立井井筒裝備關鍵構件參數建模及自動裝配技術的研究與實現

鄒元春，盧新明，李金龍，張善兵

(1.山東科技大學 計算機科學與工程學院，山東 青島 266510；2.山東藍光軟件有限公司，山東 泰安 271000；3.寧夏煤礦設計研究院有限責任公司，甘肅 銀川 750000)

1 概 述

隨著計算機應用的深入開展，諸如AutoCAD、Easy Map、Map Info和Map GIS等軟件在采礦設計領域得到了廣泛的應用，使廣大工程設計人員擺脫了簡單工具的束縛，實現了快速、高效、精確、美觀地繪制工程圖的愿景。文獻[1-3]介紹了AutoCAD在采礦設計中的應用。但是隨著設計理念和設計工具的不斷進步，用AutoCAD之類的二維繪圖軟件進行繪圖，而后通過人工統計計算，再通過Office軟件編輯設計文檔，已無法滿足目前設計人員的設計要求。老的設計方法結果不能自動可視化，更不能進行分析模擬和仿真，很難檢驗其正確性和科學性，設計效率低，設計結果不能滿足未來智慧礦山建設的需要。立井井筒裝備施工圖具有設計難度大、設計周期長、出圖量大(幾十張到一百多張自然圖紙)、工程量統計易出錯、構件精細化程度高等諸多難點，是煤礦施工圖設計中最復雜、工作量最大的施工圖。

近年來，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)在建筑行業實現了快速迅猛的發展。文獻[4]介紹了BIM技術在實際工程應用中的價值。BIM技術實現了設計的信息化和三維可視化，使用戶可以定期進行碰撞檢測，及時修改設計錯誤，實時的檢查綜合設計成果。BIM技術同時也已在其他行業得到推廣，例如文獻[5]介紹了BIM技術在水利工程三維設計中的設計應用。借鑒學者研究成果，本文嘗試將BIM的理念帶入到井筒裝備三維設計中，并取得了良好的效果。井筒裝備三維設計實現起來要比傳統的BIM理念更加復雜，需要融合參數化設計、采礦設計及三維可視化裝配技術。文獻[6]對礦山井巷工程數據的特征進行了分析，抽象出井巷工程二三維數據結構及建模方法，從巷道測量數據建立三維巷道模型，提供了井筒參數化建模的思路。參數化還必須能體現三維模型的空間拓撲關系，文獻[7]對三維地學空間模型建模問題進行了探討。煤層三維地質建模一直是計算機地質圖形學研究的熱點，體現了地質建模的前沿技術，對井筒三維建模具有相當大的指導意義。文獻[8]詳細介紹了煤層建模技術。建模完畢后，還需要考慮三維模型的可視化。文獻[9-11]通過理論結合實際應用介紹了如何有效地將三維可視化技術應用在礦山開采的輔助設計中，提出了在礦山行業構建礦山三維參數化輔助設計支持系統的構想。

綜上所述，井筒裝備設計需要綜合利用數字化技術，建設數字化對象，同時這個對象必須是包含工程屬性的，系統也需要滿足一定的開放性，并且能夠實現裝備模型等的及時更新。本文主要介紹了立井井筒裝備中關鍵構件建模算法及構件之間的自動裝配算法。

2 井筒裝備建模的數據組織及建模流程

2.1 井筒裝備建模的數據結構

2.1.1 井筒整體設計構架

井筒設計是由多個不同深度的設計斷面組成。不同斷面上的有許多相同的裝備，例如容器和罐道。因此，根據井筒裝備特點，可將井筒設計分為三級構件構架，即第一級為井筒斷面，第二級為容器、橫梁、罐道、梯子間、管路，將二級構件再細化為第三級構件。在進行參數化設計時只需要設計好標準段井筒斷面的裝備參數化，其他延伸的斷面自動把相同裝備的參數帶入，避免了參數的多次重復輸入。

2.1.2 單個裝備部件的數據結構設計

本文數據結構模型主要研究幾何對象的數據存儲、組織管理、處理方法等內容，主要包括井筒、容器、橫梁、罐道、梯子間、管路。

1)井筒：名稱、斷面直徑、支護厚度、層間距、出車方位角、井口經緯度、井口標高、斷面深度。

2)容器：名稱、類型、型號、尺寸參數、排放方式、中心距離。

3)橫梁：名稱、類型、型號、尺寸參數、材料參數、焊接板參數、密封板參數。

4)罐道：名稱、類型、型號、尺寸參數、材料參數、罐道安裝間隙、焊接板參數、密封板參數。

5)梯子間：名稱、類型、布置形式、起始深度、梯子架參數、梯子平臺參數、柵欄參數、梯子小梁參數、連接通用標準件參數、卡板卡子參數、托掛鉤參數、大小梁連接件參數。

6)管路：名稱、類型、型號、外徑、厚度、起始點、重量、卡間距以及管梁間距。

2.1.3 構件關聯關系設計

井筒中裝備之間存在復雜的關聯關系，如罐道與罐道梁、罐道與托架、罐道梁與托架等。通過分析，建立連接關系數據結構模型，主要包括梁與井壁、梁與梁、罐道與井壁、罐道與梁、梯子間與梯子大梁、梁與管路、梁與電纜、電纜與井壁等的連接關系。

2.2 井筒裝備建模流程

在立井井筒裝備建模過程中，單元構件建模完畢后，需要首先利用自動集成裝配技術組成標準段的井筒斷面，然后根據其他井筒斷面的特殊需求建立各自井筒斷面的模型，最終根據各井筒斷面分布范圍進行井筒的系統整體裝配。具體井筒裝備三維建模流程如圖1所示。

圖1 井筒裝備三維建模流程

3 井筒裝備關鍵構件參數驅動建模

井筒裝備建模中橫梁、罐道、梯子間為關鍵構件，設計參數較為復雜。下面分別介紹三種關鍵構件的參數驅動建模算法。

3.1 罐道

罐道是提升容器運行的導軌，是現行立井井筒的基礎必備組成構件，其截面參數及空間位置主要由對應容器決定。一條罐道是由多段不同罐道段組成。罐道不分井筒斷面，所以配置一次就可以。參數建模算法如下：

1)確定罐道的縱向安裝位置。為了保證容器的平穩運行，同一容器的不同罐道連接段安裝位置分布是不能在同一層位的，需要錯開布置。罐道安裝位置參數包括起始深度、終止深度及首層深度。

2)配置罐道的截面屬性參數。屬性參數包括罐道的截面類型(一般為矩形)、鋼材尺寸型號及材料屬性。

3)配置罐道焊接板參數。罐道的兩端及中部都會有焊接板用來形成罐道與罐道梁的連接。其主要包括鋼板材質、寬度、孔邊距及孔半徑參數。

4)配置罐道端頭參數。整體罐道的兩頭罐道段頭需要進行特殊收縮設計方便容器的過度。其主要包括鋼板寬度、高度、斜長、邊距及水平長度參數。

5)配置罐道安裝參數。罐道安裝時之間一般留有一定間隙。罐道也會超出端頭焊接板一定距離。

6)生成罐道部件表。根據井筒斷面層間距及配置好的罐道材質參數及安裝參數，生成罐道的部件一覽表。自動計算出整條罐道各段的長度及安裝層位。

7)生成罐道整體三維模型。模型是由各段罐道模型組成。

3.2 橫梁

井筒中的橫梁可分為罐道梁和大梁。罐道梁為立井作業過程中，為固定剛性罐道，沿立井井筒縱向每隔一定距離安設的橫梁。大梁有梯子大梁和管路大梁。建模算法如下：

1)配置橫梁的距中安裝距離。橫梁與罐道不同，位置較為靈活，罐道位置由容器位置決定，所以不用單獨設置。

2)配置橫梁的截面屬性參數。屬性參數包括橫梁的截面類型(一般為矩形、工字鋼)、鋼材尺寸型號及材料屬性。

3)配置橫梁焊接板參數。橫梁的焊接板用來與罐道連接。其主要包括鋼板材質、寬度、孔邊距及孔半徑參數。

4)如果橫梁截面為矩形鋼，則為了防腐有時候需要在兩端焊接一個密板，保證橫梁內部的密封性。密板主要包括厚度、寬度、高度及四角角度參數。如果是工字鋼，則不需要此步設置。

5)配置橫梁的安裝層位。梁的安裝位置參數主要由初始深度、終止深度及層間距決定。

6)自動配置橫梁螺栓安裝孔位置。根據罐道、梯子間、管路的安裝位置，自動計算螺栓孔的安裝位置。

7)生成橫梁三維模型。根據配置好的橫梁截面參數、焊接板參數、密板參數、螺栓孔參數生成單根橫梁的三維模型。

3.3 梯子間

梯子間的參數結構最為復雜，作為二級構件其下屬的三級構件還包括梯子架、梯子平臺、柵欄、梯子小梁、連接通用標準件、卡板卡子、托掛鉤、大小梁連接件等，總計280多個參數。參數建模算法如下：

1)配置梯子間空間位置參數。梯子間依附于梯子大梁。所以，需要選擇梯子間連接大梁對象。然后，配置梯子間距離井筒中心線的距離(如果梯子大梁垂直放置，梯子間距離井筒豎向中心線距離；如果梯子大梁是水平放置，則為水平中心線距離)、平臺長度和寬度。

2)配置梯子間類型(玻璃鋼、金屬)及布置形式(順向、交錯)。

3)配置梯子間類型安裝位置。梯子間一般分為三種類型，即首層、標準段層及底端末層。位置不同構件的參數也有所區別。

4)配置梯子間三級構件(梯子架、梯子平臺、柵欄、梯子小梁、通用標準件、卡板卡子、托掛鉤及大小梁連接件)參數。

5)根據每種梯子間類型參數，生成單層的梯子間模型。

6)根據各種梯子間模型，疊加生成組合梯子間模型。用來測試不同類型梯子間連接是否匹配。

3.4 管路

常用的管路形式有供排水管、消防灑水管以及壓供風管等。管路一般是通過卡纜固定在卡管梁上，也有固定在井壁上的情況。參數建模算法如下：

1)配置管路空間位置參數。選擇管路的依附連接對象。如果管路依附在卡管梁上則在選擇連接對象后再配置管路的中心線距離。如果管路依附在井壁，則配置管路相對于井筒水平中心線的逆時針安裝角度。

2)配置管路的截面屬性參數。

3)配置管路連接件參數。

4)生成管路三維模型。

3.5 線纜

通過分析設計了一套線纜井壁常用安裝建模方法，具體方法如下：

1)配置電纜型號、半徑及根數。

2)設置電纜鉤參數。電纜鉤主要由木夾、角鋼、鋼板、墊圈、方墊圈、螺母及螺栓組成。每一部分都需要配置對應的參數。

3)生成線纜三維模型。線纜獨立模型生成后，在后面的自動裝配時，就可以根據線纜尺寸及位置拓撲關系自動裝配在井壁上。

4 井筒自動裝配技術

在BIM建模過程中，如果模型構件尺寸發生變化常常引起周圍構件的重疊或是相離，需要人工干預。文獻[13]在分析裝配設計和層次化單元任務模型的基礎上，建立了支持裝配設計的面向對象的層次化單元裝配模型。文獻[14]介紹了裝配圖和零件尺寸其中任何一方修改另一方都會自動改變，實現了零部件參數化和裝配設計參數化的統一自動設計。文獻[15，16]各自對裝配尺寸鏈進行了研究，提出了不同的三維裝配尺寸鏈自動生成方法。本文研究了井筒裝備模型裝配設計中的功能結構的表示以及裝配單元的自適應策略，設計了一套井筒自動裝配技術，大大提高了井筒裝配的效率及準確度。

4.1 井筒斷面多參數綜合優化

根據初步布置的井筒裝備，依據相關安全間隙設計規范對裝備進行合理擺放，然后進行凸包計算和最小包圍圓計算，最終得到最優的井筒直徑及裝備斷面位置參數。當手動調整裝備空間位置后，系統能自動分析調整井筒直徑參數。

4.2 井筒裝備自適應裝配設計模式

以計算出的最優布置方式為基礎，根據實際需要可以手動添加調整管路、電纜、大梁、梯子間等裝備尺寸，設置裝備基本參數，系統可以初步自動計算相應的托架等的連接部件型號及安裝參數。用一套參數，生成施工圖和三維模型的過程中，避免了裝備構件缺失風險。按照對象特征以及對象的關聯關系和驅動(幾何和約束驅動)關系，也有效地避免了干涉及碰撞檢測，從而保證了井筒裝備的安全運行。

參數修改時，根據關聯關系及約束可自動求解；生成設計說明，可減輕人工工作量，也避免了二次算量、翻模。

4.3 二維圖紙及三維模型的數據存儲格式

在對井筒斷面進行設計自動裝配的同時，可以隨時查看當前設計情況的二維施工圖和三維設計效果是否合理，對斷面布置做出及時調整，也可以在最后進行整體的效果展示圖，最后輸出設計文檔。

二維圖紙是以山東藍光軟件有限公司開發的NET圖形格式進行存儲，關鍵圖形包括點，直線，圓，矩形，圓弧，橢圓弧，多段線，多重線，多義線，填充區域(剖面)，標注，標高點，設備，線路等。NET圖形格式可以與dwg、dxf、dwt等文件格式進行有效轉換。

三維模型是以山東藍光軟件有限公司開發的3DT圖形格式進行存儲，關鍵圖形包括點，面，文本，線，紋理，層，體等。3DT圖形格式是文本結構文件，方便打開及編輯，可以實現與3DS、OBJ等主流3D模型格式的互通，具有很強的數據通用性。

5 應用實例

陜西山陽礦井主立井設計生產能力為15.0Mt/a，設計礦井年工作日為330d，日凈提升時間18h。礦井采用立井開拓。主立井井口標高+1277.3m，井底標高+585.0m，井筒垂深692.3m，凈直徑9.6m。裝備兩對名義載重50t箕斗，配套裝備直徑?5m，6繩摩擦提升機2臺，用于礦井主提升，兼礦井進風任務。

首先根據基本設計方案配置設計前提數據，選取箕斗數量為4，計算得到符合條件的一次提升量等參數。然后通過一系列詳細設計得到立井井筒布置效果圖。在詳細設計過程中以及確定最終設計后，可以生成井筒斷面(如圖2所示)及井筒設備部件(以梯子間為代表，如圖3所示)的三維施工圖。

圖2 主立井井筒裝備三維模型展示圖

圖3 梯子間三維施工圖

6 結 語

通過對煤礦立井井筒裝備三維設計的關鍵技術研究，綜合利用數字化技術，建設數字化對象，定制了滿足立井井筒裝備三維建模需求設計流程，建立了井筒整體架構模型、井筒裝備數據結構。參數配置完畢后自動裝配并通過三維基礎平臺進行三維展示，快捷方便地自動生成設計文檔、二維施工圖、三維模型效果圖，設計成果更加直觀，設計效率更加高效，實現煤礦立井井筒裝備設計的規范化、流程化、自動化和智能化。不僅能大幅度提高設計效率和設計質量，間接減少設計錯誤及設計變更，還能改進設計單位的工作方式，是一次很有意義的嘗試。

在下一步的工作中，將繼續總結井筒裝備設計方法，擴展現有構件建模及自動裝配方法，進一步提高方法的通用性。同時，也針對其他部位裝備(地面穩罐以及井底水窩、馬頭門、清理硐室、裝載硐室等井底下部裝備)的裝配技術方案及應用進行更加全面深入的研究與實現。