采矿CAD软件技术.pdf

1 第 18 章 采矿 CAD 软件技术 （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 .................................................................................................................... 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 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 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， 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 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 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 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 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 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、 18.2.3 采矿 CAD 系统结构 1、 基于 AutoCAD 的采矿 CAD 系统结构 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、2、 集成化的采矿 CAD 系统结构 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、3、 面向对象的采矿 CAD 系统结构 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 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、1、 采矿施工设计图生成和管理特点 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、2、 设计系统对图形核心系统的要求 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、3、 集成化采矿 CAD 图形系统结构 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