【文章內(nèi)容簡介】 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。在 AutoCAD 中形成設(shè)計(jì)圖后，在 AutoCAD 中修改的圖形無法返回到后續(xù)設(shè)計(jì)過程中去。 (4) 集成化程度低，軟件升級(jí)受制于 AutoCAD。 (5) 缺乏軟件獨(dú)立版權(quán)。 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(jì)是非常復(fù)雜的，無論是開拓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、井巷設(shè)計(jì)、礦塊設(shè)計(jì)、炮孔設(shè)計(jì)、境界圈、還是計(jì)劃編制都需要圖形環(huán)境的支持，包括圖形交互、運(yùn)算等。這種圖形資源的支持不是單純的圖形生成過程，還需要考慮設(shè)計(jì)對(duì)象隨設(shè)計(jì)變化的過程，包括與圖形相關(guān)的結(jié)構(gòu)計(jì)算、礦巖量統(tǒng)計(jì)、材料消耗計(jì)算等。因此，圖 所示的 CAD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難滿足礦山地、測、采數(shù)據(jù)高度共享和集成的需要。集成化 CAD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是解決上述問題的方法之一。 圖 是集成化采礦 CAD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一種。它與圖 之間的區(qū)別是：這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全部設(shè)計(jì)過程均得圖形核心系統(tǒng)提供的資源支持。它與 AutoCAD 之間的關(guān)系變成為一種并聯(lián)關(guān)系，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖可以轉(zhuǎn)化為 AutoCAD 默認(rèn)的圖形數(shù)據(jù)文件，與 AutoCAD 兼容。但整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)是自成一體的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程與 AutoCAD 沒有直接的關(guān)系，不受 AutoCAD 的影響，軟件有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)。各采礦設(shè)計(jì)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 中的知識(shí)庫是開發(fā)智能采礦CAD 系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它和工程數(shù)據(jù)庫一起，支持整個(gè)系統(tǒng)的采礦設(shè)計(jì)過程；用戶接口既協(xié)調(diào)集成系統(tǒng)內(nèi)部模塊之間的關(guān)系，也負(fù)責(zé)為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的界面；接口文件是用于采礦 CAD系統(tǒng)與 AutoCAD 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，方便用戶將設(shè)計(jì)成果與其他軟件系統(tǒng)共享。 9 面向?qū)ο蟮牟傻V CAD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 實(shí)際上，圖 將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分 3 個(gè)層次：物理層、邏輯層和應(yīng)用層。物理層主要指工程數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫；邏輯層是指以圖形輸入、輸出和處理為基礎(chǔ)的中間層；應(yīng)用層是指各類專業(yè)模塊，并提供開放式方式用戶接口。礦山繪制的基本圖形對(duì)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。通過這些底層圖元對(duì)象構(gòu)造次高層圖形對(duì)象，如：礦體、鉆孔、柱狀圖、巷道、井筒以及其它采礦符號(hào)。然后再根據(jù)次高層對(duì)象構(gòu)造高層系統(tǒng)對(duì)象，如：開拓系統(tǒng)、出礦系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和排水系統(tǒng)等。底層對(duì)象組成高層對(duì)象的方法有很多種，如：基于框架的設(shè)計(jì)方法、約束滿足法、綜合推理法、原型法、信息流法等。研究表明基于框架的設(shè)計(jì)方法比較合適礦山圖形處理和采礦工藝特點(diǎn)，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(shí)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(jì)、采準(zhǔn)設(shè)計(jì)、炮孔設(shè)計(jì)、采掘工程平面圖管理、巷道斷面圖設(shè)計(jì)、井底車場等。這種思想被很多國外礦業(yè)軟件提供商所采用，如 ： Datamine、MineSight 等。采用這樣一種面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于系統(tǒng)初期的需求分析，對(duì)應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)也有很大的指導(dǎo)作用。 下面以井巷系統(tǒng)為例說明其面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想。 井巷系統(tǒng)可以看成是一棵復(fù)雜的對(duì)象樹，它以礦井系統(tǒng)為根，葉子結(jié)點(diǎn)（溜井、采場、洞室等）為對(duì)象的屬性，其中復(fù)合對(duì)象具有許多屬性域或擁有多個(gè)復(fù)合對(duì)象和簡單對(duì)象，簡單對(duì)象的圖形生成算法比較簡單，它們擁有自己 的 Drawing 方法。復(fù)合對(duì)象的圖形繪制比較復(fù)雜，它需要調(diào)用自己的 Drawing 方法，同時(shí)調(diào)用子對(duì)象的 Drawing 方法，直到調(diào)用到最底層的簡單對(duì)象為止。由于不同的系統(tǒng)可能包含同一個(gè)對(duì)象，為了避免數(shù)據(jù)冗余和數(shù)據(jù)處理異采礦 CAD 系統(tǒng) 采礦方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)爆破設(shè)計(jì)系統(tǒng)井巷工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)采掘計(jì)劃編制系統(tǒng). . . . . . . . .用戶接口工程數(shù)據(jù)庫接口文件A u t o C A D 系統(tǒng)顯示器繪圖儀打印機(jī)數(shù)字化儀、掃描儀圖形庫圖形核心系統(tǒng)知識(shí)庫圖 集成化的采礦 CAD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 10 常，分配給所有的簡單和復(fù)合對(duì)象唯一的標(biāo)識(shí)符。 采礦 CAD 圖形核心系統(tǒng) 圖形核心系統(tǒng)是以滿足各種圖形的繪制和管理為目的的。因此，在進(jìn)行圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，必須了解采礦施工圖的繪制和管理特點(diǎn)。 采礦施工設(shè)計(jì)圖生成和管理特點(diǎn) 采礦 CAD 系統(tǒng)所繪制的施工設(shè)計(jì)圖樣必須滿足現(xiàn)行的采礦設(shè)計(jì)規(guī)范，也 必須滿足行業(yè)對(duì)施工圖樣的表達(dá)要求和設(shè)計(jì)習(xí)慣 [17,18]。由于礦山現(xiàn)行圖樣表達(dá)規(guī)范方面基礎(chǔ)工作的薄弱，不同的礦山行業(yè)（煤炭、冶金、有色、建材等）、同一礦山行業(yè)不同的采礦企業(yè)、甚至各個(gè)工程師都有自己的設(shè)計(jì)習(xí)慣，有些習(xí)慣已經(jīng)變成了礦山設(shè)計(jì)的內(nèi)部約定。采礦 CAD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮這些方面的要求，從而給圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成了一定的難度。通過對(duì)采礦施工設(shè)計(jì)圖樣的研究和分析以及參考礦山行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采礦施工圖設(shè)計(jì)一般具有以下特點(diǎn)： (1) 施工設(shè)計(jì)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。 (2) 施工設(shè)計(jì)圖樣一般是平面圖形， 常采用三平面視圖的方式表示。 (3) 施工設(shè)計(jì)圖樣一般包含一些特殊的符號(hào)，這些符號(hào)代表某種結(jié)構(gòu)，是一種簡化或習(xí)慣（約定）的表示方法，在繪圖時(shí)并不要求按照比例要求。 (4) 施工設(shè)計(jì)圖中各種圖元，如線寬、線型、說明文字、尺寸標(biāo)注等等，都有一定要求，它們并不隨圖形比例而變化。 (5) 施工設(shè)計(jì)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。如：炮孔、鉆孔、溜井等，按比例是無法繪制或繪制后不直觀，但為了滿足表達(dá)方面的要求，實(shí)際繪制時(shí)不得不繪成實(shí)際更大一些的。 (6) 施工設(shè)計(jì)圖表達(dá)方面還有其它各種各樣的要求，如礦 巖界線、實(shí)測巷道等通常是光滑曲線等，因此，必須針對(duì)采礦設(shè)計(jì)特點(diǎn)和習(xí)慣進(jìn)行開發(fā)。 設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)圖形核心系統(tǒng)的要求 采礦設(shè)計(jì)對(duì)圖形資源的要求是多方面的，它不僅需要能夠被動(dòng)地顯示設(shè)計(jì)結(jié)果，而更需要能夠在設(shè)計(jì)過程中以圖形方式參與設(shè)計(jì)，將工程圖形修改結(jié)果直接反映到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，即圖形修改和后臺(tái)工程數(shù)據(jù)庫的更新是同步進(jìn)行的。以輔助采礦設(shè)計(jì)全過程的方式實(shí)現(xiàn) CAD系統(tǒng)。要做到這一點(diǎn)可視化技術(shù)和工程數(shù)據(jù)庫的結(jié)合是一個(gè)很好的選擇，因?yàn)?，目前的可視化圖形開發(fā)環(huán)境如 OpenGL 等在圖形交互方面及數(shù)據(jù)庫的接口方面有不錯(cuò)的表現(xiàn) 。 集成化 采礦 CAD 圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 11 通用 CAD 系統(tǒng)軟件通常是一個(gè)封閉或半封閉的軟件系統(tǒng)，它需要占用很大一部分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)很難與之聯(lián)成一個(gè)整體。因此，這種方式開發(fā)的圖形系統(tǒng)一般都是被動(dòng)地顯示圖形，而無法主動(dòng)地用圖形方式來設(shè)計(jì)方案。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(jì)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。從圖中可以看出，整個(gè) CAD 系統(tǒng)的圖形資源全部由圖形核心系統(tǒng)所提供， CAD 應(yīng)用系統(tǒng)與 AutoCAD 不發(fā)生直接的聯(lián)系，而僅僅通過圖形核心系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)圖 形資源的共享，這種結(jié)構(gòu)組成的圖形系統(tǒng)的特點(diǎn)是： (1) 圖形核心系統(tǒng)支持整個(gè) CAD 系統(tǒng)，與各種外設(shè)、其他 CAD 軟件間的聯(lián)系均通過核心系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，使應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不必考慮各種約束； (2) 各種應(yīng)用子系統(tǒng)（如：礦塊設(shè)計(jì)、爆破設(shè)計(jì)、開拓設(shè)計(jì)）等均可以和圖形核心系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)整體； (3) 制圖子系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)圖樣由圖塊組成，圖塊又可以由下一層的圖塊或圖元組成，這種結(jié)構(gòu)比較適合礦山圖形和采礦工藝特點(diǎn)； (4) 通過核心圖形系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與通用 CAD 系統(tǒng)的圖形資源共享，從而可以利用 AutoCAD 等系統(tǒng)豐富的圖形處理功能來管理施工設(shè)計(jì)圖樣。 圖 形核心系統(tǒng)基本功能 由于采礦設(shè)計(jì)的典型工作是對(duì)各種線框形狀的構(gòu)造與顯示，因此圖形軟件系統(tǒng)在 CAD支撐系統(tǒng)中占有重要的地位，通常圖形核心系統(tǒng)需具有如下功能： (1) 提供構(gòu)成圖形的基本元素，如：點(diǎn)、線、面、文字、符號(hào)、光標(biāo)等，它們是組成各種工程圖紙的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。 (2) 提供采礦設(shè)計(jì)常用的基本圖元庫，如：多邊形圖元、參數(shù)圖元、尺寸標(biāo)注圖元、井巷圖元等，允許用戶自定義圖元。 圖形核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)系統(tǒng)優(yōu)化分析系統(tǒng)圖元設(shè)計(jì)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(dòng)、旋轉(zhuǎn)、比例、拷貝、裁剪、透視等等。 (4) 提供圖形元素的多種方法，如：線框圖、真實(shí)感圖、紋理、陰影等。 (5) 提供圖形組成的結(jié)構(gòu)層次， 如：基元、圖塊、層、畫面等等。 (6) 提供人機(jī)交互的基本功能，如：選擇集、批處理、定位、筆劃等。 (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。 (8) 提供各種基本圖形的運(yùn)算功能，如：多邊形交、并、差運(yùn)算等。 (9) 提供反映上述功能的可視化操作界面。 礦山各主要技術(shù)部門地質(zhì)、采礦、測量之間的信息處理標(biāo)準(zhǔn)化、時(shí)效性、連續(xù)性和可視化，是解決目前礦山生產(chǎn)設(shè)計(jì)信息處理分散、軟件重復(fù)開發(fā)的關(guān)鍵，因此，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(tái)的研究是軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。 采礦 CAD 系統(tǒng)基本 圖元集 [17， 19] 采礦設(shè)計(jì)與機(jī)械和建筑設(shè)計(jì)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(shí)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。 一個(gè)高效的采礦 CAD 系統(tǒng)，它首先應(yīng)該是一個(gè)良好的圖形系統(tǒng)，在它的支持下，來完成各種采礦輔助設(shè)計(jì)工作，無論圖形系統(tǒng)如何構(gòu)造，都要考慮圖形的構(gòu)造手段問題，不同的構(gòu)造方式其圖形構(gòu)造效率是絕然不同的。在機(jī)械 CAD 中，圖元集和常用零件 庫的構(gòu)造已有大量研究和開發(fā) [46]。但礦業(yè)領(lǐng)域?qū)ζ渲匾院妥饔弥匾暡粔?。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。實(shí)際上，在采礦 CAD 系統(tǒng)中，基本圖元集的研究具有十分重要的地位，它直接影響采礦 CAD系統(tǒng)開發(fā)的難度、規(guī)模、開放性，決定著采礦 CAD 軟件實(shí)用性、適應(yīng)性、運(yùn)行效率、可維護(hù)性以及軟件的生命周期。 本節(jié) 將在分析礦山圖形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形處理理論，提出用于指導(dǎo)采礦CAD 軟件研制的基本圖元集構(gòu)造原則，在這一原則指導(dǎo)下，對(duì)采礦 CAD 系統(tǒng)的基本圖元集的構(gòu)造及礦山圖元的描述方法進(jìn)行研究。 礦山基本圖元集 構(gòu)造 一、 基本圖元集的構(gòu)造原則 基本圖元集的構(gòu)造將直接影響到采礦 CAD 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度、復(fù)雜性和工作量。它是采礦CAD 軟件設(shè)計(jì)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(shí)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。因此，這是采礦 CAD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須慎重考慮的問題之一。一般來說，基本圖元集的構(gòu)造要遵循以下原則： (1) 完備性原則。盡可能滿足采礦工程設(shè)計(jì)的需要，鄧由基本圖元經(jīng)過一定的組合或變換能生成采礦工程設(shè)計(jì)中所需的圖形。 (2) 最小性原則。即盡可能地使圖元集的數(shù)目最小，這樣可以減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。 (3) 效率原則。即保證圖形具有盡可能快的生成速度，并能使整個(gè)設(shè)計(jì)周期盡量縮短。 (4) 靈活性原則。即依賴于基本圖元集的支持，用戶能對(duì)圖形系統(tǒng)進(jìn)行自由擴(kuò)展，能支持特殊圖形的生成。 二、 采礦 CAD基本圖元的選擇 13 圖元亦稱輸出基元（ Output primitive），它是 CAD 系統(tǒng)進(jìn)行操作和組成畫面（或圖樣）的最基本的素材，一幅畫面由圖元組成，圖元是一組最簡單的最通用的幾何圖形和文字。圖元集是完成工程圖設(shè)計(jì)所需圖元的最小集合。通常認(rèn)為，采礦工程設(shè)計(jì)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。由此而產(chǎn)生了一種觀點(diǎn)：認(rèn)為矢量線段是構(gòu)造采礦工程設(shè)計(jì)圖的基本圖元，根據(jù)這一觀點(diǎn)來研制軟件，雖然也能繪制一些采礦工程設(shè)計(jì)圖，但其圖形生成與存儲(chǔ)效率很低，無法達(dá)到全交互式設(shè)計(jì)的目的。在工程圖設(shè)計(jì)中，常用圖元通常包括：⑴點(diǎn)；⑵直線段；⑶曲線；⑷圓；⑸圓?。虎蕶E圓；⑺橢??；⑻文字；⑼參圖數(shù)；⑽尺寸標(biāo)注；⑾自定義圖元。 根據(jù)采礦制圖標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)采礦設(shè)計(jì)習(xí)慣，我們對(duì)常采礦設(shè)計(jì)圖形進(jìn)行分析和歸類，點(diǎn)圖元可歸入直線段圖元中，即用具有兩個(gè)重合點(diǎn)的直線段來描述幾何，這樣做雖然有些 數(shù)據(jù)冗余，但點(diǎn)圖元畢竟在設(shè)計(jì)圖中用得較少，可以減少一種圖元類型，節(jié)省大量程序代碼；橢圓和橢弧圖元在采礦設(shè)計(jì)圖中幾乎不會(huì)用到，即使用到，也可以用多個(gè) 圓弧 來逼近，因此，不把它收入基本圖元集；圓圖元可以歸入圓弧圖元中，把圓當(dāng)作一種特殊的圓弧圖元來處理。曲線圖元可用有限多個(gè)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(gè)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(gè)不可分割的整體。如用直線段來代替不能表達(dá)整體特性，而且將