43 三维采矿设计.doc

游安弼：计算机在矿业中的应用基本概念、必要性、历史及现状、商业化成果、优缺点、主要步骤4.3.1 作者的观点本来这节的名称用采矿CAD是最合适的，但是由于在矿业界CAD概念的乱用，所以为了防止有人理解成绘制采矿工程图，作者只好将本节起名为三维采矿设计。1) CAD的本意(1) CAD究竟是什么含义，具体应该有什么内容，没有一个国际标准，特别在矿业界更是非常混乱。有人说CAD就是绘图，有人说CAD就是建模，更有人把AutoCAD简称为CAD， 把AutoCAD绘制采矿工程图称为采矿CAD。下面首先谈谈作者的看法。CAD是Computer Aided Design的缩写，即计算机辅助设计，但在计算机发展的早期，由于受硬件条件的限制，计算机对设计人员的主要辅助作用是绘图，甚至某个大型软件公司将其开发的绘图软件称为XXCAD，所以慢慢地人们也容忍了将计算机辅助绘图称为CAD的说法。随着技术的发展，现在计算机已经能够在设计过程中给与设计人员巨大的帮助作用，不再仅仅是绘图作用，作者认为现在应该是将CAD归还本意的时候了，本书中提及的CAD均是严格意义上的，是指计算机辅助设计。所以作者不赞成将采矿绘图叫成采矿CAD的行为。（作者有时将采矿CAD与矿山CAD互换使用，作者认为矿山CAD基本等同于采矿CAD。这点与绘图时代不同，矿山绘图不能与采矿绘图互换，因为矿山绘图可包括采矿绘图、地质绘图、测量绘图等）。作者也认同将计算机辅助绘图称为二维CAD，计算机辅助设计称为三维CAD。(2) CAD起源于制造行业，但是现在已经在很多行业得到应用。在制造行业，建模过程即是设计过程。但是作者认为，在矿山行业不能这样对待，矿山的结构有天然和人工之分，天然结构是早已存在的，不是我们设计的。只有那些人工结构才是要我们设计的。所以作者将人工结构的建模才算作采矿CAD的内容，矿山建模中的天然地质体的建模也可称为地学建模。2) 采矿CAD应具备的功能二维采矿CAD（也称采矿工程绘图软件）作为一个工程绘图软件必须具备如下几个方面的内容才能称为工程绘图软件：基本图素绘制、图素编辑修改、观察、捕获、尺寸标注。除此之外还应该包含采矿图素的生成、采矿图素的编辑修改。现在三维软件很多，不是任何三维软件都能用于工程设计的，三维采矿CAD（也称三维采矿设计软件）作为一个三维CAD软件必须具备如下几个方面的内容才能称为三维CAD软件：建模、草图、部件、工程图。 除此之外三维采矿设计软件的用途是计算机辅助采矿设计，目的是要在天然结构三维模型的基础上根据给定设计条件进行各种人工结构的设计，这些人工结构包括巷道、采场、炮孔等，因此采矿CAD的内容从功能上应该分巷道设计、采场设计、爆破设计等主要方面。从使用上看，应该是以采矿工程师容易理解的方式，例如对于一条平巷，只需用巷道的宽带、高度、断面类型、巷道起点、巷道终点等数据。4.3.2 通用三维CAD软件的不适随着计算机技术的发展及几何造型学理论的完善，近十年涌现出了不少知名的三维CAD软件，在不少行业特别是在机械行业已经得到比较广泛的使用，看着他们用图形工作站直接在三维状态下进行设计，作者羡慕不已。同样是需要高度空间想象力的采矿专业为什么没有人拿来使用呢？作者曾听人说过主要原因在于机械行业大量的是标准件而采矿则不是，粗听起来好像也有点道理，但是在作者深入进行了把三维CAD引入到采矿设计专业的尝试后，作者认为是否标准件不是主要原因，阻碍三维CAD用于矿山行业的主要因素有如下几个：与机械行业不同，矿山模型中除了人工结构外还有天然结构，这些结构中地表需要根据大量测量数据生成，矿体则需要根据勘探数据和边界品位圈定，采集转换并输入这些批量地测数据相当复杂、工作量大；建立及修改这些结构对矿山技术人员来说是一项技术难度大的工作。相比于机械行业，矿山技术人员的计算机应用水平普遍偏低，即便是要建立和修改简单的人工地下结构，矿山技术人员也不愿意从底层操作，要求矿山技术人员经常直接去修改复杂的矿山模型是难以想象的事，随着矿山生产勘探的深入对矿体形状的了解也在不断改变，所以建立的矿山模型必须经常修改；很少有矿山仅仅为了三维演示而舍得投资建立三维数字模型，矿山的中心任务是采矿，而采矿技术人员最希望能够直接在三维计算机模型上方便地进行巷道设计、采场设计、炮孔布置等采矿设计工作，目前在三维模型上进行采矿设计尚未有突破，有些矿山花了很大的力气在计算机中建立了三维模型，本以为能够用来采矿设计了，结果很失望，或者是不能用于采矿设计，或者是虽然理论上能用于采矿设计但是用起来太麻烦，最后只好放在那里给别人参观演示用。4.3.3 作者的尝试针对存在的问题，作者开始了三维采矿CAD的开发尝试，尽管有些部分尚未完成，有些部分尚待完善，但是作者还是禁不住要对自己的陋作做点介绍，希望能够抛砖引玉，推动三维采矿CAD的开发。作者以通用三维CAD为平台，开发了一系列的插件，其中矿山特征库和矿山约束器的更详细情况请参看其它节，这里介绍借助于我自己开发的插件进行三维采矿设计的过程。（注：作者初期对三个通用三维CAD平台软件都进行了开发，三个通用三维CAD平台是SolidWorks, Pro/E, UG NX, 后来由于时间关系，只对SolidWorks下的插件进行了近一步升级，可参看作者的博士学位论文）在开始设计前必须将矿体形状和地形等几何数据录入到几何数据库中，将其它非几何数据录入到非几何数据库中，由本插件根据这些数据在通用三维CAD平台中生成三维地学模型，该模型中不含有巷道和采场这些人工元素。1) 进行初步设计这一步中你可在三维模型中很方便地添加各种地下结构，也不必很小心地输入巷道的各个精确数据。例如你尽可以随便地添加一条竖井，再添加两条平巷，再添加一个采场。其更详细的情况请参看矿山特征库章节。2)输入设计意图并交互微调修改这一步中你可输入你的设计意图，例如如上的竖井要布置在矿体的下盘移动带之外，如上的两条平巷中的一条是石门，必须与竖井保持连接，另一条巷道是阶段运输巷道，必须与石门保持连接。如上设计意图输入完成后各个人工地下结构则自动调整到位。其更详细的情况请参看矿山约束器章节。3) 生成工程施工图在三维状态下确认设计无误后利用软件的自动剖切功能生成平面图，不再需要手工绘制。4.3.3 作者的梦想目前的开发是在通用三维CAD平台软件上开发的插件，好处是不需要为开发通用功能而花精力，当然也有不利的方面，例如通用三维CAD平台中有些功能我们完全用不上也得带上，像装配体的概念。所以作者也在思考采用购买几何内核和几何约束求解器等组件完全从底层开发一个三维采矿CAD软件，当然其