基于Dynamo的矿井巷道参数化建模

1、基于DynamO勺矿井巷道参数化建模地下矿山的三维建模、可视化表达以及基于此的空间分析是提高地下矿山现代化管理水平的重要手段，计算机技术、计算机图形学以及可视化技术的迅猛发展为实现矿山三维建模的跨越式发展提供了良好的空间近年来，许多学者从不同角度对矿井巷道三维建模进行了大量研究，如刘杰等提出一种基于近景摄影测量技术的地下巷道三维建模方法来构建拍摄目标的三维模型当前，建筑信息模型(BuildingInformationModeling,BIM)技术发展势头迅猛，为井巷工程的三维建模与可视化漫游提供了新的技术支撑1Dynamo可视化编程Dynamo1描述为一种可视化的编程工具，旨在使用户能够直观地

2、编写行为脚本，定义自定义逻辑片段并使用文本编程语言来进行模型的构建。Dynamo的可视化编程语言，针对某个建模步骤会在工作空间中连接一些功能节点来设置一套结构清晰的程序流(算法)，通过输入、处理和输出的基本逻辑解决问题针对矿井巷道的三维建模，Dynamo能够实现数据的批量处理、巷道中心线构建、巷道断面创建、快速放置巷道段等功能，从而实现巷道的快速精准建模。另外，Dynamo勺参数化建模思想，不仅能够完成模型的快速搭建，更可对已建成模型通过进行参数修改来实现模型的复用，从而能大大节约建模成本，提高建模效率。2巷道三维建模技术路线目前，巷道三维模型的构建方法主要有两种思路基于参数化建模的思想，Dy

3、nam。能够快速完成巷道中心线和巷道断面参数族的构建。因此，本研究在第一种思路的基础上做出改进，提出基于Dynamo勺巷道参数化建模方法，并将巷道段分为断面形状发生变化和不发生变化两类，采用不同的方式进行建模。利用Dynamo对巷道进行参数化设计的流程如图2所示。3Dynamo巷道参数化建模方法作为矿山地下开采的主要通路以及地下运矿、通风、排水等行为的主要发生场所，地下巷道的设计施工是矿山建设工程中的重点，其工程质量的优劣情况会对井下作业环境和生产效率产生直接影响，从巷道工程生命周期的初始阶段就应该从整体上把握地下巷道的空间结构与布局。本研究利用Dynamo工作流快速建模、自定义形体族、Pyt

4、honScript创建族等方法，对矿井巷道三维模型进行快速创建以及对已建成模型的参数驱动。3.1 巷道中心线构建矿井巷道在水平方向上投影的几何中线称为巷道中心线，中心线之间相互连接构成的巷道网络决定了巷道在井下的空间位置以及巷道间的拓扑关系。在Dynam。中构建巷道中心线时，主要利用PolyCurve和NurbsCurve节点。通过将录入的起始导线点坐标相连，形成表征巷道走向的线模型。具体步骤如下：3.1.1 中心线数据导入需要借助CAD将DW改件中的巷道中心线控制点坐标依次导出到Excel。然后利用Dynamo中的Data.ImportExcel节点将Excel中的数据导入到Dynamo中，

5、接着利用第1节中图1自定义数据坐标读取节点对数据进行识别获取。3.1.2 中心线的生成Dynamo中有多种生成曲线白方法，而利用PolyCurve和NurbsCurve节点去构建曲线是其中两种较为常见的方法。PolyCurve是通常所说的多段线曲线，根据输入点的顺序依次将导线点连接起来形成曲线。NurbsCurve则是通过在各控制点之间插值的方法创建的样条曲线。在Dynamo中生成巷道中心线时，长直巷道常选择PolyCurve节点，对巷道拐角处的圆滑处理则会选用NurbsCurve节点。同时，由于巷道实际导线坐标的数值一般较大，而Dynamo中模型单位的数量级较小，实验时会通过使用相对坐标的方

6、式对巷道模型进行等比例缩小。一般会将模型的坐标原点设置在图形的中心位置，而建模时使用的导线点坐标都是先基于此坐标原点建立坐标系，然后经过计算处理后形成的相对坐标。因此，构建巷道中心线时首先需要让实际坐标变成数值相对较小的相对坐标。接着用读取的坐标创建点，并将点放到多段线或样条曲线节点中，这样就完成了巷道中心线的构建（如图3所示）。此后的断面建模中，进行断面坐标点的相关计算时都需要以该中心线上的导线点为基准。3.2 断面参数族构建从与中心线的位置关系来看，巷道断面是指垂直于巷道中心线的巷道横断面。作为巷道三维模型的基础元参数，断面建模是巷道模型设计的基础和关键。巷道的空间形态在巷道断面形式的影响

7、下，其形状、宽度、高度会呈现出差异。对于一个标准化的矿山，井下巷道的断面通常有圆形、梯形、半圆拱形等，可以在二维平面内进行设计。巷道断面参数族，即利用Dynam肝台中的PythonScript节点为巷道断面模型构建出的一个自定义节点，根据在实际工作中的几类常见断面形状设计构成。在设计时若遇到形状不规则断面，也可以利用自定义节点创建新的构模设置，并将其添加到参数族中，从而减少今后建模中的重复工作。针对巷道断面形状尺寸的变化，应用断面参数族思想对其进行建模设计，只需提取相应断面模型并输入对应参数即可完成巷道断面的建模。为适应各种类型断面的自动化建模要求，本文采用经典的三元组（即r,w,h三个参数）

8、表示不同断面形状，由于半圆拱形在实际中被广泛应用，所以本文以半圆拱形为例，构建断面参数族的具体步骤如下：3.2.1 巷道断面点细化为使断面模型更接近真实巷道断面，对巷道断面点进行细化处理。如图4所示，参考面为式中，3.2.2 PythonScript脚本编写Dynamof乍为一种编程软件，仅仅依赖于Dynamo的内置节点去解决全部的建模问题是存在一定局限性的。因此，应重视其与编程语言的结合应用。Dynam。插件中选择的是Python语言，应用其具备的多样化功能使它具有能够大范围普及和应用的自身优越性。凭借Python的这些特征和优势，将Dynamo与Python相结合去实现参数化设计过程中的特

9、定功能具备一定的合理性。在计算出巷道断面的细化点坐标后，在Dynamo平台中的PythonScript节点中进行编辑PythonScript是Dynamo系统内部的节点，能够扩展输入接口的规模，通过点击节点能够跳转到代码编辑界面。借助于PythonScript节点的开放性，可完成对不同形状巷道断面参数族的创建。构建半圆拱形断面的代码流程如图5所示。3.3 巷道段模型生成在矿山体系中，使用最为普遍、分布广泛的巷道是一种简单直型巷道。然而在实际的井巷工程当中，为满足巷道的具体用途和使用时间、采用的支护方式、工程设备及通风等的需要，以及受到地质构造和施工要求不断改变的影响，巷道断面也会随之发生变化。

10、因此，本研究针对巷道断面是否发生变化分别采用两种不同的方式进行建模。3.3.1 单一断面巷道段建模单一断面巷道段即在掘进过程中断面没有发生形状变化的巷道段，只需在巷道的起始点插入巷道断面模型并沿中心线扫掠至终止点就能完成三维巷道的建立。其建模步骤为：(1)依据巷道中心线控制点的三维坐标值构建巷道中心线并提取巷道段起始点坐标。(2)根据3.2中巷道断面参数族的设计选定巷道断面形式及相关尺寸参数。(3)将巷道断面从起始点沿巷道中心线方向扫掠(BySwee©至终止点得到单一断面巷道段的三维模型。如图6所示，为半圆拱形断面类型巷道的可视化编程代码及建模效果。3.3.2 复合断面巷道段建模巷道

11、断面有时为满足工程需要或者由于周围岩层力学性质的变化而发生变化，这一类巷道称为断面发生变化的巷道或者复合断面巷道。复合断面形态多样，这里以较为常见的拱形梯形断面为例，其建模步骤为：(1)圆滑处理。由于断面发生变化的情况常出现在巷道的拐角处，因此首先需要对其作圆滑处理。在Dynamo中禾1J用NurbsCurve.ByControlPoints节点对巷道拐角处中心线进行圆滑处理，它是通过在拐角处中心线的控制点间作插值的方式实现。圆滑处理后与原始的转弯半径会存在些微差距，可通过增加实测导线点来拟合优化。(2)加载断面类型。经圆滑处理后，在巷道中心线起点处加载拱形巷道断面，在终点处加载梯形巷道断面。

12、(3)沿中心线放样。将两种不同类型的断面沿巷道中心线放样(ByLoft)得到巷道三维模型。如图7所示，为经过圆滑处理后的拐角处复合断面巷道段的可视化编程代码及建模效果。4巷道参数化模型的实现4.1 模型快速搭建在三维巷道模型生成算法的基础上，对某井巷工程进行三维模型的的构建。本研究以导线控制点三维坐标、断面参数及巷道位置信息为实验数据，通过一个实验案例建立巷道的三维参数化模型。其中导线控制点的相对坐标如表1所示，实验中考虑的是单位长度，在工程中可以根据实际测量时的数据值去进行坐标转换。利用上述数据，对模型进行快速搭建的步骤如下：(1)从CACa件中导出巷道中心线的坐标数据并存储在Excel表格

13、中;(2)在Dynamo中读取数据建立巷道中心线模型，即巷道的空间走向；(3)利用Dynamo中白PPythonScript节点构建巷道断面参族；(4)依据断面形状的变化情况将巷道段分为断面形状未变化的简单巷道段和断面形状变化的复杂巷道段，采用不同的方式建模：简单巷道段采取断面沿中心线方向扫掠的方式进行建模，而断面变化巷道段则是经过圆滑处理后，通过两变化断面间放样的方式进行建模;(5)将各巷道段放置到指定位置后最终实现矿井巷道的参数化建模。在Dynamo中事先按上述思路编写好程序流，导入巷道数据并运行程序，即可快速自动地完成巷道模型的创建，模型效果如图8所示。4.2 参数模型复用提高模型设计效

14、率，实现参数驱动模型以及模型的重复使用是参数化建模的主要目的与要求。在复杂的井巷工程中，如果对建模对象不能较好地实现参数化，那么同一类型的模型设计，只要形状或尺寸稍有不同，就需要立即重新建立一个模型构件，使得建模任务大量增加。利用Dynamo对巷道模型进行参数化设计，通过参数来控制巷道模型的几何形状和尺寸大小，可以实现模型的动态调整。如图9(a)所示为一个长度为10个单位长度、断面尺寸为2个单位长度的直壁拱形巷道，通过图中的巷道长度、断面尺寸两个节点对其进行参数调整(长度调整为15个单位长度、断面尺寸调整为1个单位长度)，即可完成对巷道模型设计的更改。如图9(b)所示，经过参数调整后，巷道模型

15、的形状和尺寸都得到了修改。将这类思想推广到整个巷道系统，利用参数驱动对巷道整体模型系统进行编辑，即可快速完成巷道模型系统的设计更改，从而有效提高巷道模型的复用性。4.3 结果分析上述实验基于Dynamo#数化建模的方法，实现了对矿井三维巷道模型的参数化构建以及参数对模型的驱动。通过分析可以看出Dynamo*巷道三维模型构建中的优势有：(1) Data.ImportExcel节点获取Excel相对坐标文件，通过自定义的坐标读取节点生成巷道中心线，流程简洁高效。(2)利用DynamoPythonScript节点，通过对节点进行脚本的编写完成对巷道断面参数族的创建，体现出Dynamo与编程语言结合创建模型的开放性。(3)只需导入坐标数据并设置好断面参数，便可自动化地将断面加载到相应的节点完成巷道模型的创建。建模过程直观且具有较强的逻辑性，特别适用于编程基础较弱的工程设计人员。(4)对于已完成创建的巷道三维模型，只需调整对应参数，Dynamo即可快速完成对模型设计的修改更新，可以大大降低设计人员的建模工作量，从而提升模型的标准化、规范