D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.07.00I 第29卷第7期 北京科技大学学报 Vol.29 No.7 2007年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing J.2007 矿山的复合场理论、一体化模型及可视化技术 李仲学郝晋会李翠平马斌 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 摘要从矿山工程数字化及可视化的角度，提出了矿山复合场的概念及其内涵·基于矿山数字化和信息技术现状及发展趋 势，闲述了建立矿山复合场的一体化数字模型的意义·面向“数字矿山”技术发展和系统建设的需求，归纳了矿山复合场的三 维可视化仿真的研究内容和关键技术·以矿山复合场的钻孔、矿体和井巷工程子集为具体研究对象，建立了基于WB的钻 孔、矿体和井巷工程的三维可视化仿真系统原型，举例说明了构建矿山复合场的一体化数字模型和发展矿山复合场的三维可 视化仿真系统的前景· 关键词矿山：复合场：建模与仿真：可视化 分类号TD672;TP391.9 采矿工程及矿业生产对象具有很强的空间属 业生产对象的时空关系及其复杂性的认知能力、进 性，矿床和井巷工程及其围岩的空间尺度宏大，延 行多方案对比分析与优化、实现矿山生产过程动态 展范围常以km计：矿体、水体、老空区和地质构造 仿真和危害预测预警的重要技术手段之一· 等地质体或界面的空间形态不规则，难以直接观测； 1矿山复合场及其一体化数字模型 矿体及其围岩的属性诸如矿物组分、品位、岩石力学 性能参数等的分布不均匀，具有明显的空间不确定 1.1矿山复合场的概念 性、变异性及各向异性；各种巷道之间、巷道与矿体 从矿山工程数字化及可视化的角度，可以将矿 之间、采掘工作面之间的空间关系及时间顺序复杂， 山看作是一个包括地表地形等表面形态、地层及矿 直接影响工程质量、生产效率效果和生产安全；采掘 岩等地质体、断层等地质构造、矿床顶底板等矿岩界 工作面、井下人员、设备等实体的空间位置和地下开 面、矿岩组分及其性质等属性、固液气多相介质等力 挖空间的气象参量诸如温度、湿度、有害气体浓度及 学结构及其行为、井下气象参数等量场、勘探钻孔与 其分布具有空间动态性，随着采矿工程的发展及时 井巷工程等地下开挖的三维空间体系，构成一个复 间的推移而处于不断的变化之中 杂的多属性、动态量场，本文称之为矿山复合场 采矿工程及矿业生产对象所涉及的这些空间关 1.2矿山复合场的一体化数字模型 系及其复杂性，导致采矿工程及矿业生产过程信息 矿山复合场具有多维、动态复杂性，包括地矿体 的不完备性、设计规划及生产管理手段的经验性以 的空间形态和井巷的空间关系等几何属性、矿体与 及人们对于采矿生产对象及其相关事物认知能力的 围岩的物质组分及力学参数等物理属性、井下空间 局限性，因此，传统地看，采矿工程主要体现为工艺 的气象属性（譬如井下气温、湿度、有害气体浓度、气 技术，随着信息及计算机技术特别是互联网技术、 悬颗粒浓度等)等，多种量场并存、参量相互影响，属 数据库技术、多媒体技术、可视化技术以及虚拟现实 性的空间分布及变化规律和系统的运动状态复杂， 技术的发展，采矿工程设计规划与矿业生产技术及 人们难以对其进行系统的数学或物理解析，但是， 管理手段得到了前所未有的提升，尤其是矿山三维 计算技术的发展为研究矿山复合场的一体化数字模 可视化仿真技术及系统在矿山设计、生产、安全及管 型奠定了基础，三维可视化技术为矿山复合场的动 理等方面的需求日益突出，正在成为人们提高对矿 态仿真和属性关系的直观表现创造了条件，矿山复 合场的统一数字建模与仿真研究包括以下主要 收稿日期：2007-01-15修回日期：2007-03-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。-50604003):教育部高等 内容： 学校博士学科点专项科研基金资助项目(N。.20060008005):“十一 (1)根据地质采样数据、采掘工程参数和地矿 五“国家科技支撑计划重点项目课题(N。.2006BAK04B04) 体属性特征，研究地矿工程数据库、图元库和分析方 作者简介：李仲学(1957一)，男.教授，博士生导师 法库，包括有效的数值计算、数据挖掘与知识发现技
矿山的复合场理论、一体化模型及可视化技术 李仲学 郝晋会 李翠平 马 斌 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 摘 要 从矿山工程数字化及可视化的角度提出了矿山复合场的概念及其内涵．基于矿山数字化和信息技术现状及发展趋 势阐述了建立矿山复合场的一体化数字模型的意义．面向“数字矿山”技术发展和系统建设的需求归纳了矿山复合场的三 维可视化仿真的研究内容和关键技术．以矿山复合场的钻孔、矿体和井巷工程子集为具体研究对象建立了基于 WEB 的钻 孔、矿体和井巷工程的三维可视化仿真系统原型举例说明了构建矿山复合场的一体化数字模型和发展矿山复合场的三维可 视化仿真系统的前景． 关键词 矿山；复合场；建模与仿真；可视化 分类号 TD672；TP391∙9 收稿日期：2007-01-15 修回日期：2007-03-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50604003）；教育部高等 学校博士学科点专项科研基金资助项目（No．20060008005）；“十一 五”国家科技支撑计划重点项目课题（No．2006BAK04B04） 作者简介：李仲学（1957—）男教授博士生导师 采矿工程及矿业生产对象具有很强的空间属 性．矿床和井巷工程及其围岩的空间尺度宏大延 展范围常以 km 计；矿体、水体、老空区和地质构造 等地质体或界面的空间形态不规则难以直接观测； 矿体及其围岩的属性诸如矿物组分、品位、岩石力学 性能参数等的分布不均匀具有明显的空间不确定 性、变异性及各向异性；各种巷道之间、巷道与矿体 之间、采掘工作面之间的空间关系及时间顺序复杂 直接影响工程质量、生产效率效果和生产安全；采掘 工作面、井下人员、设备等实体的空间位置和地下开 挖空间的气象参量诸如温度、湿度、有害气体浓度及 其分布具有空间动态性随着采矿工程的发展及时 间的推移而处于不断的变化之中． 采矿工程及矿业生产对象所涉及的这些空间关 系及其复杂性导致采矿工程及矿业生产过程信息 的不完备性、设计规划及生产管理手段的经验性以 及人们对于采矿生产对象及其相关事物认知能力的 局限性．因此传统地看采矿工程主要体现为工艺 技术．随着信息及计算机技术特别是互联网技术、 数据库技术、多媒体技术、可视化技术以及虚拟现实 技术的发展采矿工程设计规划与矿业生产技术及 管理手段得到了前所未有的提升尤其是矿山三维 可视化仿真技术及系统在矿山设计、生产、安全及管 理等方面的需求日益突出正在成为人们提高对矿 业生产对象的时空关系及其复杂性的认知能力、进 行多方案对比分析与优化、实现矿山生产过程动态 仿真和危害预测预警的重要技术手段之一． 1 矿山复合场及其一体化数字模型 1∙1 矿山复合场的概念 从矿山工程数字化及可视化的角度可以将矿 山看作是一个包括地表地形等表面形态、地层及矿 岩等地质体、断层等地质构造、矿床顶底板等矿岩界 面、矿岩组分及其性质等属性、固液气多相介质等力 学结构及其行为、井下气象参数等量场、勘探钻孔与 井巷工程等地下开挖的三维空间体系构成一个复 杂的多属性、动态量场本文称之为矿山复合场． 1∙2 矿山复合场的一体化数字模型 矿山复合场具有多维、动态复杂性包括地矿体 的空间形态和井巷的空间关系等几何属性、矿体与 围岩的物质组分及力学参数等物理属性、井下空间 的气象属性（譬如井下气温、湿度、有害气体浓度、气 悬颗粒浓度等）等多种量场并存、参量相互影响属 性的空间分布及变化规律和系统的运动状态复杂 人们难以对其进行系统的数学或物理解析．但是 计算技术的发展为研究矿山复合场的一体化数字模 型奠定了基础三维可视化技术为矿山复合场的动 态仿真和属性关系的直观表现创造了条件．矿山复 合场的统一数字建模与仿真研究包括以下主要 内容： （1） 根据地质采样数据、采掘工程参数和地矿 体属性特征研究地矿工程数据库、图元库和分析方 法库包括有效的数值计算、数据挖掘与知识发现技 第29卷 第7期 2007年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．7 Jul．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．07．001
.652 北京科技大学学报 第29卷 术及方法 科从传统的工艺技术向现代的科学技术发展，对于 (2)研究矿山复合场的数字化技术及方法，建 促进以现代信息、计算机和互联网技术手段提升采 立一体化数字模型，包括地表地形、矿岩界面、断层、 掘工业的工程设计、生产技术与运行管理的水平，以 地矿体形态、井巷工程及实体图元等几何模型，矿体 及对于实现矿山的安全生产与可持续发展具有重要 及围岩地层的固液气多介质属性分布及力学模型， 意义 井下空间量场包括井下温度、湿度、有害气体、气悬 颗粒等气象参数的状态及行为模型等. 2矿山复合场建模的关键技术 (3)研究矿山复合场及其一体化数字模型的三 研究矿山复合场的一体化数宇模型和建立基于 维可视化仿真技术，包括地表地形、地质界线界面 WEB的矿山复合场的三维可视化仿真系统，不仅涉 (断层、矿层顶底板等)、地矿体及地质构造形态、井 及地质学、采矿工艺、多介质力学等传统学科领域， 下开挖（井筒、巷道、酮室等）及其空间关系、矿岩属 而且需要计算机图形学、科学计算可视化技术，CAD 性及力学参量分布、井下空间气象量场等的三维可 技术，GIS技术，仿真技术和数据库技术等学科分支 视化仿真模型、动态仿真技术和量场分类分层显示 的高度交叉与综合集成 方法 2.1体素与场量的统一 (4)研究矿山复合场的二维平面模型与三维空 体绘制技术是科学计算可视化的一个重要组成 间模型的转换技术，包括切片技术、投影技术、栅格 部分，它是在吸收图像处理、计算机视觉和计算机图 化技术、矢量化技术等，为实现矿山复合场从二维平 形学等学科有关知识的基础上发展起来的山.体绘 面向三维空间的重构或从三维空间向二维平面的映 制的任务就是要揭示物体内部复杂的结构，使人们 射提供技术支撑 能够直观地考察通常情况下看不到的物体内部结 (5)研究矿山复合场的三维可视化仿真系统、 构，传统计算机图形学以面和边等二维基元来描述 地理信息系统、CAD系统、井下危害预测预警系统 物体，不涉及研究对象的内部信息，而三维体绘制则 和矿山管理信息系统的集成技术， 是以三维基元（体素）来描述整个物体，它包含物体 (6)研究基于WEB的矿山复合场的三维可视 内外的全部信息，体绘制与传统计算机图形学的主 化系统实现技术，建立基于B/S结构的矿山复合场 要差异就在于对象的表示模型不同，一个是有限的 的三维可视化仿真系统， 离散采样，一个是连续的几何描述，由此导致对物体 1.3矿山复合场一体化建模的意义 的处理、操作、变换、分析和实现方法的截然不同， 研究矿山复合场的一体化数字模型及三维可视 目前，直接体绘制方法主要分为以图像空间为序的 化仿真方法，对于提高人们关于地矿工程系统复杂 体绘制方法、以物体空间为序的体绘制方法和其他 性的认知能力具有理论意义，对发展数字矿山技术 方法等三类2]， 和建设数字矿山系统具有基础作用，开发与建立基 在矿山复合场中，空间变量主要包括：有关地表 于WEB的矿山复合场的三维可视化仿真系统，有 地形、地矿体、地质构造、地质界面、井巷工程等的几 助于使采矿工程技术、矿山企业运营或政府监督管 何量；有关多介质地层体的属性量，包括矿岩体的物 理等有关工作人员能够通过远程客户端的鼠标点击 质组分、品位、力学性能等分布量；有关井下空间气 操作而跨越时空限制来观察和把握各自关注的信 象的参数量，包括温度、湿度、有害气体及粉尘粒子 息，包括地层结构及属性、矿岩体与井下开挖的空间 浓度等参量及其分布，在相应领域的理论支持下， 关系等技术信息，采矿工作面、人员及设备等相关实 这些场量均可在对测定点数据预处理后，利用数值 体的作业状态信息，井下气象环境、危险源及灾害预 计算方法形成表征空间量场及内部特征的三维空间 测预警等安全状态信息等，为开采设计与规划、工程 离散点集，进而可以在此数据集合基础上建立矿山 建设与采矿生产、企业经营管理和政府检查监管提 复合场的数字模型.在数据离散化和量场数字模型 供有效的决策支持手段. 建立的过程中，三维空间中的场量离散点与体视化 总之，发展矿山的复合场理论、研究矿山复合场 技术中的体素可以得到统一，构成矿山复合场的一 的一体化数字模型和建立矿山复合场的三维可视化 体化数字模型及其三维可视化仿真技术的共同 仿真集成系统，既是信息、计算及数字化技术在地矿 基础 工程中应用的必然发展，也是深入研究“数字矿山” 2.2不确定信息的量化技术 理论、方法与系统的前提条件，对于推动矿业工程学 在矿山复合场中，多种属性量值、变化规律以及
术及方法． （2） 研究矿山复合场的数字化技术及方法建 立一体化数字模型包括地表地形、矿岩界面、断层、 地矿体形态、井巷工程及实体图元等几何模型矿体 及围岩地层的固液气多介质属性分布及力学模型 井下空间量场包括井下温度、湿度、有害气体、气悬 颗粒等气象参数的状态及行为模型等． （3） 研究矿山复合场及其一体化数字模型的三 维可视化仿真技术包括地表地形、地质界线界面 （断层、矿层顶底板等）、地矿体及地质构造形态、井 下开挖（井筒、巷道、硐室等）及其空间关系、矿岩属 性及力学参量分布、井下空间气象量场等的三维可 视化仿真模型、动态仿真技术和量场分类分层显示 方法． （4） 研究矿山复合场的二维平面模型与三维空 间模型的转换技术包括切片技术、投影技术、栅格 化技术、矢量化技术等为实现矿山复合场从二维平 面向三维空间的重构或从三维空间向二维平面的映 射提供技术支撑． （5） 研究矿山复合场的三维可视化仿真系统、 地理信息系统、CAD 系统、井下危害预测预警系统 和矿山管理信息系统的集成技术． （6） 研究基于 WEB 的矿山复合场的三维可视 化系统实现技术建立基于 B／S 结构的矿山复合场 的三维可视化仿真系统． 1∙3 矿山复合场一体化建模的意义 研究矿山复合场的一体化数字模型及三维可视 化仿真方法对于提高人们关于地矿工程系统复杂 性的认知能力具有理论意义对发展数字矿山技术 和建设数字矿山系统具有基础作用．开发与建立基 于 WEB 的矿山复合场的三维可视化仿真系统有 助于使采矿工程技术、矿山企业运营或政府监督管 理等有关工作人员能够通过远程客户端的鼠标点击 操作而跨越时空限制来观察和把握各自关注的信 息包括地层结构及属性、矿岩体与井下开挖的空间 关系等技术信息采矿工作面、人员及设备等相关实 体的作业状态信息井下气象环境、危险源及灾害预 测预警等安全状态信息等为开采设计与规划、工程 建设与采矿生产、企业经营管理和政府检查监管提 供有效的决策支持手段． 总之发展矿山的复合场理论、研究矿山复合场 的一体化数字模型和建立矿山复合场的三维可视化 仿真集成系统既是信息、计算及数字化技术在地矿 工程中应用的必然发展也是深入研究“数字矿山” 理论、方法与系统的前提条件对于推动矿业工程学 科从传统的工艺技术向现代的科学技术发展对于 促进以现代信息、计算机和互联网技术手段提升采 掘工业的工程设计、生产技术与运行管理的水平以 及对于实现矿山的安全生产与可持续发展具有重要 意义． 2 矿山复合场建模的关键技术 研究矿山复合场的一体化数字模型和建立基于 WEB 的矿山复合场的三维可视化仿真系统不仅涉 及地质学、采矿工艺、多介质力学等传统学科领域 而且需要计算机图形学、科学计算可视化技术、CAD 技术、GIS 技术、仿真技术和数据库技术等学科分支 的高度交叉与综合集成． 2∙1 体素与场量的统一 体绘制技术是科学计算可视化的一个重要组成 部分它是在吸收图像处理、计算机视觉和计算机图 形学等学科有关知识的基础上发展起来的［1］．体绘 制的任务就是要揭示物体内部复杂的结构使人们 能够直观地考察通常情况下看不到的物体内部结 构．传统计算机图形学以面和边等二维基元来描述 物体不涉及研究对象的内部信息而三维体绘制则 是以三维基元（体素）来描述整个物体它包含物体 内外的全部信息．体绘制与传统计算机图形学的主 要差异就在于对象的表示模型不同一个是有限的 离散采样一个是连续的几何描述由此导致对物体 的处理、操作、变换、分析和实现方法的截然不同． 目前直接体绘制方法主要分为以图像空间为序的 体绘制方法、以物体空间为序的体绘制方法和其他 方法等三类［2］． 在矿山复合场中空间变量主要包括：有关地表 地形、地矿体、地质构造、地质界面、井巷工程等的几 何量；有关多介质地层体的属性量包括矿岩体的物 质组分、品位、力学性能等分布量；有关井下空间气 象的参数量包括温度、湿度、有害气体及粉尘粒子 浓度等参量及其分布．在相应领域的理论支持下 这些场量均可在对测定点数据预处理后利用数值 计算方法形成表征空间量场及内部特征的三维空间 离散点集进而可以在此数据集合基础上建立矿山 复合场的数字模型．在数据离散化和量场数字模型 建立的过程中三维空间中的场量离散点与体视化 技术中的体素可以得到统一构成矿山复合场的一 体化数字模型及其三维可视化仿真技术的共同 基础． 2∙2 不确定信息的量化技术 在矿山复合场中多种属性量值、变化规律以及 ·652· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第7期 李仲学等：矿山的复合场理论、一体化模型及可视化技术 .653 相互作用关系具有复杂的不确定性·譬如，矿体与 通过研究井巷工程数据的处理方式，设计相应的数 地质构造的空间几何形态具有不规则性，矿岩组分 据结构，并运用三维绘制技术，实现在计算机上对三 及物理力学性能具有各向异性，井下气象参量诸如 维井下开挖及其空间位置与相互关系的直观显 气温、湿度、有害气体浓度、气悬颗粒浓度等具有分 示] 布不均匀性和动态性，再如，地矿工程对象具有大 还如，地矿体及井巷工程的集成模型则是对地 尺度、常以km计：地层为埋藏于地下的固气液多介 矿体与有关井巷工程或地下开挖之间关系的描述， 质，属性信息难于直接观测：人们对矿山复合场中有 利用集成模型可以直观地表达井巷工程间的位置关 关属性信息的认识一般只局限于有限的采样数据， 系，以及井巷工程在矿体中的布置情况[同.地矿体 因此，有效地量化不确定性信息便成为研究矿山复 及井巷工程的集成模型构成了矿山复合场模型研究 合场及其一体化数字模型的关键方法，克立格、人 的基础 工神经网络、支持向量机、粗糙集等理论、技术与方 同样，可以在地矿体及井巷工程集成模型基础 法是实现地矿的复合场不确定信息定量化的重要 上，进一步集成地表数字模型、地质构造模型、矿岩 途径 界面模型、矿体围岩及地层力学模型、井下空间气象 粗糙集(rough set)理论作为一种处理不确定信 量场模型等，形成矿山复合场的一体化数字模型，不 息的软计算(soft computing)数学理论，不需任何先 仅包括对矿体地质属性描述和井下开挖几何属性描 验信息，直接利用数据本身提供的信息，就能有效地 述，而且包括地表地形、固液气多相介质物理及力学 分析不精确、不一致、不完整等不确定因素③)，故可 属性、井下气象属性等量场的描述 以基于粗糙集理论进行地矿复合场不确定信息的量 矿山复合场的可视化仿真就是在相应领域的有 化处理.矿山复合场的量化步骤为：通过直接利用 关量场理论、模型和方法的支持下，通过研究复合场 矿山原始探矿资料及各种现场采样信息，获取影响 量数据的处理方式和结构方式，运用可视化技术和 地质构造、矿岩属性、空间场量的各种可能因素；经 分类分层表现技术，实现在计算机上对矿山复合场 知识约简剔除冗余信息，确定各可能因素中影响地 进行直观与逼真地体现，借以提高人们对矿山复合 质构造、矿岩属性、空间场量的关键因素；经规则抽 场及其间关系复杂性的认知能力， 取获得确定性规则和广义决策规则，来定量表达各 2.4基于WB的三维可视化技术 关键因素对地质构造、矿岩属性、空间场量的影响 传统的矿业应用软件特别是图形处理软件，主 效果 要考察单一量场的问题，且多基于单机或工作站环 2.3矿山复合场统一模型及其可视化仿真 境，互联网技术应用的普及和新一代互联网技术的 矿山复合场及其一体化数字模型是地表数字模 发展，使得人们可以跨越时空界限来研究和解决矿 型、矿化模型、地质构造模型、矿岩界面模型、井巷工 山的工程技术、生产运作、预测预警、监督管理等问 程模型、围岩力学模型、井下空间气象量场模型等的 题，因此，研究基于WEB的矿山复合场的一体化数 必然发展，是研究“数字矿山"技术及建立“数字矿 字模型与可视化技术及系统便成为有关学科交叉的 山”系统的基础 前沿，具有前瞻性 譬如，矿化模型可以看作是对矿体地质属性量 建立基于WEB的矿山复合场三维可视化系统 场的描述，包括矿体及地质构造空间数据的组织形 的技术途径和手段包括VRML、X3D及基于Java语 式及其数据结构形式，矿化模型需要定义矿体空间 言的Java3D和JOGL等，VRML、X3D均可用来产 实体、实体属性及其相互间关系，以及确定数据实体 生交互式的虚拟现实场景，但作为三维多媒体内容 及其关系，构建矿化模型，还需要考虑数据结构的 处理的手段，其文件格式在本质上仍然是传统的数 设计.矿化模型的三维可视化就是在建立三维矿化 据文件，缺乏对运用可视化技术和可视化算法的直 模型的数学表达和相应数据结构的基础上，通过三 接支持，基于Java的Java3D和JOGL不仅能够像 维绘制技术实现在计算机上对矿床及其属性的直观 VRML一样支持视景图形处理，而且能够支持高层 表现[4) 次实时模式的图形处理，尤其是JOGL还能够为采 再如，井巷工程或者井下开挖模型可以看作是 用Java开发的应用程序提供强大的3D图形硬件支 对井下开挖几何量场的描述，包括地矿工程空间实 持，并对几乎所有第三方开发商提供访问接口门. 体及其相互间联系，以及井巷工程数据的组织和井 本文的研究工作选择J0GL技术作为建立基于 巷工程数据库的设计，井巷工程模型的三维可视化 WEB的矿山复合场三维可视化仿真系统的实现
相互作用关系具有复杂的不确定性．譬如矿体与 地质构造的空间几何形态具有不规则性矿岩组分 及物理力学性能具有各向异性井下气象参量诸如 气温、湿度、有害气体浓度、气悬颗粒浓度等具有分 布不均匀性和动态性．再如地矿工程对象具有大 尺度、常以 km 计；地层为埋藏于地下的固气液多介 质属性信息难于直接观测；人们对矿山复合场中有 关属性信息的认识一般只局限于有限的采样数据． 因此有效地量化不确定性信息便成为研究矿山复 合场及其一体化数字模型的关键方法．克立格、人 工神经网络、支持向量机、粗糙集等理论、技术与方 法是实现地矿的复合场不确定信息定量化的重要 途径． 粗糙集（rough set）理论作为一种处理不确定信 息的软计算（soft computing）数学理论不需任何先 验信息直接利用数据本身提供的信息就能有效地 分析不精确、不一致、不完整等不确定因素［3］故可 以基于粗糙集理论进行地矿复合场不确定信息的量 化处理．矿山复合场的量化步骤为：通过直接利用 矿山原始探矿资料及各种现场采样信息获取影响 地质构造、矿岩属性、空间场量的各种可能因素；经 知识约简剔除冗余信息确定各可能因素中影响地 质构造、矿岩属性、空间场量的关键因素；经规则抽 取获得确定性规则和广义决策规则来定量表达各 关键因素对地质构造、矿岩属性、空间场量的影响 效果． 2∙3 矿山复合场统一模型及其可视化仿真 矿山复合场及其一体化数字模型是地表数字模 型、矿化模型、地质构造模型、矿岩界面模型、井巷工 程模型、围岩力学模型、井下空间气象量场模型等的 必然发展是研究“数字矿山”技术及建立“数字矿 山”系统的基础． 譬如矿化模型可以看作是对矿体地质属性量 场的描述包括矿体及地质构造空间数据的组织形 式及其数据结构形式．矿化模型需要定义矿体空间 实体、实体属性及其相互间关系以及确定数据实体 及其关系．构建矿化模型还需要考虑数据结构的 设计．矿化模型的三维可视化就是在建立三维矿化 模型的数学表达和相应数据结构的基础上通过三 维绘制技术实现在计算机上对矿床及其属性的直观 表现［4］． 再如井巷工程或者井下开挖模型可以看作是 对井下开挖几何量场的描述包括地矿工程空间实 体及其相互间联系以及井巷工程数据的组织和井 巷工程数据库的设计．井巷工程模型的三维可视化 通过研究井巷工程数据的处理方式设计相应的数 据结构并运用三维绘制技术实现在计算机上对三 维井下开挖及其空间位置与相互关系的直观显 示［5］． 还如地矿体及井巷工程的集成模型则是对地 矿体与有关井巷工程或地下开挖之间关系的描述 利用集成模型可以直观地表达井巷工程间的位置关 系以及井巷工程在矿体中的布置情况［6］．地矿体 及井巷工程的集成模型构成了矿山复合场模型研究 的基础． 同样可以在地矿体及井巷工程集成模型基础 上进一步集成地表数字模型、地质构造模型、矿岩 界面模型、矿体围岩及地层力学模型、井下空间气象 量场模型等形成矿山复合场的一体化数字模型不 仅包括对矿体地质属性描述和井下开挖几何属性描 述而且包括地表地形、固液气多相介质物理及力学 属性、井下气象属性等量场的描述． 矿山复合场的可视化仿真就是在相应领域的有 关量场理论、模型和方法的支持下通过研究复合场 量数据的处理方式和结构方式运用可视化技术和 分类分层表现技术实现在计算机上对矿山复合场 进行直观与逼真地体现借以提高人们对矿山复合 场及其间关系复杂性的认知能力． 2∙4 基于 WEB 的三维可视化技术 传统的矿业应用软件特别是图形处理软件主 要考察单一量场的问题且多基于单机或工作站环 境．互联网技术应用的普及和新一代互联网技术的 发展使得人们可以跨越时空界限来研究和解决矿 山的工程技术、生产运作、预测预警、监督管理等问 题．因此研究基于 WEB 的矿山复合场的一体化数 字模型与可视化技术及系统便成为有关学科交叉的 前沿具有前瞻性． 建立基于 WEB 的矿山复合场三维可视化系统 的技术途径和手段包括 VRML、X3D 及基于 Java 语 言的 Java3D 和 JOGL 等．VRML、X3D 均可用来产 生交互式的虚拟现实场景但作为三维多媒体内容 处理的手段其文件格式在本质上仍然是传统的数 据文件缺乏对运用可视化技术和可视化算法的直 接支持．基于 Java 的 Java3D 和 JOGL 不仅能够像 VRML 一样支持视景图形处理而且能够支持高层 次实时模式的图形处理尤其是 JOGL 还能够为采 用 Java 开发的应用程序提供强大的3D 图形硬件支 持并对几乎所有第三方开发商提供访问接口［7］． 本文的研究工作选择 JOGL 技术作为建立基于 WEB 的矿山复合场三维可视化仿真系统的实现 第7期 李仲学等： 矿山的复合场理论、一体化模型及可视化技术 ·653·
.654 北京科技大学学报 第29卷 手段， 建立面向互联网、基于B/S结构的三维可视化 山三维可视化系统 系统，还必须考虑系统及信息的安全技术，系统及 信息安全体系结构的设计包括系统级、应用级和代 码级等三个层次，系统级安全设计主要面向策略、 标准的制定和执行等，应用级安全设计主要面向应 用系统的权限设计、角色定义和管理范围分配等，代 码级安全设计主要面向程序的运行、平台的控制等 Java安全体系结构具有密纹访问控制、安全策略配 图1基于WEB的矿体和井巷工程系统的三维可视化 置、扩展访问控制和安全检查等安全功能，不仅为实 Fig-1 Web-based 3D visualization of ore bodes and underground 现代码级安全提供了保障，而且为应用级和系统级 excavations 的安全提供了底层支撑，是本文的研究工作所采用 的安全体系结构 仿真的研究内容和关键技术，并以钻孔、矿体和井巷 工程量场子集为具体对象，建立了基于WEB的矿 3矿山复合场可视化仿真系统实现 山复合场的三维可视化仿真系统原型，为进一步研 钻孔、矿体和井巷工程等组成的地矿工程量场 究矿山复合场的一体化数字模型、模拟量场的分布 可以看作是矿山复合场的子集，其三维可视化是矿 及运动规律、实现矿山复合场的三维可视化奠定了 山复合场三维可视化仿真系统的基础与核心功能之 理论与技术基础， 一，本文的研究工作已经通过采用上述技术建立了 进一步的研究工作将集中在矿山复合场的一体 钻孔、矿体和井巷工程量场子集的三维可视化系统， 化数字模型和三维可视化技术及系统实现方法的深 包括地质数据库管理、矿石属性计算、地质绘图、矿 化，包括地表地形、地质构造、矿岩界面、矿体围岩及 体三维可视化和采矿工程布置等五个功能模 地层力学量场、井下空间气象量场等的一体化数字 块[8101 模型、三维可视化仿真技术和分类分层表达方法， 地质数据库管理模块主要管理地质采样数据和 参考文献 采掘工程数据；矿石属性计算模块主要实现矿石品 [1】管伟光.体视化技术及其应用.北京：电子工业出版社，1998 位、储量与金属量等属性的计算；地质绘图模块主要 [2]唐泽圣.三维数据场可视化.北京：清华大学出版社，2000 实现钴孔空间布置图、钻孔柱状图及任意的平剖面 [3]韩桢祥，张琦，文福拴·粗糙集理论及其应用综述。控制理论 图的绘制；矿体三维可视化模块主要实现矿体空间 与应用，1999,16(2)：153 形态的整体显示、局部显示、剖切显示和动画显示； [4]李翠平.面向地矿工程的体视化技术及其应用[学位论文】 北京：北京科技大学，2002 采矿工程布置模块主要实现采准系统、开拓系统等 [5]僧德文·地矿工程三维可视化仿真技术及其集成实现[学位论 井下工程空间布置的三维显示、矿体与工程的集成 文]北京：北京科技大学，2005 显示，图1为基于J2EE平台和B/S结构的矿体和 [6]李春民，矿山井巷工程三维可视化仿真技术及其实现[学位论 井巷工程量场子集的三维可视化仿真系统的一个 文].北京：北京科技大学，2005 实例 [7]Davis G.Learning Java Bindings for OpenGL (JOGL).Bloom- ington:Author House,2004 4结论 [8]李翠平，李仲学，孙恩吉，等。地矿工程三维可视化仿真系统功 能分析.金属矿山，2006(6)：57 本文在地矿工程数字模型及可视化仿真研究的 [9]李春民，李仲学，王云海，等.地矿工程三维可视化系统建模 基础上，提出了矿山复合场的概念及其内涵，阐述了 金属矿山，2005(12)：44 研究矿山复合场的一体化数字模型及其三维可视化 [10]僧德文，李仲学，李春民，等.矿床的三维可视化仿真技术及 仿真技术的意义，归纳了矿山复合场的三维可视化 系统.北京科技大学学报.2004,26(5)：453 (下转第664页)
手段． 建立面向互联网、基于 B／S 结构的三维可视化 系统还必须考虑系统及信息的安全技术．系统及 信息安全体系结构的设计包括系统级、应用级和代 码级等三个层次．系统级安全设计主要面向策略、 标准的制定和执行等应用级安全设计主要面向应 用系统的权限设计、角色定义和管理范围分配等代 码级安全设计主要面向程序的运行、平台的控制等． Java 安全体系结构具有密纹访问控制、安全策略配 置、扩展访问控制和安全检查等安全功能不仅为实 现代码级安全提供了保障而且为应用级和系统级 的安全提供了底层支撑是本文的研究工作所采用 的安全体系结构． 3 矿山复合场可视化仿真系统实现 钻孔、矿体和井巷工程等组成的地矿工程量场 可以看作是矿山复合场的子集其三维可视化是矿 山复合场三维可视化仿真系统的基础与核心功能之 一．本文的研究工作已经通过采用上述技术建立了 钻孔、矿体和井巷工程量场子集的三维可视化系统 包括地质数据库管理、矿石属性计算、地质绘图、矿 体 三 维 可 视 化 和 采 矿 工 程 布 置 等 五 个 功 能 模 块［8—10］． 地质数据库管理模块主要管理地质采样数据和 采掘工程数据；矿石属性计算模块主要实现矿石品 位、储量与金属量等属性的计算；地质绘图模块主要 实现钻孔空间布置图、钻孔柱状图及任意的平剖面 图的绘制；矿体三维可视化模块主要实现矿体空间 形态的整体显示、局部显示、剖切显示和动画显示； 采矿工程布置模块主要实现采准系统、开拓系统等 井下工程空间布置的三维显示、矿体与工程的集成 显示．图1为基于 J2EE 平台和 B／S 结构的矿体和 井巷工程量场子集的三维可视化仿真系统的一个 实例． 4 结论 本文在地矿工程数字模型及可视化仿真研究的 基础上提出了矿山复合场的概念及其内涵阐述了 研究矿山复合场的一体化数字模型及其三维可视化 仿真技术的意义归纳了矿山复合场的三维可视化 图1 基于 WEB 的矿体和井巷工程系统的三维可视化 Fig．1 Web-based3D visualization of ore bodes and underground excavations 仿真的研究内容和关键技术并以钻孔、矿体和井巷 工程量场子集为具体对象建立了基于 WEB 的矿 山复合场的三维可视化仿真系统原型．为进一步研 究矿山复合场的一体化数字模型、模拟量场的分布 及运动规律、实现矿山复合场的三维可视化奠定了 理论与技术基础． 进一步的研究工作将集中在矿山复合场的一体 化数字模型和三维可视化技术及系统实现方法的深 化包括地表地形、地质构造、矿岩界面、矿体围岩及 地层力学量场、井下空间气象量场等的一体化数字 模型、三维可视化仿真技术和分类分层表达方法． 参 考 文 献 ［1］ 管伟光．体视化技术及其应用．北京：电子工业出版社1998 ［2］ 唐泽圣．三维数据场可视化．北京：清华大学出版社2000 ［3］ 韩祯祥张琦文福拴．粗糙集理论及其应用综述．控制理论 与应用199916（2）：153 ［4］ 李翠平．面向地矿工程的体视化技术及其应用 ［学位论文 ］． 北京：北京科技大学2002 ［5］ 僧德文．地矿工程三维可视化仿真技术及其集成实现［学位论 文］．北京：北京科技大学2005 ［6］ 李春民．矿山井巷工程三维可视化仿真技术及其实现［学位论 文］．北京：北京科技大学2005 ［7］ Davis G．Learning Java Bindings for OpenGL （JOGL）．Bloomington：Author House2004 ［8］ 李翠平李仲学孙恩吉等．地矿工程三维可视化仿真系统功 能分析．金属矿山2006（6）：57 ［9］ 李春民李仲学王云海等．地矿工程三维可视化系统建模． 金属矿山2005（12）：44 ［10］ 僧德文李仲学李春民等．矿床的三维可视化仿真技术及 系统．北京科技大学学报200426（5）：453 （下转第664页） ·654· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
.664 北京科技大学学报 第29卷 gas outburst factors,the judgment matrix of each factor was constructed by membership functions,and the pre- diction model of coal and gas outburst was established by the fuzzy comprehensive evaluation method.The pre- diction method was applied in risk type areas to forecast the coal and gas outburst quantitative intensity and the risk grade was divided in Pingdingshan typical mining area.The results show that the hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method was available for forecasting the coal and gas outburst intensity. KEY WORDS coal and gas outburst;outburst forecast;analytic hierarchy process;fuzzy comprehensive evalu- ation (上接第654页) Complex field theory,unified numerical modeling and integrated 3D visualization for mines LI Zhongxue,HAO Jinhui,LI Cuiping,MA Bin Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China ABSTRACI A conceptual framework of mine complex fields is proposed from the perspective of numerical modeling and visual simulation for geological and mining engineering systems.In view of the current trends to- wards the advancement of so-called digital mines using computation,information and communication technolo- gies,the significance of developing the unified numerical modeling and integrated 3D visualization systems for mine complex fields composed of geological and mining objects and their attributes is emphasized.Oriented to the needs for developing the techniques and systems of digital mines,key issues in and major methods for numer- ical modeling and 3D visual simulation of mine complex fields are presented.Fitting into the framework and us- ing the proposed methods,a prototype system with a Web-based approach for the numerical modeling and 3D vi- sualization of geological drill holes,ore bodies and underground excavations is built to show the methodologies used in constructing the prototype and the usefulness of a unified numerical modeling and 3D visual simulation approach in addressing the problem of complex fields in underground mines. KEY WORDS mine;complex field;modeling and simulation:visualization
gas outburst factorsthe judgment matrix of each factor was constructed by membership functionsand the prediction model of coal and gas outburst was established by the fuzzy comprehensive evaluation method．The prediction method was applied in risk type areas to forecast the coal and gas outburst quantitative intensity and the risk grade was divided in Pingdingshan typical mining area．The results show that the hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method was available for forecasting the coal and gas outburst intensity． KEY WORDS coal and gas outburst；outburst forecast；analytic hierarchy process；fuzzy comprehensive evaluation （上接第654页） Complex field theoryunified numerical modeling and integrated 3D visualization for mines LI ZhongxueHAO JinhuiLI CuipingMA Bin Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Efficient Mining and Safety of Metal MinesUniversity of Science and Technology Beijing Beijing100083China ABSTRACT A conceptual framework of mine complex fields is proposed from the perspective of numerical modeling and visual simulation for geological and mining engineering systems．In view of the current trends towards the advancement of so-called digital mines using computationinformation and communication technologiesthe significance of developing the unified numerical modeling and integrated 3D visualization systems for mine complex fields composed of geological and mining objects and their attributes is emphasized．Oriented to the needs for developing the techniques and systems of digital mineskey issues in and major methods for numerical modeling and3D visual simulation of mine complex fields are presented．Fitting into the framework and using the proposed methodsa prototype system with a Web-based approach for the numerical modeling and3D visualization of geological drill holesore bodies and underground excavations is built to show the methodologies used in constructing the prototype and the usefulness of a unified numerical modeling and3D visual simulation approach in addressing the problem of complex fields in underground mines． KEY WORDS mine；complex field；modeling and simulation；visualization ·664· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
