【正文】 數(shù)據(jù)。本 文提出的采礦 CAD 系統(tǒng)參數(shù)圖元和自定義圖元的構(gòu)造方案，對基于線框構(gòu)圖技術(shù)的采礦 CAD軟件開發(fā)有一定的實用價值。 在自定義圖元定義時，可給每個被定義的圖元賦予一個唯一的名稱，它可用字符串表示，這有利于用戶對自定義圖元的記憶和組織，這一名稱將成為查找自定義圖元信息的關(guān)鍵字。 從自定義圖元的定義形式和作用來看，其幾何描述取決于組成它的基本圖元的數(shù)據(jù)模型，自定義圖元實際上是前述六種基本圖元實體的無序集合，而不是這六種基本圖元的描述或定義的集合。 在采礦 CAD 的圖形環(huán)境中，對已經(jīng)形成的由以上六種基本圖元構(gòu)成的圖形通過目標(biāo) 選擇方式，將一些具有一定聯(lián)系的圖元構(gòu)造在一起，作為一個整體來看待，從而構(gòu)成自定義圖元。用戶繪制半圓拱巷道時，采礦 CAD 系統(tǒng)向用戶詢問該圖元的編號、巷道寬度、巷道墻高后，便可準(zhǔn)確無誤地繪制巷道斷面圖。 下面通過一個實際例子來考察參數(shù)圖元存在的必要性。但是，為了提高采礦 CAD 系統(tǒng)的運(yùn)行效率，提供更好的開放環(huán)境，為用戶提供更多的圖形擴(kuò)展手段，使采礦 CAD 系統(tǒng)更有效地為專業(yè)圖形處理服務(wù)，必須引入二種新的圖元 —— 參數(shù)圖元和自定義圖元。因此，國內(nèi)外 CAD 研究和開發(fā)人員，特別是機(jī)械 CAD 技術(shù)人員一直致力于專業(yè)圖形的參數(shù)化研究。對于采礦 CAD 系統(tǒng)，采用后一種方式比較實在。這種尺寸標(biāo)注的描述方法是比較科學(xué)的：尺寸標(biāo)注圖 元依賴于被標(biāo)注圖元而存在，待標(biāo)注圖元的修改將自動反映到尺寸標(biāo)注圖元中來，能夠完成自動標(biāo)注，圖中的尺寸標(biāo)注工作量較少。 16 尺寸標(biāo)注的幾何描述取決于它與被標(biāo)注對象的關(guān)系。這樣，不僅會使 CAD 系統(tǒng)的存儲效率降低，工程圖的設(shè)計過程延長，而且會損害尺寸標(biāo)注原有的整體性，增加用戶與 CAD 系統(tǒng)的交互難度。 尺寸標(biāo)注圖元 尺寸標(biāo)注的自動或半自動生成是 CAD 軟件研制中的一個重要組成部分。它主要包括英文字母、希臘字母、阿拉伯?dāng)?shù)字、漢字、標(biāo)點、羅馬數(shù)字、數(shù)學(xué)符號、ASCII 碼中的符號等。符號圖元是一個形狀相對固定、具有一定的長度和寬度、表示一定幾何意義或工程意義的圖形塊。作者推薦這種表示方法，除了上述原因外，還有一個非常重要的原因是，采礦設(shè)計是在地質(zhì)工程圖基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而地形圖、地質(zhì)圖都是通過數(shù)字化儀輸入的，數(shù)字化儀輸入的圖形都是以首尾相連的坐標(biāo)點存放的，其實質(zhì)就是多邊形。曲線的存貯也很簡單，只需存貯一系列首尾相接 的散點坐標(biāo)。但在采礦設(shè)計中所用曲線常存在一 些轉(zhuǎn)折點（一次導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，如圖 所示），曲線的隨意性很大，用這種方法很難描述所有曲線，而且會使曲線之間的運(yùn)算增加幾何復(fù)雜性，從而降低采礦 CAD 系統(tǒng)的效率， 不適合在采礦 CAD 系統(tǒng)中使用。這種表示方法是將一系列有充散點所表示的曲線路由函數(shù)來。即用一個有限次多項式來描述任意幾何曲線。 礦山 基本圖元描 述 直線圖元和圓弧圖元的表示方法比較簡單，這里不再論述。這些圖元常用于描述矢量圖元的特征等信息，輔助矢量圖元來表達(dá)完整的工程含義。 標(biāo)量圖元 標(biāo)量圖元是指沒有方向的圖形。 矢量圖元 矢量圖元是指有方向的圖元。通過分析和歸并，作者認(rèn)為采礦 CAD 基本圖元集由 7 種 圖元組成比較合理，它們分別為：⑴直線段圖元；⑵圓弧圖元；⑶曲線圖元（作者稱之為多邊形圖元）；⑷符號圖元；⑸參數(shù)圖元；⑹尺寸標(biāo)注圖元；⑺自定義圖元。 (4) 多邊形圖元節(jié)省存貯量。曲線圖元可用有限多個直線段圖元來逼近，單從作圖角度來考慮這是完全可行的，可以減少一個圖元類型，但從 CAD 角度，尤其是采礦 CAD 角度來看，曲線圖元即多邊形圖元，有它存在的依據(jù)和理由： (1) 多邊形圖元是一個不可分割的整體。通常認(rèn)為，采礦工程設(shè)計圖是一 種矢量圖，可以看成由矢量最小組成單位 —— 線段構(gòu)成。 (4) 靈活性原則。 (2) 最小性原則。它是采礦CAD 軟件設(shè)計的系統(tǒng)組織基礎(chǔ)，它決定著系統(tǒng)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)方法以及可擴(kuò)展性，最終將影響采礦 CAD 軟件的質(zhì)量。迄今為止，在采礦 CAD 中，很少考慮其基本圖元集的構(gòu)造問題，國內(nèi)煤炭行業(yè)有很少的研究，在金屬和建材礦山基本處于空白。 采礦 CAD 系統(tǒng)基本 圖元集 [17， 19] 采礦設(shè)計與機(jī)械和建筑設(shè)計不同，采礦圖沒有象機(jī)械、建筑等行業(yè)那樣標(biāo)準(zhǔn)，圖例的選擇具有很大的隨意性，圖形以實測的工程界線為主，象地質(zhì)界線、推進(jìn)線、巷道線、爆破線等工程界線不僅有嚴(yán)格的“精度”要求，還必須是“光滑曲線”，這些特殊性給采礦 CAD 系統(tǒng)的研制帶來了極大的困難。 (7) 提供各種圖形外設(shè)的選擇功能，如：圖形顯示器、繪圖儀、數(shù)字化儀等。 圖形核心系統(tǒng)設(shè)計方案1工程數(shù)據(jù)庫圖形數(shù)據(jù)庫D W G 文件S C R 文件AutoCAD圖塊 圖塊圖塊圖塊 圖塊 圖元圖元命令控制系統(tǒng)交互設(shè)計系統(tǒng)優(yōu)化分析系統(tǒng)圖元設(shè)計方案2圖塊 圖塊圖元 圖塊圖元繪圖儀打印機(jī)數(shù)字化儀 屏幕............圖2 . 4 采礦C A D 圖形核心系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 12 (3) 提供圖形元素變換的功能，如：移動、旋轉(zhuǎn)、比例、拷貝、裁剪、透視等等。采用集成化圖形核心系統(tǒng)則可以很好地避免這種缺陷，使方案設(shè)計的全過程都能利用圖形核心系統(tǒng)提供的圖形資源支持，如圖 所示。以輔助采礦設(shè)計全過程的方式實現(xiàn) CAD系統(tǒng)。 (5) 施工設(shè)計圖某些部位是不能嚴(yán)格按比例繪制，也不需要嚴(yán)格按比例繪制，大部分情況是示意性質(zhì)的。通過對采礦施工設(shè)計圖樣的研究和分析以及參考礦山行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，采礦施工圖設(shè)計一般具有以下特點： (1) 施工設(shè)計圖樣一般均由線框構(gòu)成，用線框模型就可以滿足圖樣生成要求。因此，在進(jìn)行圖形系統(tǒng)設(shè)計之前，必須了解采礦施工圖的繪制和管理特點。 井巷系統(tǒng)可以看成是一棵復(fù)雜的對象樹，它以礦井系統(tǒng)為根，葉子結(jié)點（溜井、采場、洞室等）為對象的屬性，其中復(fù)合對象具有許多屬性域或擁有多個復(fù)合對象和簡單對象，簡單對象的圖形生成算法比較簡單，它們擁有自己 的 Drawing 方法。研究表明基于框架的設(shè)計方法比較合適礦山圖形處理和采礦工藝特點，在系統(tǒng)核心模塊基礎(chǔ)之上開發(fā)應(yīng)用程序模塊，以后在軟件商品化時可以根據(jù)用戶的不同需要以模塊的方式提供，如：開拓系統(tǒng) 設(shè)計、采準(zhǔn)設(shè)計、炮孔設(shè)計、采掘工程平面圖管理、巷道斷面圖設(shè)計、井底車場等。礦山繪制的基本圖形對象大部分為平面圖形，包括：曲線 、多連線、園、橢圓、圓弧、文本、填充、尺寸標(biāo)注等。各采礦設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信及管理均由工程數(shù)據(jù)庫來完成，工程數(shù)據(jù)庫及圖形核心系統(tǒng)構(gòu)成了采礦 CAD 系統(tǒng)的核心。 圖 是集成化采礦 CAD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一種。 應(yīng)用系統(tǒng)D W G 文件D X F 文件I G E S 文件AutoCAD 外設(shè)圖形修改圖2. 2 Au toCA D接口 集成化的采礦 CAD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 采礦設(shè)計是非常復(fù)雜的，無論是開拓系統(tǒng)設(shè)計、井巷設(shè)計、礦塊設(shè)計、炮孔設(shè)計、境界圈、還是計劃編制都需要圖形環(huán)境的支持，包括圖形交互、運(yùn)算等。 (3) AutoCAD 不能直接為應(yīng)用系統(tǒng)提供圖形資源，只能通過圖形數(shù)據(jù)文件接口方式，如圖 所示。 采礦方法設(shè)計系統(tǒng)爆破設(shè)計系統(tǒng)井巷工程設(shè)計系統(tǒng)采掘計劃編制系.. .. ... .. .用戶接口工程數(shù)據(jù)庫接口文件Au to C AD系 統(tǒng)顯示器繪圖儀打印機(jī)數(shù)字化儀、掃描儀圖形庫圖2. 1 基 于Au t oC AD 采礦CA D 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 8 采礦 CAD 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 基于 AutoCAD 的采礦 CAD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 目前國內(nèi)大多數(shù)涉及圖形處理的工程軟件為了縮短軟件開發(fā)周期，都采 用 AUTOCAD 作為圖形處理核心。因此，要擯棄過分追求“ 三維實體設(shè)計”的開發(fā)思路，從礦山工程師的實際需要出發(fā)進(jìn)行開發(fā)和研究。通過使用 CAD 系統(tǒng)，使得工程設(shè)計過程更趨客觀、直觀、準(zhǔn)確、高效和規(guī)范。 采礦 CAD 技術(shù) 特點 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。但我們可以對其進(jìn)行抽象。預(yù)算是施工圖設(shè)計文件的重要組成部分，它是確定工程造價、考核工程成本和經(jīng)濟(jì)性的依據(jù)。施工設(shè)計圖是采礦設(shè)計的具體表現(xiàn)，它們應(yīng)以詳盡體現(xiàn)設(shè)計意圖為目的。結(jié)構(gòu)和參數(shù)分析的目的是要確定設(shè)計方案中有關(guān)工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力載荷、約束條件等，是采礦設(shè)計的重要方面 。每個階段都有它自己的設(shè)計目標(biāo)，通常后面的設(shè)計階段是對前面設(shè)計方案的進(jìn)一步深入和具體化。 采礦 CAD 是提高采礦設(shè)計水平和設(shè)計質(zhì)量的重要手段，在采礦設(shè)計中采礦 CAD 技術(shù)，不僅可以完成手工無法完成的設(shè)計，而且還可以使常規(guī)設(shè)計效率得到成倍乃至成百倍的提高。而重視礦山工程信息標(biāo)準(zhǔn)化處理，重視 CAD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 和通用圖形平臺的研究是軟件開發(fā)的“基石”。 AutoCAD 是一種命令語言，不是普遍意義上的高級語言，因而不能用它直接編程，盡管它內(nèi)置的 Autolisp 語言可以編程，但由于運(yùn)行程度慢，不能讀取二進(jìn)制文件等障礙，最終沒有成為開發(fā)礦業(yè) CAD 軟件的主流語言，國內(nèi)外大多數(shù)礦業(yè)軟件開發(fā)者都選擇高級語言開發(fā)自己的 CAD 系統(tǒng)，部分礦業(yè)軟件把 AutoCAD 作為輔助圖形輸入 /輸出的工具，這 80 年代前后開發(fā)礦業(yè) CAD 軟件的主流技術(shù) [14]。 1985 年北京華遠(yuǎn)公司引進(jìn)了大型數(shù)字化儀和繪圖設(shè)備，這是我國最早的微機(jī) CAD 外設(shè)，與之配套的 CAD 軟件是 版本，這標(biāo)志著我國微機(jī) CAD 技術(shù)的開始。在采礦領(lǐng)域，可視化研究處于起步階段，人們對可視化的概念及其重要性尚沒有足夠的認(rèn)識。由于方案綜合是設(shè)計過程中思維最活躍、最復(fù)雜的階段， SO 方法經(jīng)常需要采用人工智能中的搜索、推理、約束滿足等技術(shù)，并結(jié)合形象思維的特點。 （ 4） 面向綜合的方法（ Synthesis Oriented，簡稱 SO） 。而且在計算機(jī)上做模型比手工做模型有很多優(yōu)越之處：它可以從各個視角來觀察，具有比例上的真實感，它可以方便修改形狀與顏色，并將這種修改自運(yùn)輸發(fā)解為圖紙。當(dāng)用MO 方法產(chǎn)生工程圖紙時不同的圖紙信息是由同一對象實體的不同投影或分解而得，因此，MO 方法能自動保持不同設(shè)計文件之間的一致性。最后 的設(shè)計結(jié)果是由很多子實體構(gòu)成，因此，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要較多層次。純 CO 方法一般被認(rèn)為僅是 CAD 的一種局部手段。設(shè)計時，調(diào)出合適的范例加以修改，形成新的設(shè)計圖紙。它利用計算機(jī)對圖形變換、拷貝、著色、修 改及圖像處理等強(qiáng)大的圖形編輯能力而獲得經(jīng)濟(jì)效益。 PO 方法的主要對象是畫面上的各部分，因此，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)較少的層次，表達(dá)的對象主要是二維。 將這種形式稱為綜合（ Synthesis），設(shè)計對象在此步驟中形成；第三步，設(shè)計對象的驗證、修改、定型。首先，設(shè)計者獲得設(shè)計要求。 5. 國內(nèi)采礦 CAD 軟件的自主知識產(chǎn)權(quán)意識不夠。 3. 采礦輔助設(shè)計的專業(yè)特點不明顯。 1. 對合適于計算機(jī)圖形處理特點的采礦專業(yè)基本圖元集和基本圖形集研究不夠，其重要性未受到應(yīng)有的重視。 采礦 CAD 問題 從目前文獻(xiàn)調(diào)研和實際應(yīng)用情況來看 [4， 5， 6， 9]， 采礦 CAD 軟件 的開發(fā) 和應(yīng)用存在以下 問題 ： 采礦 CAD 技術(shù)的基礎(chǔ)研究太少。 7. 以可視 化技術(shù)和虛擬技術(shù)為核心的集成化和交互式 CAD 系統(tǒng)也是一個熱門研究方向。 4. 與 CAD 集成的工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)仍將繼續(xù)發(fā)展，過去許多基于商用數(shù)據(jù)庫開發(fā)的圖形數(shù)據(jù)庫，效果并不理想。概括起來今后 CAD 系統(tǒng)將會在以下幾方面發(fā)展 [3， 4]： 1. 幾何 造型技術(shù) 由二維向三維發(fā)展。開發(fā)性是決定一個系統(tǒng)能否真正達(dá)到實用化并轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，這主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的工作平臺、用戶接口、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境及與其他系統(tǒng)的信息交換等方面。在這種背景下， CAD 技術(shù)得到迅速普及和極大發(fā)展。二十世紀(jì)的一個重大變革是全球市場的統(tǒng)一，它使市場競爭更加激烈，產(chǎn)品更新周期加快。 隨著 CAD 技術(shù)的普及應(yīng)用， CAD 技術(shù)正向著開放、集成、智能和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。作為 CAD系統(tǒng)的支撐環(huán)境，開放的操作系統(tǒng)，如： WINDOWS、 UNIX 將是今后 CAD 系統(tǒng)的主流；面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)將為 CAD 系統(tǒng)的發(fā)展作出新貢獻(xiàn)；系統(tǒng)的智能化結(jié)合專家系統(tǒng)、知識工程，將各個領(lǐng)域的專家經(jīng)驗融合于 CAD 系統(tǒng)中，并開發(fā)出智能化用戶界面，使之更為廣大工程設(shè)計人員所接受；系統(tǒng)的集成化是大勢所趨， 80 年代中期 CAD/CAM 技術(shù)的集成形成了 CIMS 高科技系統(tǒng)。 3. 集成化技術(shù)將繼續(xù)得快速的發(fā)展，從單一行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的業(yè)務(wù)性集成，向多行業(yè)集成發(fā)展，如 CIMS 系統(tǒng)、工程設(shè)計建筑、水、電、暖一體化的集成。 6. 智能化、專家系統(tǒng)技術(shù)也是一個熱門研究方向，如何在 CAD 系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能和知識庫，以提高系統(tǒng)的智能水平并加強(qiáng)人機(jī)之間的密切協(xié)作。目前，它已廣泛應(yīng)用于礦床開采設(shè)計的各個分支和側(cè)面：如繪制通風(fēng)輔助設(shè)計及繪制通風(fēng)系統(tǒng)立體圖、開拓系統(tǒng)圖，各種井巷工程設(shè)計及繪圖、巷道交叉點設(shè)計、提升系統(tǒng)設(shè)計、采礦方法設(shè)計、爆破設(shè)計、回采設(shè)計、排水系統(tǒng)設(shè)計與繪圖、露天采剝計劃輔助編制、露天礦境界圈定、露天汽車 運(yùn)輸線路輔助布置、露天和井下運(yùn)輸系統(tǒng)的輔助調(diào)度、排土場規(guī)劃與設(shè)計、地形圖輔助繪制、各種地質(zhì)平面圖、剖面圖的輔助繪制，地下采區(qū)布置圖繪制等等。尤其對圖形數(shù)據(jù)的規(guī)范化及其表示方法研究不夠，目前還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可以 遵循，這些都是采礦 CAD 技術(shù)深入研究和應(yīng)用的嚴(yán)重障礙。還很少出現(xiàn)以地質(zhì)、測量、采礦、選礦為大系統(tǒng)來開發(fā)輔助設(shè)計軟件。要 將計算機(jī)應(yīng)用研究成