D01:10.13374.isml00103x.2009.0L.24 第31卷第1期 北京科技大学学报 Vol.31 No.I 2009年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2009 基于B/S模式的矿井及典型灾害仿真系统框架与 原型 马 斌李仲学郝秀强 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京100083 摘要针对数字矿山的发展与建设需要，以面向对象的思想，设计了一个基于W山的矿井及典型灾害三维仿真系统的框架 结构.该系统框架包括核心功能模块、数据管理模块和辅助模块等三个功能模块.基于W山技术和可视化技术，形成了一套 面向浏览器/服务器(B/$)模式的矿井及典型灾害三维仿真系统实现技术.运用这些技术，通过对某金矿实际数据的采集和处 理，实现了基于B/S模式的地表地形、矿体及井巷工程仿真. 关键词矿井；灾害；建模与仿真：WS模式 分类号TD672:TP3919 Framework and prototype for B/S based 3D visualization of a mine and hazard system MA Bin.LI Zhong-xue.HAO Xiu-qiang Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficiency Mining and Safety of Metal Mines.Uriversity of Science and Technology Beijing.Beijng 100083.China ABSTRACT To meet the needs of development and construction of digital mines,a Web-based framework of a mine and typical dis aster 3D simulation system w as designed with object-oriented design and pmogramming methodology.This sy stem framework consists of three main function modules core function module,data management module,and ancillary module.With Web and visualization technology.a browser/server(B/S)based technique for a mine and typical disaster 3D simulation system was realized.After data col- lection from a gold mine in China and data treatment the terrain,orebody,and underground excav ations were simulated with the technique mentioned above based on the B/S mode. KEY WORDS Underground mine:mine haards modeling and simulation:B/S mode 随着计算机软硬件技术及信息技术的不断发展质构造、采空区、含水层及水体等空间对象，这些皆 及其在地矿工程的推广应用，一些矿山规划设计及为地矿工程的关注所在：这些属性或对象的空间分 三维仿真系统已经能够逼真地、动态地表达地矿工 布不均匀，表现出明显的不确定性，直接影响地矿工 程的三维几何形态和空间位置关系，譬如 程的最终目标：地矿体形态不规则，缺乏规律性，无 Dat amine,Surpac和MineSight.但是，现有较为成 法精确地予以解析描述：地矿体、采矿工程和其他有 熟的矿山技术软件系统大多以客户端/服务器 关空间对象的空间尺度宏大，一般以千米计，且埋藏 (client/server,简称C/S网络架构为基础予以实现.于地下，难以对其进行直接观测或实验操作：矿井及 地矿工程的研究对象一地矿体，采矿工程和 巷道空间狭隘，气流受限，一旦有水火等灾害发生， 水火灾害隐患等，具有一系列的内在特征.地矿体 其发展演化规律复杂，井下人员安全容易受到威胁 属性复杂，包括组分、品位、岩性等空间变量以及地 这些地矿工程特征使得三维可视化仿真技术在 收稿日期：200805-27 基金项目：“十一五国家科技支撑计划重点资助项目(Na2006BAK0404):国家自然科学基金资助项目(Na.50604003):教有部高等学校博 士学科点专项科研基金资助项目(Na20060008005) 作者简介：马斌(1979一），男.博士研究生，E-milb20050046@xs.ustb.edu.cm:李仲学(1957一），男，教授，博士生导师
基于 B/S 模式的矿井及典型灾害仿真系统框架与 原型 马 斌 李仲学 郝秀强 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 针对数字矿山的发展与建设需要, 以面向对象的思想, 设计了一个基于 Web 的矿井及典型灾害三维仿真系统的框架 结构.该系统框架包括核心功能模块、数据管理模块和辅助模块等三个功能模块.基于 Web 技术和可视化技术, 形成了一套 面向浏览器/ 服务器( B/S) 模式的矿井及典型灾害三维仿真系统实现技术.运用这些技术, 通过对某金矿实际数据的采集和处 理, 实现了基于 B/S 模式的地表地形、矿体及井巷工程仿真. 关键词 矿井;灾害;建模与仿真;B/ S 模式 分类号 TD672 ;TP 391.9 Framework and prototype for B/S based 3D visualization of a mine and hazard system MA Bin, LI Zhong-xue, HAO Xiu-qiang Key Laboratory of the Ministry of Education of China f or High-Efficiency Mining and Saf ety of Metal Mines, Uni versit y of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT To meet the needs of development and construction of digital mines, a Web-based framewo rk of a mine and typical disaster 3D simulation sy stem w as desig ned with object-oriented design and pro gramming methodology .This sy stem framework consists of three main functio n modules:core function module, data management module, and ancillary module.With Web and visualization technology , a browser/ server ( B/ S) based technique for a mine and typical disaster 3D simulation sy stem was realized.Af ter data collection from a gold mine in China and data treatment the terrain, orebody , and underg round excav ations were simulated with the technique mentioned abo ve based on the B/S mode. KEY WORDS Underground mine;mine hazards;modeling and simulation;B/S mode 收稿日期:2008-05-27 基金项目:“十一五”国家科技支撑计划重点资助项目( No.2006BAK04B04) ;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) 作者简介:马 斌( 1979—) , 男, 博士研究生, E-mail:b20050046@xs.ustb.edu.cn;李仲学( 1957—) , 男, 教授, 博士生导师 随着计算机软硬件技术及信息技术的不断发展 及其在地矿工程的推广应用, 一些矿山规划设计及 三维仿真系统已经能够逼真地 、动态地表达地矿工 程的 三 维 几 何 形 态 和 空 间 位 置 关 系, 譬 如 Datamine 、Surpac 和 MineSig ht .但是, 现有较为成 熟的矿山技术 软件系统大多以客 户端/服 务器 ( client/ server, 简称 C/S) 网络架构为基础予以实现 . 地矿工程的研究对象 ———地矿体、采矿工程和 水火灾害隐患等, 具有一系列的内在特征.地矿体 属性复杂, 包括组分、品位、岩性等空间变量以及地 质构造、采空区 、含水层及水体等空间对象, 这些皆 为地矿工程的关注所在 ;这些属性或对象的空间分 布不均匀, 表现出明显的不确定性, 直接影响地矿工 程的最终目标;地矿体形态不规则, 缺乏规律性, 无 法精确地予以解析描述 ;地矿体 、采矿工程和其他有 关空间对象的空间尺度宏大, 一般以千米计, 且埋藏 于地下, 难以对其进行直接观测或实验操作;矿井及 巷道空间狭隘, 气流受限, 一旦有水火等灾害发生, 其发展演化规律复杂, 井下人员安全容易受到威胁. 这些地矿工程特征使得三维可视化仿真技术在 第 31 卷 第 1 期 2009 年 1 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.1 Jan.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.01.024
第1期 马斌等：基于B$模式的矿井及典型灾害仿真系统框架与原型 11。 地矿工程中具有巨大的发展潜力和广阔的应用前 等数据为基础建立地表空间数据库；然后，采用相应 景刂.利用基于浏览器/服务器(brow ser//server,. 的插值算法进行空间数据分析和处理，建立数字高 B/S)模式的三维可视化仿真技术来研究地矿工程 程模型：最后，计算坡向、等高线等形成数字地形模 系统，构建矿床、地质构造、采矿工程和水火灾害的 型，并以面绘制技术进行三维仿真. 三维可视化仿真模型，可以逼真地表达地矿工程的 核心功能模块 辅助模块 三维几何形态和空间布置关系，能够动态地反映水 矿床仿真 地表地形 3D地理 子系统 仿真子系统 火灾害的发展演化规律和井下人员应急响应对策， 信息子 接口 系统 井巷伤直 采矿工艺动态 便于采矿工程技术与管理人员直观地分析地矿工程 井下人员 子系统 仿真子系统 定位系统 系统的状态和判断工程系统的合理性，对于优化开 通风与火灾 水文与水灾 采设计方案、消除矿山安全隐患、降低矿石开采成 仿真子系统 仿真子系统 本、提高矿产资源开发利用，具有重要的学术价值与 显示 支撑 数据管理模块 支特 其他决策 应用价值. 基础数据 图形数据 空间数据 支持系统 随着新一代互联网技术的发展，W山及IPv6等 管理子系统 管理子系统 管理子系统 分析 技术正在使得传统的互联网应用从仅仅能够提供文 字与静态图片浏览，逐渐发展成为可以支持丰富的 图1矿井及典型灾害可视化仿真系统结构 影音数据流、海量的数据挖掘、远程实时交互监测预 Fig.I Framew ork for B S 3D visualization of a mine and hazard sys tem 警及控制等功能.因此，研究基于B/S结构的地矿 工程三维可视化技术及系统正在成为“数字矿山”技 (3)井巷工程仿真子系统.对于巷道系统，首 术与系统的研究前沿之一. 先，需预处理井巷工程测量数据，再以巷道底板导向 线结合巷道端面方式表达井巷工程模型，并通过 1系统体系结构 Sweep算法进行三维实体化：对于各类井筒，则通过 根据矿井及典型灾害可视化仿真系统的主要功 井口空间坐标、井深、倾斜度和断面形状建立三维模 能需求，将矿井及典型灾害仿真系统划分为系统核 型)，并以面绘制技术实现模型的仿真. 心功能模型模块、数据管理模块以及辅助模块等三 (4)采矿工艺动态仿真子系统.首先，根据具 个部分.核心功能模块为本系统所要实现的主要仿 体采矿工艺、开采进度计划建立采掘过程数据库；然 真子系统，在数据管理模块的支持下提供三维显示 后，按照开采工艺流程，建立穿孔模型、爆破过程模 功能，并与辅助模块中的三维地理信息系统 型和矿岩运输模型等：最后，以开采过程为序，建立 (3DGIS)等系统提供数据接口：数据管理模块则作 采矿过程仿真系统. 为系统基础数据的管理者，为核心功能模块和辅助 (5)通风与火灾仿真子系统.首先，以巷道工 模块中的其他决策支持系统提供数据及结构支持： 程为对象，采集通风数据建立通风系统数据库：其 辅助模块则主要对其他有关系统功能提供接口和支 次，建立通风系统模型和火灾发生模型：再者，根据 持.系统的功能结构见图1. 火灾模型，以人机交互等方式模拟火灾，并预测灾后 11核心功能模块 巷道空间内的风向、毒害气体等的气流规律和影响 作为矿山统一数字模型的原型及其初步实 范围：最后，以时间为序，进行风向流动、毒害气体蔓 现习，矿井及典型灾害可视化仿真系统的核心功能 延等过程的三维仿真. 模块包括了六个子系统，即矿床仿真子系统、地表地 (6)水文及水灾仿真子系统.首先，根据水文 形仿真子系统、井巷工程仿真子系统、采矿工艺动态 地质报告、观测数据、钻孔信息等水文相关空间信 仿真子系统，通风与火灾仿真子系统、水文与水灾仿 息，确定含水层或水体的地质边界，建立水文地质数 真子系统等. 据库：然后，根据含水层的地质边界信息，以不规则 ()矿床仿真子系统.首先，以地质勘测数据、 三角网格方式描述含水层的空间形态，形成水文地 生产勘探数据等信息为基础建立钻孔、测斜和样本 质边界面模型，计算储水量；最后，模拟采掘诱发涌 等地质数据库；然后，采用空间插值方法，建立基于 水的流动规律及影响空间范围 体素的三维矿床模型：最后，基于多种绘制方式 1.2数据管理模块 进行地矿体、断层、褶皱等地质体的三维仿真可 数据管理模块包括基础数据管理子系统、图形 (2)地表地形仿真子系统.首先，以遥感、实测 数据管理子系统和空间数据管理子系统等三个部
地矿工程中具有巨大的发展潜力和广阔的应用前 景[ 1] .利用基于浏览器/服务器( brow ser/ server, B/S) 模式的三维可视化仿真技术来研究地矿工程 系统, 构建矿床、地质构造、采矿工程和水火灾害的 三维可视化仿真模型, 可以逼真地表达地矿工程的 三维几何形态和空间布置关系, 能够动态地反映水 火灾害的发展演化规律和井下人员应急响应对策, 便于采矿工程技术与管理人员直观地分析地矿工程 系统的状态和判断工程系统的合理性, 对于优化开 采设计方案、消除矿山安全隐患 、降低矿石开采成 本、提高矿产资源开发利用, 具有重要的学术价值与 应用价值 . 随着新一代互联网技术的发展, Web 及 IPv6 等 技术正在使得传统的互联网应用从仅仅能够提供文 字与静态图片浏览, 逐渐发展成为可以支持丰富的 影音数据流、海量的数据挖掘 、远程实时交互监测预 警及控制等功能.因此, 研究基于 B/S 结构的地矿 工程三维可视化技术及系统正在成为“数字矿山”技 术与系统的研究前沿之一 . 1 系统体系结构 根据矿井及典型灾害可视化仿真系统的主要功 能需求, 将矿井及典型灾害仿真系统划分为系统核 心功能模型模块 、数据管理模块以及辅助模块等三 个部分.核心功能模块为本系统所要实现的主要仿 真子系统, 在数据管理模块的支持下提供三维显示 功能, 并 与辅 助 模块 中的 三 维地 理 信息 系 统 ( 3DGIS) 等系统提供数据接口;数据管理模块则作 为系统基础数据的管理者, 为核心功能模块和辅助 模块中的其他决策支持系统提供数据及结构支持 ; 辅助模块则主要对其他有关系统功能提供接口和支 持.系统的功能结构见图 1 . 1.1 核心功能模块 作为矿山统一数字模型的原型及其初步实 现[ 2] , 矿井及典型灾害可视化仿真系统的核心功能 模块包括了六个子系统, 即矿床仿真子系统、地表地 形仿真子系统、井巷工程仿真子系统、采矿工艺动态 仿真子系统、通风与火灾仿真子系统、水文与水灾仿 真子系统等. ( 1) 矿床仿真子系统 .首先, 以地质勘测数据 、 生产勘探数据等信息为基础建立钻孔、测斜和样本 等地质数据库;然后, 采用空间插值方法, 建立基于 体素的三维矿床模型[ 3-5] ;最后, 基于多种绘制方式 进行地矿体、断层、褶皱等地质体的三维仿真 [ 6] . ( 2) 地表地形仿真子系统 .首先, 以遥感、实测 等数据为基础建立地表空间数据库;然后, 采用相应 的插值算法进行空间数据分析和处理, 建立数字高 程模型;最后, 计算坡向 、等高线等形成数字地形模 型, 并以面绘制技术进行三维仿真. 图 1 矿井及典型灾害可视化仿真系统结构 Fig.1 Framew ork f or B/ S 3D visualization of a mine and hazard system ( 3) 井巷工程仿真子系统 .对于巷道系统, 首 先, 需预处理井巷工程测量数据, 再以巷道底板导向 线结合巷道端面方式表达井巷工程模型, 并通过 Sweep 算法进行三维实体化;对于各类井筒, 则通过 井口空间坐标、井深、倾斜度和断面形状建立三维模 型[ 7] , 并以面绘制技术实现模型的仿真. ( 4) 采矿工艺动态仿真子系统.首先, 根据具 体采矿工艺 、开采进度计划建立采掘过程数据库 ;然 后, 按照开采工艺流程, 建立穿孔模型、爆破过程模 型和矿岩运输模型等;最后, 以开采过程为序, 建立 采矿过程仿真系统 . ( 5) 通风与火灾仿真子系统 .首先, 以巷道工 程为对象, 采集通风数据建立通风系统数据库;其 次, 建立通风系统模型和火灾发生模型 ;再者, 根据 火灾模型, 以人机交互等方式模拟火灾, 并预测灾后 巷道空间内的风向、毒害气体等的气流规律和影响 范围;最后, 以时间为序, 进行风向流动、毒害气体蔓 延等过程的三维仿真. ( 6) 水文及水灾仿真子系统 .首先, 根据水文 地质报告 、观测数据、钻孔信息等水文相关空间信 息, 确定含水层或水体的地质边界, 建立水文地质数 据库 ;然后, 根据含水层的地质边界信息, 以不规则 三角网格方式描述含水层的空间形态, 形成水文地 质边界面模型, 计算储水量;最后, 模拟采掘诱发涌 水的流动规律及影响空间范围. 1.2 数据管理模块 数据管理模块包括基础数据管理子系统 、图形 数据管理子系统和空间数据管理子系统等三个部 第 1 期 马 斌等:基于 B/ S模式的矿井及典型灾害仿真系统框架与原型 · 11 ·
。12 北京科技大学学报 第31卷 分. 者SUN公司和OpenGL创建者SGI公司的共同支 ()基础数据管理子系统.主要负责对系统核 持.这就使采用Java开发的地矿工程复合场三维仿 心模型的信息管理，从内容的实现上来讲，主要包括 真系统在集成了AWT和Swing等窗口界面的同 地形、地质体、矿体、水文、通风、井巷工程和采掘计 时，能够在硬件直接支持下获得强大的3D图形绘 划等数据的管理和维护；从功能上来讲，主要包括系 制功能. 统信息的采集、录入、查询、统计及删除等功能； (2)基于J0GL的系统实现.选择J0GL作为 (2)图形数据管理子系统.主要负责光线、材 建立基于B/S结构的地表、矿床和井巷工程等仿真 质、特殊图形、符号和参数等的管理，并通过统一图 系统的实现手段，其核心工作过程包括：调用GL- 形接口处理，将系统核心模块中的各种模型拆解、转 Draw ablefactory类创建GLDraw able对象；使用GL- 换成基本的点、线、面和体等三维模型. Draw able类中createGLCanvas方法来创建GLCa- (3)空间数据管理子系统.主要负责对地理信 vas对象：调用GLCanvas相应方法产生GL对象：调 息系统的各种基本图元、图层和对象等的管理和维 用GL的相应方法和设置属性，进行三维显示的设 护，提供录入、查询、统计、归类和分析等基础功能， 置和绘制等；对GLCanvas添加外设事件监听接口， 为后续的模型建立和其他决策系统提供数据保证. 以实现鼠标和键盘的控制响应. 1.3辅助模块 2.2人机交互技术 AutoCAD、三维地理信息系统(three-dimension- 在基于Wb的人机交互技术中，目前主要有基 al geographic informat ion system,3DGIS)、井下人员 于插件的ActiveX,Fash和SVG等技术和基于Java 定位系统和其他决策支持模型等是数字矿山系统的 运行环境的Applet技术两大类.其中，基于插件的 重要组成部分，但其自身在系统结构及实现环境等 交互技术，须事先通过E下载插件程序后运行，且 方面常常具有相对独立性.因此，本系统框架以接 其往往只能结合Windows平台运行；而Applet技术 口方式实现其与辅助功能的集成，以满足系统扩展 是用Java语言编写的应用程序，可嵌入浏览器中获 的需要. 取鼠标、键盘等外设信息，并对事件做出响应，在此 (1)AutoCAD、3DGIS和井下人员定位系统等， 过程中仅需有Java运行环境的支持即可，无平台依 已在矿山的设计、生产、安全及管理等方面使用，但 赖性 此类系统均建立在某一特殊格式的基础上，故需对 (I)Applet技术特征.Applet的生命周期包括 这些系统提供一个统一的接口，实现系统之间的无 初始化、开始、运行和结束等四个阶段.具体过程 缝结合，从而共同构成数字矿山系统 为：在Web浏览器环境中，HTML文件通过Web服 (2)其他决策支持系统，包括数值属性分析和 务装载Applet程序及相关资源，在该文件被创建时 信息融合等部分，用以对有关研究对象的物理属性 其内部嵌入的Applet程序便开始进入运行状态，并 和相关数据进行分析. 随着文件的关闭，Applet程序也相应结束运行. (2)基于Applet系统实现.在实现过程中，采 2系统实现技术 用Applet类的子类JApplet类来完成Applet的功 21基于wb的可视化技术 能，使用户能通过点击鼠标、敲击键盘等活动与系统 目前，比较流行的基于Web浏览器的三维可视 进行会话，实现图形的旋转、平移、缩放和光照设定 化工具包括虚拟现实建模语言(virtual reality mod- 等交互操作.在安全方面，采用JDK12的数字签 eling language,.VRML)、X3D(extensible3D)及基于 名工具来设定A pplet程序的安全性，并通过比对网 Java语言的Java3D9和J0GL(Java bindings for 络所装载的数字签名和客户端所持的数字证书来实 OpenGL)I等.尽管VRML、X3D均可产生交互式 现程序的安全 的虚拟现实场景，但两者在本质上仍属于数据文件， 2.3系统技术框架 缺乏对可视化算法的直接支持.基于Java的Jar 基于J2EE定义的服务和规范10，将系统技术 va3D和JOGL不仅能够像VRML、X3D一样支持视 框架分为客户层、中间层(W山层、业务层)和数据 景图形处理，还能够支持更高层次的图形处理. 层，实现了核心功能模块的各仿真子系统、模型管理 (1)JOGL图形绘制技术.JOGL是建立在 和数据存储等功能 OpenGL这一公共图形接口基础上的技术，是第一 (1)在客户层中，以JOGL作为三维图形的显 个被认可的Java对OpenGL的绑定，得到，Java创建 示工具，用点、线、面和体来表达三维地表、矿床和井
分. ( 1) 基础数据管理子系统.主要负责对系统核 心模型的信息管理, 从内容的实现上来讲, 主要包括 地形、地质体、矿体 、水文 、通风 、井巷工程和采掘计 划等数据的管理和维护;从功能上来讲, 主要包括系 统信息的采集、录入 、查询 、统计及删除等功能 ; ( 2) 图形数据管理子系统.主要负责光线 、材 质、特殊图形 、符号和参数等的管理, 并通过统一图 形接口处理, 将系统核心模块中的各种模型拆解、转 换成基本的点、线、面和体等三维模型. ( 3) 空间数据管理子系统.主要负责对地理信 息系统的各种基本图元、图层和对象等的管理和维 护, 提供录入、查询、统计 、归类和分析等基础功能, 为后续的模型建立和其他决策系统提供数据保证 . 1.3 辅助模块 AutoCAD 、三维地理信息系统( three-dimensional geographic information system, 3D GIS) 、井下人员 定位系统和其他决策支持模型等是数字矿山系统的 重要组成部分, 但其自身在系统结构及实现环境等 方面常常具有相对独立性.因此, 本系统框架以接 口方式实现其与辅助功能的集成, 以满足系统扩展 的需要. ( 1) AutoCAD 、3DGIS 和井下人员定位系统等, 已在矿山的设计 、生产 、安全及管理等方面使用, 但 此类系统均建立在某一特殊格式的基础上, 故需对 这些系统提供一个统一的接口, 实现系统之间的无 缝结合, 从而共同构成数字矿山系统. (2) 其他决策支持系统, 包括数值属性分析和 信息融合等部分, 用以对有关研究对象的物理属性 和相关数据进行分析 . 2 系统实现技术 2.1 基于 Web 的可视化技术 目前, 比较流行的基于 Web 浏览器的三维可视 化工具包括虚拟现实建模语言( virtual reality modeling language, V RM L) 、X3D( extensible 3D) 及基于 Java 语言的 Java 3D [ 8] 和 JOGL ( Java bindings fo r OpenGL) [ 9] 等.尽管 VRM L 、X3D 均可产生交互式 的虚拟现实场景, 但两者在本质上仍属于数据文件, 缺乏对可视化算法的直接支持.基于 Java 的 Java3D 和 JOGL 不仅能够像V RM L 、X3D 一样支持视 景图形处理, 还能够支持更高层次的图形处理 . ( 1) JOGL 图形绘制技术 .JOGL 是建立在 OpenGL 这一公共图形接口基础上的技术, 是第一 个被认可的 Java 对 OpenGL 的绑定, 得到 Java 创建 者 SUN 公司和OpenGL 创建者 SGI 公司的共同支 持 .这就使采用 Java 开发的地矿工程复合场三维仿 真系统在集成了 AWT 和 Sw ing 等窗口界面的同 时, 能够在硬件直接支持下获得强大的 3D 图形绘 制功能 . ( 2) 基于 JOGL 的系统实现 .选择 JOGL 作为 建立基于 B/S 结构的地表、矿床和井巷工程等仿真 系统的实现手段, 其核心工作过程包括:调用 GLDraw ablefacto ry 类创建 GLDraw able 对象;使用 GLDraw able 类中 createGLCanvas 方法来创建 GLCanvas 对象 ;调用GLCanvas 相应方法产生 GL 对象;调 用G L 的相应方法和设置属性, 进行三维显示的设 置和绘制等;对 GLCanvas 添加外设事件监听接口, 以实现鼠标和键盘的控制响应. 2.2 人机交互技术 在基于 Web 的人机交互技术中, 目前主要有基 于插件的ActiveX 、Flash 和 SVG 等技术和基于 Java 运行环境的 Applet 技术两大类.其中, 基于插件的 交互技术, 须事先通过 IE 下载插件程序后运行, 且 其往往只能结合 Window s 平台运行;而 Applet 技术 是用 Java 语言编写的应用程序, 可嵌入浏览器中获 取鼠标 、键盘等外设信息, 并对事件做出响应, 在此 过程中仅需有 Java 运行环境的支持即可, 无平台依 赖性. ( 1) Applet 技术特征.Applet 的生命周期包括 初始化、开始、运行和结束等四个阶段.具体过程 为 :在 Web 浏览器环境中, HTM L 文件通过 Web 服 务装载 Applet 程序及相关资源, 在该文件被创建时 其内部嵌入的Applet 程序便开始进入运行状态, 并 随着文件的关闭, Applet 程序也相应结束运行. ( 2) 基于 Applet 系统实现.在实现过程中, 采 用 Applet 类的子类 JApplet 类来完成 Applet 的功 能, 使用户能通过点击鼠标 、敲击键盘等活动与系统 进行会话, 实现图形的旋转、平移、缩放和光照设定 等交互操作 .在安全方面, 采用 JDK1.2 的数字签 名工具来设定Applet 程序的安全性, 并通过比对网 络所装载的数字签名和客户端所持的数字证书来实 现程序的安全. 2.3 系统技术框架 基于 J2EE 定义的服务和规范[ 10] , 将系统技术 框架分为客户层 、中间层( Web 层 、业务层) 和数据 层, 实现了核心功能模块的各仿真子系统 、模型管理 和数据存储等功能 . ( 1) 在客户层中, 以 JOGL 作为三维图形的显 示工具, 用点 、线、面和体来表达三维地表 、矿床和井 · 12 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
第1期 马斌等：基于B$模式的矿井及典型灾害仿真系统框架与原型 13。 巷等形态及其灾害发展过程；以Applet作为用户与 统和通风与火灾仿真子系统等核心功能模块，初步 三维图形的交互手段，用AWT,Swig等来响应键 实现了基于B/S模式的矿井及典型灾害仿真系统， 盘、鼠标和其他外围设备的事件；以JRE和VM作 其部分输出如图2和图3所示.通过验证，实验结 为客户层Applet组件的容器和Java运行环境. 果能够反映矿山实际情况，如其矿床仿真子系统所 (2)在中间层中，以权限验证方式作为系统信 模拟的矿床基本符合该矿1、2号矿体一290~ 息安全手段，用基于角色授权方式进行系统访问安 一380m水平的分布规律，其井巷工程仿真子系统与 全控制：以JSP作为应用系统基本展示工具，用动态 矿山巷道三维空间位置、拓扑关系基本一致等.在 生成的Web页面来进行业务数据的发布和查询：以 实际矿山生产过程中，工程技术人员可通过基于 Struts作为系统逻辑处理，用XML进行业务逻辑配 Applet的人机交互技术对矿床、地表地形和井巷等 置来控制访问内容：以EJB和JavaBean等作为业务 实体对象进行拾取、查询、平移、缩放、旋转和光照等 模型，用面向对象技术中的类来表示地表、钻孔、矿 处理，以增强人们对三维空间的认知能力，为采矿工 床和井巷工程等的三维模型. 程的计算机辅助设计与采矿计划的制定提供新的辅 (3)在数据层中，以空间数据库和关系型数据 助手段. 库为对象，以其概念层和物理层数据库设计为核心， 进行数据库框架和数据库结构的设计：以地下矿所 涉及到的地形地表、矿床、井巷工程和通风网路等模 型为具体研究内容，进行模型建立和存储，从而为中 间层提供基本的数据支持：以数据仓库和数据集市 的建立为基础，对各种地质、矿岩、水文和巷道空间 属性进行提取和分析，从而为后期的数据分析奠定 基础. 3系统应用实例 图2地形，矿体（一290-一380m水平）与井巷工程（一175- 本文以某地下金矿为例，通过采集其地质勘探 一496m中段)三维仿真 数据、生产数据及矿体各中段数据，建立钻孔基本信 Fig.2 3D dsplay of roadw ays,terrain and onbody 息表、钻孔取样信息表、钻孔测斜信息表、地表信息 表和断层信息表等地质数据库：建立巷道工程信息 表、各中段信息表和通风网络表等工程数据库.钻 孔采样数据共有4981条记录，经过钻孔数据离散化 后，形成离散的点数据记录17974条，并选取了泰 森多边形法，距离幂次反比法及克里格法进行空间 插值形成10m×10m×2.5m体矿化模型；地表高 程数据值1500条记录，仿真范围为2800m× 1800m,以10m×10m为网格间距，采用泰森多边 形、距离幂次反比法进行插值形成地表模型：巷道工 图3通风网络三维仿真 Fig.3 3D display of ventilat ion 程数据包括五个中段的信息、竖井信息，溜井信息和 斜坡道信息等，分别为一175，一210，一290.一380， 4结论 一496m中段.同时，在地质数据库与工程数据库的 基础上，系统还建立了包括巷道火灾参数表、火源信 作为地矿工程的研究对象的地矿体、采矿工程 息表和火灾蔓延过程表等的火灾模拟数据库，以及 和水火灾害隐患等在属性、形态、空间尺度及分布等 包括水灾信息表、水灾关键点表、水灾蔓延信息表和 方面具有一系列的内在特征，这些特征使得三维可 水灾巷道信息表等的水灾模拟数据库，为核心模块 视化仿真技术在地矿工程中具有巨大的发展潜力和 的功能实现奠定基础. 广阔的应用前景.同时，快速发展的网络技术使得 在本文研究的系统技术框架下，建立了矿床仿 三维可视化仿真技术脱离了单机的束缚，拓展为基 真子系统，地表地形仿真子系统、井巷工程仿真子系 于网络的分布式体系结构.据此，本文依据面向对
巷等形态及其灾害发展过程;以 Applet 作为用户与 三维图形的交互手段, 用 AWT 、Sw ing 等来响应键 盘、鼠标和其他外围设备的事件;以 JRE 和 JVM 作 为客户层 Applet 组件的容器和 Java 运行环境. (2) 在中间层中, 以权限验证方式作为系统信 息安全手段, 用基于角色授权方式进行系统访问安 全控制;以 JSP 作为应用系统基本展示工具, 用动态 生成的 Web 页面来进行业务数据的发布和查询;以 S truts 作为系统逻辑处理, 用 XM L 进行业务逻辑配 置来控制访问内容;以 EJB 和 JavaBean 等作为业务 模型, 用面向对象技术中的类来表示地表 、钻孔 、矿 床和井巷工程等的三维模型. (3) 在数据层中, 以空间数据库和关系型数据 库为对象, 以其概念层和物理层数据库设计为核心, 进行数据库框架和数据库结构的设计;以地下矿所 涉及到的地形地表、矿床 、井巷工程和通风网路等模 型为具体研究内容, 进行模型建立和存储, 从而为中 间层提供基本的数据支持;以数据仓库和数据集市 的建立为基础, 对各种地质 、矿岩 、水文和巷道空间 属性进行提取和分析, 从而为后期的数据分析奠定 基础 . 3 系统应用实例 本文以某地下金矿为例, 通过采集其地质勘探 数据 、生产数据及矿体各中段数据, 建立钻孔基本信 息表 、钻孔取样信息表 、钻孔测斜信息表、地表信息 表和断层信息表等地质数据库 ;建立巷道工程信息 表、各中段信息表和通风网络表等工程数据库.钻 孔采样数据共有 4981 条记录, 经过钻孔数据离散化 后, 形成离散的点数据记录 17 974 条, 并选取了泰 森多边形法 、距离幂次反比法及克里格法进行空间 插值形成 10 m ×10 m ×2.5 m 体矿化模型 ;地表高 程数据值 1 500 条记 录, 仿真 范围为 2 800 m × 1 800 m, 以 10 m ×10 m 为网格间距, 采用泰森多边 形、距离幂次反比法进行插值形成地表模型;巷道工 程数据包括五个中段的信息、竖井信息 、溜井信息和 斜坡道信息等, 分别为 -175, -210, -290, -380, -496 m 中段.同时, 在地质数据库与工程数据库的 基础上, 系统还建立了包括巷道火灾参数表、火源信 息表和火灾蔓延过程表等的火灾模拟数据库, 以及 包括水灾信息表 、水灾关键点表、水灾蔓延信息表和 水灾巷道信息表等的水灾模拟数据库, 为核心模块 的功能实现奠定基础 . 在本文研究的系统技术框架下, 建立了矿床仿 真子系统 、地表地形仿真子系统、井巷工程仿真子系 统和通风与火灾仿真子系统等核心功能模块, 初步 实现了基于 B/S 模式的矿井及典型灾害仿真系统, 其部分输出如图 2 和图 3 所示 .通过验证, 实验结 果能够反映矿山实际情况, 如其矿床仿真子系统所 模拟的矿床 基本符合该矿 1 、2 号矿体 -290 ～ -380 m水平的分布规律, 其井巷工程仿真子系统与 矿山巷道三维空间位置 、拓扑关系基本一致等 .在 实际矿山生产过程中, 工程技术人员可通过基于 Applet 的人机交互技术对矿床、地表地形和井巷等 实体对象进行拾取 、查询、平移、缩放 、旋转和光照等 处理, 以增强人们对三维空间的认知能力, 为采矿工 程的计算机辅助设计与采矿计划的制定提供新的辅 助手段 . 图 2 地形、矿体( -290 ～ -380 m 水平) 与井巷工程( -175 ～ -496 m中段) 三维仿真 Fig.2 3D display of roadw ays, terrain and orebody 图 3 通风网络三维仿真 Fig.3 3D display of ventilation 4 结论 作为地矿工程的研究对象的地矿体、采矿工程 和水火灾害隐患等在属性、形态 、空间尺度及分布等 方面具有一系列的内在特征, 这些特征使得三维可 视化仿真技术在地矿工程中具有巨大的发展潜力和 广阔的应用前景 .同时, 快速发展的网络技术使得 三维可视化仿真技术脱离了单机的束缚, 拓展为基 于网络的分布式体系结构 .据此, 本文依据面向对 第 1 期 马 斌等:基于 B/ S模式的矿井及典型灾害仿真系统框架与原型 · 13 ·
。14 北京科技大学学报 第31卷 象的思想，设计了一个包括核心功能模块、数据管理 [4 Seng D W.Li Z X.Li C M.et al.3D dat a field visualization 模块和辅助模块的矿井及典型灾害可视化仿真系统 modeing technobgy for geological and mining engineering Met Mne2004(12):51 的框架结构，建立了一个基于B/S模式的矿井及典 (僧德文，李仲学，李春民，等.地矿工程三维数据场可视化仿 型灾害仿真系统技术框架，并通过对某金矿实际数 真技术.金属矿山，2004(12)：51) 据的采集、分析及处理，实现了该框架结构的部分功 [5 Seng D W.LiZ X.LiC M,et al.3D Visual modeling system for 能，为进一步发展该矿井及典型灾害可视化仿真系 mineral deposits.J Univ Sci Technol Beijing.2004.26(5):453 统奠定了基础. (僧德文，李仲学，李春民，等。矿床的三维可视化仿真技术与 系统.北京科技大学学报，2004,26(5)：453) [6 Tang Z S.Visualization of 3D Data Sets.Beijing Tanghua 参考文献 University Pres,1999 [1]Li Z X,Li C P,Li C M,et al.3D Visualization Modeling (唐泽圣.三维数据场可视化.北京：清华大学出版社，1999) Technobgy for Geobgical and Mining Engineering.Beijing: [7]LiC M.Li Z X.Seng D W.OpenGL based 3D Visualization of Science Press,2007 undergmound mining systems.JUniv Sci Technol Beijing.2004. (李仲学.李翠平，李春民，等.地矿工程三维可视化技术.北 26(5):457 京：科学出版社.2007) (李春民，李仲学，僧德文.OpenGL在矿山井巷工程三维可视 [2]Li Z X,Hao J H.Li C P.et al.Complex field theory,unified 化仿真系统中的应用.北京科技大学学报，2004,26(5)：457) numerical modeling and integrated 3D visualization for mines.J [8 Hao X Q.Hao J H.Ma B.A framew ork for 3D visualization sys Univ Sci Technol Beijing,2007,29(7):651 tem in mining engineering based on the w eb.China Min Mag, (李仲学，郝晋会，李翠平，等.矿山的复合场理论一体化模 2007.16(5):92 型及可视化技术.北京科技大学学报，2007,29(7)：651) (郝秀强.郝晋会，马斌.基于Wb的采矿工程三维可视化系 [3]Li C P.Volu me Visualization as Applied in the Geplogical and 统框架.中国矿业.2007,16(5)：92) Mining Engineering Dissentation].Beijing University of Sci- [9 Davis G.Learning Java Bindings for OpenGL (JOGL). ence and Technology Beijing.2002:17 Bbomington:Author House,2004 (李翠平.面向地矿工程的体视化技术及其应用[学位论文刘.【l0AurD,CrupiJ,Malks D.Core2 EE Patterns:Best Practic 北京：北京科技大学.200217) and Design Strategies.Prentice Hall PTR,2003
象的思想, 设计了一个包括核心功能模块、数据管理 模块和辅助模块的矿井及典型灾害可视化仿真系统 的框架结构, 建立了一个基于 B/S 模式的矿井及典 型灾害仿真系统技术框架, 并通过对某金矿实际数 据的采集 、分析及处理, 实现了该框架结构的部分功 能, 为进一步发展该矿井及典型灾害可视化仿真系 统奠定了基础. 参 考 文 献 [ 1] Li Z X, Li C P, Li C M, et al.3D Visualiz ation Modeling Technology for Geological and Mining Engineering .Beijing : S cience Press, 2007 ( 李仲学, 李翠平, 李春民, 等.地矿工程三维可视化技术.北 京:科学出版社, 2007) [ 2] Li Z X, Hao J H, Li C P, et al.Complex field theory, unified numerical modeling and integrat ed 3D visualization for mines.J Uni v Sci Technol Beijing , 2007, 29( 7) :651 ( 李仲学, 郝晋会, 李翠平, 等.矿山的复合场理论、一体化模 型及可视化技术.北京科技大学学报, 2007, 29( 7) :651) [ 3] Li C P .Volu me Visualization as Applied in the Geological and Min ing Engineering [ Dissert ation] .Beijing:University of S cience and Technology Beijing, 2002:17 ( 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, 2002:17) [ 4] Seng D W, Li Z X, Li C M, et al.3D dat a field visualization modeling technology for geological and mining engineering.Met Mine, 2004 ( 12) :51 ( 僧德文, 李仲学, 李春民, 等.地矿工程三维数据场可视化仿 真技术.金属矿山, 2004( 12) :51) [ 5] Seng D W, Li Z X, Li C M, et al.3D Visual modeling system for mineral deposits.J Uni v Sci Technol Beijing, 2004, 26( 5) :453 ( 僧德文, 李仲学, 李春民, 等.矿床的三维可视化仿真技术与 系统.北京科技大学学报, 2004, 26 ( 5) :453) [ 6] Tang Z S .Visualiza tion of 3D Data Sets.Beijing:Tsinghua University Press, 1999 ( 唐泽圣.三维数据场可视化.北京:清华大学出版社, 1999) [ 7] Li C M, Li Z X, Seng D W.OpenGL based 3D Visualization of underground mining systems.J Uni v Sci Technol Beijing , 2004, 26( 5) :457 ( 李春民, 李仲学, 僧德文.OpenGL 在矿山井巷工程三维可视 化仿真系统中的应用.北京科技大学学报, 2004, 26( 5) :457) [ 8] Hao X Q, Hao J H, Ma B.A framew ork for 3D visualization system in mining engineering based on the w eb.China Min Mag , 2007, 16( 5) :92 ( 郝秀强, 郝晋会, 马斌.基于 Web 的采矿工程三维可视化系 统框架.中国矿业, 2007, 16( 5) :92) [ 9] Davis G .Learning Java Bindings for OpenGL ( JOGL ) . Bloomingt on:Author House, 2004 [ 10] Alur D, C rupi J, Malks D.Core J2EE Patterns :Best Practi ces a nd Design S trategies.Prentice Hall PTR, 2003 · 14 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷