關(guān)于煤礦巷道繪圖軟件系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

洪玉玲

（煤科集團沈陽研究院有限公司，煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室 遼寧省撫順市 113122）

煤礦巷道繪圖軟件系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用對完善中國數(shù)字化礦山工程系統(tǒng)具有重要意義，礦山工程的信息化建設(shè)在煤礦巷道繪圖軟件系統(tǒng)的應(yīng)用下可以提高傳統(tǒng)煤礦巷道繪圖的效率。傳統(tǒng)的繪制和更新采用雙線煤礦巷道底圖在AutoCAD 上繪制，煤礦巷道的圖件繪制往往復(fù)雜重復(fù)，在使用拓撲關(guān)系處理了煤礦巷道繪制的底板高程計算拓撲構(gòu)型后，如果遇到了測量或者繪圖的錯誤，很難在原有煤礦巷道圖件中修改更新。因此，有了基于單線繪圖代替手工巷道構(gòu)型的模式，這樣就能既忽略繁瑣困難的幾何拓撲的架構(gòu)邏輯要求，也能夠自動生成單線的煤礦巷道，但是這樣的單線繪圖雖然在繪制速度上有了跨越式提升，但簡化后的可視性大幅下降，煤礦巷道內(nèi)應(yīng)有的標志物信息集體消失，對實際井巷工程推演、煤礦巷道內(nèi)災(zāi)害預(yù)警等實際運用意義不大。

1 煤礦巷道構(gòu)建方法

首先要獲取煤礦巷道的中心線，煤礦巷道中心線是煤礦巷道繪圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，延中心線可根據(jù)實測導(dǎo)線自動計算或井下的記錄資料進行手動繪制。需進一步明確中心線的空間坐標、巷道設(shè)計高程、墻高、邊線數(shù)據(jù)索引等一切煤礦巷道中心線所需要的數(shù)據(jù)。其次可開展煤礦巷道的雙邊線計算，需要在建成煤礦巷道中心線后才能開始，如果采集到巷道內(nèi)邊線的空間位置坐標，那么煤礦巷道繪圖軟件就可以隨即根據(jù)邊線的數(shù)據(jù)煤礦巷道的中心線自動計算。最后是煤礦巷道的二維構(gòu)建，煤礦巷道繪圖一定要以真實的井巷工程為根基，二維圖像需要依照實際井巷工程需要，可以針對巷道流通類型設(shè)計諸如三心拱、半圓拱、錨網(wǎng)支護等斷面圖。

2 多線程標記解析算法的原理

2.1 數(shù)據(jù)準備

根據(jù)上述煤礦巷道構(gòu)建方法：

準備礦山控制巷道延伸的重要測量數(shù)據(jù)，導(dǎo)線點的測量是道比較復(fù)雜的工序，常常會受到井巷工程測量條件和人為測量誤差的干擾，出現(xiàn)測量布點無法沿中線或者鉛錘基線布置的情況，導(dǎo)致導(dǎo)線點的測量有所偏差。針對導(dǎo)線點布點位置經(jīng)常凌亂散布于煤礦巷道空間的問題，只能退而求其次采取手工制煤礦巷道圖的方式，制圖員要自行對導(dǎo)線點坐標位置到各邊界節(jié)點的坐標進行手工計算，在精準的計算邏輯和精確的煤礦巷道數(shù)據(jù)的支持下才能較為準確的繪制煤礦巷道的雙邊線。機械制圖時，拓撲推斷不能夠直接應(yīng)用在導(dǎo)線點坐標位置到各邊界節(jié)點的坐標計算上，因為需要進一步的導(dǎo)線點信息，為此文中提出了巷道中線歸一化法，為滿足機械制圖拓撲推斷要求，將各導(dǎo)線點向中線做歸一化處理。如圖1，當選取C 點為機械制圖中的空間導(dǎo)線點時，CD 做X-Y 平面向量投射，與C 點建立坐標系，分別代入式（1）～式（2）即可獲得B、A、O 坐標。

式（1）中：

a——導(dǎo)線點在X 軸上的坐標；

b——導(dǎo)線點在Y 軸上的坐標；

α——做X-Y 平面向量投射的CD 與Y 軸夾角；

l——長度；

Ll——巷道左邊距，圖1 中對應(yīng)BC；

Lr——巷道右邊距，圖1 中對應(yīng)CA。

2.2 拓撲類型推斷及標記

煤礦巷道的雙邊線計算由巷道中線歸一化法完成后，其2 維圖拓撲類型可歸納為4 種類型，但在這不同的圖撲類型也有著一定的共通之處，其煤礦巷道中心線都存在交點，而且不同類型的拓撲類型其煤礦巷道中心線的相交點也有所不同，如交點G 為偽交點的就會使2 煤礦巷道存在高程差，而其他以O(shè)、Mor C、M 為交點的則不存在這種現(xiàn)象，均為實交點。對比O 點分布線段的端點交匯處也各有差異，M 點在拓撲類型分布圖中以MN 為端點，而MorC 點分布于MN ∩BC 公共端點。

本文采取線段矢量矩陣求交算法求得拓撲多節(jié)點中線求交數(shù)據(jù)，因此需要在計算中考慮到段矢量矩陣求交的性能消耗。若要判斷給出煤礦巷道繪制圖矢量矩陣中的拓撲類型標記，則可以求矢量間的運算數(shù)據(jù)，需要遵循2 相交向量原則，也就是相交的量中的其中一條從投影起止點兩端即使在無限延伸的情況下都不能和另一條向量線段投影形成重合在一個點上，否則應(yīng)與另一條向量線段投影重疊，以式判斷相交關(guān)系。

式中：

（x1，y1）、（x2，y2）——向量mrp的起止點位置坐標；

（xa，yb）、（xc，yd）——向量mqk起止點位置坐標中的任意一點坐標。

利用上述第二個公式可分別計算出Sab和Scd分項結(jié)果，檢驗交點后，若線段cd 端點分別位于線段ab 兩側(cè)或存在O、Mor C、M、G 的公共交點時，即認為該線段存在交點。拓撲類型推斷的向量矩陣變換及類型推斷方法要注意以下要求：

（1）必須采用與之相配的運算符重載技術(shù)；

（2）需要設(shè)置緩沖容器的，其定義M 矢量矩陣變換法應(yīng)該對參與過計算的mab提出冗余求交現(xiàn)象，保證算量準確；

（3）規(guī)定mab下角標的，a 可同時不參與求交運算；

（4）最終輸出結(jié)果應(yīng)包含一個標識位矩陣。

2.3 分類型圖形裁剪

圖1：巷道中線歸一化法幾何計算

裁剪位置計算法需要對雙線煤礦巷道的兩幫進行裁剪，基于巷道中線歸一化法的雙邊線計算有4 種拓撲類型及演化的4 類處理效果，采用裁剪位置計算法可以實現(xiàn)煤礦巷道繪制的自動化。根據(jù)煤礦巷道拓撲類型的不同，可以歸納為3 種煤礦巷道圖形裁剪結(jié)構(gòu)。確定煤礦巷道圖形裁剪位置主要是根據(jù)3 種煤礦巷道圖形裁剪結(jié)構(gòu)虛線部分頂端坐標位置計算的，為實現(xiàn)計算需要在矢量矩陣中獲得拓撲位置的煤礦巷道編號及相關(guān)數(shù)據(jù)，要在計算并取得煤礦巷道圖形裁剪的交點位置坐標后，提取煤礦巷道屬性信息。

綜上述信息可知，煤礦巷道拓撲裁剪位置計算是通過計算二維煤礦巷道平行四邊邊長角度及中心點坐標取得的，煤礦巷道繪圖軟件系統(tǒng)需要自動獲取這些必要信息，才能實現(xiàn)上述問題的模塊化計算單元，逐個計算待裁剪的結(jié)構(gòu)位置坐標。

2.4 殘缺巷道邊線修補

本文殘缺巷道邊線修補體系分類型圖形裁剪中需要運用的坐標位置，在其基礎(chǔ)上反算模塊進行織補作業(yè)，井巷工程中需要縫補的巷道邊線殘缺位置以及需要增加的縫補線段差距的數(shù)據(jù)就能簡單獲取。

2.5 多線程解析計算

本文采用的多線程標記解析算法旨在減輕傳統(tǒng)手工煤礦巷道繪圖工程量、提高自動化制圖效率，使人們從傳統(tǒng)的大量煤礦巷道信息數(shù)據(jù)中解脫。為此，多線程標記解析算法雖然較為理想的替代了傳統(tǒng)實體碰撞求交算法中性能消耗的問題，但面對繁雜的煤礦巷道模型和大規(guī)模的節(jié)點數(shù)據(jù)時，普通繪圖平臺的計算壓力可能應(yīng)付不及，為充分發(fā)揮多線程標記解析算法的計算優(yōu)勢，利用好現(xiàn)代計算機多核多線程的計算技術(shù)，多線程標記解析算法從線程池中維護工作線程部分業(yè)務(wù)的邏輯偽代碼實現(xiàn)流程如下：

表1：3 種測試平臺配置信息

3 仿真實驗

3.1 測試平臺

為表現(xiàn)煤礦巷道繪圖軟件系統(tǒng)在不同性能下提升的效果，本次基于導(dǎo)線點判斷煤礦巷道拓撲關(guān)系的多線程標記解析算法應(yīng)用實驗設(shè)計了3 組測試平臺，不同測試平臺的機器配置如表1 所示。采取橫向?qū)Ρ确ㄩ_展基于導(dǎo)線點判斷煤礦巷道拓撲關(guān)系的多線程標記解析算法應(yīng)用實驗，在AutoCAD 平臺上分別用多線程標記解析算法和AutoCAD SDK 中提供的實體碰撞求交算法制作了2 套不同算法下的自動煤礦巷道繪圖軟件，以國內(nèi)某井巷工程三采區(qū)內(nèi)的308 條煤礦巷道作為基于導(dǎo)線點判斷煤礦巷道拓撲關(guān)系的多線程標記解析算法應(yīng)用實驗的研究對象。

3.2 測試結(jié)果

CPU 類型為I5 6600K、I5 3380M、I7 6700 的PC 機應(yīng)用多線程標記解析算法和AutoCAD SDK 中提供的實體碰撞求交算法的執(zhí)行效率分別為39s、64s、17s 和49s、74s、56s。

應(yīng)用多線程標記解析算法后，相同性能的PC 機相較于運用傳統(tǒng)實體碰撞求交算法的計算執(zhí)行效率有大幅提升，除了處理器類型為I7 6700 外的PC 機，另兩種配置的核心平均占用率也明顯提高。非多線程的AutoCAD 系統(tǒng)上運用多線程標記解析算法從實質(zhì)說上依舊可以將其作為以單線程執(zhí)行為主的算法，即使對于處理器類型為I5 6600K 來說，采用傳統(tǒng)算法后單核心平均執(zhí)行效率都不會超過四分之一，但采取多線程標記解析算法后，I5 6600K 的4 個核心執(zhí)行效率增進到70%～80%，充分調(diào)用各核心資源，這樣的煤礦巷道繪圖軟件系統(tǒng)大大提高了執(zhí)行效率。盡管在3 種測試平臺配置信息給出了3 組不同的商用及高端民用顯示卡信息，但在兩種不同算法下煤礦巷道繪圖軟件系統(tǒng)應(yīng)用的性能測試結(jié)果對比中暫未能發(fā)現(xiàn)各級別顯卡頻率對執(zhí)行效率的顯著影響，采用煤礦巷道繪圖軟件系統(tǒng)和實體碰撞求交算法處理煤礦巷道圖示拓撲關(guān)系雖然對PC 機的處理器性能要求高，考慮到基于導(dǎo)線點判斷煤礦巷道拓撲關(guān)系的多線程標記解析算法應(yīng)用實驗未引入CUDA 技術(shù)，因此級別顯卡頻率性能未對實驗最終數(shù)據(jù)產(chǎn)生關(guān)鍵性影響。

4 結(jié)論

井巷工程圖件繪制在使用拓撲關(guān)系處理了煤礦巷道繪制的底板高程計算拓撲構(gòu)型后，傳統(tǒng)實體碰撞求交算法如果遇到了測量或者繪圖的錯誤，很難在原有煤礦巷道圖件中修改更新，多線程標記解析算法有著分類型圖形裁剪和殘缺巷道邊線修補2 種功能，特別針對煤礦巷道的圖件的更新修改，可以做到自動查詢需要織補的巷道邊線錯誤。多線程標記解析算法對煤礦巷道繪圖軟件系統(tǒng)的架構(gòu)業(yè)務(wù)邏輯要求較為嚴格，但由于該算法有著普適性強、實現(xiàn)簡便、資源開銷小的特性，在密集2 維圖形計算和快速生成煤礦巷道圖形方面有著獨特的優(yōu)勢，在進一步提高煤礦巷道圖拓撲關(guān)系處理效率，提升實體碰撞計算精確程度的同時，也使人們從傳統(tǒng)的大量煤礦巷道信息數(shù)據(jù)中解脫，為煤礦行業(yè)的設(shè)計決策提供了基于導(dǎo)線點判斷煤礦巷道拓撲關(guān)系的可視化支持。在隨后的基于導(dǎo)線點判斷煤礦巷道拓撲關(guān)系的多線程標記解析算法應(yīng)用實驗中，基于實體碰撞求交算法的煤礦巷道繪圖軟件系統(tǒng)雖然在多核多線的PC 機上運行，各核心的平均執(zhí)行效率不會超過核心資源的（100/n）%，而采用基于多線程標記解析算法的煤礦巷道繪圖軟件系統(tǒng)在多核多線的PC 機中表現(xiàn)出了高效的執(zhí)行效率，充分調(diào)動了主機資源，使得計算性能得到明顯的提升。傳統(tǒng)算法沒有考慮多線性計算模式，本質(zhì)上還是采用單頻計算，采取平均執(zhí)行效率計算自然數(shù)據(jù)不高，多線程標記解析算法如果在主頻較高的有著4 核8 線程的I7 6700 平臺上運行時，計算效率還是有顯著提升的。所選3 種機型都是多核多線的，這樣的測試平臺選用使得主頻對計算效率的影響表現(xiàn)力不夠明顯，但依舊可以確定線程數(shù)量對執(zhí)行結(jié)果有一定影響。