4 基于Web Service技术的数据集成  121-123
    5.4.1 Web Service技术简介  121-123
    5.4.2 利用Web Service技术进行数据集成的原理  123
  5.5 其它数据集成方式  123-124
  5.6 数据集成子系统的设计与实现  124-125
  5.7 本章小结  125-126
第六章地下矿工况可视化及相关技术  126-154
  6.1 地下矿工况可视化技术  126-139
    6.1.1 地下矿工况可视化需求分析  126
    6.1.2 基于纹理动画的生产系统仿真  126-130
    6.1.3 基于骨骼动画的设备行为仿真  130-132
    6.1.4 基于三维地理网络的人员位置仿真  132-134
    6.1.5 多功能信息面板技术  134-136
    6.1.6 面向对象的层次式状态传递机制  136-138
    6.1.7 工况可视化的实时数据驱动机制  138-139
  6.2 地下矿三维场景漫游技术  139-151
    6.2.1 场景漫游技术概述  140
    6.2.2 场景操纵技术  140-141
    6.2.3 虚拟全路径漫游网络及其数据结构  141-144
    6.2.4 虚拟全路径漫游网络的构建  144-147
    6.2.5 有限状态机简介  147
    6.2.6 基于FSM的漫游器行为模型  147-150
    6.2.7 基于FSM和VFPRN的交互式井巷漫游功能的实现  150
    6.2.8 VFPRN在井巷自动漫游中的应用  150-151
  6.3 与Google Earth的集成技术  151-153
    6.3.1 概述  151
    6.3.2 Google Earth二次开发技术简介  151-152
    6.3.3 集成Google Earth的方法  152-153
  6.4 本章小结  153-154
第七章地下矿生产可视化管控系统的实现与应用  154-162
  7.1 软件体系结构设计  154-157
    7.1.1 软件体系结构介绍  154-155
    7.1.2 管控系统软件体系结构的选择  155
    7.1.3 管控系统体系结构的设计  155-157
  7.2 管控系统的功能设计与实现  157-159
    7.2.1 管控系统的功能设计  157-158
    7.2.2 管控系统的实现  158-159
  7.3 管控系统应用实例  159-161
    7.3.1 管控系统在地下煤矿的应用  159-160
    7.3.2 管控系统在地下磷矿的应用  160-161
  7.4 本章小结  161-162
第八章总结与展望  162-166
  8.1 全文主要结论  162-163
  8.2 主要创新点  163-165
  8.3 下一步的工作  165-166
参考文献  166-179
致谢  179-180
攻读博士期间发表的主要学术论文及成果  180

地下矿生产可视化管控系统关键技术研究

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