（采矿工程专业论文）采矿cad可视化集成系统研究.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导老n i 采矿c a d 可视化集成系统研究 采矿工程 杨义辉( 签名) 范公勤( 签名) 摘要 可视化、集成化和智能化已成为c a d 领域的热点研究课题，将可视化和集成化技 术引入采矿c a d 系统开发是本论文研究的主要内容。论文运用图形学理论、数据库理 论及可视化技术与集成化技术，对可视化集成采矿c a d 系统开发的基础问题进行了深 入的研究，主要包括：数字矿山、采矿c a d 系统结构、采矿c a d 基本图元集的构造、 图元属性表述方法及可视化集成采矿c a d 系统设计及应用等内容。 论文在对采矿c a d 技术的研究现状、发展趋势及存在的问题进行分析的基础上， 提出了可视化集成采矿c a d 系统的总体结构。对采矿c a d 系统中基本图元集的构造原 则和组织方法进行了研究，提出了一个7 元素采矿c a d 基本图元集构造方案；论文详 细研究了图元属性及其它在可视化集成采矿c a d 系统中的作用；论文对可视化集成采 矿c a d 系统的基本绘图和编辑功能进行了研究；论文对数字矿山的可视化技术进行了 研究，对数字矿山等一些重要的概念作了论述，并在此基础上讨论了可视化集成采矿 c a d 系统中巷道自动生成模型建立的可行性，给出了相应的建模方法。 论文以v c 十十为基础，开发了一个可视化集成采矿c a d 系统，并建立了巷道自 动生成系统。 关键词：数字矿山；采矿c a d ：可视化；集成化；图元属性；图元数据结构； 巷道自动生成 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nv i s u a l i z a t i o ni n t e g r a t e dm i n i n gc a ds y s t e m s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e ： g a n gy i h u i i n s t r u c t o r ：f a ng o n g q i n ( s i g n a t u r e ) ! 鱼遂生 ( s i g n a t ur e ) a b s t r a c t i nr e c e n t l yy e a r s ，v i s u a l i z a t i o n ，i n t e g r a t i o na n di n t e l l i g e n c ei nt h ef i e l do fc a da r eah o t p o i n tf o rr e s e a r c h 。t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u so nv i s u a l i z a t i o na n di n t e g r a t i o nt e c h n i q u ef o r d e v e l o p i n gm i n i n gc a ds y s t e m 。t h i sd i s s e r t a t i o na p p l i e st h et h e o r yo fg r a p h i c s ，t h et h e o r yo f d a t a b a s e ，v i s u a l i z a t i o na n di n t e g r a t i o nt e c h n i q u e 。a n dt h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s i sd e v e l o p m e n t o fv i s u a l i z a t i o ni n t e g r a t e dm i n i n gc a d s y s t e mi nd e e p g o i n gw a y 。t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e s p a r t sa sf o l l o w s ：d i g i t a lm i n e ，m i n i n gc a ds y s t e ms t r u c t u r e ，m i n eg r a p he l e m e n tc o l l e c t i o n c o n s t r u c t i n g ，m i n i n g c a dg r a p he l e m e n ta t t r i b d e s c r i b i n gm e t h o d s ，d e s i g n m e n ta n d a p p l i c a t i o no nv i s u a l i z a t i o ni n t e g r a t e dm i n i n gc a ds y s t e m 。 t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sc o m p r e h e n s i v e l yt h eh i s t o r y ，p r i n c i p l e ，m e t h o da n dp r a c t i c e o ft h em i n i n gc a d 。b a s e do nt h e s es t u d i e s ，t h ea u t h o rp u t sf o r w a r dt h em o d u l eo fc a d s o f t w a r ee l e m e n t s ，as e v e n e l e m e n ts y s t e ma n di t sf u n c t i o n s 。 b ya n a l y z i n gt h em i n eg r a p h c o l l e c t i o nf o rm i n i n gc a dh a v eb e e ne s t a b l i s h e d 。t h ed i s s e r t a t i o nd e t a i l sg r a p he l e m e n t a t t r i ba n di t sf u c t i o ni nv i s u a l i z a t i o ni n t e g r a t e d m i n i n gc a d ，s y s t e m 。t h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y s i sf u n d a m e n t a lf u n c t i o no fd r a w i n gt e c h n o l o g ya n de d i t i n gt e c h n o l o g y 。a n dt h i s d i s s e r t a t i o na n a l y s i sv i s u a l i z a t i o nd i g i t a lm i n e ，d i s c u s s e si m p o r t a n tc o n c e p to nd i g i t a lm i n e 。 t h e r e f o c et h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s i sp o s s i b i l i t yo nt h em o d e lo fa u t o m a t i cf o r m i n gt u n n e l s ， g i v e sr e l a t e dm o d e l i n gm e t h o d o l o g y 。 b yv i u s u a lc + + ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p sv i s u a l i z a t i o ni n t e g r a t e dm i n i n gc a ds y s t e m a n ds e t su ps y s t e mo fa u t o m a t i cf o r m i n gt u n n e l s 。 k e y w o r d s：d i g i t a lm i n em i n i n gc a d v i s u a l i z a t i o n i n t e g r a t e d g r a p he l e m e n ta t t r i b e l e m e n td a t as t r u c t u r e a u t o m a t i cf o r m i n gt u n n e l s t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 妻料技女学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 ii 学位论文作者签名：瓤志捉日期：_ b6 ff - 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：耘由埤 指导教师签名： 形厶动 ao 移荸弓受妒。 1 绪论 1 1 问题的提出 l 绪论 近十多年来，现代空间信息技术的综合应用有了飞速发展，使得人们能够及时和连 续不断地获得地球及其环境的大量几何与物理信息，形成地球空间数据流和信息流，从 而促进了数字地球1 1 , 2 】技术体系的产生。所谓数字地球，就是对真实地球及其相关现象统 一的数字化重现和认识；是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的 问题，其特点是嵌入海量地理资料，实现多分辨率和三维地球的虚拟表示。以当今”3 s ” 即地理信息系统( g i s ) 、全球卫星定位系统( g p s ) ，遥感( r s ) 为代表的技术手段为数字地 球构想的实现奠定了基础。其中，地理信息系统作为数字地球的支撑技术，其发展为数 字地球的实现提供了重要的保证。地理信息系统是计算机科学、地理学、地质学、测量 学、地图学等多门学科综合的技术，是一个采集、存储、分析和显示地学信息的计算机 系统。本世纪6 0 年代，加拿大测量学家r o g e r e t o m l i n s o n 首先提出g i s 这一概念，并 提议建立了世界上第一个地理信息系统，用于自然资源的管理和规划：之后，g i s 展示 了极强的应用前景，应用领域迅速扩大，包括了从土地管理、生态规划、交通土建到商 业、军事、卫生、保险、企业管理等非常广泛的领域。 目前，对采矿工程信息的存储管理仍以文字、图纸、分账为主，设计以手工培图、 描图为主，这样费工费时，修改、查询、分析很不方便，在工程计算、产量分析和设计 精度等方面受到很大的限制。为解决上述难题，建立矿山的可视化模型和数据库是完全 必要的，所以作为地理信息系统的延伸，采矿工程的信息化和可视化一一数字矿山 ( d i g i t a lm i n e ，即d m ) 3 , 4 1 ，很自然地提到了议事日程。而采矿c a d 可视化和集成是数字 矿山的重中之重。自然研究采矿c a d 可视化和集成势在必行。 1 2 数字矿山的意义 所谓“数字矿山”，是对真实矿山整体及其相关现象的统一认识与数字化再现，是 一个硅质矿山，是数字矿区和数字中国( d i g i t a l c h i n a ，即d c ) 的一个重要组成部分p 】。 d m 的核心是在统一的时间坐标和空间框架下，科学合理地组织各类矿山信息，将海量 异质的矿山信息资料进行全面、高效和有序的管理和整合。d m 的任务是在矿山信息数 据仓库的基础上，充分利用现代空间分析、数据采集、知识挖掘、虚拟现实、可视化、 网络、多媒体和科学计算技术，为煤矿资源评估、矿山规划、开拓设计、生产安全和决 策管理进行模拟、仿真和过程分析提供新的技术平台和强大工具。【6 】 近年来，中国矿山行业的信息化建设虽然有了较大发展，但总体状况仍然很不乐观。 西安科技大学硕士学位论文 中国矿山在矿山勘察、规划、设计、生产、管理、全过程监控等信息化“软领域，与发 达采矿国家的差距越来越大。中国矿山以往既没有把信息资源当作矿山的重要战略资源 之一加以统筹开发和综合利用，也没有形成系统性能稳定、信息资源充足的矿山信息基础 设施( m i n ei n f r a s t r u c t u r e ) 。分析认为，中国矿山企业信息化建设的“无路无车”、“有路无 车”或“车货不一”情况的出现，是因为中国矿山企业的决策者、管理者和工程技术人员， 在矿山信息化建设方面存在以下四种不良情结。这四种情结影响甚至限制了矿山信息化 建设的进程，阻碍了d m 的健康发展。 ( 1 ) 因循守旧情结： 由于受根深蒂固的经验式采矿管理方式和条块分割式组织结构模式的影响，总认为 信息化是其它现代工业和i t 行业的专利，与矿山企业无关；忽略了只要参与市场竞争， 就离不开信息化支持的基本道理。工程技术人员习惯于原有的管理方式、技术分工和业 务流程，决策者又墨守成规、安于现状，因而不愿变革，甚至惧怕变革，不愿对矿山信息化建 设进行必要的资金投入与项目建设。 ( 2 ) 短期效益情结： 过分强调信息化建设的投资效益，希望投入后立即带来利润增长，而对信息化建设的 效益滞后和远期效应认识不够，从而导致对矿山信息化建设的初期投入缺乏信心；即使初 期投入了，也因适应过程太长而未迅速见效，故缺乏持续投入的兴趣，使得已经投入的系统 因得不到更新、维护、配套和升级而效能低下，甚至难以为继。 ( 3 ) 重硬轻软情结： 企业领导对矿山信息化系统的硬件建设( 包括网络、计算机、外设等) 有较高热情，而 对于矿山应用软件的配套与开发、数据库建设与维护重视不足，结果造成资源的极大浪费， 信息建设的投入也见不到实效；进而影响到企业决策者对信息化建设继续投入的兴趣和 信心。 ( 4 ) 事不关己情结： 矿山企业决策者、管理者及部分工程技术人员认为矿山信息化建设仅仅是锦上添花 之事，是i t 人员的事情，而与企业根本利益和当前工作无关，甚至在个人行为上主观回避， 信息亲和力严重不足，导致对矿山信息化建设和矿山信息资源的利用缺乏必要的支持与 参与。 而数字矿山却有如下潜在的表现： ( 1 ) 虚拟矿井：可以在矿山设计、建设开采过程中，摸拟三维矿井条件，进行有效地 表述，不再要求非亲自深入井巷工作面，办公室内就可触摸工作面矿床，不再非要矿井 建设成后再去体验，“矿井未建先下井巡视一番”已是可能，可以把矿井建设得更科学 合理。 ( 2 ) 技术研讨：生产中的技术管理往往要反复进行多方案对比，当前的方式是召开论 2 1 绪论 证会的方法。方案不可能太多，人员参与也有限，如果一个技术问题在互联网上进行研 讨，可以酝酿的更充分。对技术问题的认识将很深刻，专家可以来自全世界。并可以对 研讨对象进精确刻画。 ( 3 ) 机电管理：如果以上两种应用还是第一个层次，“嵌入”机电设备的资料体，将是 第二层次的数字矿山。设备处于数字矿山中的何种位置，发挥着何种作用，设备状态如 何，谁在进行操作，如何使没备在矿山中获得最佳配置。这些问题可以通过数字矿山中 的专业软件进行评估。 ( 4 ) 人事管理：可以“嵌入”数字矿山中，人事管理从此可以实现透视化。矿山中的 人力资源分布，各种人员的流动性图表，获得最佳劳动力组合。财务管理、营销管理也 可以“嵌入”数字矿山中。 综上所述，数字矿山的作用是不可估量的，对矿山建设的推动是巨大的，数字矿山 是矿山建设的必由之路。 1 3c a d 技术发展趋势 随着c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计) 技术的普及应用，c a d 技术正 向着开放、集成、智能和标准化的方向发展【7 1 。开放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。完善 的标准化体系则是我国c a d 软件开发及技术应用与世界接轨的必由之路。作为c a d 系 统的支撑环境，开放的操作系统，如：w i n d o w s 、u n i x 将是今后c a d 系统的主流； 面向对象的编程技术和数据库技术将为c a d 系统的发展作出贡献；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c a d 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，8 0 年代中期 c a d c a m 技术的集成形成了c i m s 高科技系统。 l 在计算机图形和几何造型技术上由二维向三维发展。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c a d c a m 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、三维显示技术、 三维数字化仪等。 3 集成化技术将继续得到快速的发展，从单一行业领域内的业务性集成，向多行 业集成发展，如c i m s 系统、工程设计建筑、水、电、暖一体化的集成。 4 与c a d 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 西安科技大学硕士学位论文 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c a d 系统将大量发展，网络环境下的分布式 c a d 系统，将各种不同的c a d 作业、不同的硬、软件支撑环境集成于一个网络环境， 或客户n 务器环境下；各种不同的信息表示与传输媒体，如声音、图形、图象、数据等 集成于一个系统内，即多媒体c a d 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c a d 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c a d 系统也是一个热门研究 方向8 - 2 0 ! 。 1 4 采矿c a d 技术研究现状 国外从八十年初起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1 2 。其中部分软件如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、岩体力学等。现在，可视化和集成化技术 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。 国内，自8 0 年代中期起，我国少数设计单位引进国外的软件，进行消化吸收，由 于国外矿山管理体制的不同，加上矿用软件的通用性差、费用高、语言障碍等原因，推 广有一定的难度。近二十年来，煤炭、冶金、建材等行业在矿业软件的研究方面都有一 定的投入，取得了一些有价值的成果，特别是在管理信息系统开发与应用方面取得了较 好的社会与经济效益。但是，工程技术信息处理方面的应用软件的研制进展缓慢，与企 业的实际需求存在较大的差距。以矿床建模为主线的软件开发与应用虽然发展较快，但 大多数停留在数字型的处理上，在实体模型与信息可视化方面研究较少。 在我国，采矿c a d 技术的研究和应用始于8 0 年代初期，煤炭、石油系统要多一些， 冶金、有色系统次之。从矿山而言，露天矿的研究和应用较多，地下矿的研究应用较少。 从8 0 年代中期开始，我国已在地质、测量、采矿等各专业，开发了一些以解决具体专 业问题为主的c a d 应用软件，并投入了实际应用，收到了较好的效果。以下就几个主 要单位的研究情况作一些简介。 北京有色冶金设计研究总院曾于八十年代中期引进了美国、加拿大等公司的矿床模 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”， 4 1 绪论 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。 长沙勘察院针对a u t o c a d 在测量中应用的不足，自主开发了一套“地形图计算机 辅助设计”系统，取名为t o p c a d 。它主要用于野外测量数据的室内计算机辅助成图， 大量减轻测量工程技术人员的内业工作量。 苏州非金属矿工业设计研究院在a u t o c a d 基础上开发了一套井巷工程计算机辅助 设计软件系统s c a d ，它主要用于设计各种平巷、竖井、斜井、天井、溜井、各种车场 等，能绘制高质量的井巷施工刚2 2 j 。 西安科技大学测量系( 萨贤春老师) 开发设计的煤矿空间信息系统，包括地测数据管 理系统和地测制图c a d 平台。地测制图c a d 适用于层状和层控矿床地测部门的生产和 设计制图。它由面向对象的图形数据库和管理器，面向对象的图形编辑器，和地测图形 自动生成系统三部分组成。 柳州市轶新计算机软件有限公司开发的采矿工程c a d 系统，主要包括各种方案设 计、图形生成与绘制、图档管理、数据库管理、生产调度、技术改造等。是一套集计算 机绘图、数值计算、系统优化、信息管理、决策于一体的网络集成软件系统。 1 5 现行采矿c a d 技术存在的问题 从目前的研究和应用情况来看，本人认为存在如下几方面的不足： 1 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。 2 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。 3 国内采矿c a d 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f o x b a s e ， a u t o c a d 、g r a p h ，p h i g s 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。 4 以可视化和集成化为基础的交互性缺乏，限制了软件的大量推广。 存在以上问题的原因是多方面的，但最根本的原因是对采矿c a d 的基础、技术和 方法研究太少。c a d 技术作为一种先进的设计手段和工具已逐渐为采矿工程技术人员 和设计人员接受和掌握，它已在矿床开采设计和矿山日常生产中发挥着愈来愈大的作 用。但随着技术的发展，将对c a d 技术本身及其应用提出更高更严的要求。因此，着 手进行可视化集成采矿c a d 技术与方法的基础研究势在必行。 西安科技大学硕士学位论文 1 6 可视化技术及发展动态 1 6 1 基本概念 可视化技术的基本含义是将科学计算中产生的大量非直观的、抽象的或者不可见的 资料，借助计算机图形学和图像处理等技术，用几何图形和色彩、纹理、透明度、对比 度及动画技术等手段，以图形图像信息的形式，直观形象的表达出来，并进行交互处理。 这一技术正成为科学发现和工程设计以及决策的强有力的工具。它涉及到图像处理，计 算机辅助设计和图形交互技术等相对独立的学科领域。在1 9 8 7 年，可视化概念提出后， 作为高新技术，得到了如此迅速的发展，有着深刻的技术背景： ( 1 ) 计算机的处理速度和内存容量的大幅度提高，包含有超级计算机、图形计算机、 图形工作站的网络功能的增强，使过去需要耗时费力的冗长计算得以在短时间完成。计 算机图形学、计算机辅助设计和图像处理以及软件工程、交互技术的发展，使得对复杂 图形图像的处理成为可能。 ( 2 ) 心理学、认知科学的研究，认定人类具有高效的、大容量的图形和图像信息信道， 人的知觉系统对于图像信息的感知、把握能力远胜于对简单文字符号的处理。 ( 3 ) 随着科学技术的发展，由超级计算机、测量仪器、人造地球卫星、航天飞机、地 震勘探等产生的资料量越来越大。存放资料的磁带堆满了幢幢大楼、只有将它们转换为 图像才能理解其包含的信息、了解其规律、甚至发现用其它方法不能发现的现象，否则， 只能将这些资料收集起来并束之高阁。 1 6 2 可视化过程及简介 科学计算可视化是计算机图形学的一个重要领域，它的核心是将三维资料转换为图 像，它涉及到标量、向量、张量的可视化、流场的可视化、数值模拟及计算的交互控制、 海量资料的存储、处理及传输、图形及图像处理的向量算法等。可视化过程就是一个对 资料分析处理的过程，一般分为以下几个步骤： ( 1 ) 过滤，即抽取感兴趣的资料。这一步是从原始的资料中提取研究人员感兴趣的资 料，并经过粗略的加工，转换成更浓缩、更相关的资料； ( 2 ) 映像，即创建几何原语。将第一步得到的结果映像成可以绘制成图的几何原语。 常见的原语有点、线、面、体和更高维的基于特征的图标原语； ( 3 ) 绘制，即几何原语转变成图形图像。一旦选定了资料的几何原语表示，研究人员 可以对几何原语赋予视觉特性，即确定帧的合成、颜色、透明性、纹理、阴影等方面， 并启动图形图像绘制过程； ( 4 ) 反馈，即显示图形图像。可视化过程的最后一步是显示出绘制的图形图像，显示 6 1 绪论 方式可能因为使用的图形设备和软件的功能不同而不同。虽然可视化过程只有四步，但 分析过程并非到此结束，它是一个周而复始的循环叠代过程。由于研究人员事先并不知 道原始资料中哪些对分析最重要，而且也不能预定原始资料与几何原语的映像关系，这 些都是要靠经验的摸索。因而，整个可视化的分析过程是反复精确的过程。 1 6 3 可视化的应用领域 可视化技术适应于几乎所有近代科学与工程技术领域，能帮助研究人员理解计算与 实验所获得的大量资料，并能通过人机交互手段达到控制计算过程，改进计算结果的目 的。要完整地列举它的应用领域几乎是不可能的。下面简要列举它在自然科学和工程技 术中几个应用可视化技术的例子。 ( 1 ) 分子构模：比较成功的例子如在超级计算机上构造复杂系统，如蛋白质的d n a 的模型。它目前已发展为一个称为“分子图形学”的独立研究分支，与传统的研究分子 结构的实验方法结合，成为研究分子模型的有力工具。 ( 2 ) 医学图像应用：在医学研究中c t 图像、核磁共振图像和超声波图像的广泛应用 是诊断的有力手段，应用先进的可视化技术对这些图像进行处理、构造三维实体模型以 及对其进行剖切显示，有助于理解复杂解剖特征的空间定位和随时间发生的变化【2 3 1 。 ( 3 ) 地质学：地震资料和测量资料的解释是正确定位矿藏位置的关键。通过这些资料， 可以获得正确的地质岩层结构信息。从而为矿藏的开采有现实的指导意义。 ( 4 ) 气象学：天气预报正确性与气象分析员对大气随时间变化图的理解有关。通过对 各种大气、云层等的可视化的处理，可以提高预报的质量和实时性。 ( 5 ) 空间探索：天体研究已积累了大量太阳系的有关星球的测量资料。可视化技术在 下列空间探索领域得到广泛应用：可视化技术与多维数据库的综合应用，解决天体和太 空环境的三维重构；太阳内对流元的研究；太阳地震学研究；星系的碰撞作为多体问题 处理的可能性；观察接近星系时的潮汐现象等。 ( 6 ) 建筑设计：在建筑设计时，利用可视化技术将客户的各种要求和想法转化为计算 机图形和图像。客户得到的不仅是建筑物的外貌，还可以得到内部结构。同时客户的反 馈信息可以很快地反映到设计当中，使设计的效率大大提高。另外，可视化技术还可以 从部分或全部被破坏的古代建筑构筑出原有的模型，并使人们获得身临其境的视觉感 受。 近年来，在美国、德国、日本等发达国家的著名大学、国家实验室及大公司中，科 学计算可视化的研究工作及应用实验十分活跃，其技术水平正在从后处理向实时跟踪和 交互控制发展，并且已经将超级计算机、光纤高速网、高性能图形工作站及虚拟现实四 者结合起来，体现出这一领域技术发展的重要方向。 西安科技大学硕士学位论文 1 6 4 可视化技术及发展动态 1 9 8 7 年2 月美国国家科学基金会的一个研究报告提出科学计算的可视化 ( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 问题。目前，它所提出的思想己成为世界科学界新 兴学科科研研究中的热点。可视化技术一经提出便引起巨大反响。由美国国家科学基金 会设立的几个大型国家实验室、超级计算机中心及美国国家宇航局、美国空军、海军的 研究中心、各大学等都设立了相应的项目或相应的专门实验室，德国和日本等也紧随之 后，争取投入大量人力、财力。专家预测，可视化技术的潜力有可能使人类通讯的方式 发生革命性变革，具有重大的经济效益和社会效益。为促进这一新兴学科的发展，国际 有影响的学术杂志，例如i e e ec o m p u t e r 在1 9 8 7 年和1 9 8 9 年，i e e ec o m p u t e rg r a p h i c s & a p p l i c a t i o n s 在1 9 9 1 年分别组织了可视化技术及其应用专辑，每年一度的美国图形年 会a c ms i g g r a p h1 9 8 8 年度就将可视化列为会议主题，并组织了专题讨论。以可视化 为名的一批国际学术杂志相继创刊。以可视化为主题的专门的新国际会议系列从9 0 年 代开始每年定期举行。 可视化技术从它的诞生之日起，便受到了各行各业的普遍欢迎，目前他几乎涉及到 了所有能应用计算机的部门。 综上所述，可视化技术有着巨大的发展和应用潜力，以及潜在的可观的经济效益 和社会效益，可能促进其它相关科学的发展和技术的进步。国内各专业性领域对可视化 技术日益增加的兴趣和不断加强的合作，预示着这一新兴技术在我国发展和应用的良好 前景。 1 6 5 可视化技术在我国的应用 我国科学计算可视化技术的研究开始于9 0 年代初。有关高等院校、科研机构完成 了国家自然科学基金重点项目“科学计算可视化的理论和方法等研究项目，提出并实 现了三维空间标量场、矢量场的多项创新算法，使所生成的图像结构正确、细节丰富， 图像生成速度显著提高。部分成果已经开始进入实用阶段。例如，由中科院计算所c a d 开放实验室与国家卫星气象中心合作开发的“卫星云图显示处理系统”，将二维卫星云 图进行三维图像处理，从1 9 9 7 年开始，中央电视台在天气预报节目中增设了2 4 小时卫 星云图动画展现，新颖直观、形象逼真，云的生消变化一目了然。科学可视化技术在医 疗系统的应用也己经开始。中科院计算所c a d 开放实验室与北京医疗器械研究所合作 开发的“脑部立体定向放疗计划系统”已于1 9 9 7 年6 月通过了技术鉴定。基于医学图 像三维重构的d , j l 骸关节手术模拟系统等也在有关高等院校和医院的合作研究之中。 成矿可视化系统在石油界发展较为迅速，主要是二维盆地模拟。目前应用比较广泛 的有德国尤利希公司的一维盆地模拟系统( p e t r o m o d ) 、美国南卡罗来纳大学的二维盆地 i 绪论 模拟系统( ( g e o p e t ) 2 4 - 3 0 】、北京石油勘探开发科学研究院的二维盆地模拟系统 f b a s i m s ) 。对真三维的显示技术在国外石油界已有报道( s h e l l 公司，1 9 9 6 ) 。它们从不 同的角度为油气模拟与可视化提供软件支撑。 在采矿领域，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 向主要包括矿体模拟、实体建模、矿山g i s 、矿山测量数据的可视化等方面【3 卜”j 。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。 同时，也从一个侧面反映了采矿业不景气给矿山计算机应用带来的负面影响。与上世纪 8 0 年代计算机图形设备刚出现，采矿界就轰轰烈烈应用的情况形成了鲜明的对比。 1 7 论文的主要研究内容 - 1 7 1 指导思想 图形或图像是沟通思维的最自然的手段之一，人脑具有的1 0 0 多亿条神经元有一半 是为视觉服务的。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( 图形或 图像) ，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。可视化技术的基本思想是从准备数据、实施计算到表达结 果都用图形或图像来完成或表现。采矿设计的对象是地质体，所依据的资料是有限的勘 探资料，完成的设计任务是各种井巷、采场等工程图，在这过程中需要进行诸如储量、 品位、通风、爆破、岩体力学等各种复杂的计算，而这种计算与采矿设计是紧密结合的。 因此，以矿床模型为基础，将各种复杂的计算与开采设计集成起来，并且将这种过程以 可视化和交互的方式提供给采矿工程师无疑是具有重要现实意义的。无论对于提高设计 效率和设计质量都有非常重要的作用。 可视化集成采矿c a d 系统是一种集科学可视化( s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ) ，系统集成 化( i n t e r g r a t i o n ) 、开采辅助设计( m c a d ) 技术为体的综合软件系统。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，实现采矿生产、设计各阶段信息集成和可视化辅助设计。 集成化技术指的是如何使系统具有集成性的技术。任何一个工程设计，在不同阶段 和不同专业之间存在大量的信息传递和数据转化，集成化的目的是用计算机代替人工进 行数据转化和信息传递工作，将不同的软件按照不同的阶段和不同的用途有机地结合起 来，从而使软件系统更具开放性、可扩展性和接口一致性。 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已，是通常意义上的计算机辅助设计，而不是可 视化计算机辅助设计。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， 9 西安科技大学硕士学位论文 通过计算机的计算、分析、比较、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。本人认为数据库技术、 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是本领域发展的方向。 1 7 2 主要研究内容 过去矿区的采矿资源开发的设计规划一直在图纸上，通过手工画图完成。手工作图 速度慢，不仅消耗大量的人力、时间，且做出的图不甚精确。同时，其结果往往只有一 份透明纸，一旦丢失或损坏就很难弥补。现今，虽然某些矿区己经开始了数字化的工作， 然而大都以a u t o c a d 为平台进行手工的绘制，效率还是很低。针对这种情况，在资源 开发的规划设计中，通过数字矿山可视化模型和数据库，可以充分利用计算机技术，实 现从规划设计到施工图的全部计算机化，为计算分析及科学的模拟规划设计奠定基础。 在数字矿山的建设中，亟待解决以下问题： ( 1 ) 图纸大多在a u t o c a d 中手工绘制或者次开发绘制，人工参与过多，效率还是很 低，数字矿山的建设应该尽量减少人工的参与，尽量直接由勘测的数据生成相应的图形。 ( 2 ) 图形保存都是图形格式的，与数据库的联系不能互动。现在的图形绘图软件只能 由数据库向图形转化。而不能改数据库的数据而来改变图形。 针对以上提出的问题，本文将重点研究如下内容： ( 1 ) 建立可视化集成采矿c a d 系统平台，实现一些基本绘图功能与编辑功能。 ( 2 ) 根据矿山巷道导线点的原始坐标、左右帮距以及巷道的属性数据自动生成任意角 度的巷道图，建立矿山巷道可视化模型。 ( 3 ) 建立图形与数据库的互动。 1 0 2 可视化集成采矿c a d 系统结构分析 2 1 概述 2 可视化集成采矿c a d 系统结构分析 1 9 8 5 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c a d 外设，与之配套的c a d 软件是a u t o c a d 2 1 7 版本，这标志着我国微机c a d 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，用a t 机建立了 我国矿业界第一个微机c a d 工作站。a u t o c a d 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 o 版本推出后其c a d 软件市场稳占6 0 以上。作为一个面向全球 的通用辅助设计软件，a u t o c a d 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。a u t o c a d 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a u t o l i s p 语言可以编程，但由于运行速度慢， 不能读取二进制文件等障碍，最终没有成为开发矿业c a d 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c a d 系统，部分矿业软件把a u t o c a d 作为辅助图形输入输出的工具，这是9 0 年代前后开发矿业c a d 软件的主流技术。 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c a d 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。 本人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c a d 系统结构分析和通用图形平台的研究是软件开发 的“基石”。 本章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f 1 题，将可视 化和集成化思想引入采矿c a d 系统开发中，对可视化集成采矿c a d 系统的总体结构进 行研究。 2 2 传统采矿设计过程 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，应保持工程结构自身的存在，使它能够承受 西安科技大学硕士学位论文 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c a d 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c a d 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，c a d 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c a d 系统设计之前，应对传统的采矿设计过程有全面的了解。 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，会作出一些技术决策，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 ) 搜集己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己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。 2 3 采矿c a d 技术应用特点 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c a d