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可视化集成采矿c a d技术研究 abs t ract c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i gn) t e c h n o l o g y h a s b e c o m e o n e o f t h e r e a l i s t i c p r o d u c t i v i t y . a n d a s a k i n d o f r i p e a n d c o m m o n t e c h n o l o g y , i t w a s u s e d b y a l l k i n d s o f e n t e r p r i s e s . c o m p a r e d w i t h o t h e r i n d u s t r i e s , m i n i n g c a d h a s b e e n d r o p p e d b e h i n d a l o t b o t h i n u s i n g a n d i n d e v e l o p i n g . a l o t o f s t u d y i n g a b o u t d e v e l o p i n g m i n i n g c a d h a s b e e n m a d e s i n c e t h e m i d d l e o f 1 9 8 0 s , b u t b y n o w , t h e r e i s s t i l l n o r i p e c o m m e r c i a l i z e d mi n i n g c a d s o ft w a r e . mo s t o f t h e m i n i n g c a d s o ft w a r e w h i c h h a v e b e e n d e v e l o p e d c a n o n ly b e u s e d i n a c e r ta i n p h a s e o r a s p e c t o f m i n i n g p r o c e s s . a n d a l m o s t a l l o f t h e m w e r e d e v e l o p e d u n d e r d o s o p e r a t i o n s y s t e m . t h e r e i s a g r e a t d i ff e r e n c e b e t w e e n o u r h o m e mi n i n g c a d a n d t h a t o f a b r o a d . s o , d e v e l o p i n g a v i s u a l i z e d a n d i n t e g r a t e d mi n i n g c a d s y s t e m i s v e ry i m p o r ta n t i n p r a c t i c e . f r o m t h e s y s t e m l e v e l a n d b a s e d o n t h e d e v e l o p m e n t o f s c i e n t i f i c v i s u a l i z a t i o n a n d i n t e g r a t i o n , t h i s t h e s i s p u t f o r w a r d t h e o p i n i o n o f v i s u a l i z e d a n d i n t e gr a t e d mi n i n g c a d s y s t e m , a s w e l l a s a n a l y s i s t h e b a s e p r o c e s s a n d g l o b a l s t r u c t u r e o f m i n i n g c a d . i n t h i s t h e s i s , m i n i n g s y s t e m w a s d i v i d e d i n t o f o u r s u b - s y s t e m s : d e p o s i t m o d e l a n d r e s e r v e s c o m p u t e r s u b - s y s t e m , m i n i n g gr a p h d r a w i n g s u b - s y s t e m , e n g i n e e r i n g a n a l y s i s s u b - s y s t e m a n d e c o n o m i c a l a n a l y s i s s u b - s y s t e m . t h e d e t a i l f u n c t i o n s a r e b a s e d o n t h i s k i n d o f d i v i s i o n . s y n t h e s i z i n g t h e k n o w l e d g e o f c o m p u t e r gr a p h i c a l , e n g i n e e r i n g d a t a b a s e a n d t h e r e q u e s t o f mi n i n g c a d , t h i s t h e s i s b r i n g f o r w a r d t h e o p i n i o n o f c o m b i n i n g mi n i n g c a d a n d d a t a b a s e t o d e v e l o p mi n i n g c a d s y s t e m , a n d u s e t h i s o p i n i o n t o a n a l y s i s t h e r e a l i z a t i o n a n d d a t a b a s e t a b l e s d e s i gn o f 3 - d m o d e l o f d e p o s i t a n d gr a p h s o f w e l l a n d l a n e . c o m p a r i n g t h e a d v a n t a g e s a n d s h o rt c o m i n g s i n d e t a i l , t h e w r i t e r t h i n k t h a t d e v e l o p i n g v i s u a l i z e d a n d i n t e gr a t e d mi n i n g c a d s y s t e m w i t h o b j e c t a r x , a m e t h o d o f d e v e l o p i n g a u t o c a d , c a n m a k e t h e b e s t o f t h e t e c h n i c a l i n e x i s t e n c e , r e d u c e t h e d e v e l o p i n g w o r k l o a d . f u r t h e r m o r e , w e c a n e x t e n d t h e s y s t e m c o n f i d e n t l y i n t h e f u t u r e . a mi n i n g e n g i n e e r i n g g r 即h l i b r a ry m a n a g e me n t m o d u l e , w h i c h c o u l d r e d u c e t h e 可视化集成采矿c a i 技术研究 r e p e a t d r a w i n g o f a s a m e e n g i n e e r i n g p a rt i n s e r i e s g r a p h s , w a s s u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d w i t h o b j e c t a r x . t h i s m o d u l e h a s f o l l o w i n g f u n c t i o n s : e x p a n d i n g g r a p h l i b r a ry , i n s e rt i n g g r a p h i c b l o c k , p r e v i e w b l o c k e t c . d e v e l o p i n g a v i s u a l i z e d a n d i n t e g r a t e d mi n i n g c a d s y s t e m i s a v e ry d i ff i c u l t p r o j e c t . i t i n v o l v e d i n a l o t o f f a c t o r s . t h i s t h e s i s o n l y d i s c u s s e s t h i s p r o j e c t o n t h e a s p e c t s o f d e v e l o p i n g s c h e m e , d e v e l o p i n g m e t h o d e t c . t h e r e a r e s t i l l l o t s o f w o r k a n d r e s e a r c h t o b e d o n e t o p r e f e c t mi n i n g c a d . k e y w o r d s vi s u a l iz a t io n , i n t e g r a t io n , m in in g c a d , a u t o c a d , o b j e c t a r x , d e v e l o p i n g 可视化集成采矿c a d技术研究 第1 章 绪 论 现代市场需求多变、竞争激烈，对工程、产品的质量、性能、价格 和周期提出了更高的要求。因此，传统设计( 属于经验的、近似的、静态 的、 可行的设计) 需代之以现代设计( 属于理论的、精确的、 动态的、 优化 的设计) ，手工方式设计需代之以自 动化设计，就必然要采用计算机进行 辅助设计。 对于我国矿山生产企业而言， 建立矿山c a d 系统是市场竞争的 必然结果。 国内 不少单位和科研机构已 开发了一些采矿c a d 应用系统， 如 矿井巷道断面设计、 矿山压力的有限元分析、 采矿图c a d 系统等等。 但作 为一个行业来讲， 我国矿山企业的c a d 应用仍处于一个非常低的水平， 我 们没有自己开发的适于我国矿山生产的采矿c a d 系统是主要原因之一。 本 论文将对可视化集成采矿c a d 系统的设计和实现的一些问 题做一些探讨。 1 . 1 c a d 技术的发展回顾 计算机辅助设计 ( c a d : c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 技术是以计算机、 外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、 有限元分析及优化设计、仿真模拟及产品数据管理等内容。 c a d 技术的 应用只是近四十年的事， 然而在这四十年当中， 随着计算 机硬件技术的发展和计算机图形图像理论的发展， c a d 技术也取得了巨大 的成就。 1 . 1 . 1 c a d发展的 几个阶段 c a d 的发展大致经历了以下几个阶段 卜 们 : 1 . 蓬勃发展和进入应用时期 ( 6 0 年代) 提出了计算机图形学、交 互技术、 分层存储符号的数据结构等新思想， 从而为c a d 技术的发展和应 用打下了 理论基础。6 0 年代中期出现了许多商品化的c a d 设备，6 0 年代 末，美国安装的c a d 工作站己达2 0 0 多台，可供几百人使用。 2 .广泛使用的时期 ( 7 0 年代) 1 9 7 0 年美国a p p l i c o n 公司第一个 推出完整的c a d 系统后，出现了面向中小企业的c a d / c a m 商品化系统。 可视化集成采矿c a d技术研究 7 0 年代末，美国c a d 工作站安装数量超过1 2 0 0 0 台，使用人数超过2 . 5 万。 3 .突飞猛进的时期 ( 8 0 年代) 在这个时期，图形系统和c a d / c a m 工作站的销售量与日 俱增，美国实际安装c a d 系统至1 9 8 8 年己发展到 6 3 0 0 0 套。 c a d / c a m 技术从大中企业向小企业扩展; 从发达国家向发展中 国家扩展;从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。 4 .开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期 ( 9 0 年代) 由于 微机加视窗9 5 / 9 8 / n t 操作系统与工作站加u n i x 操作系统在以太网的环 境下构成了c a d 系统的主流工作平台， 因此现在的c a d 技术和系统都具有 良好的开放性。图形接口、图形功能日趋标准化。 图1 - 1智能 c a d 系统 在c a d 系统中， 综合应用文本、图形、图 像、语音等多媒体技术和 人工智能、专家系统等技术大大提高了自 动化设计的程度，出 现了智能 c a d 新学科。 智能c a d 把工程数据库及其管理系统、 知识库及其专家系统、 拟人化用户接口 管理系统集于一体，如图 1 - 1 所示。 1 . 1 .2 c a d系统的构成及分类 c a d 技术集中体现在c a d 系统上， c a d 系统是最终用户用来实现设计 思想、加速产品和工程设计的信息化工具。 可视化集成采矿c a d技术研究 图1 - 2 c a d系统的硬件基本组成 1 . c a d 系统的构成 c a d 系统硬件构成如图1 - 2 所示， 从其体系结构 讲可分为三个层次， 如图1 - 3 所示。 基础层由 计算机、 外围设备和系统软 件组成。系统软件在工作站上流行u n i x 加m o t i f 操作系统，在微机上流 行w i n 9 5 / 9 8 / n t 操作系统。 系统软件还包括支撑软件、 系统开发和维护的 工具软件。 支撑层包含了图1 - 3 中部所示内容， 随着网络的广泛使用， 异 地协同虚拟c a d 环境将是c a d 支撑层的重要发展趋势。 应用层针对不同 应 用领域的需求有各自的c a d 专用软件来支持相应的c a d 工作。 禁it g i# itc ad c ad 一3k _c a d 一a v c a d 一 c a d 一)k ac a d 一a3 a6 1 i= . 3c a d , c a d 一ir ac a d4 h v i濡 应用层 c a d 支抹软件 用户接口与人机交互 面向应用的二次开发环境 参数化特征几何造型 支撑层 真实感图形显示 异地协同度拟设计 i n t e r n e t / i n t e e n e t 应用丈抹 产品数据管理 / /基础层 / 计算机硬件及系统软件 图， - 3 c a d系统的三层结构 可 视化集成采矿c a d技术研究 2 . c a d系统的分类 c a d系统作为计算机应用系统的一个重要分支， 经历了三个发展阶段， 即: 多用户共享一台计算机; 一个用户使用一台计 算机;多个用户共享多台计算机。 从系统结构上看，c a d系统大致可分 为两类， 即集中式系统和网络系统。 集中式系统要求有功能较强的计算机， 一次投资大，使用起来不灵活，在 8 0 年代中期以前应用比较广泛。从工 作站和高性能微机问世以后， 大多数用户采用工作站和微机网络系统来代 替这类集中式c a d系统，形成网络化的系统。 1 . 1 . 3 c a d支排软件 c a d支撑软件主要包括: 1 . 设备驱动程序， 如wi n d o w s 操作系统支持的设备驱动程序集， i s o 通用的 标准程序库c g i ( c g i : c o m p u t e r g r a p h i c s i n t e r f a c e ) ， 又如h p公司 提供的绘图仪、打印机设备驱动程序等; 2 ，窗口管理系统，工作站上流行 mo t i f窗口系统;微机上 wi n 9 5 , wi n 9 8 , wi n n t窗口 系统，微机上的窗口系统己代替了过去的d o s 操作 系统， 成为最大众化的操作系统。 窗口 系统中包含了丰富的图形用户接口 ( g u i : g r a p h i c u s e r i n t e r f a c e ) 程序， 多 媒体用户接口 程序 ( m u i ) 和网 络用户接口 程序 ( n o i ) ; 3 .二维计算机辅助设计绘图 系统; 4 三维线框、曲面、实体和特征统一表示的数字化建模系统; 5 .三维真实图形实时显示系统; 6 . 产品 数据管理系 统p d m s ( p r o d u c t d a t a m a n a g e m e n t s y s t e m ) ; 7 .智能c a d系统; 1 . 2 c a d 技术在矿山 生产中的 地位 现在的c a d技术己 演变成一个广义的概念，它除了我们通常所说的 计算机辅助设计与绘图外，还应包括计算机辅助工程分析 ( c a e ) 、计算 机辅助工艺规划 ( c a p p ) 、计算机辅助制造 ( c a m)和产品数据及图档 管 理 ( p d m s ) 7 1 。 在美国 工程科学院 评出 近2 5 年来全球十项最杰出的 工 可视化集成采矿c a i 技术研究 程技术成果中， c a d技术列第4 位 7 1 ，由 此可见c a d技术对一个企业乃 至国家的重要性。 在企业中实施 c a i ) 系统，改变了传统的设计、生产、管理模式，建 立一种新的设计、生产、营销管理体制。成千上万的企业从应用c a d技 术取得效益的实践证明， c a d技术对加速新产品开发、缩短设计制造周 期，提高质量，节约生产成本，增强产品市场竞争能力发挥着重要作用。 c a d手段成了企业进入市场经济大门的一把金钥匙， 是广大企业求生存、 求发展的需要， 是进入国际市场的利器，是实现 “ 两个转变” 的基本技术 措施， 是提高企业技术创新能力的关键组成部分。 可以说， 一个生产型企 业，如不能在设计阶段采用c a i ) 作为设计工具，它是不可能在激烈的市 场竞争中取得好的 经济效益的。 矿山作为一种生产型企业， 同样存在市场 竞争。 每一生产矿山 都有自己的长远规划和短期的生产计划， 借助计算机 来完成矿山的生产设计和规划工作、 提高矿山企业的经济效益是矿山 技术 人员共同的努力方向。 从现有的文献资料来看， c a d技术在开采设计中的应用日 益广泛和深 入。 它作为一种高速、 精确的新型设计手段和工具，己 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、 爆破设计、回采设计、 排水系统设计与绘图、 露 天采掘进度计划辅助编制、露天境界圈定、露天汽车运输线路辅助布置、 露天与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，由地质剖面图生成平面图、由地质 平面图生成剖面图， 地下采区布置图绘制等等。目前我国大部分矿山企业 经济效益不够理想， 因此， 开发出符合我国矿山生产特征又能跟上世界软 件发展趋势的具有高性能的集成采矿c a d系统对于我国各大中小型矿山 来说具有重要的意义，具体表现在以下几个方面: 1 .减轻图纸设计人员绘图工作量，提高图纸设计人员工作效率; 2 .缩短矿山生产周期，提高矿山生产效益及其在市场上的竞争力， 提高企业的知名度; 可视化集成采矿c a d技术研究 3 .为工程设计人员提供了选择最佳方案的可能; 4 .设计者可根据实际情况调整设计方案，因而减少了出错和重复工 作的可能; 5 .提高了设计的精确度，减少设计误差，保证矿山的安全生产。 1 . 3国内 外采矿c a d 技术概况 c a i 技术在机械、 电子、 航天、 化工、 建筑等领域己 得到广泛的应用。 相对来说， 这些领域的c a d软件具有更为广阔的市场，因而，除了那些 进口的软件之外， 许多的国内软件公司都开发出了应用于以上某一领域或 多 个领域的国 产c a d软件， 如大恒通用机械c a d ( h m c a d ) 系统、东 大阿尔派软件有限公司的u m c a d软件、 利玛c a d t o o l s - p e c a i 系统等。 计算机辅助设计技术在矿山 行业中的应用，国外始于七十年代。 到了 八十年代，出现了一些功能较齐全的c a d软件系统，其中以 矿床模型为 代表的矿用软件发展很快， 涉及到地质资料处理、 矿床建模、 开采辅助设 计、 管 理 信息 系 统 等 各个 方 面8 -9 1 。 其中 少 数 软 件 如d a t a m i n e . v u l c a n 己 实 现了 真 三 维 集成图 形 环境 1 10 1 ， 大 部分 软 件仅 适 用于 某 个专 业工 作， 如 储量计算、 采掘计划编制、 地测图绘制、 爆破设计等。 d .h a r t l y 等人研制 的 地下 矿 设 计 软 件， 建 立了 一 个采 矿 工 程图 库， 根 据需 要， 可以 4 谁 安装 这些图形，完成采矿的设计工作，并可给出设计结果的立体图和投影图。 i n t e r g r a p h 公司 采矿与 地质应用分部研 制的i n t e r g r a p h 这样一 个给定的 交 互式图形系统， 用来管理一个复杂的、 动态矿床模型。 美国的许多矿山公 司 如赖 特公司 、比 特尔 建 筑与 矿山 公司等， 都由 于应用i n t e r g r a p h 系统而 取得了很好的经济效益。 在德国， 安装在工作站上的采矿设计集成化系统， 它把地质统计学、 矿床模型、 储量计算、 开采设计、 模拟开采、 岩石力学 和效果评价等综合在一起来解决矿床开采的设计问 题 1 3 1 。 进入九十年代， 随着) x r i n d o w s 9 5 / 9 8 / 2 0 0 0 / n t等可视化操作系统的发布， 可视化和集成化 技术随之在 c a d / c a m. g i s 、流体力学、有限元计算等领域得到广泛的 应用 1 1 1 ， 在矿用软件方面亦已 起步， 如d a t a m i n e . v u l c a n , e a r t h w o r k s . mi n t e c 等。 一一一一 一 一 厂一一 一 . . . 月 可 视化集成采矿c a ) 技术研究 1 9 9 8年 1 2月，四 家国外有名的 矿山 c a d软件: 英国的 s u r p a c . d a t a m i n e ,美国的m i n t e c 和澳大利亚的g e m c o m应邀分批到德兴铜矿进 行了软件测试。 测试的结果表明，这些软件在数据库管理、地质模型、 地质统计分析、 储量评估、 采矿境界优化、 矿山设计及开采计划优化、 现 场控制等方面都表现出了较高的水平。但对于新建矿山而言，除 mi n t e c 和d a t a m i n e 外， 其它两家都需要辅以 另外的软件模块才能很好地工作o z l 虽然这几种软件性能都较好， 但由于种种原因， 它们并未能在我国矿山广 泛推广。 自 8 0年代中期以 后，我国有少数矿山和设计单位开始引进国外的矿 业软件，并在一定的程度上消化吸收，取得了一定的成果: 鞍山黑色冶金设计研究院是较早着手开发采矿c a d软件的单位之一。 他们开发的“ 露天矿采剥计划c a d软件包” ，利用c a d技术来编制露天 矿中短期采剥进度计划， 其主要原始资料是地质分段平面图或剖面图。 后 来又研制了“ 采矿、 地质总图优化软件” ，主要用于完成露天矿采剥进度 计划的计算机模拟编制并出 工程图表， 辅助布置露天矿汽车运输线路， 建 立地质及经济块段模型， 露天矿境界优化圈定， 各种矿岩量的统计与计算， 由地质剖面图生成地质平面图等。虽然从软件开发水平和质量上不算太 高，但却从c a d技术在矿床开采中的实际应用上朝实用化方面前进了一 大步， 解决了 工程实际问 题，先后在冶金系统的二十多家矿山 推广应用。 北京有色冶金研究总院曾于八十年代中期引进了美国苹果公司的矿 床模型系统软件， 并在多家矿山推广应用。 它主要是用地质统计学方法来 分析地质勘探资料， 建立空间的品位模型、 岩性模型、 地形模型，并辅助 输出各种平、 剖面方块图， 为矿床开采设计提供依据。 后来又与德兴铜矿 合作， 进行 “ 德兴铜矿大型露天矿采矿技术攻关”( 国家七五攻关子项 目) ，其主要内 容包括露天矿采掘进度计划微机辅助编制，用多重圆锥法 确定优化的露天开采境界， 应用地质统计学方法建立矿床模型， 应用动态 规划原理编制优化露天采掘进度计划等内容， 研制了相应的软件并投入运 行。 前中南工业大学资开系经过多年努力开发了d m在其实现的过程中，综合 计算机图形学、工程数据库和采矿 c a d的要求，提出将采矿 c a d与数 据库相结合起来的方式， 并用此观点对矿体三维模拟绘制井巷图形的具体 实 现 作了 较 详 细的 分 析; 在开 发 平台 上， 本文 选用o b j e c t a r x c a u t o c a d r u n t i m e e x t e n s i o n ) 对a u t o c a d r l 4 进行二次开 发， 并结 合采 矿图 纸设 计实际， 给出了开发实例一采矿图库管理模块。 在结尾还给出了 其主要源 代码。 可视化集成采矿c a d技术研究 第2 章 可视化集成采矿c a d 开发方案的选择 本章结合当今图形图像的发展新技术，将可视化、集成化技术引入 采矿c a d 软件开发中，提出了有关可视化集成采矿c a d的一些基本概念 和设想。 2 . 1可视化技术的发展与现状 近年来，随着科学技术的迅猛发展， 科学计算所涉及的领域越来越 广， 研究对象也越来越复杂， 计算量变得越来越大， 待处理的数据也越来 越多， 无论是通过计算还是测量获得的数据与日俱增， 人们面临着分析和 解释大规模数据的艰巨任务， 使得人们不得不去寻求一种新的处理数据 手段，以帮助人们更好地理解和解释我们所获得的数据。 科 学计 算 可视 化( v i s c : v i s u a l i z a t i o n i n s c i e n t i f i c c o m p u t i n g ) 是8 0 年代末产生的新技术。 它是一门交叉学科， 它综合利用计算机图形 学、图像处理及信号处理等领域的各种知识，对科学工程计算或实验测 量获得的科学数据进行处理，形成可视的图形图像，以帮助人们更直接 理解科学工程问题。 1 9 8 6年， 美国 科学基金会( n s f ) 专门召开了一次研讨会， 会上提出了 科学计算可视化的概念， 第二年美国m e c o r m c k 等向美国国家科学基金会 提交了“ 科学计算可视化研究报告” 以后， 美国国家科学基金会正式把科 学计算可视化列为重点资助项目。 科学计算可视化一经提出， 很快就在计 算机图形学的基础上发展成为一门新兴的学科方向， 它融合了计算机图 形技术 ， 工作站技术， 计算机辅助设计与交互技术、 网络技术、 视频技术。 短短几年时间， 科学计算可视化己经被成功的运用于天体研究、地震预 测、气象分析、航空航天、船舶、建筑等许多领域。科学计算可视化计 算结果的分析过程中所带来的直观性、准确性等都给人们研究问题带来 了很大方便， 科学计算可视化的快速发展引发了科学计算的计算风格的 一次革命。 可视化集成采矿c a i 技术研究 可视化作为一种工具， 通过将符号信息( 数据) 转换成视觉信息( 图 象) ， 将冗繁的数据准备、 计算和修改交给计算机去做， 使用者只与图形 打交道，能直接看到其所做工作的效果。由于可视化技术实用价值大、 使用面广，很快受到了人们重视，并逐步在各行业得到广泛应用，是当 今软件发展的一个重要方向。 2 . 2 c a d 集成化技术墓本内 涵 集成就是向企业提供一体化的解决方案。集成的出发点是:企业中 各个环节是不可分割的，必须统一考虑，企业的整个生产过程实质上是 信息的采集、传递和加工处理的过程。从集成的c a d 系统来看，可分为 以下四个层次: 其一是以“ 甩掉图板” 为目 标的计算机辅助绘图与设计系统。目 前， 我国不少行业在此层次上的普及率和覆盖率已超过 1 / 3 ，但在我国的大 多数矿山企业，矿山设计生产图纸仍是以手工绘制为主，因而我们以后 要大力发展c a d 在矿山设计中的应用。 其二是以资源共享、权限控制为目 标的产品信息管理系统。由 此可 以甩掉纸介质的图纸文档，并且在企业中实现设计生产和管理信息的集 成，逐步实现甩掉工艺卡。国内有些矿山企业，已经有了自己的信息管 理系统，但大多数矿山管理系统并未将生产设计作为整体的一部分纳入 管理的范围。我国矿山企业要达到这一步，还有相当一段距离。 其三是以建立全局产品模型、无纸设计、加工管理为目 标的计算机 辅助三维设计、分析、仿真模拟、加工集成系统。波音 7 7 7 的设计制造 过程是应用这类系统的典范。 其四是以控制产品生命周期为目 标的并行工程。并行工程的基本要 素是优化设计，并且从产品性能设计、产品制造工艺性能设计、产品可 检测性能设计、产品可维护性能设计以及产品依从性能设计人手进行优 化，促进市场对路的新产品快出多出。 对于国内的大部分矿山企业而言，“ 甩掉图板” 、提高矿山工程技术 人员绘图效率仍应作为首要目 标。 我们广大采矿c a d 系统开发研究人员， 可视化集成采矿 c a d技术研究 应根据我国矿山的生产实际，将矿山的生产设计同其它环节紧密结合起 来，开发出适合国内矿山生产的采矿c a d 系统。 2 . 3可视化集成采矿c a d 可视化集成采矿 c a i 系统是一种集科学可视化( s v : s c i e n t i f i c v i s u a l i z a t i o n ) 、 系统集成化( i n t e g r a t i o n ) 、 开采辅 助设 计( m c a d ) 技术为一 体的综合软件系统。它是以矿床开采资源信息和工程信息数据高度共享 为核心，以矿床模型为基础，采用可视化、集成化技术和方法，实现矿 山建设、生产、设计各阶段和各个环节的信息集成和可视化辅助设计。 目 前国内外大多数矿床开采辅助设计软件都基于一般意义的c a d 概 念，即以图形支撑软件为基础，由设计人员准备数据或分析和计算后， 进行图形显示或交互式绘图，这实际上是设计人员的思想用图形表达而 己，是通常意义上的计算机辅助设计，而不是可视化集成化的计算机辅 助设计。人们希望计算机能做到的是有了设计人员的知识、经验、设想 后，通过计算机的计算、分析、比较和判断，将量化后所形成的数据结 论用图示方法输出来，设计者再依据它修改方案 ( 直接图形方案修改) ， 反复数次后达到满意的结果。 研制可视化集成采矿c a d系统是实现这一 目 标的最佳途径，数据库技术、可视化分析技术、矿床实体模型、开采 辅助设计技术四者的集成化将是本领域发展的方向。 由于矿山企业具有设计项目多 ( 开拓、采场、巷道和各种酮室等) ， 设计工作量大， 计算分析复杂， 涉及的图纸种类繁多， 图纸量大， 要处理 的数据量也相当大， 加上生产过程中修改添加工作量大及不确定性等特 点，使得采矿c a d系统相对于其它行业的c a d系统更为复杂，这就要 求采矿c a d系统设计人员要充分考虑各阶段、各部门的需求，才能在最 大程度上满足矿山生产的需要。 本论文以下章节主要就可视化集成采矿 c a d系统开发平台和开发 工具的选择以及整体模块功能设计作一些探讨。 可视化集成采矿c a d技术研究 2 . 4 开发平合及方案的选择 无论开发何种软件，所要做的第一步工作就是选择开发平台和开发 工具。开发平台决定了该软件投入使用时所要求的硬件及系统软件环境， 而所选择的开发工具除影响开发人员的开发效率外， 更重要的是它还会对 所开发的软件各方面的性能产生重大影响。 因而， 开发平台 和工具的 选择 对于应用软件的开发来说是至关重要的。 目 前我国国内的c a d软件市场，存在两大流派:一是拥有自主版权 c a d软件，如开目、凯思等。此类软件是直接在操作系统的基础上开发 出来的，它不依赖于任何其它 c a d基础软件而存在:二是在 a u t o c a d 上进行二次开发的c a d软件如:清华天河、大恒、g e n i u s 等软件。 为了 减少开发底层和种基本模块的工作量，充分利用现有技术，本 文建议选用国 际 上先进的面向 对象的c a d开发平台 a u t o c a d r 1 4 .0 1 的o b j e c t a r x ， 作为 可视化集成采矿c a d软件的开发平台。 a u t o c a d是 1 9 9 7 年美国a u t o d e s k公司推出的新一代基于wi n d o w s 9 5 和wi n d o w s n t 系统的微机通用绘图系统。 它采用开放式的体系结构， 允许用户或二次开 发商扩充新的 功能和设计各种应用程序。而 o b j e c t a r x则是一种面向 对 象的二次开发 环境。 下面就a u t o c a d各种不同的开发环境作简要的介绍。 a u t o c a d r 1 4提供了开放性的二次开发接口，包括 a u t o l i s p( 在 a u t o c a d 2 0 0 0中演变为 v i s u a l l i s p ) . a d s ( a u t o c a d d e v e l o p m e n t s y s t e m ) . v b a ( m i c r o s o f t v i s u a l b a s i c f o r a p p l i c a t i o n s ) 及o b j e c t a r x等， 它们的主要特点和区别如下所述: a u t o l i s p是一种解释性的语言，它最先出现在 a u t o c a d 2 . 1 7上。 a u t o l i s p 提供了 一个向a u t o c a d增加命令的机制，主要用于修改和扩 充a u t o c a d命令及系统菜单、设计对话框驱动程序、 实现对图形库的直 接提问 和修改，是a u t o d e s k 公司提供的第一代开发环境。 a d s 是a u t o c a d系统的第二代开发环境， 最先出现在a u t o c a d r 1 2 上。a d s 应用程序用c语言编写，除了可用标准c函数外， 还可以使用 对a u t o c a d进行操作的a d s 函数。以前的a u t o c a d系统的二次开发， 大多采用a d s开发环境。 可视化集成采矿 c a i 技术研究 用a u t o l i s p 和a d s 设计的应用程序以及a u t o c a d系统本身实际上 都是一个独立的进程，它们之间的通信是通过 i p c ( i n t e r p r o c e s s c o n u n u n i c a t i o n : 进程间通信) 机制来实现的。 即a u t o l i s p 应用程序作为 一个独立的进程，与a u t o c a d系统之间利用i p c机制通信;而a d s应 用程序作为一个独立的进程首先利用 i p c机制与 a u t o l i s p通信。 a u t o l i s p和a d s 应用程序都只能使用静态的a u t o c a d命令集和系统提 供的结构化函数库， 因而在程序的速度和功能上受到一定的限制 ( 如图2 一1 所示) 。 a d s即p l i c a t i o n i p c 分布处理 a u t o l i s p i p c a ut o c a d 直接函数调用 a m a p p l i c a t i o 图2 - 1 a u t o l i s p , a d s 和 a r x与a u t o c a d的关系 值得注意的是， 在a u t o d e s k 最新发布的a u t o c a d 2 0 0 0 中， 已不再支 持a d s 开发 环境， a d s已 完全被o b j e c t a r x所取代， 成为o b j e c t a r x 的一个子集，即我们在用o b j e c t a r x开发程序时所用的a d s r x . o b j e c t a r x同v b a , v i s u a l l i s p( 在 a u t o c a d 2 0 0 0中内 嵌， 是 a u t o l i s p 升级替代产品， 其主体部分仍是一个o b j e c t a r x应用程序) 一 道被 称为 是a u t o c a d的 第 三 代 开 发 环 境。 o b j e c t a r x的 编 程环 境 在很 多 地方与a d s 和a u t o l i s p 的 编程环境是不同的。 o b j e c t a r x主要有如下几 个特征和功能: 1 . a r x应用程序是一个d l l a r x应用程序 ( a r x a p p l i c a t i o n ) 可视化集成采矿 c a d技术研究 不再是一个独立的进程，而是一个动态链接库。它分享a u t o c a d的地址 空间，能够直接利用a u t o c a d的内核代码，直接访问a u t o c a d数据库、 图形系统及几何造型核心，在运行期间实时扩展 a u t o c a d具有的类及其 功能，建立与a u t o c a d本身固有的命令操作方式相同的新命令。由于避 免了使用i p c作为中介的代价，因此，一个a r x应用程序的运行速度比 a d s 和a u t o l i s p 程序要快得多。 2 .面向对象技术的广泛应用以前的a d s 或a u t o l i s p 都是面向过 程的开发接口，由 于o b j e c t a r x利用了面向 对象的技术， 可以 将描述实 际特征和变化关系的智能型设计对象变成a u t o c a d图形数据库中的一级 对象，a u t o c a d的编辑命令能够直接对其操作，a u t o c a d还可基于它们 的内 在显示特性予以 相应的屏幕显示。 面向对象技术使应用模块能将通常 的直线、圆弧、圆等几何元素的组合变成具有采矿专业特定的设计模型， 具有相应的设计行为特征，以便于智能化设计。 这样， 我们所开发的软件 所建立的就是具有采矿工程属性的专业应用对象， 而不仅仅是由直线、 圆 弧组成的图形， 并且该图形是一个整体 ( 如某种标准规格的断面) ，而不 再是分散的直线或圆弧。 a r x库包含很多的开发工具，使用户能方便地 开发a u t o c a d的开放环境、数据结构和图形系统。 3 .事务管理就是将各个动作组合在一起，看作一个操作单元。一 个操作单元内 部还可以 有其他操作单元， 即操作单元可以 嵌套。 事务管理 的好处不仅在于对动作的易于管理，也可以简化u n d o / r e d o 存储的有关信 息。 例如， 我们在绘制巷道的横断面时，可在输入相应的参数后， 将整个 巷道一次画出，而不需手工绘制每一部分。 4 .消息响应实现对象间的消息传递。 面向对象的c a d系统是以对 象为核心， 对象之间的通信是通过消息的发送和接收实现的。 称消息发送 的对象为通知对象， 接收消息的对象为响应对象。 当系统中一个事件发生 时， 通知对象就自 动将该消息传给其他对象。 消息响应是可以存储的， 当 图形文件再次调入系统中时，对象之间的消息响应关系仍然存在。 5 .非图形数据的存储对于一个工程，不仅有具有图形表示的专业 对象，而且还有大量的工程数据 ( 非图形数据:如在我们矿山生产中巷道 可视化集成采矿 c a d技术研究 掘进时， 对不同巷道凿岩工具及所用炸药参数都是有不同要求的; 不同 地 点巷道的围岩性质也是不同的) 。 a u t o c a d专门有一个字典用于存储非图 形数据， 字典就是一个将一个字符串与一个对象相对应的映射， 该字符串 称为关键字。 一个字典中的关键字必须唯一， 字典中的对象可以是任意类 型的非图形对象， 由 于字典本身也是一个非图形对象， 所以字典中可以再 包含字典，从而形成嵌套。 6 .对象的可扩充性基于面向对象技术的 c a d 开发平台的最大一 个优点就是其可扩充性。 通过从已有类派生出新类， 既可以继承己有类的 功能， 又可以 加入特有的数据和方法。 利用面向对象技术的优点在于:己 有类的派生类自己管理自己的数据， 并负责对其存储和读取; 对于图形对 象还要定义自 身如何显示。专业应用软件可从已 有的 o b j e c t a r x类中 派 生出具有工程属性的专业对象， 从而构建整个模型。 在开发采矿 c a d时， 我们可以从现有的类中派生出矿山生产中特有的数据类型。 7 .通用几何库 为了 支持几何图形的 数据表示， o b j