基于X3DOM的礦山微震三維交互平臺(tái)開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用

張 震，朱權(quán)潔,2，晁海杰，李青松，張爾輝

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 東燕郊 065201；3. 國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)紅石灣煤礦有限責(zé)任公司，寧夏 靈武 750409；4. 貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

隨著我國(guó)東部等地區(qū)多數(shù)煤礦進(jìn)入深部開(kāi)采，沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害越來(lái)越嚴(yán)重[1]。為了保障礦山正常生產(chǎn)，人們利用具有監(jiān)測(cè)地域廣等優(yōu)勢(shì)的微震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)行沖擊地壓等災(zāi)害的分析、預(yù)警。但現(xiàn)有的微震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)多為C/S結(jié)構(gòu)模式，不適用于多用戶遠(yuǎn)程操作，這為進(jìn)行多層級(jí)礦山災(zāi)害實(shí)時(shí)分析帶來(lái)不利。因此，將B/S結(jié)構(gòu)模式引入礦山災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)，對(duì)礦山災(zāi)害的及時(shí)分析、預(yù)警有著重要現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，我國(guó)在利用微震技術(shù)進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警方面取得了重大進(jìn)展[2-5]。姜福興[3]等聯(lián)合多種參量對(duì)沖擊地壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，提高了沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，三維建模軟件被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[4]。夏勇學(xué)[5]基于OpenGL平臺(tái)聯(lián)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)開(kāi)發(fā)了礦山微震三維顯示及應(yīng)用軟件，為用戶提供了較好的輔助功能。李懷良[6]等通過(guò)GPU可編程圖形管線代替OpenGL固定管線，對(duì)微震監(jiān)測(cè)區(qū)域三維模型的渲染，提高了建模效率。韓軍等以Untily3D軟件為建模平臺(tái)，以C#語(yǔ)言為編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)模型的構(gòu)建與微震數(shù)據(jù)的可視化，完成了整個(gè)系統(tǒng)地質(zhì)數(shù)據(jù)、采掘數(shù)據(jù)與微震數(shù)據(jù)的集成和實(shí)時(shí)顯示[7]。隨著X3DOM技術(shù)的問(wèn)世與發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者以X3DOM為框架做了大量研究[8,9]，胡文玲[10]基于X3DOM技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)三維模型進(jìn)行了可視化構(gòu)建及操作功能的開(kāi)發(fā)，并以Web的形式進(jìn)行展示。證實(shí)了基于B/S構(gòu)架進(jìn)行電力系統(tǒng)可視化應(yīng)用的可行性。楊婷[11]以X3DOM為引擎，以三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建模數(shù)據(jù)，基于同一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與復(fù)雜數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的空間模型的構(gòu)建和查詢。

綜上所述，針對(duì)三維建模技術(shù)難度大、資源耗費(fèi)多等問(wèn)題，基于X3DOM開(kāi)發(fā)了B/S架構(gòu)的礦山微震數(shù)據(jù)分析與三維可視化展示平臺(tái)。該平臺(tái)是由X3DOM、PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等聯(lián)合建立的B/S結(jié)構(gòu)平臺(tái)?？傮w而言，該平臺(tái)開(kāi)發(fā)效率高、資源耗費(fèi)少，可以實(shí)現(xiàn)礦山三維模型以及微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁(yè)展示與交互操作，支持多用戶異地訪問(wèn)。

1 建模軟件及開(kāi)發(fā)平臺(tái)

1.1 Blender建模平臺(tái)

Blender是一款優(yōu)質(zhì)的三維建模軟件，其擺脫了傳統(tǒng)商業(yè)性建模軟件的不足，為用戶提供了免費(fèi)、功能齊備、使用簡(jiǎn)單的多功能建模工具。Blender還提供有Python運(yùn)行窗口，為模型的自動(dòng)構(gòu)建創(chuàng)造了條件。利用Blender可生成高逼真度的礦山井巷、巖體等三維模型，可為真實(shí)還原礦山井下采場(chǎng)形態(tài)等提供良好的建模平臺(tái)。Blender還有物理仿真模塊，能真實(shí)模擬水災(zāi)、火災(zāi)的災(zāi)變情況，對(duì)礦山災(zāi)害的應(yīng)急救援等有著重要意義。

1.2 X3DOM開(kāi)源框架

X3DOM(X-Freedom)是一個(gè)開(kāi)源的JavaScript框架。用戶可用創(chuàng)建層次化、文本化的語(yǔ)句表示方式取代復(fù)雜代碼編寫的傳統(tǒng)方式，完成交互式3D場(chǎng)景的創(chuàng)建與顯示。同時(shí)，X3DOM技術(shù)支持跨平臺(tái)使用，谷歌、IE系列等瀏覽器均支持其網(wǎng)頁(yè)展示。通過(guò)此框架可使傳統(tǒng)礦山災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)從桌面端走向Web端、移動(dòng)端，為用戶提供一個(gè)訪問(wèn)快捷、遠(yuǎn)程操作方便的礦山三維虛擬平臺(tái)。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

礦山微震三維交互平臺(tái)是以B/S架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。與傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)平臺(tái)無(wú)需客戶端專業(yè)軟件，降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、維護(hù)的技術(shù)難度，方便用戶使用。圖1為礦山微震三維可視化平臺(tái)B/S架構(gòu)示意圖。

圖1 礦山微震三維可視化平臺(tái)B/S架構(gòu)示意圖

2 礦山微震三維交互平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程

礦山微震三維可視化平臺(tái)采用三層架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。三層架構(gòu)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)明確，提高了平臺(tái)的開(kāi)發(fā)速度，便于系統(tǒng)后期維護(hù)。如圖2為礦山微震三維交互平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程圖。

圖2 礦山微震三維交互平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程圖

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、連接

該平臺(tái)利用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巷道截面參數(shù)等的儲(chǔ)存管理。PostgreSQL具有面向?qū)ο?、?shù)據(jù)類型豐富以及大數(shù)據(jù)庫(kù)等特點(diǎn)，可為具有多源異構(gòu)特點(diǎn)的微震數(shù)據(jù)、礦山井巷系統(tǒng)基礎(chǔ)建模數(shù)據(jù)等大型數(shù)據(jù)的高效操作、分析提供穩(wěn)定的環(huán)境。

2.2 業(yè)務(wù)邏輯層開(kāi)發(fā)

業(yè)務(wù)邏輯層是三層架構(gòu)的中間層。其主要作用是對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行邏輯判斷與執(zhí)行操作等。對(duì)于該平臺(tái)而言，業(yè)務(wù)邏輯層的開(kāi)發(fā)主要是對(duì)HTML文件的編寫，具體開(kāi)發(fā)內(nèi)容如下：

(1) 模型導(dǎo)入：該平臺(tái)以礦山井巷系統(tǒng)、工作面幾何模型，作為礦山微震數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)創(chuàng)建的基礎(chǔ)。因此，本研究先利用Python調(diào)用Blender建模函數(shù)，基于三維空間生成井巷系統(tǒng)幾何模型，并導(dǎo)出該幾何模型的x3d文件；再在X3DOM技術(shù)框架下，利用HTML5標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言的標(biāo)簽函數(shù)調(diào)用x3d文件，用于系統(tǒng)界面顯示井巷系統(tǒng)幾何模型，完成礦山井下虛擬場(chǎng)景搭建。

(2) 微震模型算法編寫：本研究利用JavaScript與HTML聯(lián)合編寫微震事件模型生成腳本。創(chuàng)建對(duì)象：通過(guò)具有不同顏色、大小的球體具象化描述微震事件，因此，先利用等編寫球體對(duì)象生成語(yǔ)句。創(chuàng)建模型生成按鈕：模型生成按鈕是用戶發(fā)布微震事件模型生成指令的按鈕。其利用函數(shù)創(chuàng)建，并通過(guò)onclick與自定義的功能函數(shù)綁定。自定義功能函數(shù)：功能函數(shù)主要是利用SQL語(yǔ)句，調(diào)用監(jiān)測(cè)到的微震事件數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，轉(zhuǎn)化為適用于微震事件模型生成的數(shù)據(jù)。具體內(nèi)容如下：

① 連接數(shù)據(jù)庫(kù)：利用SQL語(yǔ)句連接PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)取微震事件坐標(biāo)、所釋放能量等數(shù)據(jù)。

② 能量等級(jí)劃分：根據(jù)監(jiān)測(cè)到的微震事件能量大小將微震事件劃分為六個(gè)等級(jí)，依次對(duì)應(yīng)的能量范圍為大于106、105～106、104～105、103～104、102～103、0～102J。

③ 確定球體模型的顏色與大?。好總€(gè)能量等級(jí)對(duì)應(yīng)的球體模型顏色分別為紅、黃、綠、青、藍(lán)、紫，半徑由大逐漸減小。通過(guò)JavaScript的if語(yǔ)句判斷微震事件能量等級(jí)，并獲取相應(yīng)的顏色與半徑。

④ 確定球體模型空間位置：如式(1)為微震事件在虛擬場(chǎng)景中的空間位置坐標(biāo)表達(dá)式。其中，(x,y,z)為監(jiān)測(cè)到的微震事件坐標(biāo)；k為縮放比例系數(shù)；x0、y0、z0分別表示，微震模型在不同坐標(biāo)軸平移的距離。

(1)

⑤ 連接創(chuàng)建的對(duì)象ID，并利用標(biāo)簽函數(shù)，調(diào)用③、④中解算出的顏色、半徑、三維坐標(biāo)，為生成微震事件三維模型提供數(shù)據(jù)支撐。

⑥ 關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)。

具體代碼示例如下：

//創(chuàng)建對(duì)象

//創(chuàng)建功能按鈕

function Sphere_model (){ //定義函數(shù)

var conn newActiveXObject("ADODB.

Connection");//創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)連接對(duì)象；

if (energy<100){C=E[5];F=6;DD=D[0];}……//依據(jù)能量等級(jí)，賦予事件顏色及大??；

b.setAttribute("radius",DD);……//為模型半徑賦予具體數(shù)值；

var ot = document.getElementById ('root');

conn.close();

2.3 交互控制平臺(tái)

表示層是以Web網(wǎng)頁(yè)等形式為客戶端提供交互操作界面。該平臺(tái)利用JavaScript與CSS聯(lián)合開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)潔、規(guī)范、易懂的用戶界面，實(shí)現(xiàn)利用鼠標(biāo)方式完成數(shù)據(jù)饋送及交互控制[10]，如微震事件與巖體模型的顯示、隱藏，巷道及巖體的名稱標(biāo)記，微震信息的查詢等。

3 系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

3.1 礦井概況

以山東某礦井為例，對(duì)本文所提出方法進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。該礦首采區(qū)主要開(kāi)采3煤層。3煤層位于山西組中下部，開(kāi)采深度在530m～1200 m之間。由于深部巖體位于“三高一擾動(dòng)”復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，因此，3煤層開(kāi)采過(guò)程中地壓顯現(xiàn)次數(shù)多，面臨著礦山動(dòng)力災(zāi)害的威脅。本文所研究的區(qū)域?yàn)?煤層1302工作面。1302工作面開(kāi)采深度超過(guò)900 m，采場(chǎng)與巷道圍巖失穩(wěn)嚴(yán)重，沖擊地壓等災(zāi)害的突發(fā)性強(qiáng)。如圖3標(biāo)記的區(qū)域?yàn)?302工作面。

圖3 工作面布置圖

3.2 基礎(chǔ)模型的快速生成及網(wǎng)頁(yè)展示

本文利用“參數(shù)化建模方法”生成礦山井巷系統(tǒng)幾何模型，即通過(guò)巷道長(zhǎng)、寬、高等參數(shù)生成閉合的巷道截面輪廓線；接著以生成的巷道截面輪廓線為基礎(chǔ)，利用巷道中心導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)，以“點(diǎn)構(gòu)面構(gòu)體”的方式生成三維巷道幾何模型。由于現(xiàn)實(shí)中巷道存在偏斜、曲折、平直等多種形態(tài)，為了真實(shí)還原井巷系統(tǒng)空間位置關(guān)系及起伏變化情況，本文對(duì)偏斜、曲折等巷道，通過(guò)“差值”的方式添加巷道中心導(dǎo)線點(diǎn)數(shù)量，以保障巷道的連續(xù)性。在Python環(huán)境下利用Blender API執(zhí)行井巷系統(tǒng)幾何模型生成算法，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)模型的生成提供數(shù)據(jù)支撐，再聯(lián)合Blender bpy、math、mesh等建模函數(shù)，快速生成礦山井巷系統(tǒng)幾何模型。圖4為礦山井巷系統(tǒng)三維模型展示圖，圖4(a)為以Blender為建模平臺(tái)生成的礦山井巷系統(tǒng)模型效果圖，圖4(b)為將Blender生成的井巷模型以文件的格式導(dǎo)入至網(wǎng)頁(yè)的展示圖。

圖4 礦山井巷系統(tǒng)三維模型

3.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

(1) 基本操作功能

基本操作功能包括：旋轉(zhuǎn)、平移、縮放。用戶利用基本操作功能可從任意角度、位置觀察微震事件的空間位置關(guān)系、能量分布等情況。按住鼠標(biāo)左鍵向目標(biāo)位置拖動(dòng)，即可對(duì)場(chǎng)景中的三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；向下點(diǎn)擊鼠標(biāo)滾輪，用戶界面鼠標(biāo)指針隨即發(fā)生變化，接著點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵滑動(dòng)鼠標(biāo)即可操作模型平移，再次點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵則可取消平移功能；通過(guò)滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可將視角拉大、縮小。圖5為系統(tǒng)用戶界面以及功能菜單的展示，其中白色的模型為導(dǎo)入的井巷系統(tǒng)、工作面等模型。

圖5 系統(tǒng)界面效果圖

(2) 操作功能展示

該平臺(tái)是集模型生成與信息查詢于一體的系統(tǒng)平臺(tái)，借助互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等前沿技術(shù)以3D形式將隨采掘工程誘發(fā)的微震事件直觀的展示出來(lái)。該平臺(tái)具體開(kāi)發(fā)有如下功能：

① 表名輸入、事件添加：用戶通過(guò)表名輸入框輸入指定日期，單擊事件添加功能按鈕發(fā)送請(qǐng)求。該平臺(tái)立刻以“請(qǐng)求—應(yīng)答”的方式獲取用戶請(qǐng)求，并快速調(diào)用指定日期發(fā)生的微震事件信息生成Sphere反饋至用戶界面，完成微震事件具體化、形象化展示。

② 事件撤回：事件撤回功能是基于事件添加的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作的。主要作用是將三維場(chǎng)景中生成的微震事件模型撤回；

③ 名稱標(biāo)記、標(biāo)記撤回：通過(guò)數(shù)據(jù)與文本功能結(jié)合，對(duì)巷道、工作面、硐室等添加名稱標(biāo)記。標(biāo)記撤回是對(duì)名稱標(biāo)記功能的返回，撤除生成的名稱標(biāo)記；

④ 煤層生成、煤層撤回：煤層生成功能按鈕與輸入表名功能框相聯(lián)系。用戶根據(jù)需求，在輸入表名功能框輸入指定日期，點(diǎn)擊“煤層生成”按鈕發(fā)布請(qǐng)求，借助Apache接受、解析請(qǐng)求，調(diào)用煤層生成功能函數(shù)，迅速獲取指定日期對(duì)應(yīng)的工作面開(kāi)采進(jìn)尺，自動(dòng)完成煤層模型中心點(diǎn)重新定位、長(zhǎng)度參數(shù)調(diào)整，生成煤層模型。最后，將煤層模型反饋至用戶界面進(jìn)行顯示。為了便于煤層內(nèi)部微震事件的查看、分析，本研究對(duì)煤層進(jìn)行了透明化處理，并設(shè)置有煤層撤回功能可隨時(shí)去除煤層模型。如圖6是對(duì)系統(tǒng)功能應(yīng)用效果的展示，其中，與圖6(a)(b)對(duì)應(yīng)的操作功能分別為事件添加，煤層生成與名稱標(biāo)記，圖6(c)是對(duì)三維模型生成等操作功能的綜合展示。下述為自定義煤層生成功能模塊的部分代碼：

圖6 系統(tǒng)操作功能效果展示

function CoalSeam( )//定義煤層功能函數(shù)

var a=document.getElementById("tow").value;

//獲取輸入的進(jìn)尺數(shù)據(jù)

c=b*3.14/180;

var d=document.getElementById('root0');//功能函數(shù)與button綁定}；

(3) 事件信息查詢。為了在用戶界面靈活、快捷地查看單個(gè)微震事件信息，該平臺(tái)以小框的形式動(dòng)態(tài)進(jìn)行單個(gè)微震事件的信息展示。用戶通過(guò)鼠標(biāo)懸浮或點(diǎn)擊微震事件模型，網(wǎng)頁(yè)界面自動(dòng)彈出信息窗口顯示微震事件信息。當(dāng)鼠標(biāo)移至下一個(gè)目標(biāo)模型時(shí)，信息小窗位置跟隨目標(biāo)物體改變，小框信息內(nèi)容自動(dòng)更新。圖7為對(duì)單個(gè)微震事件信息查詢的效果圖，小框中顯示微震事件所釋放的能量大小、位置坐標(biāo)信息。

圖7 信息小框效果展示

4 結(jié)論

(1) 基于X3DOM引擎建立了B/S模式的礦山微震數(shù)據(jù)分析與三維可視化展示平臺(tái)。與C/S模式災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)相比，該平臺(tái)無(wú)需安裝專用客戶端軟件，投資、維護(hù)成本低，支持多用戶異地統(tǒng)計(jì)、分析礦山微震數(shù)據(jù)。

(2) 利用Python和Blender開(kāi)源軟件實(shí)現(xiàn)了礦山井巷系統(tǒng)幾何模型的自動(dòng)、快速建立，真實(shí)還原了礦山井巷系統(tǒng)的起伏變化情況。

(3) 針對(duì)礦山微震事件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)冗雜多源的問(wèn)題，利用X3DOM與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將繁雜的微震監(jiān)測(cè)信息轉(zhuǎn)化為形象、具體的球體模型。結(jié)果表明，該方式可將微震事件空間分布、能量特征直觀地表現(xiàn)出來(lái)，為用戶提供一個(gè)強(qiáng)有力的災(zāi)害監(jiān)測(cè)、分析平臺(tái)。