一种黄金地下矿山采矿工艺的三维仿真方法与流程

1.本发明涉及矿山生产技术领域，尤其涉及一种黄金地下矿山采矿工艺的三维仿真方法。


背景技术：

2.三维仿真再现方法作为一种融合虚拟现实、人工智能、物联网以及三维gis技术的新模式，近年来先后在国内外企业和高校进行研究和应用，并逐渐走进矿山企业，获得了良好的反响。通过三维仿真建模技术实现采矿生产作业工艺及场景的真实还原，呈现出高还原、高真实性的虚拟黄金地下矿山的完整采矿生产工艺过程，对于全面提升矿业集团的岗位操作培训、安全教育培训以及矿山生产认知培训的技术水平和工作效率非常重要。
3.现有技术中对矿山采矿工艺进行三维仿真存在如下问题：模型过大时加载失败，角色刚加进模型的时候，模型能够加载成功，退出后重启，原本加载成功的模型有可能无法加载出来；三维仿真过程中由于坐标没有归零，放大或缩小模型时会出现模型穿模或贴图消失的情况；剧本播放时点暂停按钮停止播放，再点播放从头开始播放，即剧本操作不支持“随点随放”等。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种黄金地下矿山采矿工艺的三维仿真方法，其目的是：克服现有技术的缺陷，提高黄金地下矿山采矿工艺的三维仿真水平。
5.本发明技术方案如下：一种黄金地下矿山采矿工艺的三维仿真方法，包括如下步骤：步骤一：采集黄金地下矿山采矿工艺中所涉及的各类生产设备信息，通过三维建模软件产生各个生产设备的仿真模型，建立设备模型库；步骤二：梳理并形成采矿作业规范流程，利用三维建模软件搭建黄金地下矿山三维仿真环境；步骤三：利用三维动作软件及编程软件导入生产设备模型、仿真再现采矿生产工序，并同步加载至黄金地下矿山三维仿真场景；步骤四：完善黄金地下矿山三维仿真的ui界面及交互功能。
6.进一步地，所述步骤三包括，利用lod加载模式对黄金地下矿山三维仿真模型进行全局组织，仿真对象包含图层类、数据源类、物体模型类和渲染类，每一个图层类、数据源类、物体模型类分别对应一个渲染模块中的渲染类；加载时对所有模型数据源类构建八叉树网格并添加空间索引，用户操作时依据空间划分加载相应数据并交给渲染模块进行动态渲染。
7.进一步地，步骤三所述动态渲染具体包括，针对图层属性设置着色器程序完成渲染，针对运动属性进行动作编辑及动作渲染；根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度决定物体加载的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，获得高效率的渲
染计算。
8.进一步地，所述步骤三还包括，采用相对坐标的方式加载模型信息：在特定场景下定义某个物体所在位置为相对坐标原点，将其余物体的绝对坐标值转换为相对坐标值，动态渲染时基于所述相对坐标值进行。
9.进一步地，所述步骤三还包括，在不同的场景中定义不同的相对坐标原点，模型信息在多个场景之间进行流转时对其在不同场景下的相对坐标值进行转换。
10.进一步地，所述步骤三还包括，对于动态设备，首先利用惯性动作捕捉系统对角色进行动作捕捉，捕捉后的动作使用三维动作软件进行平滑、帧抽稀调整形成动作库，然后利用三维软件进行节点轴心校正、父子节点设置后输出到虚拟引擎，在虚拟引擎中使用ik、物理模拟功能将设备配置为运动状态可控制的动态设备，最终将动态模型加载至黄金地下矿山三维仿真场景。
11.进一步地，步骤二所述形成采矿作业规范流程包括，在采矿作业规范流程的不同工序之间添加视点，在不同视点之间进行链接，用于不同流程之间的快速切换与漫游。
12.进一步地，步骤二所述利用三维建模软件搭建黄金地下矿山三维仿真环境包括采用三维数字采矿软件地质建模生成矿体模型或采用矿山实地测量生成的点云数据进行建模；所述采用矿山实地测量生成的点云数据进行建模具体包括：首先将点云数据的原始格式通过ｒｅｃａｐ软件转换成 ａｕｔｏｄｅｓｋ软件可以利用的ｒｃｓ或者ｒｃｐ文件，再使用３ｄｍａｘ软件加载点云并建模，三维仿真场景模型构建完成后使用材质绘制软件进行真实材质模拟。
13.进一步地，所述步骤四包括按特定工艺流程进行剧本制作，具体方法如下：采用ide编程编辑剧本制作任务脚本，新建行动类型，所述行动类型包括播放、暂停、前进、后退和倍速播放；对输出的音视频进行基于内容的编码，将编码后的音视频进行序列化，序列化以后的音视频内容以字节的形式存储到磁盘的文件上；对视频播放器添加多个线程，播放前相应的播放线程处于线程就绪队列，等待系统分配cpu，所述多个线程为多个连续控制流程；系统选定按剧本时间顺序执行待播放的线程后，被选定的线程从就绪状态进入执行状态，播放完成后相应的线程进行释放。
14.进一步地，所述步骤三还包括，进行人员定位网络解算时，将实际巷道中心线作为保留中心线，删除设计巷道中心线，所述实际巷道中心线在矿山开采过程中根据已有巷道和地质变化情况实时修正。
15.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：（1）模型过大时，利用lod加载模式对黄金地下矿山三维仿真模型进行全局组织，采用动态渲染的方式保证模型加载的稳定性，将黄金地下矿山开采场景拆分成由图层、数据源、物体模型及相应渲染共同搭建起来的lod三维仿真场景，大大减少了运算资源的耗占量，获取更高的渲染及加载效率，有效避免了模型过大时加载失败的情形出现；（2）采用相对坐标加动态渲染的方式加载模型信息，使用相对坐标扩展对象的新模式，使用对象的关联关系代替绝对赋值关系，更加灵活，可以对某一对象进行单独修饰而
不影响其他个体，从而有效避免了三维仿真过程中由于坐标没有归零导致的放大或缩小模型时发生模型穿模或贴图消失的情况；（3）进行剧本制作时，通过文件的序列化与播放器的线程化相配合实现了剧本的“随点随放”。
附图说明
16.图1为本发明的流程图。
具体实施方式
17.下面结合附图详细说明本发明的技术方案：如图1，一种黄金地下矿山采矿工艺的三维仿真方法，包括如下步骤：步骤一：采集黄金地下矿山采矿工艺中所涉及的各类生产设备信息，通过三维建模软件产生各个生产设备的仿真模型，建立设备模型库。
18.具体地，实地调研采集黄金地下矿山采矿工艺中所涉及的各类生产设备信息，采用测量、扫描、照片拍摄、视频拍摄等多种方式对矿山生产设备、作业环境、辅助设施等进行外观数据采集，在三维建模软件中对黄金地下矿山“掘进-凿岩-装药-撬毛-铲装-支护-溜破-运输-破碎-转运-提升-充填”采矿工艺过程中主要设备进行精细化建模，包括凿岩台车、锚杆台车、铲运机、电机车、破碎机、运输卡车、充填设备、箕斗、皮带、管道等采矿机械设备，为采矿工艺流程和生产过程仿真提供精细化的设备模型，进一步建立设备模型库。
19.步骤二：收集黄金地下矿山实际生产过程中的音视频，结合采矿工艺手册，梳理并形成采矿作业规范流程，将采矿作业规范流程大致划分为：采准、切割、凿岩、装药、爆破、铲装、放矿、运输、提升、充填等工序，实现各个生产工序的动作过程的模拟仿真，主要包括凿岩爆破-铲装运输-电机车装载运输-主溜井放矿-井下-破碎-提升运输等过程。
20.优选地，所述形成采矿作业规范流程包括，根据采矿作业规范流程制定可用于展示的流程角本文件，在采矿作业规范流程的不同工序之间添加视点，在不同视点之间进行链接，可实现不同流程（即不同场景）之间的快速切换与漫游。
21.利用三维建模软件搭建黄金地下矿山三维仿真环境，作为仿真设备模型、仿真生产工序的主要场景。本方法在构建黄金地下矿山环境三维模型时，除了支持直接采用三维数字采矿软件地质建模生成的矿体模型外，还可采用三维激光扫描仪实地测量生成的点云数据进行建模。
22.采用矿山实地测量生成的点云数据进行建模时，首先将点云数据的原始格式通过ｒｅｃａｐ软件转换成 ａｕｔｏｄｅｓｋ软件可以利用的ｒｃｓ或者ｒｃｐ文件，再使用３ｄｍａｘ软件加载点云并建模，三维仿真场景模型构建完成后使用材质绘制软件进行真实材质模拟，以增加三维场景真实度，提升体验沉浸感。
23.步骤三：利用三维动作软件及编程软件导入生产设备模型、仿真再现采矿生产工序，并同步加载至黄金地下矿山三维仿真场景。
24.对于动态设备，首先利用惯性动作捕捉系统对角色进行动作捕捉（包括行走、站立、跑步、跳跃、生产作业等动作），捕捉后的动作使用三维动作软件进行平滑、帧抽稀等调整形成动作库，针对机械设备利用三维软件进行节点轴心校正、父子节点设置后输出到虚
拟引擎，在虚拟引擎中使用ik、物理模拟等功能将机械设备配置为运动状态可控制的动态设备，最终将所有动态模型加载至黄金地下矿山三维仿真场景。
25.当模型过大时，利用lod加载模式对黄金地下矿山三维仿真模型进行全局组织，仿真对象包含图层类、数据源类、物体模型类和渲染类，数据源类包含地勘数据、钻孔数据、空间位置数据和索引数据，图层类包含图层id、图层可见比例范围、图层颜色、图层透明度等相关属性，物体模型类包含物体id、物体材质、物体尺寸、物体运动模块，每一个图层类、数据源类、物体模型类分别对应一个渲染模块中的渲染类，所述渲染类采用动态渲染方式以保证模型加载的稳定性。
26.加载时对所有模型数据源类构建八叉树网格并添加空间索引，用户操作时依据矿山区域划分（空间划分）加载相应数据并交给渲染模块进行动态渲染。
27.所述动态渲染具体包括，针对图层属性设置着色器程序完成渲染，针对运动属性进行动作编辑及动作渲染；根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度决定物体加载的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，获得高效率的渲染计算。
28.例如，进行三维仿真时，由于矿体资源赋存复杂、开采工艺繁琐，若使用全部场景完整细节仿真必将导致电脑占用资源过大、cpu挤占过度而崩溃。本方法对所有模型数据源类进行构建八叉树网格并添加空间索引，用户操作时依据区域划分（如xx中段、xx硐室）加载相应数据，交给渲染模块进行动态渲染，在渲染执行模块完成顶点数据的组织与传输、显存中ebo数据的更新以及模型符号化渲染等操作。
29.根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度决定物体加载的资源分配，如在凿岩环节，重点对凿岩台车的模型及其动作进行资源分配，而降低台车所处的巷道环境及矿体模型的面数和细节度，从而获得高效率的加载计算。
30.本方法在模型加载时采用动态渲染的方式将黄金地下矿山开采场景拆分成由图层、数据源、物体模型及相应渲染共同搭建起来的lod三维仿真场景，大大减少了运算资源的耗占量，获取更高的渲染及加载效率，并可支持场景操作模块进行诸如平移、旋转、缩放、俯仰等视角操作而不产生明显的卡顿和不流畅感受。
31.进一步地，本方法采用相对坐标的方式加载模型信息：在特定场景下定义某个物体所在位置为相对坐标原点，将其余物体的绝对坐标值转换为相对坐标值，动态渲染时基于所述相对坐标值进行。
32.在不同的场景中定义不同的相对坐标原点，模型信息在多个场景之间进行流转时只需对其在不同场景下的相对坐标值进行转换，以获得更高效率的渲染计算。
33.例如，装药环节定义采场入口处为第一相对坐标原点，则采场内装药台车、矿体、人员采用与其对应的相对坐标值，随着开采过程深入，装药台车、矿体、人员位置发生变化，只需变换其在不同场景下的相对坐标值即可；运输环节定义溜井口为第二相对坐标原点，则运输设备的运动即以第二相对坐标值的变化来呈现。此种模式使用相对坐标就能扩展对象的新模式，使用对象的关联关系代替绝对赋值关系，更加灵活，可以对某一对象进行单独修饰，而不影响其他个体，可有效避免三维仿真过程中由于坐标没有归零导致的放大或缩小模型时发生模型穿模或贴图消失的情况，非常契合黄金地下矿山随着采矿工作的进行时刻发生变化的实际情况。
34.井下主要巷道的位置是根据矿井的总体设计决定的，但在施工过程中需要根据实
际情况作必要的修改，采区巷道更需要根据已有巷道和地质变化情况逐步做出修正，因此中心线通常有设计时的巷道中心线和开采实际过程中的巷道中心线。
35.三维仿真过程中，当人员定位中心线比较复杂时，将所有的巷道中心线全部作为人员定位中心线，网络解算会失败。本方法进行人员定位网络解算时，将开采实际过程中的巷道中心线（巷道截面中心点连成的线）作为保留中心线，删除设计时的巷道中心线，所述开采实际过程中的巷道中心线根据矿山开采过程中的已有巷道和地质变化情况实时修正，保证生成的巷道是唯一准确的，以此为基础确定的人员定位中心线也是唯一确定的（因为地下矿人员散布位置必然取决于巷道位置），使得黄金地下矿山的人员定位网络解算成功。
36.步骤四：完善黄金地下矿山三维仿真的ui界面及交互功能，让使用者能更直观、自由地感受开采工艺。
37.支持人机互动，操作人员可通过ui界面交互、手势交互，实现仿真的人机互动；支持定制化的操作，可根据需要编辑参数，完成个性化的仿真构建，更具灵活性，可通过三维交互配合图文、语音讲解介绍设备和工艺流程的作业顺序及作用。
38.进一步地，本方法还包括按特定工艺流程进行剧本制作，具体方法如下：采用ide编程（主要为microsoft visual studio）编辑剧本制作任务脚本，新建行动类型，所述行动类型包括播放、暂停、前进、后退和倍速播放；对输出的音视频进行基于内容的编码（参数是模型的形状、纹理和运动），将编码后的音视频进行序列化，序列化以后的音视频内容以字节的形式存储到磁盘的文件上，播放时实际为播放解码后的序列字节流；对视频播放器添加多个线程（多个线程即多个“连续控制流程”），播放前相应的播放线程处于线程就绪队列，等待系统分配cpu；系统选定按剧本时间顺序执行待播放的线程后，被选定的线程从就绪状态进入执行状态，该动作称为“cpu调度”，播放完成后相应的线程进行释放。
39.传统剧本制作不能选择editor和simulatorcegui模式，剧本播放时，点暂停按钮，剧本停止播放，再点播放，剧本从头开始播放，即不支持剧本的“随点随放”。本方法通过文件的序列化与播放器的线程化相配合实现了剧本的“随点随放”。
40.本方法利用三维gis、虚拟现实vr等技术手段将矿山地上地下场景、矿床地质体、井巷工程、采矿、选矿、尾矿处理生产工艺过程及其引起的相关现象进行三维数字化建模，实现了对矿山生产环境、生产状况、安全监测、人员和设备状态的实时高仿真显示。