（系统工程专业论文）3D地测CAD系统研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 3 1 ) 地测c a d 系统研究 专业：系统工程 硕士生：乔长录 指导教师：陈永锋教授 摘要 随着经济的发展和c a d 技术的不断完善与普及，矿山企业生产设计与管理的自动化水平 已绪戋为衡量其生产水平与硬代化程度的重要标准。地测采作为矿山企业生产设计与管理的基 本环节，自然成为矿山企业自动化逮设的重要组成部分。而目前沿用的经由图纸资料和台帐资 料手工设计与管理的操作方式根本不能i 醣釜见代化生产设计与管理的需要，制约着矿山企业的 发展。因此，建立地测c a d 系统，是矿山企业自动化建设的基本任务。 本论文研究的3 d 地测c a d 系统是北瑶洞铁矿自动化建设的重要组成部分。论文以北溶 河铁矿的地测采生产设计与管理为实际应用背景，主要针对c a d 技术在地测中的应用以及为 采矿设计$ 黾供完整的地质资料，对软件设计与实现中所涉及到的几个关键技术与方法、软 牛的 整体架构以及软件开发工具和开发环境的选取等方面进行了讨论与研究。 论文从工程应用的实际出发，主要进行了以下几方面的工作： 地钡4 数据的存取结构及其与相关图形的互动技术 基于人工神经网络的矿岩界线的自动绘韦l 娌论与方法 基于0 l 掰吼技术的3 d 矿莎融溪型的自动生成理论与方法 基于粗糙集理论的地测数据预测分析模型 本论文综合运用了先进的o b j m a n x 技术、数据库技术、o t z n g l 图形技术、a d o 数据 库连接技术，以可视化开发工具v i s u a l c + + 6 0 为开发平台，以a u t o c a d 通用图形系统为应用 平台，以m s s q l s e r v e r 为数据库平台，完成了系统的总体设计与软件实现。整个软件系统与 a u t o c a d 浑然一体，界面友好，人机交互性能强，使用非常方便。本论文软件系统的应用， 将使地测采设计过程对设计者专业知识和经验的依赖| 生更小，系统设计质量更高，设计周期更 短，更能体现3 d 地测c a d 的强大功效。 关键词：3 d 地测c a d 3 d 矿床模型o b j e c t a e , x0 p e r l g l 粗糙集神经网络 论文类型：应用基础 西安建筑科技大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho i lc a d s y s t e m o f 3 d g e o l o g i c a ls u r v e y s p e c i a l t y ：s y s 缸me n g i n e 咖g p o s t g r a d u a t e ：q i a oc h a n 垂u i n s t r u c t o r ：p r o c h e r t y o n g f e n g w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dc a d t e c h n o l o g y sc o n s l a n tp e r f e c t i o na n dp ( ) p u l a r i z 瓶 a t t t o r n a l i z a l i o nl e v e lo fm i n ee n t e 平r t s ed e s i g n i n gm a dm a n a g e m e n tf o rn m u f a e t u r i l l gh a sa k r e a d y b e c o m e i m p o r t a n ts c a r l d 莉o f m e - - r i n g i t sn m u f a c t t r i l l gl e v e la n d m o d e m i z 耐d e g r e e g e o l o 倒 s u r v e y i n ga n dm i n i n g a sb a s i c c 0 枷p ) 栅to fm i n ee n t e r p r i s ed e s i 鳓a ga n dm a n a g e m e n tf o r m a n u f 丑c t u r i n gn a t u r a l l yb o t o m ea l li m p o r t a n tp a r to f m i n ee n t b i p r i s e sa u t o m a t i o nc o n s a u c f i o n b u t t h eo p e l 嘶o nm o d eo f m a m m l d e s i g n i n g a n dm a n a g e m e i i tv i a d r a w i n g m a t e r i a l sa n ds e t so f a c c o u n t m a t e r i a l sc 锄tm e e tt h er e e d o f d e s i g n i n ga n d 瑚蝣e m e n t f o rm o d e r n i z e d m a n u f a c t u r e , r e s t r i c 血a g t h e d e v e l o p m e n t o f m i n e e n t e r p r i s e s s o , s e t t i n gu pc a ds y s t e mo f g e o l o g i c a ls u r v e y i st h eb a s i ct a s k o f e n t e r p r i s e sa u t o m a t i ce o 删o n c a d s y s t e mo f 3 dg e o l o g i c a ls t m , e y * e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri s8 1 1i m p o r t a n tp a r to f b e i m i n g h e i r o no r e e n t e r p r i s e sa m o m a f i z a f i o ne o n s t m c t i o n t h i sp a p e rr e s e a r c hf o r m a n u f a c t u r i n gd e s i g n i n ga n d 嗍e m e n t o f b e i m i n g h ei r o no r ee n t e r p r i s ew h i c hi si t sa c t u a la p p l i c a t i o nb a c k 4 9 r o u n d a i m i n g m a i n l ya tt h ea p p l i c a t i o no fc a dt e c h n o l o g yi ng e o l o g i c a ls t a v e ya sw e l la sp r o v i d i n gc o m p l e t e g e o l o g ym f l t g l i a l sf o rm i l l i n gd e s i g r a n g ，t h i sp 印盯h a sd i s c u s s e da n ds t u d i e ds e v e r a lp i e c e so fk e y t e c h n o l o g ya n dm e t h o di n v o l v e di nd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs o f t w a r e , w h o l es t r u c t u r ea sw e l la s s e l e c t i o no f d e v e l o p m e n tt o o la n de n v i r o n m e n to f s o f t w a r ea n ds o0 1 1 f r o m t h e p r a c t i c e o f e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n , d a i s p a p e r c a r r i e s o u t t h e f o l l o w i n g i t e m s ： a c c e s s i n g s t r u c t u r eo f g e o l o g i c a is u r v e yd a t aa sw e l la sm u t u a lw a n s f o r m i n gt e c h n o l o g y w i t hi t s g r a p h i c s t h e t h e o r ya n d m e t h o do f a u t o m a t i c d r a w i n gb o u n d a r yl i n eb e t w e e n o r ea n dr o c ki ) a s e do n t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k t h et h e o r ya n dm e t h o do fa u t o m a t i cn 刚e l i r 培 o l x m g lt e c h n o l o g y t h e p r e d i c t i n g a n d a n a l y z i n g m o d e l o f g e o l o g i c a ls u r v e y d a t a b a s e d o n r o u g h s e t 西安建筑科技大学硕士学位论文 t h i sp a p e rh a s c o m p r e h e n s i v e l yu s e da d v a n c e d0 切e c t 甜t e c h n o l o g y , d 舭t e c h n o l o g y ， o l x m g l g r a p h i c s t e c h n o l o g y a n d a d o t e c h n o l o g y u s i n g v i s u a l c + + 6 0 a s t h e d e v e l o p i n g p l a f f o r m , a u t o c a da st h ea p p l i c a t i o np l a t f o r m , m s s q ls e r v e ra st h ed a t a b a s ep l a t f o r m , t h i sp a p e rh a s a c c o m p l i s h e d w h o l e d e s i g no f s y s t e m a n dr e a l i z e dt h es o f t 嘲r e t h ew h o l es o r w a i es y s t e mc a nr u n w e l la n du s ec o n v e n i e n t l yi na u t o c a d w i t haf r i e n d l yi n t e r f a c ea n dab e t t e rf u i 埘o n sb e t w e e n o p e r a t o ra n dc o m p u t e r t h i sm a k e st h ep r o c e s so fd e s i g nf o rg e o l o g i c a ls u r v e ya n dm i n i n gl e s s d e p e n d e n c eo n u s e r ss p e c i a l t ya n de x p e r i e n c e a n dn l a i 。e sd e s i wr e s u l tb e t t e ri nq u a l i t y , f a s t e ri n s p e e d a l lo f t h e s ee i i l b o d yt h eg r e a tp r i o r i t yo fm ec a d s y s t e mo f 3 d g e o l o g ya n ds u r v e ye v e n m o r e t h 锶i st y p e ： 3 dc a d o f g e o l o g i c a ls u r v e y ，3 dm i n e r a ld e p o s i tm o d e l ，o b j e e t a r x , o p e n g l ， r o u g hs e t , n e m a ln e t w o r k a p p f i e a t i o nf o u n d a t i o n 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者躲乔 关于论文使用授权的说明 日期：乒一移 红 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 枷：f 小妒彬吁叩 西安建筑科技大学硕士学位论文 i i 国内夕f 阿谬翻翻烫发展动态 i i i 研究现状 i 绪论 c a d ( c o m p 栅a i d c di ) e s i g n ) 技术在各行各业中的应用已经十分广泛，其发展过程可分 为四个阶段，即起步阶段、引进阶段、学习c a d 技术阶段和c a d 技术全面应用阶段。随着计 算阳蛛的发展，特别是o 找术的j 琰勃猿身铂普及，蝴技术，甜山企业中的应用也越来 越广泛。莅 见代矿山企业中c a d 技术已经进入全面应用阶段，这倥矿山企业生产设计与管理的 自动化成为可能。近年来，我国些乖臌工作者和广大工程技术人员直致力于将计算机技术 应用于矿山地测采生产设计与管理和地测数据预测分析等方面，取得了一系列应用懈 1 - i x 3 嘲，开发了相当多的c a d 应用软件。逸骘硎在姗山企业生产设计与管理的自动化方面 发挥了重要的作用。在地测c a d 系统方面主要有以下一些成果： ( 1 ) 诳剿琏i 程地质勘嬲管理中蝴。例如工程勘察鲥旨管理与图件编制的微 机蚵【9 】，实现了数据管理与成果图表生成一傅i 化。 ( 2 ) 计算机辅助地质绘图。例如工程勘探计算机辅助成图系统嘲，矿山地质c a d 软件的研制与应用圈，删融质测量信息系统( g s g i s 2 5 ) 阅， 矿山地质平剖面图自 动转换系统的研究与应用囹，马拉格锡矿地测睬综合。如应用系统( g m c a d s ) h l 等等。 ( 3 ) 为了形象地表达矿藏分布特征，用图形显示各钻孔的空间位置和矿岩组成，如美国的 m i n w c 矿甩软件、澳大f 哑的s m i m 矿用软件，都用鲜明的颜色表示钻孔内各组分的分布，形 象生动，便于核查。 以上这些研究成果具有以下优点： ( 1 ) 大多数软件系统埘懈西掖好，通过 柳交互来实现图膨会 | ；0 、数据查询、捌赢十算 和预测分析。 ( 2 ) 软1 牛勇黜简便、园撇陕，减轻了设 十人员的劳动破，提高了劳动生产效氯 ( 3 ) 彰“牛系统纠曩寸1 生和专业性强。出省誊矧牛系统大多是针列嘉黼定的矿山，鼓者矿山中 某个特定的工程而设计的。 此类软件也有许多不足和需要改进的地方： ( 1 ) 通用性不强。大多燃针对某个矿山碱殳计，断彳黜到勃| 披大、变化复 杂的其它矿山中去。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 3 d 矿床模型建漠黼结构复杂，建衡要程 、机交互工作量大，需要操作人员具有较 高的专业背景知识，在一定程度e 错哟了系统的推广使用。 ( 3 ) 多数软件系统都是捧封烈3 d 模型，未能真正实现3 d 模型，不能给最计 、员提供形象 的3 d 矿床模型。 ( 4 ) 对于地质平剖面图剖切成图的软件，主要针对地质、测量等方面做了一些工作，其结 果阻虽然在一定程度匕自踹提抛质、测量的需要，但没有很好地解决任意水平地质平面图和任 意角度地质剖面图的自动剖切生成以及矿岩界线的自动绘制等问题。 伴随着科技发展的日新月异，特别是计算机技术和网络技术的飞速进步，地测c a d 技术 鞔着网络化、智目旨化、宜人化、虚拟实现的方向发展。1 捌。未来地测c a d 技术的发展趋势包 含有： ( 1 ) 网络化。为了实现信息资源在本矿山的共享和实时统一，地测c a d 系统和矿山其 它应甩系统要求使用同一资源库，这就要求地测c a d 系统和其他系统都实现网络化，共享同 一数据库服务器。 ( 2 ) 智胄g 化。应用人工智能或专家系统技术来丰富和强化c a d 系统，使系统运行时， 在参数选择、方案决策等方面具有一定的智能化和自动化程度，即把有关专家的设计经验和知 识存放在系统中，以供咨询和帮助。近年来，国内外一些研究人员不断探讨人工智能的理论和 方法，了己其是把知识处理技术与其它常规信息处理技术有机地结合起来，从而开发出具有高智 能性的、功能强大的c a d 系统。 ( 3 ) 宜人化nc a d 系统是供人使用的，人是创造的主体，所以系统必须尽可能地满足人 的需要，即操作设计人员在使用时，感觉方便、直观、可靠以及功能强大。 ( 4 ) 虚拟实现。用虚拟现实技术实现整个矿床形态的模拟，在地测采设计过程时，能随 心所欲地进行各种变换和剖切。 地测采生产设计与管理是矿山企业中的基本环节，在整个矿山企业生产设计与管理中有着 十分重要的位置。地测采生产设计与管理中最主要的工作是绘制某水平的地质平面图和某一 位置的鳐嘣哂图，而目前大多数矿山企业所使用的2 d 坳9c a d 系城模拟3 d 地测c a d 系统，实现这两类图件采用的方法是：生成某水平的地质平面图时用通过这水平的平面 和所有的地质爵0 面图求交，确定出各条矿岩界线的控制点，然后再用手工的方法绘制出完整的 矿岩界线得到地质平面图；生成某应置的地质剖面图时用j 蘑过这虚置的平面和所有的地 质平面图求交，确定出徽界线的控制点，然后翮手工的方法缣0 出完整啪等界线得 - 西安建筑科技大学硕士学位论文 到地质剖面图。用这种方法实现这两类地质图件，不仅算法复杂，而目误差较大。再者操作与 设计人员仍然看不到形象逼真的3 d 矿床模型，难于对模型进 话! 互剖切运算，操作人员必须具 备较高的专业知识，才能嗓作使用这类c a d 软件。 因此本论文以“3 d 地测c a d 系统研究”为题，旨在研究实现建立3 d 矿麻模型的方法， 以及在3 d 矿床模型e 进行各种剖切生成某水平的地质平面图和某位置的地质剖面图的方 法和理论。 本论文自开究的内容对于新型矿山企业利用先进的计算栅辅助设计技术，提高地测采设计与 管哩的 则弋化水珊口自动化水平，提高设计人员的工作效率，提高全员劳动生产率髟慰的 现实意义。其关键技术的突破，将有很好的推广价值和应用前景。 3 d 地测c a d 系统的关键是建立3 d 矿- 房_ 莫型，本文围绕建立3 d 矿词诸疆蠕的数据预处 理工作、模型的生成过程以及后续处理等工作，主要进行了以下几芍面的研究内容： ( 1 ) 地测数据的存取结构及其与相关图形的互动技术 对地测数据依据数据库设计的原则进行存储结构的研究，以及研究解决a 1 尬c a d 与数据库 之间的通信接口，实现地测数据库与a 向c a d 图形的互动，达到图形和数据的实时统一。 ( 2 ) 矿岩界线的自动绘制理论与方法 对横剖面_ 蝴乜瓣信息的基础b 。岩：臌的自动至绵0 崩削行- 探 地研究，以及研 究探愀界线圆滑处理的原理和方法。 ( 3 ) 3 d 矿床模型的自动生成理论与方法 研究探讨如何在地质剖面数据的基础e 生成3 d 矿床模型，以及如何根据矿岩类型的不同、 品位的不同生成色彩逼真的3 d 矿研：模型。 ( 4 ) 地澳4 数据预测分析模型 研究探讨在士蝴擞据库的基础l ，基群目糙操理论的地测数据预测分恻。 为了提懒幢成图的效率和质量，充斯朔c d 技术卿幽嵊设计与管理的自动化， 洲e 省邯邢凝何山韵蜩j 匕沼濉舸鼓术科与西安瑚解敝大学管理学院系统蝴室联 合进行了北洛i 唠盱地测信息系统科研项目。本论文所选的研究课题是该项目的部分。 根据本论文研究的内容腓论文允成以下几章内容： 西安建筑科技大学硕士学位论文 第一章绪论 主要介绍本论文所研究课题的国内外研究观状及发展动态，以及论文的研究目的、意 义和主要内容。 第二章系统功能和结构 主要介绍本论文软件系统的总体结构和所要实现的主要功能。 第三章矿岩界线的自动绘制 主要介绍本论文软件系统设计与实现的关键技术与方法之一基于人工神经网络 的横剖面e 矿岩界线的自动绘制理论与方法。 第四章3 d 矿床模型的自动生成 主要介绍本论丈软件系统设计与实现的关键陵术与方法之二基于o 闻_ l g l 技术 的3 d 矿床模型的自动生成理论与方法。 第五章地测数据预测分析模型 主要介绍本论文软件系统所要觌的决策支持功能基于；阻糙# 独论的地测数据 预测分析模型。 第六章系统实现 主要介绍本论文潞统的数踣通讶醋莫型、运行环硫、h 们西信凄口和数据库构建等 内容。 第七章结论与展望 对本做蜥拜舡懒总钴，提出论文中需要改进的地轿口进嘲究的 殳j 斯喂 望。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 系统概述 2 1 1 3 1 ) 地测c a d 系统的涵义 2 系统功能和结构 3 d 地测c a d 系统主要是指对矿山企业生产设计与管理蹬程中产生的各种地质勘探信息、 颡蠼 言息、耥 卜邕戡生彳亍统一协调管理，奥珊湖0 采信息资源的共享，方便查询和预测分 析，并依据地测刿黼建立3 d 矿日0 眵鲤，模拟实珊矿体的总鳞：形态，最终嫩3 d 矿床模 型上进各种采矿设计、自动音l j 切生成任意水平的地质平面图和任意角度的地质剖面图。 2 1 2 3 1 ) 地测c a b 系统的主要内容 3 d 地测c a d 系统是实现矿山企业生产设计与管理自动化的个综合系统，其主要内容有 ( 1 ) 地质、测量、采矿设计信息的统协调管理。 ( 2 ) 地质钻孔实测数据组样及其柱状图的自动生成。 ( 3 ) 横剖面咖 势线的自动绘制，实现横剖面上矿体的自动圈定。 ( 4 ) 3 d 矿床模型的自动生成。 5 ) 3 d 矿床模型的交互与剖切。 ( 6 ) 基于地澳擞据的预测分析。 2 2 系统可行性 本论文所述的3 d 地剥c a d 系统是在深入调查研究地下矿山地质、测量、采矿数据信息的 基础上，按照地下矿山地灏9 采生产设计与管理的实际出发，参照国内外地测采c a d 系统的先进 技术，本着经济实用、技术先进的软件研制原则，进行研制开发的，既有面上的高度，又有点 上的深入，因而是切实可行的。 ( 1 ) 技术可行性 本做软件系统脚开韦0 从软件开发工具的选取，至i j 系统总体架构和分级模失的设计酾重用 了软 牛工程自g 理论和方法，进行了充分地b 嘲论匠和硝弛分丰斤，其中运用了众多党挂献皆性 的扬脚方法 每吲劫去和技术的应用翻弱阮可循，目自i 鼬下矿山企业的生产实际。因 而本论文软f 牛系统蝴开帝峨上是_ 珩的，是吲既满足地下矿山地测采生产设计与管 理的需要，又有技术高度前瞻性的研究课眍。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 经济司行性 本论文软件系统的研制充分考虑了投资规模对于现代化中小型地下矿山企业经济效益正负 两方面的影响，在保证项目能嗍嘶峥萄砸目北沼 哦失矿容易承受的范围内选择了一个尉氐的投 资额度，进行了软件系统的研制。客观上讲，中小型地下旷山企业在地质测量c a d 技术研究方 面这笔较小的投资却可以带来很大的经济收益和社会效益，例如： 减少了设计人员手工工作量，减少了日常办公费用； ( i 斟缉朝绘制工程图件，提高了图件的准确性与美观性； 有助于提高业务人员的计算机操作能力； ( i 瑁鳓l 自动计算矿量指标，提高旷量的准确性； 有良好的商业推广价值和后期效益。 ( 3 ) 操作可行性 本论文软件系统在研制一开始就本着软件操作简便、界面友好、人性化的原则。在应用软 件系统开发柳去和拢术的选取已尽量采取国内外旷山企必蛳宝资料生嘭冯管理应用上比较普 遍和流行的方法和技术，同时也借鉴、参考和运用了国内外应用软件系统设计与开发中用得较 普遍、较成功的方法与技术，这为本论文软件系统的研制成功和操作可行性打下了基础。 同时在本论文软牛系统交付使用后，将对操作技术人员开展专业技能培训，保证软件系统 的实用性，提高用户对软牛系统的理解和操作能力。因而本论文软件系统具有报强的可操作性。 ( 4 ) 法律可行性 本论文软眸系统的研制完全遵照中华，人口洪和国软僻锞护法的有关觇定，尊重软件版 权，后r 有软件技术和方法的选取以及开发平台和开发工具的采用，都严恪遵守国家有关法律、 法规的规定，不涉及违法性行为；系统安全性设计也严格遵守中华人民共和国计算机信息系 统安全保护条理有关规定。这些原则保证了本论文软件系统在法律方面的可行性。 上遄y l 方面的论证结果表明：本论文软件系统的研制在技术上是可行的，在法律e 是有保 障的，在经济上有较明显的经济效益和社会经济效益，在课题组织实施方面，本论文软件系统 的研玮懦到北溶河铁矿有关领导和专家的高度重视，而目课题组有足够的能力和实力保证本论 文软件按期、保质、顺利完成。 综e 所述，本论文软件系统是切实可行的。 2 3 系统功能 2 3 1 系统功能要求 作为实现地下矿山企业生产设计与管理自动化的3 d 地测c a d 系统，它! 螨足以下的功 能要求： 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 系统的操作必须简易、灵活，以方便操作人员的使用。 ( 2 ) 系统对硬件的要求应在用户能承受的范围之内。 ( 3 ) 系统运行的逻卿p 争、运行速度等应能满足实用需要。 ( 4 ) 系统要有一定的信息安全保密棚制，按用户的级别对其系统数据的处理权限进行一定 的限制。 ( 5 ) 系统必须提供后续开发的编程接口，易于系统升级、维护和管理。 2 3 2 系统模块与功能 ( 1 ) 系统功能 矿山企心也测c a d 系统是旷山企岈设计与管匪亡作的基础，它要觌的功自 肓：地则 空间数培和属性数曙的管理，3 d 矿蒯的生眈地质图件的音l j 切生成，地质睹量i 十算，损失 贫化管理，测量：计算，测量成图以及地测信息查询和报表输出等。具有以下恃点： 系统功能全面，系统化程度高，具有实用于地测专业的面向对象的海量图形数据库和图 形编辑系统： 图件生成的自动化程度高，可直接生成地测常用的基础图件，包括柱状图、平面图、剖 面图、巷道立体图等： 独特的3 d 矿床模型和网状巷道漠型，并可实现地质体及井巷工程的三维显示与漫游。 瞑有高效快捷的任意切剖面的功能； 馒硅i 黜图件上可对某一范围的矿量、品位进行统计与查询； 系统稳定，容错能力强； 际准w 2 全中文操作界面，易于用户的学习于掌握。 ( 2 ) 系统模块 为了实现上述功能，本论文软件系统在研带虹曜中设计了四大子系统，它们分别是弛测数 据管理子系统、3 d 矿床模型子系统、测量计算子系统、预测分析子系统。这四个子系统中地测 刿居管理子系统黾其它子系统的基础，其它子系统的j 粼赖于士蝴4 数据库。备子系统可以 猫瞳运行，但钮批之间又有确布抛联系。四多_ 子系鳓河觥的基本椟映见表2 1 。各系统之间 的相互关系如图2 1 所示。 2 4 系统结构 2 4 1 系统原则 本论文软件系统在研制过程中依据的主要原贝惰以下几条： 西安建筑科技大学硕士学位论文 表2 1 系统模块及功能描述 i 序号子系统名称基本模块 功能描述 地质勘探数据管理 依据数据库管理系统的要求和原则，进行 生产勘探数据管理 组织管理数据资料，以实现各种数据的方 地测数据 采矿生产数据管理 1 便套诲和处理，以及生成相关的圉形、图 管理子系统 测量数据管理 测量图形、图表生成与输出 表进行打印输出。 统计分析处理 数据准备 在数据处理的基础e ，为模型的建立提供 模型建立特定格式的数据，首先生成线梅b 型，然 3 d 矿床溪型 模型渲染后趟请魑磐留轧最终生成3 d 矿踌0 镕2 型。 2 模型变换再对模型进行各神变换( 平移变换、放缩 子系统 模型剖切 变换、旋转变换) ，剖切生成平剖面图， 指标计算 进行矿量、品位计算，以特定的格式输出 图件、数据输出 图形和数据的。 测量i 十算子 内业黼处理 3 内业图形处理 对测量内业数据进行处理，生成输出符合 系统工程要求的图表和数据。 测量图表生时泻输出 预测分析子在地测数据的基5 出上，进行基于粗糙集理 4 地测数据预援分析 系统论的地测数据预汉口分析。 图2 1 各子系统闻的相互关系 ( 1 ) 综合性 软件系统的研制应站在全局的角度，保证软件系统具有综合、全面的功能。 ( 2 ) 开放性 软件系统应具有较好的开放性，以便后期的k ：9 蝴- t - l - a 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 灵活性 软件系统的功能力求达到灵活、易于操作、便于理解。 ( 4 ) 模块性 软件系统的功能设计实行模块化，以便于系统的设计、理解和使用。 ( 5 ) 相关性 既要考虑各子系统的相对j 哇泣性，又要考虑各子徽间信亩包含、数据共享和数据关联。 2 4 2 系统结构 本论燃系统首先利用数神黼缍霸獭0 数据信息，建立了地测数据管理子系统，然 后础0 数据的基础上，生成钻孑皓0 面图、地质横音u 面图，建立3 d 矿床模型，再在3 d 矿床模 型上进行舒中操作和计算。按照蜊程序的不同层次划分，本论文软件系统包括 机接口子系 统、后台媲子系统和功黼出子系统三翥盼，形成图2 2 所示的恩欠结构。其中，人寿几接口部 j 愀了设计人员、操作人员与系统之间进行交互的平台；后台娌予系统负责士蝴擞嬲、 完整性检查以及进行各类计算和分析，并把计算、分析的结果传给功能输出子系统；功能输出 子系统负责按用户要求的格式把结果显示出来，满足用户的需求。 图2 2 系统三层结构图 本论文软件系统的总体结构及各子系统和模块之间的关系如图2 3 所示： 图2 3 系统总体结构示意图 - 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 1 概述 3 矿麓l 界线的自动绘制 矿岩界线的自动绘制是指根据地质勘探数据、矿床形态走势信息、边界品位和工业品位等 信息来绘韦惜剖面上不同矿种、不同岩种之间的界线，进而完成横剖面上不同矿体和不同岩体 的自动圈定。矿体圈定是矿山企业日常生产设计中最基本、最重要的而且也是最繁重的工作之 一。传统自q 矿体圈定的方法是手工方法，即地质专业人员根据经验和地质勘探数据，判断矿岩 界线的位置关系进行矿体的圈定。这种方法带有浓厚的主观随意畦，同地质剖面不同的人爿各 有不同的圈定结果。例如，对图3 1 所示的地质钻孑培4 面图将有图3 1 中( a ) 和( b ) 两种不 同的固定结果。出现这种情况的原因是人对钻孔间的矿体形态无法了解，只能靠经验去推断， 不同的人经验有所差异，因而造成了同一地质钻孔剖面图的不同圈定结果。 z k 7 2 9z k 7 5 0c k 2 8 z k ? 5 2z x 7 2 9z k 7 5 0 c k 2 8z k 7 5 2 厂 l 夕 呈多 ， 、 ，。一 z 乡- - - - w f l 7 一 图3 1 矿体圈定手工方法的缺陷 针对! 缸方法的缺限，人们曾运用人工智能专家系统的方法和地质统计学的方法进行矿岩 界线的自动绘制，完成矿体的圈定工作，但都不能取得满意的效梨1 3 】口外，其主要原因是： ( 1 ) 专家系统技术只能认定性的角度解决问题。进行矿岩界线自动绘制完成旷体圈定专 家系统的防丘瞧建立通用的矿岩界线自动绘制的专家知识库，然而由于矿山地质条件的复杂多 样性导j 瓤广岩界线自动绘制专家知识的获取异常困难，甚至不可能。 ( 2 ) 由于地质统计学是建立在系列人为假设的基础之匕【4 刀，而这些假设仅仅是对复杂 矿体的种简单近似，这在一定程度上影响了矿岩体品位估计的准确性。此外，地质统计学方 法无法进行矿种区分、岩种区分以及矿岩之间的区分。这些局限性限制了地质统计学在矿岩界 线自动绘制完成矿体圈定中的应用。 由于影响矿岩界线自动绘制的因素很多，且各因素之间又相互影响，因此影响因素和绘制 结果之间很难建立精确的数学模型。而神经网络正好可以解决这类问题。 西安建筑科技大学硕士学位论文 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e m a ln e t w o r k s ，简记为a n n ) 是一个非线性动力学系统， 它是由大量简单非线性单元( 神经元、模拟电子元件、光学元件等) 广泛互联而成的复杂网络 系统。它是在现代神经学研究成果的基础上提出的种数学模型，它能模拟和反映大脑功能， 具有与大脑相似的特征和若干基本功能旧。它具有并行分布式的信息处理结构，是i 醴过“学习” 或“训练”的方式完成某特定工作的。其特色在于具有自学能力，并在数据含有噪音、缺项 或缺乏认识的情况下能获得令人满意的结论，特别是它可以从积累的工作实例中学习知识，尽 可能多地把各种定性定量的影响因素作为变量加以输入，建立各影响因素与结论之间的高度非 线瞄腆射，采用自适应模式识别方法来完成工作。它对处理内部规则不甚了解、不能用一组规 则或方程进行描述的复杂问题或开放系统显得尤为较先。目前人工神经网络已被广泛应用于模 式识别、自动目标辨识、信息处理、知识处理、智能控制等诸多领删刚咧删。由于横剖面上 矿岩界线的自动绘带恸吸到许多信息的计算和估计问题( 如品位估计、矿种估计、岩种估计， 矿岩估计等) ，而j i 蹩计算、估计是建立在大量的联想、推广和概括基础之t ，这种联想、推 广和概括是依赖于对具体矿床特征的学习和记忆，但不依赖于或很少依赖于专门设计的类1 以于 专家系统的那种矿岩界线自动绘制通用知识库。因此，人工神经网络方法将是最终解决矿岩界 线自动绘制问题的重要方法之一。 人工神经网络是自适应模式识别的一种形式，哲恿过对网络权值的编码变换，给出从输入 模式到期望输出的非常敷妙的非线性关系，把已知经验推广到未知数据的场合。人工神经网络 适应于知道输入和输出是什么，但不能给出输入和输出关系的外部表现形式的场合。目前，神 经网络的种类繁多，但应用最多、最成熟的是b _ p 神经网络，因此本论文选取b - p 模型。 3 2 2b - p 神经网络的基本原理嗍书砌 b - p ( b a c k - p r o p a g a t i o n ) 神经网络是种利用误差反传学习算法的前向多层人工神经网络， 具有很强的自学习、自适应、抗干扰性等特点，适宜模式识别及分类。其网络结构由输入层、 中间层( 隐层) 和输出层构成( b - p 神经网络拓扑结构如图3 2 所示) ，输入层接收到的信号 经过隐层激活放大后再由输出层输出。信号传递时每一层神经元通过连接权值只影响下层神 经元自蜘蠡，同层神经元= 艺间互不传递信息，每个神经元与邻居昕有神经元相连，连按阪重 值用表示a 各神经元的作用函数为，( x ) ( 般为s i g m o i d 函数) 。设输入层有p 个节点。 输出层有口个节点，肛l 层的任意节点用f 表示，k 层的任意点用j 表示，扑1 层的任意节点用 西安建筑科技大学硕士学位论文 ，表示。形”为髓1 层的第i 个神经元与k 层的第，个神经元相连接的权值。k - 1 层的节点i 的输出为g “，k 层节点，的输入为：船苟= 彬；“1 ) 2 研“1 ) ；k 层节点歹的输出为： f 叫= f ( n e t ；) 。其基本工作原理是：先从基础数据中给出有代表性的网络输入信号( 即训练 或学习样本) ，并根据所关心的具体问题构造出期望目标信号( 教师样本) 输入网络，然后在 网络学习和自适应过程中，通过输入信号在正向的激活放大传播和误差的反向传播，不断修改 和调整各层神经元的连接权值，使输出信号与期望目标输出信号间的误差信号减至最小，当其 值小于某一给定值时，即认为完成或训练好该神经网络，在此基础上将进行下一步的预测或拟 合。 输 输 入隐 出 层 层 层 图3 2 b - p 神经网络拓扑结构图 3 2 3 矿岩界线绘制肘模型的建立 y 】 y 2 横剖面上矿岩界线的自动绘制河题是利用已有的钻孔数据信息解决许多信息未知区域( 如 图3 1 - b 中钻孔孤7 5 0 和c k 2 8 之间的区域) 的信息估计预测，再利用估计预测结果进行矿岩 界线的自动绘制问题。对信息未知区域信息的预测，本论文提出了网格方块信息预测方法。其 基本原理是依据地质学和具体矿床种类，定义网格方块的大小，再对各个网格方块的信息进行 预测，为矿岩界线的自动绘制提供合理的控制点。 事实上，i 网格方块信息预澳0 是个向其周围已知信息进行学习的过程。周围所有已知信息 对提高方块信息的预测精度都是有意义的。由此可见，能分离出网格方块周围已知信息的多少， 对方块信息预测精度的改善起决定性作用。信息提取的基本原则是：所提取的信息应尽可能与 黼关联。然而信息撼眨的数量与方块信息弼积9 过程自勺i 萎度成反比如果撼双的信鼠过多， 些对方块信息预测关联程度很小的信息会占用大量的处理时间，大大降低了方块信息预测的 西安建筑科技大学硕士学位论文 效率。在方块信息预测过程中，已知信息方块和预测方块距离越小，它与方块的关啖陧压捌c i 睦 大。因此，本论文对方块信舄两硎的输入信息就取与方块左右两边已知信息方块的信息对方块 信息进行预测，然后把预测结果与相关信息进行比较，判断将其方块圈定在矿石范围内，还是 圈定在岩石范围内。 影响待预；受4 方块信息的环境因素很多，一般来说，这些因素可作如下分类： ( 1 ) 方块中心点的空间位置，如空间坐标等，用：c o ，y o ，z o 表示。 ( 2 ) 已知钻孔第i 个取样段中点的空间坐标，用嚣，y i ，蜀表示。 ( 3 ) 己知钻孔第i 个取样段品位，用矗表示。 ( 4 ) 已知矿床边界品位，用g ，g ，表示- ( 5 ) 已知矿床工业品位，用g 罗，g ，表示。 3 2 3 2 信息量化方法 ( 1 ) 输入信息量化 对所提取的网络输入信息，还不能直接作为最终输 信息输入网络。还需量化处理。对输 入信息迸行量化处理的方法如下： ( d 对可直接确定其值的信息( 如品位) ，可直接取其值； 对不可直接确定其值、但可区分其优劣等级的信息，可用其等级表示； 对既不可直接确定其值，又不可区分其等级的信息( 如矿石种类) ，可用相应的数码编 号来表示。 由此可见，神经网络所处理的信息既可以是定性信息，又可以是定量信息，适应性非常广 泛。为了更清楚地说明信息量化方法，现以预测方块品位信息为例来说明。 已知f 言息有：待测方块空间坐标，钻孔取样段中点空间坐标，钻孔取样段品位，边界品位， 工业品位。在预测方块品位信鼠的过程中，由经验可知待测方块品位值和与其相邻两边一定位 置的各钻孔取样段品位成正比，而且样段和待测方块间的距离越小，它与待测方块品位的关联 程度就越大，所以本论文采用如下的信息量化方法： 待测方块中心点距样段中点的距离： l d ，= 【( z ，一x o ) 2 + ( ”一y o ) 2 + ( z 。一2 o ) 2 】i = - 1 , 2 ，n( 3 1 ) 输 信息量化公式： m ：皂 j d z 其中：为所选取样段总数， 输入信息归化： 卢1 ，2 ， 也就是b - p 模型的输入尉申经元个数： ( 3 2 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 轳当兰拿( 3 - - 3 ) m 。一肘。 其中：。为膨中的最大值； 磊m 为心中的最小值； 而为b - p 模型中第i 神经元的输入量。 ( 2 ) 输出信息量化 为了使输出品位信息值不为负值，输出层采用鼢甜型函数，使其输出落在0 1 之间， 因此需要对训练的期望输出信息进行量化处理，本论文采取如下的量化方法： z = g j l 0 0卢lz，n(3-4) 1 9 8 9 年，r o b e r th h t - n i e l s o n 证明了对于任何在闭区间内的个连续函数n a i 以n - - + 隐层的b - p 网络来逼近，因而用个三层的b _ p 网络可以完成任意的n 维到m 维的映射圆。 因此，采用三层或更多层的网络结构在理论上均可实现。但是，用三层具有泖耐型非线性 神经元的b - p 神经网络学习算法收敛速度很慢，通常需要上千或更多次的跌代次数口9 】。误差 精度的提翮驷_ 种途径：一是增加隐爪层的层觌二是增加隐含层神经元的们妒q 。缭台以上 l 嚣素，本论文采用具有两个隐层的b - p 神经网络模型。 ( 1 ) 输入层与输出层节点的确定 输入层与输出层节点的个数往往由具体问题决定。本论文中，选取待预测方块左右各4 个样段自自量化信息作为影响因素，从而确定输入层的节点数为8 个；由于这些影响因素决定一 个输出结果网格方块的品位信息，所以确定输出层的节点数为1 个。 ( 2 ) 隐层节点的确定 隐层单元数的选取是一个十分复杂的问题，它与问题的要求、输入和输出单元的多少都直 接把关。f 翘县单元数太少，网络不自剀| j