采矿CAD软件技术

1 《第 18 章 采矿 CAD 软件技术》（陈建宏，共 41 页，4万字） 第十八章 采矿 CAD 软件技术 ................................................................................................................ 2 18.1 采矿 CAD 技术发展 ................................................................................................................... 2 18.1.1 采矿 CAD 现状 .................................................................................................................... 2 18.1.2 采矿 CAD 问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 .................................................................................................................... 3 18.1.3 采矿 CAD 研究方法 ............................................................................................................ 3 18.2 可视化采矿 CAD 系统结构 ....................................................................................................... 5 18.2.1 采矿设计过程 .................................................................................................................... 6 18.2.2 采矿 CAD 技术特点 ............................................................................................................ 7 18.2.3 采矿 CAD 系统结构 ............................................................................................................ 8 18.2.4 采矿 CAD 图形核心系统 .................................................................................................. 10 18.3 采矿 CAD 系统基本图元集 ..................................................................................................... 12 18.3.1 矿山基本图元集构造 ...................................................................................................... 12 18.3.2 矿山基本图元描述 .......................................................................................................... 14 18.3.3 采矿 CAD 图元属性 ........................................................................................................... 18 18.3.4 采矿 CAD 图元数据模型 .................................................................................................. 22 18.4 采矿 CAD 专业图形运算算法 ................................................................................................. 26 18.4.1 矿山图形特征 ................................................................................................................... 26 18.4.2 多边形运算 ....................................................................................................................... 29 18.4.3 任意区域面积计算 ........................................................................................................... 37 18.4.4 界线的追踪与连接算法 ................................................................................................... 38 参考文献 ............................................................................................................................................ 41 2 第十八章 采矿 CAD 软件技术 18.1 采矿 CAD 技术发展 18.1.1 采矿 CAD 现状 市场需求是技术创新的原动力。二十世纪的一个重大变革是全球市场的统一，它使市场 竞争更加激烈，产品更新周期加快。在这种背景下，CAD 技术得到迅速普及和极大发展。海 湾战争结束当年，美国评出的二十世纪最具影响的十大技术中，CAD 便榜上有名。CAD 技术 从最初的工业设计领域已渗透到人们日常生活的每个角落，从机械、电子、航空、航天、兵 工、纺织、建筑、船舶、地质、采矿，一直到艺术、装潢、医疗、教学、旅游等，可以说无 数不包，以 CAD 技术为基础开发的各类商业专业软件已超过 10 万个，其中以工程设计领域 的 CAD 所占比例最大，发展和普及速度也最快，并且取得了显著的经济效益[1-5]。 随着 CAD 技术的普及应用，CAD 技术正向着开放、集成、智能和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化的方向发展。开 发性是决定一个系统能否真正达到实用化并转化为现实生产力的基础，这主要体现在系统的 工作平台、用户接口、应用开发环境及与其他系统的信息交换等方面。所谓集成就是向企业 提供一体化的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，通过集成能最大限度地实现企业信息共享，建立新的企业运行方式， 提高生产效率。标准化是我国 CAD 软件开发及技术应用与世界接轨的必由之路。作为 CAD 系统的支撑环境，开放的操作系统，如：WINDOWS、UNIX 将是今后 CAD 系统的主流；面向对 象的编程技术和数据库技术将为 CAD 系统的发展作出新贡献；系统的智能化结合专家系统、 知识工程，将各个领域的专家经验融合于 CAD 系统中，并开发出智能化用户界面，使之更为 广大工程设计人员所接受；系统的集成化是大势所趋，80 年代中期 CAD/CAM 技术的集成形 成了 CIMS 高科技系统。概括起来今后 CAD 系统将会在以下几方面发展[3，4]： 1. 几何造型技术由二维向三维发展。几何造型技术解决了如何将三维图形转化为数学模型 并存入数据库中的问题，三维造型方法主要有：线框模型、曲面造型和实体造型，三维 图形技术与数据库技术相结合对 CAD/CAM 系统的发展具有极其重要的意义。 2. 与图形学发展相关的硬件支持，如：高速图形图象处理技术、三维显示和输入设备等。 3. 集成化技术将继续得快速的发展，从单一行业领域内的业务性集成，向多行业集成发展， 如 CIMS 系统、工程设计建筑、水、电、暖一体化的集成。 4. 与 CAD 集成的工程数据库技术仍将继续发展，过去许多基于商用数据库开发的图形数据 库，效果并不理想。开发集成化专用数据库是今后的发展方向，它既能支持几何信息， 也能支持非几何数据，同时能够支持工程构件、零部件、产品等实体的多级描述及长时 间的事务处理要求。 5. 基于网络和多媒体技术的分布式 CAD 系统将大力发展，网络环境下的分布式 CAD 系统， 将各种不同的 CAD 作业、不同的硬、软件支撑环境集成于一个网络环境，或客户/服务 器环境下；各种不同的信息表示与传输媒体，如声音、图形、图像、数据等集成于一个 系统内，即多媒体 CAD 系统。 6. 智能化、专家系统技术也是一个热门研究方向，如何在 CAD 系统中应用人工智能和知识 库，以提高系统的智能水平并加强人机之间的密切协作。 7. 以可视化技术和虚拟技术为核心的集成化和交互式 CAD 系统也是一个热门研究方向。 从 1985 年至今的文献资料来看，CAD 技术在开采设计中的应用日益广泛和深入。它作 3 为一种高速、精确的新型设计手段和工具，已广泛地为工程技术人员所接受，并对传统的设 计手段和方法提出了挑战。目前，它已广泛应用于矿床开采设计的各个分支和侧面：如绘制 通风辅助设计及绘制通风系统立体图、开拓系统图，各种井巷工程设计及绘图、巷道交叉点 设计、提升系统设计、采矿方法设计、爆破设计、回采设计、排水系统设计与绘图、露天采 剥 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 辅助编制、露天矿境界圈定、露天汽车运输线路辅助布置、露天和井下运输系统的辅 助调度、排土场规划与设计、地形图辅助绘制、各种地质平面图、剖面图的辅助绘制，地下 采区布置图绘制等等。 18.1.2 采矿 CAD 问题 从目前文献调研和实际应用情况来看[4，5，6，9]，采矿 CAD 软件的开发和应用存在以下问 题：采矿 CAD 技术的基础研究太少。对 CAD 技术在开采设计中的应用很少从理论上、技术上 和方法上展开研究。如对数据采集、图元描述、图形运算、处理以及图形化数据结构、存取 结构、算法研究不够。尤其对图形数据的 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 化及其表示方法研究不够，目前还没有相应的 标准可以遵循，这些都是采矿 CAD 技术深入研究和应用的严重障碍。 1. 对合适于计算机图形处理特点的采矿专业基本图元集和基本图形集研究不够，其重要性 未受到应有的重视。 2. 系统性和集成性不强。目前采矿 CAD 技术的应用还停留在较低层次上，研制和开发的软 件只针对某个侧面的具体问题而开发的，一般只解决局部问题。还很少出现以地质、测 量、采矿、选矿为大系统来开发辅助设计软件。 3. 采矿辅助设计的专业特点不明显。对计算机辅助开采设计理解片面，常用它来进行一些 采矿专业方面的图纸绘制工作，没有真正发挥它的作用和潜力。 4. 软件的商品化思想不够重视。要将计算机应用研究成果最终转化为生产力，则商品化软 件是其唯一形式，但目前可以直接用于进行矿床开采辅助设计的软件却不多。 5. 国内采矿 CAD 软件的自主知识产权意识不够。目前，国内开发的绝大多数开采辅助设计 方面的应用软件其图形与数据处理都建立在通用应用软件之上，如 AutoCAD、Graph、 PHIGS 等，使应用软件的维护和发展造成困难，许多软件往往因通用平台软件的升级而 无法适应用户的需求。 18.1.3 采矿 CAD 研究方法 设计是一种面向目标问题的求解活动，它包含问题的形成、创造性的构思、综合、分析、 模拟及评价、判断和决策，到最后形成设计方案或局部设计方案，这是一个很复杂的过程。 一个典型的设计过程通常包含以下几步，如图 1.1 所示。首先，设计者获得设计要求。包括 功能要求、经济要求、制造技术要求、环节要求、审美要求等；第二步，设计师进行方案设 计。这一步的信息源既来自设计要求，也来自设计师的知识。方案设计包括功能的满足、技 术的可行和审美的满足等多方面思考，方案设计是整个设计过程中最活跃、最具创造性，也 是智力活动最复杂的一个环节，方案设计是一种特殊的问题求解形式，也称构思。H.A.Simon 将这种形式称为综合（Synthesis），设计对象在此步骤中形成；第三步，设计对象的验证、 修改、定型。这一步首先将大脑中的设计对象表达出来，然后根据功能要求、技术、经济、 审美等各方面的详细要求和数据，对模型作进一步的计划，不合适之处予以改善，细节予以 补充，最后定型；第四步，将定型的设计结果制作成技术文件，通常包括对象的三视图、剖 面图、部件图、各种详细的说明等。 4 设计要求 设计对象形成 对象表达、修 改、定型 设计文件 编辑 图1.1 典型设计过程基本步骤 计算、综合方案构思 随着计算机硬件技术的发展，研究 CAD 的手方法出现了几次革命性的发展[3，4，7]。从 CAD 方法与典型设计过程层次的联系来分，目前研究 CAD 技术的方法主要流派有以下 5 种： （1） 面向画面的 CAD 方法（Picture Oriented，简称 PO 方法） 这是一种最传统 CAD 研究方法。PO 方法的主要对象是画面上的各部分，因此，数据结 构呈现较少的层次，表达的对象主要是二维。使用 PO 方法的 CAD 系统所提供的操作，主要 为完成各种画面效果和制图要求服务，计算机内没有过错整的设计对象数据结构，而只有设 计图面的数据结构。完整的设计对象保存在使用该系统的用户头脑中。PO 方法 CAD 系统主 要用于编辑各种工程图纸或艺术效果图。它利用计算机对图形变换、拷贝、着色、修改及图 像处理等强大的图形编辑能力而获得经济效益。尽管 PO 法只使用交互图形学的功能，但当 它和数据库技术巧妙配合时，可以发展出一种相当实用的 CAD 方法——范例修改法。它是基 于这样一种设计思想：即是很多设计并非从头创造，而是在以前的设计实例上，按目前的要 求加以修改而已。因此，把优秀的设计范例图形存储起来，形成范例数据库。设计时，调出 合适的范例加以修改，形成新的设计图纸。这种方法速度快、成本低，可以用于一些创造性 要求较少的设计领域，市场上这种 CAD 系统占有很大的比例。 （2） 面向计算的 CAD 方法（Computation Oriented，简称 CO） 这类方法主要作用设计工程中的计算步骤。如：边坡分析，土建结构力学分析等，这类 方法的应用前提是设计对象所含各物理量间的关系和约束可以用数学方法描述和计算，如： 有限元、线性规划等。纯 CO 方法一般被认为仅是 CAD 的一种局部手段。但当 CO 法与 PO 法 相结合时，可以构成基于计算和绘图的实用的 CAD 系统。 （3） 面向模型造型方法（Model Oriented，简称 MO） 这类方法主要用于设计过程中的对象模型表达、修改、定型阶段。MO 方法的 CAD 系统 以设计对象模型为操作对象，一般表达为三维实体。最后的设计结果是由很多子实体构成， 因此，数据结构需要较多层次。其主要操作是实体的几何奕换和交、交、差等集合运算，用 于实体的描述和修改。MO 方法在系统内保存设计对象的完整描述。这种描述可供计算步骤 作分析效验的数据源，也能通过投影或其它变换而生成工程制图所需要的形状信息。当用 MO 方法产生工程图纸时不同的图纸信息是由同一对象实体的不同投影或分解而得，因此， MO 方法能自动保持不同设计文件之间的一致性。这就免去校核图纸之麻烦，这是 MO 方法的 优点。MO 方法 CAD 的另一个优点是可以以三维真实感方式显示对象，因而使设计直观。使 用 MO 方法好比建筑师采用做模型的方法而不是绘图纸的方法表现设计结果。而且在计算机 上做模型比手工做模型有很多优越之处：它可以从各个视角来观察，具有比例上的真实感， 它可以方便修改形状与颜色，并将这种修改自运输发解为图纸。在大多数情况下，使用实体 5 的组合生成设计对象的过程，是将设计对象输入系统的过程，而不是对象的真正综合过程。 用户只有在头脑中形成了设计对象之后，才能用实体组合的操作来输入它。真正的综合在这 之前已经基本形成。 （4） 面向综合的方法（Synthesis Oriented，简称 SO）。 这类方法的操作对象是设计条件和设计领域知识（Domain Knowledge），操作的结果产 生一个或若干个符合条件的设计对象。它实现一个从设计要求到设计对象的映射。一个符合 条件的几何实体是 SO 方法的生成结果。由于方案综合是设计过程中思维最活跃、最复杂的 阶段，SO 方法经常需要采用人工智能中的搜索、推理、约束满足等技术，并结合形象思维 的特点。 （5） 面向实体的可视化方法（Visualization Oriented，简称 VO） 这是一种面向实体世界，强调人体视觉和交互为中心的设计思想，从方案的构思、处理 过程和最终结果都以实体图形或图像为基础。VO 方法和上面的 SO 方法是目前 CAD 研究的一 个前沿和热点。 18.2 可视化采矿 CAD 系统结构 在矿业界，可视化技术的研究和应用主要集中在地质和矿山测绘领域，研究的方向主要 包括矿体模型、实体建模、矿山 GIS、矿山测量数据的可视化等方面。在采矿领域，可视化 研究处于起步阶段，人们对可视化的概念及其重要性尚没有足够的认识。这从 2001 年在北 京召开的 29 届 APCOM 会议上可以得到的反映。同时，也从一个侧面反映了矿业不景气给矿 山计算机应用带来的负面影响。与上世纪 80 年代计算机图形设备刚出现，矿业界就轰轰烈 烈应用的情况形成了鲜明的对比[9，10]。 1985 年北京华远公司引进了大型数字化仪和绘图设备，这是我国最早的微机 CAD 外设， 与之配套的 CAD 软件是 AutoCAD2.17 版本，这标志着我国微机 CAD 技术的开始。同年，鞍山 矿山设计研究院也引进了一台数字化仪和一台绘图仪，配合当时先进的 AT 微机，建立了我 国矿业界第一个微机 CAD 工作站。AutoCAD 以其出色的图形功能和可靠的外设驱动赢得了用 户的青睐，9.0 版本推出后其 CAD 软件市场稳占 60%以上。作为一个面向全球的通用辅助设 计软件，AutoCAD 的卓越性能是无可非议的，但从矿业计算机辅助设计的角度，它有不可逾 越的障碍。AutoCAD 是一种命令语言，不是普遍意义上的高级语言，因而不能用它直接编程， 尽管它内置的 Autolisp 语言可以编程，但由于运行程度慢，不能读取二进制文件等障碍， 最终没有成为开发矿业 CAD 软件的主流语言，国内外大多数矿业软件开发者都选择高级语言 开发自己的 CAD 系统，部分矿业软件把 AutoCAD 作为辅助图形输入/输出的工具，这 80 年代 前后开发矿业 CAD 软件的主流技术[14]。 由于矿山之间的行业差异（煤炭、冶金、建材等），同行业矿山之间的个体差异（开采 方式、地质条件等），以及个例矿山生产过程中需处理的瞬息万变的难以预料的信息差异， 使得 CAD 软件的开发具有较强针对性。总体上，矿业软件开发处于一种“各自为政”、“低水 平重复开发”的状态，与其他行业同类产品相比存在许多不足，如使用的开发工具不统一、 数据交换和信息传递困难、矿山工程信息表达不规范、界面缺乏可视性、软件可移植性差等。 我们认为矿山各主要技术部门地质、采矿、测量之间的信息处理标准化、时效性、连续性和 可视化是解决目前矿山生产设计信息处理分散、软件重复开发的关键。而重视矿山工程信息 标准化处理，重视 CAD 系统结构分析和通用图形平台的研究是软件开发的“基石”。下面将 从传统的手工采矿设计出发，结合采矿设计需要解决的实际问题，将可视化和集成化思想引 6 入采矿 CAD 系统开发中，对可视化集成采矿 CAD 系统的总体结构进行研究[7]。 18.2.1 采矿设计过程 矿床开采的对象是各种地质体，目标是采出矿石，采矿设计（包括各种矿山工程设计） 是工程技术人员根据约束条件，用工程手段改变环境，满足特定的要求所进行的一种智能活 动。采矿设计除满足采出矿石外，应保护工程结构自身的存在，使它能够承受自然界和人工 施加在其上的各种载荷和作用，以保证人员的安全和后续作业的进行，同时必须考虑工程设 计的经济性以及与环境的协调一致，保证以最低的成本和最小的环境破坏获取矿石资源。 采矿 CAD 是提高采矿设计水平和设计质量的重要手段，在采矿设计中采矿 CAD 技术，不 仅可以完成手工无法完成的设计，而且还可以使常规设计效率得到成倍乃至成百倍的提高。 由于行业特点、设计习惯、图样表达方式的不同，CAD 系统的设计者与用户必须在对设计过 程的计算机辅助部分与其余部分之间接口的描述方法取得一致。因此，在进行采矿 CAD 系统 设计之前，应对传统的采矿设计过程有清晰的了解。 传统采矿设计通常都要经历方案设计、初步设计和施工设计几个阶段。每个阶段都有它 自己的设计目标，通常后面的设计阶段是对前面设计方案的进一步深入和具体化。设计过程 中，工程师一般要经历如下几个过程： 1. 方案构思。工程师接到设计任务后，第一件事就是运用他们的设计经验和知识进行设计 构思，在这过程中，会做出一些技术决策，确定设计原则，并对以后的设计过程和将要 完成的设计有一个概念认识，主要工作包括： (1) 搜集并研究采矿设计的背景资料和有关工程原始资料； (2) 搜集已经成功的同类设计资料以及有关的设计资料和知识； (3) 根据工程具体情况，运用其丰富的设计知识和经验，参考同类设计和相关资料，进 行设计构思，确定设计原则和设计方案。 2. 工程结构参数计算分析。结构和参数分析的目的是要确定设计方案中有关工程结构的应 力载荷、约束条件等，是采矿设计的重要方面。 3. 采矿图设计过程。包含对设计方案的调整和具体方案的设计，实际过程中，后者往往与 施工图绘制同步进行。 4. 施工图绘制。施工设计图是采矿设计的具体表现，它们应以详尽体现设计意图为目的。 长期的设计实践在采矿设计中已形成了行业的图样表达习惯和约定，施工图的绘制应能 体现这种习惯。 5. 经济分析。经济分析是工程设计的重要方面，根据设计阶段的不同，主要包括概算和预 算，概算是初步设计文件的重要组成部分，它是确定项目投资、编制和安排建设计划的 依据。预算是施工图设计文件的重要组成部分，它是确定工程造价、考核工程成本和经 济性的依据。 工程设计不是一个简单的逻辑推理过程，而需要将逻辑推理和非逻辑推理协调运用，是 抽象思维和形象思维综合的结果。具体地说，工程设计是一种“面向目标问题的求解活动”， 它包含问题的形成、创造性的构思、综合、分析、模拟及评价、判断和政策，直到最后形成 设计方案，这是一个很复杂的思维过程。 与矿床开采有关的工程设计本身包括很多方面，涉及到地质、测量、采矿、总图等多个 专业及其之间的协作，没有一个统一的模式能描述所有这些设计过程。但我们可以对其进行 抽象。从 CAD 技术角度看来，传统手工设计过程，只是在地质资料、测量资料以及一些技术 经济指标等的约束下，对某一矿床开采在特定方案下的“模拟”，而且这一过程是一个对地 质资料的反复加工和利用的过程。CAD 系统研究的目的是辅助设计者完成工程方案的设计， 7 它们模拟设计领域的专家的思维进行工作。因此，从某种意义上来说，采矿 CAD 系统是对采 矿设计专家的思维模拟。 18.2.2 采矿 CAD 技术特点 系统结构是软件开发的基础。系统结构的选择，一方面要考虑行业特点，另一方面要考 虑技术发展水平，尽管目前 CAD 技术已经向三维实体、可视化和集成化发展，但对于矿山行 业而言，还有相当长的路要走。因此，系统的定位必须重视矿山的应用特点和技术现状。归 纳起来，CAD 技术在国内外矿山的应用具有如下特点： (1) 以提高设计质量，缩短设计周期为主要目标。通过使用 CAD 系统，使得工程设计过程更 趋客观、直观、准确、高效和规范。因此，采矿 CAD 的设计要充分考虑矿山设计规范和 工程师的设计习惯； (2) 使得矿山各主要技术部门——地质、采矿、测量，甚至选矿之间的信息处理、传输更富 于时效性和可连续性，强调 CAD 系统的集成化和数据的共享； (3) 提高采矿 CAD 系统的通用性和可移植性。由于矿山之间的行业差异，同行业矿山之间的 个体差异，以及个例矿山生产过程中需处理的瞬息万变的难以预料的信息差异，使得 CAD 技术在矿山行业的应用研究中具有较强针对性，应用研究的可移植性相对较差。因 此，要重视集成图形环境、图形处理方法和数据接口技术研究； (4) 研究和应用表明，基于二维方式下的矿山 CAD 软件的应用研究有利于与传统设计方式衔 接，有利于在短期内达到设计目标，也符合目前矿山计算机技术水平。因此，要摈弃过 分追求“三维实体设计”的开发思路，从矿山工程师的实际需要出发进行开发和研究。 (5) 国内外的研究表明，矿山生产设计过程的 CAD 软件开发正处在一个由基于二维平面的设 计模式向基于三维空间的设计模式过渡。但由于存在大量技术上的障碍，这一过渡在数 年内仍难以完成。不过可以预计，一旦有关的技术难题被攻破，如基于线框的三维实体 构模技术、基于 GIS 的矿山空间工程数据技术等，将彻底改变矿山设计的面貌。 采矿方法设计系统 爆破设计系统 井巷工程设计系统 采掘计划编制系 .......... 用 户 接 口 工程数据库 接口文件 AutoCAD系统 显示器 绘图仪 打印机 数字化仪、扫描仪 图形库 图2.1 基于AutoCAD采矿CAD系统结构 8 18.2.3 采矿 CAD 系统结构 1、 基于 AutoCAD 的采矿 CAD 系统结构 目前国内大多数涉及图形处理的工程软件为了缩短软件开发周期，都采用 AUTOCAD 作为 图形处理核心。这种系统的基本结构如图 2.1 所示。采用这种系统结构的 CAD 系统，其主要 优缺点： (1) 开发者可以在不考虑图形外设驱动、不考虑交互式 CAD 绘图软件包的情况下设计自己的 应用系统，开发周期短。 (2) 许多图形功能可以利用 AutoCAD 的图形核心处理功能，不须另外开发。 (3) AutoCAD 不能直接为应用系统提供图形资源，只能通过图形数据文件接口方式，如图 2.2 所示。在 AutoCAD 中形成设计图后，在 AutoCAD 中修改的图形无法返回到后续设计过程 中去。 (4) 集成化程度低，软件升级受制于 AutoCAD。 (5) 缺乏软件独立版权。 应用系统 DWG文件 DXF文件 IGES文件 AutoCAD 外设 图形修改 图2.2 AutoCAD接口 2、 集成化的采矿 CAD 系统结构 采矿设计是非常复杂的，无论是开拓系统设计、井巷设计、矿块设计、炮孔设计、境界 圈、还是计划编制都需要图形环境的支持，包括图形交互、运算等。这种图形资源的支持不 是单纯的图形生成过程，还需要考虑设计对象随设计变化的过程，包括与图形相关的结构计 算、矿岩量统计、材料消耗计算等。因此，图 2.1 所示的 CAD 系统结构很难满足矿山地、测、 采数据高度共享和集成的需要。集成化 CAD 系统结构是解决上述问题的方法之一。 图 2.3 是集成化采矿 CAD 系统结构的一种。它与图 2.1 之间的区别是：这一系统结构的 全部设计过程均得图形核心系统提供的资源支持。它与 AutoCAD 之间的关系变成为一种并联 关系，即系统设计图可以转化为 AutoCAD 默认的图形数据文件，与 AutoCAD 兼容。但整个 应用系统是自成一体的，系统设计过程与 AutoCAD 没有直接的关系，不受 AutoCAD 的影响， 软件有独立知识产权。各采矿设计应用系统之间的数据通信及管理均由工程数据库来完成， 工程数据库及图形核心系统构成了采矿 CAD 系统的核心。图 2.3 中的知识库是开发智能采矿 CAD 系统的基础，它和工程数据库一起，支持整个系统的采矿设计过程；用户接口既协调集 成系统内部模块之间的关系，也负责为用户提供一个统一的界面；接口文件是用于采矿 CAD 系统与 AutoCAD 进行数据交换，方便用户将设计成果与其他软件系统共享。 9 3、 面向对象的采矿 CAD 系统结构 实际上，图 2.3 将系统结构划分 3 个层次：物理层、逻辑层和应用层。物理层主要指工 程数据库和知识库；逻辑层是指以图形输入、输出和处理为基础的中间层；应用层是指各类 专业模块，并提供开放式方式用户接口。矿山绘制的基本图形对象大部分为平面图形，包括： 曲线、多连线、园、椭圆、圆弧、文本、填充、尺寸标注等。通过这些底层图元对象构造次 高层图形对象，如：矿体、钻孔、柱状图、巷道、井筒以及其它采矿符号。然后再根据次高 层对象构造高层系统对象，如：开拓系统、出矿系统、通风系统、供电系统和排水系统等。 底层对象组成高层对象的方法有很多种，如：基于框架的设计方法、约束满足法、综合推理 法、原型法、信息流法等。研究表明基于框架的设计方法比较合适矿山图形处理和采矿工艺 特点，在系统核心模块基础之上开发应用程序模块，以后在软件商品化时可以根据用户的不 同需要以模块的方式提供，如：开拓系统设计、采准设计、炮孔设计、采掘工程平面图管理、 巷道断面图设计、井底车场等。这种思想被很多国外矿业软件提供商所采用，如：Datamine、 MineSight 等。采用这样一种面向对象的系统结构，有利于系统初期的需求分析，对应用面 向对象技术进行系统开发也有很大的指导作用。 下面以井巷系统为例说明其面向对象的设计思想。 井巷系统可以看成是一棵复杂的对象树，它以矿井系统为根，叶子结点（溜井、采场、 洞室等）为对象的属性，其中复合对象具有许多属性域或拥有多个复合对象和简单对象，简 单对象的图形生成算法比较简单，它们拥有自己的 Drawing 方法。复合对象的图形绘制比较 复杂，它需要调用自己的 Drawing 方法，同时调用子对象的 Drawing 方法，直到调用到最底 层的简单对象为止。由于不同的系统可能包含同一个对象，为了避免数据冗余和数据处理异 采矿 CAD 系统 采矿方法设计系统 爆破设计系统 井巷工程设计系统 采掘计划编制系统 ......... 用 户 接 口 工程数据库 接口文件 AutoCAD系统 显示器 绘图仪 打印机 数字化仪、扫描仪 图形库 图形核心系统 知识库 图 2.3 集成化的采矿 CAD 系统结构 10 常，分配给所有的简单和复合对象唯一的标识符。 18.2.4 采矿 CAD 图形核心系统 图形核心系统是以满足各种图形的绘制和管理为目的的。因此，在进行图形系统设计之 前，必须了解采矿施工图的绘制和管理特点。 1、 采矿施工设计图生成和管理特点 采矿 CAD 系统所绘制的施工设计图样必须满足现行的采矿设计规范，也必须满足行业对 施工图样的表达要求和设计习惯[17,18]。由于矿山现行图样表达规范方面基础工作的薄弱，不 同的矿山行业（煤炭、冶金、有色、建材等）、同一矿山行业不同的采矿企业、甚至各个工 程师都有自己的设计习惯，有些习惯已经变成了矿山设计的内部约定。采矿 CAD 系统设计必 须考虑这些方面的要求，从而给图形系统设计造成了一定的难度。通过对采矿施工设计图样 的研究和分析以及参考矿山行业设计标准，采矿施工图设计一般具有以下特点： (1) 施工设计图样一般均由线框构成，用线框模型就可以满足图样生成要求。 (2) 施工设计图样一般是平面图形，常采用三平面视图的方式表示。 (3) 施工设计图样一般包含一些特殊的符号，这些符号代表某种结构，是一种简化或习惯（约 定）的表示方法，在绘图时并不要求按照比例要求。 (4) 施工设计图中各种图元，如线宽、线型、说明文字、尺寸标注等等，都有一定要求，它 们并不随图形比例而变化。 (5) 施工设计图某些部位是不能严格按比例绘制，也不需要严格按比例绘制，大部分情况是 示意性质的。如：炮孔、钻孔、溜井等，按比例是无法绘制或绘制后不直观，但为了满 足表达方面的要求，实际绘制时不得不绘成实际更大一些的。 (6) 施工设计图表达方面还有其它各种各样的要求，如矿岩界线、实测巷道等通常是光滑曲 线等，因此，必须针对采矿设计特点和习惯进行开发。 2、 设计系统对图形核心系统的要求 采矿设计对图形资源的要求是多方面的，它不仅需要能够被动地显示设计结果，而更需 要能够在设计过程中以图形方式参与设计，将工程图形修改结果直接反映到后台数据库中， 即图形修改和后台工程数据库的更新是同步进行的。以辅助采矿设计全过程的方式实现 CAD 系统。要做到这一点可视化技术和工程数据库的结合是一个很好的选择，因为，目前的可视 化图形开发环境如 OpenGL 等在图形交互方面及数据库的接口方面有不错的表现。 3、 集成化采矿 CAD 图形系统结构 11 通用 CAD 系统软件通常是一个封闭或半封闭的软件系统，它需要占用很大一部分计算机 系统资源，以它为基础开发的应用系统很难与之联成一个整体。因此，这种方式开发的图形 系统一般都是被动地显示图形，而无法主动地用图形方式来设计方案。采用集成化图形核心 系统则可以很好地避免这种缺陷，使方案设计的全过程都能利用图形核心系统提供的图形资 源支持，如图 2.4 所示。从图中可以看出，整个 CAD 系统的图形资源全部由图形核心系统所 提供，CAD 应用系统与 AutoCAD 不发生直接的联系，而仅仅通过图形核心系统来实现图形资 源的共享，这种结构组成的图形系统的特点是： (1) 图形核心系统支持整个 CAD 系统，与各种外设、其他 CAD 软件间的联系均通过核心系统 来实现，使应用系统的设计不必考虑各种约束； (2) 各种应用子系统（如：矿块设计、爆破设计、开拓设计）等均可以和图形核心系统构成 一个整体； (3) 制图子系统构成一个层次结构，设计图样由图块组成，图块又可以由下一层的图块或图 元组成，这种结构比较适合矿山图形和采矿工艺特点； (4) 通过核心图形系统实现与通用 CAD 系统的图形资源共享，从而可以利用 AutoCAD 等系统 丰富的图形处理功能来管理施工设计图样。 4、 图形核心系统基本功能 由于采矿设计的典型工作是对各种线框形状的构造与显示，因此图形软件系统在 CAD 支撑系统中占有重要的地位，通常图形核心系统需具有如下功能： (1) 提供构成图形的基本元素，如：点、线、面、文字、符号、光标等，它们是组成各种工 程图纸的标准构件。 (2) 提供采矿设计常用的基本图元库，如：多边形图元、参数图元、尺寸标注图元、井巷图 元等，允许用户自定义图元。 图形核心系统 设计方案1 工程数 据库 图形数 据库 DWG文件 SCR文件 AutoCAD 图块 图块 图块图块 图块 图元 图元 命令控制 系统 交互设计 系统 优化分析 系统 图元 设计方案2 图块 图块 图元 图块 图元 绘图仪打印机数字化仪 屏幕 ... ... ... ... 图2.4 采矿CAD图形核心系统结构 12 (3) 提供图形元素变换的功能，如：移动、旋转、比例、拷贝、裁剪、透视等等。 (4) 提供图形元素的多种方法，如：线框图、真实感图、纹理、阴影等。 (5) 提供图形组成的结构层次，如：基元、图块、层、画面等等。 (6) 提供人机交互的基本功能，如：选择集、批处理、定位、笔划等。 (7) 提供各种图形外设的选择功能，如：图形显示器、绘图仪、数字化仪等。 (8) 提供各种基本图形的运算功能，如：多边形交、并、差运算等。 (9) 提供反映上述功能的可视化操作界面。 矿山各主要技术部门地质、采矿、测量之间的信息处理标准化、时效性、连续性和可视 化，是解决目前矿山生产设计信息处理分散、软件重复开发的关键，因此，重视矿山工程信 息标准化处理，重视 CAD 系统结构分析和通用图形平台的研究是软件开发的基础。 18.3 采矿 CAD 系统基本图元集[17，19] 采矿设计与机械和建筑设计不同，采矿图没有象机械、建筑等行业那样标准，图例的选 择具有很大的随意性，图形以实测的工程界线为主，象地质界线、推进线、巷道线、爆破线 等工程界线不仅有严格的“精度”要求，还必须是“光滑曲线”，这些特殊性给采矿 CAD 系 统的研制带来了极大的困难。 一个高效的采矿 CAD 系统，它首先应该是一个良好的图形系统，在它的支持下，来完成 各种采矿辅助设计工作，无论图形系统如何构造，都要考虑图形的构造手段问题，不同的构 造方式其图形构造效率是绝然不同的。在机械 CAD 中，图元集和常用零件库的构造已有大量 研究和开发[46]。但矿业领域对其重要性和作用重视不够。迄今为止，在采矿 CAD 中，很少考 虑其基本图元集的构造问题，国内煤炭行业有很少的研究，在金属和建材矿山基本处于空白。 实际上，在采矿 CAD 系统中，基本图元集的研究具有十分重要的地位，它直接影响采矿 CAD 系统开发的难度、规模、开放性，决定着采矿 CAD 软件实用性、适应性、运行效率、可维护 性以及软件的生命周期。 本节将在分析矿山图形特点的基础上，结合计算机图形处理理论，提出用于指导采矿 CAD 软件研制的基本图元集构造原则，在这一原则指导下，对采矿 CAD 系统的基本图元集的 构造及矿山图元的描述方法进行研究。 18.3.1 矿山基本图元集构造 一、基本图元集的构造原则 基本图元集的构造将直接影响到采矿 CAD 系统的设计难度、复杂性和工作量。它是采矿 CAD 软件设计的系统组织基础，它决定着系统模型、数据结构、实现方法以及可扩展性，最 终将影响采矿 CAD 软件的质量。因此，这是采矿 CAD 系统设计者必须慎重考虑的问题之一。 一般来说，基本图元集的构造要遵循以下原则： (1) 完备性原则。尽可能满足采矿工程设计的需要，邓由基本图元经过一定的组合或变换能 生成采矿工程设计中所需的图形。 (2) 最小性原则。即尽可能地使图元集的数目最小，这样可以减小系统设计难度。 (3) 效率原则。即保证图形具有尽可能快的生成速度，并能使整个设计周期尽量缩短。 (4) 灵活性原则。即依赖于基本图元集的支持，用户能对图形系统进行自由扩展，能支持特 殊图形的生成。 二、采矿 CAD 基本图元的选择 13 图元亦称输出基元（Output primitive），它是 CAD 系统进行操作和组成画面（或图样） 的最基本的素材，一幅画面由图元组成，图元是一组最简单的最通用的几何图形和文字。图 元集是完成工程图设计所需图元的最小集合。通常认为，采矿工程设计图是一种矢量图，可 以看成由矢量最小组成单位——线段构成。由此而产生了一种观点：认为矢量线段是构造采 矿工程设计图的基本图元，根据这一观点来研制软件，虽然也能绘制一些采矿工程设计图， 但其图形生成与存储效率很低，无法达到全交互式设计的目的。在工程图设计中，常用图元 通常包括：⑴点；⑵直线段；⑶曲线；⑷圆；⑸圆弧；⑹椭圆；⑺椭弧；⑻文字；⑼参图数； ⑽尺寸标注；⑾自定义图元。 根据采矿制图标准及有关采矿设计习惯，我们对常采矿设计图形进行分析和归类，点图 元可归入直线段图元中，即用具有两个重合点的直线段来描述几何，这样做虽然有些数据冗 余，但点图元毕竟在设计图中用得较少，可以减少一种图元类型，节省大量程序代码；椭圆 和椭弧图元在采矿设计图中几乎不会用到，即使用到，也可以用多个圆弧来逼近，因此，不 把它收入基本图元集；圆图元可以归入圆弧图元中，把圆当作一种特殊的圆弧图元来处理。 曲线图元可用有限多个直线段图元来逼近，单从作图角度来考虑这是完全可行的，可以减少 一个图元类型，但从 CAD 角度，尤其是采矿 CAD 角度来看，曲线图元即多边形图元，有它存 在的依据和理由： (1) 多边形图元是一个不可分割的整体。如用直线段来代替不能表达整体特性，而且将失去 很多图形操作特性，如：图元运算、光滑、填充等。 (2) 多边形图元具有与直线图元完全不同的几何意义。 (3) 在采矿设计中，曲线用得最多，这是采矿设计与机械、建筑设计的重大差别。 (4) 多边形图元节省存贮量。如一个矿体、一条实测巷道通常都有几十个至上百个坐标点， 如果用直线段来代替，其存贮量将大量增加。 (5) 多边形图元是各种图形运算的基础，如矿山使用很广的面积计算、品位计算、储量计算 等，其实质是多边形的交、并、差运算。 因此，在采矿 CAD 中，曲线图元不仅需要，而且是这些图元中最重要的一种图元。通过 分析和归并，作者认为采矿 CAD 基本图元集由 7 种图元组成比较合理，它们分别为：⑴直线 段图元；⑵圆弧图元；⑶曲线图元（作者称之为多边形图元）；⑷符号图元；⑸参数图元； ⑹尺寸标注图元；⑺自定义图元。无论采矿专业图中的图形多么复杂，都可以用这 7 种基本 图元来构成。 三、矿山图元的分类 根据计算机图形学理论，从图形处理与运算的角度出发，作者将以上讨论的 7 个基本图 元分为三类：矢量图元、标量图元、混合图元。下面分别说明它们的含义和作用。 1、 矢量图元 矢量图元是指有方向的图元。这类图元具有方向性，它可参与图形的运算，如图形的交、 并、差运算，图形自动连接与追踪，计算图形几何长度及面积等，而且，图形的精度是有实 际意义的。这类图元包括：直线段图元、曲线图元、圆弧图元。这些图元是构成矿山设计图 的主要手段，因此称之为主图元。 2、 标量图元 标量图元是指没有方向的图形。这类图元没有方向性，也不能参与图元运算。其图形的 追踪、周长和面积的计算以及图元的定位精度等都是没有工程意义的。这类图元包括：符号 图元、尺寸标注图元。这些图元常用于描述矢量图元的特征等信息，辅助矢量图元来表达完 整的工程含义。因此称之为辅助图元。 14 3、 混合图元 混合图元兼有上述两类图元的特点，它包括：参数图元和自定义图元。这两种图元实际 上是用户自定义图素的两种表现形式，它真正具有哪种图形特征只有在用户定义了相应的图 元后才确定。 18.3.2 矿山基本图元描述 直线图元和圆弧图元的表示方法比较简单，这里不再论述。下面对采矿 CAD 系统中比较 特殊的三类图元：曲线图元、符合图元和尺寸标注图元的描述方法进行讨论。 1、 多边形图元（曲线图元） 在采矿和地质制图中，地质界线或工程界线大部分以“曲线”的形式存在，因此，“曲 线图元”是采矿 CAD 系统最重要的一种图元。曲线图元有以下几种表示方法： （1） 多项式拟合法。即用一个有限次多项式来描述任意几何曲线。这种表示方法可输出 光滑连续的曲线，但其最大缺点是对散点适应程度差，而且多项式系数求取、图形 运算中的交点求取、存储组织等都十分困难。因此，这种用“多项式”表示的曲线 图元不适合采矿 CAD 系统。 （2） 双圆弧逼近法。这种表示方法是将一系列有充散点所表示的曲线路由函数来。描述 的曲线由一系列的双圆弧来逼近，即任何相邻两已知点之间可用两个圆弧段联结起 来。它可使曲线达到二次光顺，常用于表示样条曲线或函数曲线。这种方法在模具、 机械、建筑、汽车、造船等行业的 CAD 系统中用得较多，主要是用于外形造型和曲 线放样。但在采矿设计中所用曲线常存在一些转折点（一次导数不连续，如图 3.1 所 示），曲线的随意性很大，用这种方法很难描述所有曲线，而且会使曲线之间的运算 增加几何复杂性，从而降低采矿 CAD 系统的效率，不适合在采矿 CAD 系统中使用。 （3） 多边形逼近法。这种方法是将目标曲线离散化为首尾相接的有限个直线段，用它来 逼近目标曲线。在图形输出时，可将这一系列直线视为一个整体，将其施加各种光 滑方法、区域填充或线边填充等；在图形运算中，也可将它视为一个整体而进行图 形的并、交、差运算。曲线的存贮也很简单，只需存贮一系列首尾相接的散点坐标。 曲线图元在图形处理中和直线图元相比具有两个重点特点。 图 3.1 多边形图元表示的矿山图例 曲线图元是采矿 CAD 系统中描述几何形体、界线以及进行图形运算的基础。曲线的多边 15 形逼近表示法非常适合采矿 CAD 系统。作者推荐这种表示方法，除了上述原因外，还有一个 非常重要的原因是，采矿设计是在地质工程图基础上进行的，而地形图、地质图都是通过数 字化仪输入的，数字化仪输入的图形都是以首尾相连的坐标点存放的，其实质就是多边形。 所以，采用多边形逼近法表示曲线刚好与数字化多边形重合。因此，在采矿 CAD 系统中，“曲 线图元”可用“多边形图元”代替。 2、 符号图元 在采矿 CAD 系统中，经常要用到符号来表示一定的工程意义，这就是符号图元。符号图 元是一个形状相对固定、具有一定的长度和宽度、表示一定几何意义或工程意义的图形块。 因此，符号图元应具有以下特性： （1） 图形块形状相对固定，是一个整体，不可分割； （2） 允许在二维平面上产生形变； （3） 符号图的绘制依赖于符号库的支持； （4） 由简单的数据模型和很少的数据存贮来实现复杂的符号； （5） 对于各种形状完全不同的符号，其处理过程是不变的。 依据符号图元的定义，采矿设计图中所用到的文字、工程符号、设备标记符都可视为一 般意义上的符号图元，但它们所表达的意义是有差别的。因此，我们可以把符号图元分为几 种类型： （1） 本文符号：这类符号常用于尺寸标注、文字注解、图名、标题栏填写及图形制表等。 它主要包括英文字母、希腊字母、阿拉伯数字、汉字、标点、罗马数字、数学符号、 ASCII 码中的符号等。 （2） 设备象形符号：它用于在图中表示设备的位置、工作状态以及与工程实体之间的相 互关系等，如汽车、电铲、列车、钻机、风机、破碎机等。 （3） 示意符号：这种符号有时单独使用，有时和其它工程实体结合起来表示某种意义， 如指北方向、污风和风流方向、水流方向、图例、断层产状等。 （4） 工程符号：这种符号常用于表示某项工程及其范围，一般是指工程空间上的结构物、 建筑物，如房屋、陡坎、井巷断面、炸药库、停车场、破碎站、机房等。 3、 尺寸标注图元 尺寸标注的自动或半自动生成是 CAD 软件研制中的一个重要组成部分。从目前公布的 CAD 研究技术资料来看，人们往往只重视图样形状的生成，而对尺寸标注这一问题关注较少。 这是因为，尺寸标注的种类