基于Dynamo的礦井巷道參數(shù)化建模

李雯靜 焦宇豪 邱 莉 張馨心 任大軍

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430081;2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430081)

地下礦山的三維建模、可視化表達(dá)以及空間分析是提高地下礦山現(xiàn)代化管理水平的重要手段。近年來(lái),計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)以及三維可視化技術(shù)的迅猛發(fā)展促進(jìn)了礦山三維建模水平的大幅提升[1-4]。地下礦山三維建模工作中,巷道和地層這兩類(lèi)空間目標(biāo)是測(cè)繪工作者主要面對(duì)的設(shè)計(jì)對(duì)象。其中,巷道是在地表與礦體之間鉆鑿出的用于運(yùn)礦、通風(fēng)、排水、行人以及為冶金設(shè)備采出礦石新開(kāi)鑿的各種通路[5-6]。作為數(shù)字礦山建設(shè)的基礎(chǔ),由巷道構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型對(duì)于礦山虛擬場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)顯得尤為重要。巷道三維模型能便捷而又直觀地顯示井下布局。準(zhǔn)確的巷道三維模型既可以為礦山管理人員和生產(chǎn)工人提供更為全面的巷道空間結(jié)構(gòu)與位置信息,又可開(kāi)展相關(guān)的空間分析,為人員作業(yè)、避難救災(zāi)、井下運(yùn)輸及通風(fēng)等工作提供輔助和參考。因此,如何快速準(zhǔn)確地構(gòu)建出礦井巷道的三維可視化模型是數(shù)字礦山領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。

近年來(lái),許多學(xué)者從不同角度對(duì)礦井巷道三維建模進(jìn)行了深入研究,如劉杰等[7]提出了一種基于近景攝影測(cè)量技術(shù)的地下巷道三維建模方法來(lái)構(gòu)建拍攝目標(biāo)的三維模型;史瑤[8]研究了基于草圖輸入的煤礦巷道模型生成方法;石信肖等[9]基于三維激光掃描技術(shù)獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)云對(duì)煤礦巷道進(jìn)行了精細(xì)三維建模。這些研究在巷道三維建模方面實(shí)現(xiàn)了一定程度的自動(dòng)化,但對(duì)模型復(fù)用性問(wèn)題的研究還不夠深入,即對(duì)已構(gòu)建模型進(jìn)行編輯修改時(shí)過(guò)程較為繁瑣。同時(shí),國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)先后開(kāi)發(fā)了一系列礦業(yè)類(lèi)建模軟件,如Dimine、3Dmine和Surpac等。這些產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)礦山巷道的三維可視化設(shè)計(jì),但在三維模型持續(xù)拓展和修改的功能上還有待加強(qiáng)。綜上所述,針對(duì)井下巷道工程的參數(shù)化建模方法和技術(shù)還有待進(jìn)一步深入研究。

當(dāng)前,建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛,為井巷工程三維建模與可視化漫游提供了新的技術(shù)支撐[10-12]。AutoDesk公司的Revit平臺(tái)是一款國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的BIM軟件,但針對(duì)復(fù)雜曲線(xiàn)和變化曲面,應(yīng)用Revit進(jìn)行直接建模的局限性日益凸顯。Dynamo作為Revit中的一款可視化編程插件,能使用戶(hù)通過(guò)編程的方式實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的建模功能,可以彌補(bǔ)Revit在設(shè)計(jì)上的局限性。結(jié)合參數(shù)化建模思路,Dynamo更加注重提高建模效率與模型的復(fù)用程度,已有學(xué)者將其廣泛應(yīng)用于橋梁、公路、隧道等結(jié)構(gòu)物的建模[13-16]。本研究結(jié)合礦山巷道的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn),借助Dynamo探索對(duì)巷道三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)和自動(dòng)化建模,為礦山信息系統(tǒng)中輔助井巷工程掘進(jìn)路線(xiàn)選擇、巷道模型可視化設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中的重難節(jié)點(diǎn)標(biāo)注以及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)等功能的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持。

1 Dynamo可視化編程

Dynamo作為一種可視化的編程工具,用戶(hù)能夠直觀地編寫(xiě)行為腳本,通過(guò)自定義邏輯片段并使用文本編程語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行建模。在建模過(guò)程中,Dynamo的可視化編程語(yǔ)言通過(guò)在工作空間中連接相關(guān)功能節(jié)點(diǎn)來(lái)設(shè)置一套結(jié)構(gòu)清晰的程序流(算法),并通過(guò)輸入、處理和輸出這一系列基本邏輯操作來(lái)解決幾何設(shè)計(jì)、參數(shù)提取及工作流程自動(dòng)化等問(wèn)題。

Dynamo功能節(jié)點(diǎn)由節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)、輸入項(xiàng)、輸出項(xiàng)和連綴圖標(biāo)4個(gè)部分組成(圖1),通過(guò)組織連接預(yù)先設(shè)計(jì)的各節(jié)點(diǎn)表達(dá)數(shù)據(jù)處理的邏輯,生成一個(gè)可執(zhí)行的程序。Dynamo中存在一些內(nèi)置常用功能節(jié)點(diǎn),如Point(點(diǎn)創(chuàng)建)、Curve(曲線(xiàn)創(chuàng)建)、Surface(曲面創(chuàng)建)、Extend(拉伸)、Loft(放樣)等,可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線(xiàn)、面的創(chuàng)建以及對(duì)幾何形體的拉伸、放樣等操作。此外,Dynamo還允許用戶(hù)利用Python語(yǔ)言編寫(xiě)一些能實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜功能需求的自定義節(jié)點(diǎn)并加入到現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)庫(kù)。圖1所示為利用程序創(chuàng)建的一個(gè)線(xiàn)段坐標(biāo)讀取的自定義節(jié)點(diǎn),通過(guò)輸入存取有坐標(biāo)數(shù)據(jù)的文件路徑及表名(輸入項(xiàng)),可實(shí)現(xiàn)生成線(xiàn)段起始點(diǎn)及方向向量(輸出項(xiàng))的功能。

圖1 Dynamo自定義功能節(jié)點(diǎn)Fig.1 Custom function node in Dynamo

根據(jù)礦井巷道三維建模需求,利用Dynamo編寫(xiě)程序能更高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)批量處理、巷道中心線(xiàn)構(gòu)建、巷道斷面構(gòu)建、快速放置巷道段等功能,達(dá)到巷道快速精準(zhǔn)建模的目標(biāo)。另外,通過(guò)編寫(xiě)代碼的方式對(duì)已構(gòu)建模型進(jìn)行參數(shù)修改更加便利,有利于實(shí)現(xiàn)模型復(fù)用,大幅節(jié)約建模成本,提高建模效率。

2 巷道三維建模技術(shù)路線(xiàn)

目前,巷道三維模型的構(gòu)建方法有多種思路[17],其中較為常用的是基于巷道中心線(xiàn)加載斷面的方式。即通過(guò)表示巷道走向的中心線(xiàn),在線(xiàn)的控制點(diǎn)處計(jì)算斷面各點(diǎn)坐標(biāo)得到巷道斷面,然后通過(guò)三角化得到巷道三維模型。本研究在上述基礎(chǔ)上做出改進(jìn),提出了基于Dynamo的巷道參數(shù)化建模方法,將巷道段分為斷面形狀發(fā)生變化(復(fù)合斷面巷道)和不發(fā)生變化(單一斷面巷道)兩種情況,分別采用不同的方式進(jìn)行建模。利用Dynamo對(duì)巷道進(jìn)行參數(shù)化建模的詳細(xì)流程如圖2所示。

圖2 巷道參數(shù)化設(shè)計(jì)流程Fig.2 Parametric design process of roadway

3 Dynamo巷道參數(shù)化建模方法

作為礦山地下開(kāi)采的主要通路以及地下運(yùn)礦、通風(fēng)、排水等行為的主要發(fā)生場(chǎng)所,地下巷道的設(shè)計(jì)施工是礦山建設(shè)工程中的重點(diǎn),其工程質(zhì)量的優(yōu)劣程度會(huì)對(duì)井下作業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)效率產(chǎn)生直接影響,因此,有必要在巷道工程生命周期的初始階段從整體上把握地下巷道的空間結(jié)構(gòu)與布局。本研究利用Dynamo對(duì)礦井巷道三維模型進(jìn)行快速構(gòu)建,主要包括巷道中心線(xiàn)構(gòu)建、斷面參數(shù)族構(gòu)建以及巷道段模型生成及耦合連接等內(nèi)容。

3.1 巷道中心線(xiàn)構(gòu)建

礦井巷道在水平方向上投影的幾何中線(xiàn)稱(chēng)為巷道中心線(xiàn),中心線(xiàn)之間相互連接構(gòu)成的巷道網(wǎng)絡(luò)決定了巷道在井下的空間位置以及巷道間的拓?fù)潢P(guān)系。本研究主要利用Dynamo中的PolyCurve(多段線(xiàn))和NurbsCurve(樣條曲線(xiàn))節(jié)點(diǎn)構(gòu)建巷道中心線(xiàn)。通過(guò)將錄入的起始導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)坐標(biāo)相連,形成表征巷道走向的線(xiàn)模型。巷道中心線(xiàn)構(gòu)建主要包含數(shù)據(jù)識(shí)別及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換兩個(gè)步驟。

3.1.1 中心線(xiàn)數(shù)據(jù)識(shí)別

首先在CAD軟件中提取DWG格式巷道中心線(xiàn)文件中的控制點(diǎn)坐標(biāo)文件;然后利用Dynamo中的Data.ImportExcel(數(shù)據(jù)導(dǎo)入)節(jié)點(diǎn)將坐標(biāo)文件導(dǎo)入到Dynamo中,并將此節(jié)點(diǎn)與圖1中的自定義功能節(jié)點(diǎn)匹配實(shí)現(xiàn)巷道中心線(xiàn)數(shù)據(jù)的識(shí)別獲取。

3.1.2 中心線(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

通過(guò)PolyCurve和NurbsCurve節(jié)點(diǎn)構(gòu)建曲線(xiàn)是Dynamo中生成曲線(xiàn)的常用方法。前者可根據(jù)輸入點(diǎn)的順序依次將導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)連接起來(lái)形成曲線(xiàn),后者則是通過(guò)在各控制點(diǎn)之間插值的方法創(chuàng)建樣條曲線(xiàn)。在Dynamo中生成巷道中心線(xiàn)時(shí),長(zhǎng)直巷道常選擇Poly-Curve節(jié)點(diǎn)構(gòu)建曲線(xiàn)的方式,對(duì)巷道拐角處的圓滑處理則會(huì)選用NurbsCurve節(jié)點(diǎn)方式。由于巷道實(shí)際導(dǎo)線(xiàn)坐標(biāo)值一般較大,而Dynamo中模型單位的數(shù)量級(jí)較小,試驗(yàn)時(shí)通過(guò)式(1)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式對(duì)原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行等比例縮小。將轉(zhuǎn)換后的相對(duì)坐標(biāo)代替原始坐標(biāo)添加到多段線(xiàn)或樣條曲線(xiàn)節(jié)點(diǎn)中,完成巷道中心線(xiàn)模型構(gòu)建(圖3)。

圖3 巷道中心線(xiàn)模型Fig.3 Centerline model of roadway

式中,x'1,x'2,…,x'n和x1,x2,…,xn分別為巷道中心線(xiàn)原始坐標(biāo)和轉(zhuǎn)換后的相對(duì)坐標(biāo);A為轉(zhuǎn)換矩陣。

3.2 斷面參數(shù)族構(gòu)建

作為巷道三維模型的基礎(chǔ)元參數(shù),斷面建模是巷道模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。礦井巷道的斷面形狀通常有圓形、梯形、半圓拱形等,可以在二維平面內(nèi)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。從與中心線(xiàn)的位置關(guān)系來(lái)看,巷道斷面是指垂直于巷道中心線(xiàn)的巷道橫斷面。巷道的空間形態(tài)在巷道斷面形式的影響下,主要在形狀、寬度、高度三方面表現(xiàn)出差異。

根據(jù)巷道斷面形狀是否規(guī)則,分兩種情況構(gòu)建斷面模型。對(duì)于形狀規(guī)則的斷面,可直接利用Dynamo中的巷道斷面模型庫(kù)進(jìn)行構(gòu)建;對(duì)于形狀不規(guī)則的斷面,則需要通過(guò)自定義節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建新的構(gòu)模設(shè)置,并將其添加到參數(shù)族庫(kù)中。

根據(jù)巷道斷面尺寸的變化,可以利用斷面參數(shù)族方法進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。通過(guò)提取相應(yīng)的斷面模型并輸入對(duì)應(yīng)參數(shù)完成巷道斷面建模。為適應(yīng)各種類(lèi)型斷面的自動(dòng)化建模要求,本研究采用經(jīng)典的三元組形式(拱形圓弧半徑r,巷道底面寬度w,巷道直壁高度h這3個(gè)參數(shù))表示不同斷面形狀。由于半圓拱形在實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用,故本研究以半圓拱形為例構(gòu)建斷面參數(shù)族,主要步驟包括巷道斷面點(diǎn)細(xì)化和Python Script斷面構(gòu)建。

3.2.1 巷道斷面點(diǎn)細(xì)化

為使構(gòu)建的斷面模型更接近真實(shí)巷道斷面,需要對(duì)巷道斷面點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化處理。參考面為XOZ平面,以巷道中心線(xiàn)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),設(shè)斷面底板及頂板圓弧上細(xì)化點(diǎn)數(shù)為n,n越大可以表示頂板圓弧的細(xì)節(jié)層次越多,相應(yīng)的模型數(shù)據(jù)量也越大。底板及頂板圓弧上的細(xì)化點(diǎn)分別用序號(hào)1,2,3,…,(n -1),n進(jìn)行標(biāo)識(shí),除了起始點(diǎn)與終止點(diǎn)外,其余細(xì)化點(diǎn)均在頂板圓弧上。通過(guò)式(2)(起始點(diǎn)計(jì)算式)、式(3)(頂板圓弧上細(xì)化點(diǎn)計(jì)算式)、式(4)(終止點(diǎn)計(jì)算式)可分別推算斷面各點(diǎn)的坐標(biāo):

式中,x,y,z為巷道斷面上各細(xì)化點(diǎn)的三維坐標(biāo)值;w為巷道底面寬度;h為巷道直壁高度;r為拱形圓弧的半徑;n為斷面細(xì)化點(diǎn)個(gè)數(shù);i為對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)的編號(hào),i∈[2 ,n-1]。

當(dāng)n=15時(shí),斷面細(xì)分情況如圖4所示。1#點(diǎn)和15#點(diǎn)分別為斷面底板的起始點(diǎn)和終止點(diǎn),2#～14#點(diǎn)為斷面頂板圓弧上按角度均勻分布的點(diǎn)。

圖4 拱形巷道斷面細(xì)分示意Fig.4 Subdivision schematic of arch roadway section

3.2.2 Python Script斷面構(gòu)建

Dynamo作為一種可視化編程插件,僅依賴(lài)于Dynamo的內(nèi)置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)及建模存在一定的局限性。Python Script是Dynamo中一個(gè)帶有Python編程語(yǔ)言的節(jié)點(diǎn),可根據(jù)此節(jié)點(diǎn)編寫(xiě)程序解決數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、循環(huán)嵌套等復(fù)雜問(wèn)題,定制個(gè)性化功能。

在計(jì)算出巷道斷面的細(xì)化點(diǎn)坐標(biāo)后,利用上述Python Script節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編輯。Python Script節(jié)點(diǎn)能夠擴(kuò)展輸入接口的規(guī)模。借助于Python Script節(jié)點(diǎn)的開(kāi)放性,可完成對(duì)不同形狀巷道斷面參數(shù)族的構(gòu)建。其中半圓拱形斷面的建模流程如圖5所示。

3.3 巷道段模型生成

本研究根據(jù)巷道斷面形狀的復(fù)雜性,將巷道模型分為單一斷面巷道和復(fù)合斷面巷道兩種,分別構(gòu)建相應(yīng)的模型。

3.3.1 單一斷面巷道段建模

單一斷面巷道段是指在掘進(jìn)過(guò)程中斷面沒(méi)有發(fā)生形狀變化的巷道段。這種情況只需在巷道的起始點(diǎn)插入巷道斷面模型并沿中心線(xiàn)移動(dòng)至終止點(diǎn)就能完成巷道三維建模。具體步驟為:①依據(jù)巷道中心線(xiàn)控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)值構(gòu)建巷道中心線(xiàn),并提取巷道段起始點(diǎn)坐標(biāo);②根據(jù)3.2節(jié)所述巷道斷面參數(shù)族的設(shè)計(jì)流程選定巷道斷面形式及相關(guān)尺寸參數(shù);③將巷道斷面從起始點(diǎn)沿巷道中心線(xiàn)方向移動(dòng)至終止點(diǎn)得到單一斷面巷道段的三維模型。半圓拱形斷面類(lèi)型巷道的建模效果如圖6所示。

圖6 單一斷面巷道建模效果Fig.6 Modeling effect of single section roadway

3.3.2 復(fù)合斷面巷道段建模

巷道斷面有時(shí)為滿(mǎn)足工程需要或者由于周?chē)鷰r層力學(xué)性質(zhì)的變化在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)變更形狀樣式,這一類(lèi)巷道即為斷面發(fā)生變化的巷道或者復(fù)合斷面巷道。復(fù)合斷面形態(tài)多樣,本研究以同時(shí)具有拱形和梯形兩種斷面形態(tài)的巷道段為例,其建模步驟如下:

(1)圓滑處理。由于斷面發(fā)生變化的情況常出現(xiàn)在巷道的拐角處,為了使兩種不同形態(tài)的斷面能很好地連接在一起,首先需要對(duì)兩個(gè)斷面結(jié)合處進(jìn)行圓滑處理。在Dynamo中利用NurbsCurve節(jié)點(diǎn)在巷道拐角處中心線(xiàn)的控制點(diǎn)間進(jìn)行插值處理。圓滑處理后與原始的轉(zhuǎn)彎半徑會(huì)存在一定的誤差,可通過(guò)增加實(shí)測(cè)導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)個(gè)數(shù)進(jìn)行擬合優(yōu)化。

(2)選擇斷面類(lèi)型。經(jīng)圓滑處理后,分別在巷道中心線(xiàn)起點(diǎn)處加載拱形巷道斷面,在終點(diǎn)處加載梯形巷道斷面。

(3)沿中心線(xiàn)放樣。將兩種不同類(lèi)型的斷面沿巷道中心線(xiàn)放樣得到巷道三維模型。經(jīng)過(guò)圓滑處理后的拐角處復(fù)合斷面巷道段建模效果如圖7所示。

圖7 復(fù)合斷面巷道建模效果Fig.7 Modeling effect of compound section roadway

4 巷道參數(shù)化模型構(gòu)建試驗(yàn)

4.1 巷道交岔點(diǎn)建模

巷道交岔點(diǎn)處理是巷道三維建模過(guò)程中的難點(diǎn)。巷道的某個(gè)節(jié)點(diǎn)連接多條巷道時(shí),在巷道交岔處容易出現(xiàn)重疊或者錯(cuò)切現(xiàn)象,因此實(shí)現(xiàn)交岔點(diǎn)的無(wú)縫連接與貫通是三維巷道建模的關(guān)鍵。巷道交岔點(diǎn)需要與各相連巷道端口完全閉合,在交岔處建立一個(gè)溝通所有連接巷道端口的節(jié)點(diǎn)模型。本試驗(yàn)基于Dynamo可視化程序與布爾運(yùn)算算法,分水平交岔及傾斜交岔兩種情況對(duì)巷道交岔節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模。

巷道交岔節(jié)點(diǎn)建模時(shí)首先在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處將巷道分為直巷和交岔節(jié)點(diǎn)兩部分;然后對(duì)巷道的直巷和交岔節(jié)點(diǎn)分別建模,直巷的建模分解效果如圖8(a)所示。根據(jù)建模算法在交岔節(jié)點(diǎn)處生成交岔節(jié)點(diǎn)模型,如圖8(b)所示。

圖8 直巷及交岔節(jié)點(diǎn)分解示意Fig.8 Decomposition schematic of straight roadway and intersection node

通過(guò)Dynamo編寫(xiě)可視化程序,對(duì)上述2個(gè)模型采用布爾運(yùn)算算法實(shí)現(xiàn)水平交岔點(diǎn)的貫通,建模效果如圖9所示。

圖9 水平交岔巷道模型Fig.9 Horizontal intersection roadway model

傾斜巷道的兩個(gè)斷面位于不同高程位置,巷道與水平面間存在一定坡度,隨著坡度的增大,傾斜巷道的頂板面與底板面之間的距離變小,在交岔點(diǎn)處斷面連接會(huì)出現(xiàn)異常。在水平交岔巷道建模方法的基礎(chǔ)上,將傾斜巷道斷面旋轉(zhuǎn)一定角度使其與巷道中線(xiàn)平行,構(gòu)建的傾斜巷道交岔模型如圖10所示。

圖10 傾斜交岔巷道模型Fig.10 Inclined intersection roadway model

4.2 巷道模型快速構(gòu)建

本研究以國(guó)內(nèi)某金屬礦區(qū)8-11中段內(nèi)部分區(qū)域的導(dǎo)線(xiàn)控制點(diǎn)三維坐標(biāo)、斷面參數(shù)及巷道位置信息為試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)前文所述方法在Dynamo中構(gòu)建巷道的三維參數(shù)化模型。根據(jù)3.1節(jié)所述的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式對(duì)導(dǎo)線(xiàn)控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后部分導(dǎo)線(xiàn)控制點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)如表1所示,此時(shí)考慮的是單位長(zhǎng)度,在工程中可根據(jù)實(shí)際測(cè)量時(shí)的數(shù)據(jù)值進(jìn)行單位換算。

表1 導(dǎo)線(xiàn)控制坐標(biāo)(部分)Table 1 Traverse control coordinates(part)

本研究參數(shù)化模型構(gòu)建步驟為:①在CAD軟件中提取DWG格式巷道中心線(xiàn)文件中的控制點(diǎn)坐標(biāo)文件;②在Dynamo中讀取坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件并構(gòu)建表征巷道空間走向的巷道中心線(xiàn)模型;③利用Dynamo中的Python Script節(jié)點(diǎn)構(gòu)建巷道斷面參數(shù)族;④依據(jù)斷面形狀的變化情況將巷道段分為斷面形狀未變化的簡(jiǎn)單巷道段和斷面形狀變化的復(fù)雜巷道段,采用不同的方式建模,即簡(jiǎn)單巷道段采取斷面沿中心線(xiàn)方向掃描的方式進(jìn)行建模,斷面變化巷道段則經(jīng)過(guò)圓滑處理后,通過(guò)兩變化斷面間放樣的方式進(jìn)行建模;⑤將各巷道段進(jìn)行耦合連接并對(duì)交岔點(diǎn)進(jìn)行處理,最終實(shí)現(xiàn)礦井巷道的參數(shù)化建模。

在Dynamo中按照上述步驟進(jìn)行編程,導(dǎo)入巷道數(shù)據(jù)并運(yùn)行程序。巷道建模效果如圖11所示,圖左右兩側(cè)分別為不同細(xì)節(jié)層次的巷道三維模型?；诒狙芯拷７椒?通過(guò)程序自動(dòng)化地完成了平巷、斜井、豎井建模以及巷道交岔節(jié)點(diǎn)模型的圓滑處理與無(wú)縫拼接。

圖11 巷道參數(shù)化建模效果Fig.11 Effect of roadway parametric modeling

4.3 巷道參數(shù)模型復(fù)用

在實(shí)際井巷工程中,為滿(mǎn)足礦山不同工作部門(mén)的使用需求,并顧及到地質(zhì)構(gòu)造和施工要求不斷改變的影響,巷道斷面形狀也會(huì)隨之變化。因此,巷道模型的構(gòu)建不僅要滿(mǎn)足礦山開(kāi)采生命周期內(nèi)不同階段對(duì)巷道空間形態(tài)的正確表達(dá)需求,還應(yīng)該保證巷道模型在時(shí)空變換中的一致性,提高參數(shù)模型的復(fù)用性是解決這一問(wèn)題的重要途徑。

參數(shù)化建模的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型以及模型復(fù)用,提高建模效率。本研究利用Dynamo對(duì)巷道模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),通過(guò)參數(shù)來(lái)控制巷道模型的幾何形狀和尺寸大小,實(shí)現(xiàn)模型的快速動(dòng)態(tài)調(diào)整。

試驗(yàn)中以一個(gè)長(zhǎng)度為10個(gè)單位長(zhǎng)度、斷面尺寸為2個(gè)單位長(zhǎng)度的直壁拱形巷道為例(圖12(a)),通過(guò)對(duì)巷道長(zhǎng)度、斷面尺寸兩個(gè)參數(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整(長(zhǎng)度調(diào)整為15個(gè)單位長(zhǎng)度、斷面尺寸調(diào)整為1個(gè)單位長(zhǎng)度),實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道模型設(shè)計(jì)的更改。經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)整后,巷道模型的形狀和尺寸都得到了修改(圖12(b))。

圖12 模型樣式參數(shù)化調(diào)整Fig.12 Parametric adjustment of model style

將該思路應(yīng)用到整個(gè)巷道系統(tǒng)的建模中,利用參數(shù)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)巷道模型進(jìn)行系統(tǒng)地編輯更新,不僅可以根據(jù)不同生產(chǎn)階段的需要快速完成巷道模型的設(shè)計(jì)和修改,還可以減少因?yàn)橹貜?fù)建模帶來(lái)的錯(cuò)誤和誤差。

5 結(jié) 論

本研究基于Dynamo可視化編程技術(shù),對(duì)巷道模型的參數(shù)化構(gòu)建方法進(jìn)行了初步探索。通過(guò)程序?qū)ο锏滥Ｐ瓦M(jìn)行幾何參數(shù)驅(qū)動(dòng),可以更快完成巷道的三維設(shè)計(jì)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)巷道三維模型的自動(dòng)化創(chuàng)建。試驗(yàn)結(jié)果反映出研究方法在巷道三維模型構(gòu)建中的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)通過(guò)Python Script節(jié)點(diǎn)進(jìn)行腳本編寫(xiě)創(chuàng)建巷道斷面參數(shù)族,可以充分利用Dynamo與編程語(yǔ)言結(jié)合的適應(yīng)性與開(kāi)放性。

(2)通過(guò)導(dǎo)入坐標(biāo)數(shù)據(jù)、設(shè)置斷面參數(shù)、加載中心線(xiàn)節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵步驟完成巷道自動(dòng)化建模流程,該過(guò)程直觀且具有較強(qiáng)的邏輯性。

(3)通過(guò)布爾運(yùn)算相關(guān)功能節(jié)點(diǎn)編寫(xiě)可視化程序,可以實(shí)現(xiàn)巷道的無(wú)縫連接與交岔點(diǎn)貫通處理,調(diào)整后的巷道交岔模型貫通效果較好。

(4)通過(guò)調(diào)整建模參數(shù)實(shí)現(xiàn)模型的修改與更新,提升了建模效率和模型復(fù)用性。