地下矿井巷工程CAD及造型系统3DMS的研究与开发

D0I:10.13374.i8sn1001663.1998.03.044 第20卷第3期 北京科技大学学报 Vol.20 No.3 1998年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun,1998 地下矿井巷工程CAD及造型系统 3DMS的研究与开发 * 侯运炳) 魏书祥2) 胡乃联) 1)中国矿业大学北京研究生部，北京1000832)邯邢冶金矿山管理局3)北京科技大学资源工程学院 摘要在AutoCAD for Windows环境下开发地下矿井巷工程计算机辅助设计及实体造型系统 3DMS.根据采矿设计规范开发辅助设计及绘图工具；建立井巷工程数据库，从设计图中识别井巷 工程并录人井巷工程的几何参数及其属性；以井巷工程数据库为基础，利用AME(AutoCAD Modelling Extention)技术开发可视化井巷工程实体造型系统.3DMS系统的椎广应用，能够大幅 度提高设计效率和质量， 关键词地下矿井：计算机辅助设计；实体造型；AutoCAD 分类号TD214.2;TP391.72 13DMS系统总论 3DMS系统是在AutoCAD for Windows环境下，根据矿山设计规范开发的地下矿井巷 工程计算机辅助设计及三维实体造型系统. 1.1系统设计思想 地下矿井巷工程设计有以下特点：(1)该系统的绝大部分工程都布置在各中段平面内， 即它的平面结构比较复杂，垂直方向的结构相对简单；(2)该系统可以看成是由一系列基本部 件组成的，并按其几何形状特征可以划分为几种基本类型 基于上述的技术特点，3DMS采取如下设计思想：(1)开发多种设计工具，高效率地辅助 井巷工程中段平面图的设计；(2)通过各中段平面设计图识别井项工程系统的空间结构并提 取井巷工程基本部件的几何参数；(3)开发可视化造型系统，由基本部件组装井巷工程系统， 1.2系统结构 3DMS系统由三大部分组成，即并巷工程二维设计系统、它的数据库管理系统和实体造 型系统、 二维设计系统完成中段平面井巷工程布置方案设计、井巷工程断面设计、工程图（包括中 段平面图、断面设计图以及以后由三维造型系统生成的井项工程系统三维视图和剖面图等) 的编辑及绘制等工作；数据库系统由中段平面设计图识别井巷工程，提取并管理井巷工程几 何位置、断面参数以及巷道的属性；三维造型系统根据井巷工程数据库提供的几何参数构造 基本部件的实体模型，通过可视化造型过程由基本部件模型组装井巷工程系统实体模型，并 对模型进行分析和处理，输出并巷工程系统三维视图、任意剖面图，计算工程量， 1997-09-20收稿侯运炳男，35岁，副散授 ◆国家自然科学基金资助课题(No.59204028)

DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1998．03．044

·206· 北京科技大学学报 1998年第3期 3DMS系统以AutoCAD for Windows为图形支持系统.采用Visual C++和ADS(Auto- CAD Development System)开发应用模块2，；利用ASE/ASI(AutoCAD SQL Extention/Auto- CAD SQL Programing Interface)技术构造井巷工程数据库；利用AME/API(AutoCAD Modelling Extention/Application Programing Interface)开发实体造型系统， 2井巷工程二维设计系统 井巷工程二维设计子系统的设计界面如图1所示， 2.1中段平面图辅助设计 30M8区维是计于托 中段平面图是体现地下矿开拓及采准工程在 切始化 坐标换算 图层管理 几何定位 大地一图纸 ○图框层⊙框架是 中段平面内布置方式的最主要的图纸，该设计实质 ⊙地质层○接黄层 绘图比例 图纸→大地 O标注层0通用层 是根据开拓、采准及采矿方法，结合该水平地测图， 调入地质图 数字化仪校准 工具箱 合理地布置水平内井巷工程， 井巷工程布置 标注一 空图空日一一图块绢辑 3DMS系统提供一套辅助设计及绘图工具，在 巷道中心定线 端点坐标 ◆模型空间 图框 嫩点坐标编辑 夫弧参数 网格 完成中段平面图设计的同时，自动地将设计图元有 生成双块巷道 其它符号 ○图纸空可 图名框 序地组织起来，为程序从设计图中自动识别井巷工 断面设计 故据岸录人 速出 程并提取其空间几何信息作好准备， (1)建立用户坐标系.为了把井巷工程在中段 图13DMS的二维设计界面 平面（即设计平面）内的二维设计位置转换为空间几何坐标，以设计平面为XOY面设置 UCS(用户坐标系). (2)设置框架层(FRAME).3DMS系统将通过平面设计结果构建成井巷工程系统空间框 架结构.为此，设置一个框架层，用来存储井巷工程中心线几何信息，提取和编辑结构信息， (3)井巷工程定线.井巷工程定线就是确定井巷工程在设计平面的几何位置.对于巷道工 程，是确定巷道底板中心线位置，而对于立井，则是确定其断面中心线位置 为3DMS开发的井巷工程辅助设计工具，在进行井巷工程定线时，将根据井巷工程的几 何形状将其分解为基本部件，并将这些基本部件的中心线绘制到框架层 对于直线巷道，可通过对话框输人中心线两端点的坐标，也可用鼠标点取.如果巷道完全 位于设计平面内，则端点的Z值坐标不用输人，如果某一端点不在设计平面内（如立井工程的 某一端)，则需要通过对话框输人该点相对于设计平面的Z值坐标，3DMS系统通过这种方法 实现三维框架结构设计， 确认端点坐标后，3DMS系统根据设定的颜色和线型在FRAME层中绘出巷道中心线， 如果两端点平面坐标相同，而Z坐标不同，则说明这是一项立井工程，此时除了绘制中心线外 (在设计平面显示为一个点)，还在坐标点处以一个小十字线表示立井工程.对于曲线巷道，首 先按上述方法绘出两直线段，然后捕捉两线段的交点，输人夹弧的半径后，自动绘出两线段的 夹弧部分 (4)巷道生成.生成巷道的过程是：首先移动图标捕捉巷道中心线；然后通过对话框选择 巷道断面类型，由断面类型获得巷道宽度（下面将要介绍这一点）；根据巷道宽度，平行于巷道 中心线自动生成巷道或夹弧的两条边线

Vol.20 No.3 侯运炳等：地下矿井巷工程CAD及造型系统3DMS的研究与开发 ·207· 2.2巷道断面设计 断面设计的内容包括主要井巷工程的断面形状及尺寸的设计.根据断面形状特点，将井 巷工程分为主要大巷、采准巷道和主要立井三类分别进行，如图2所示. 图2中不同的选择组合对应于不同的设计方法模块.以主要大巷的设计为例，当从图2 选择电机车运输大巷、砌碹支护时，启动图3所示的断面参数设计界面，输人设计参数后， 3DMS系统自动计算断面其它相关尺寸参数和面积，绘出巷道断面设计图形，并将断面参数 存人数据文件里 主季达巷主园共研斯面长热 量径，D,U5ER 斯面文件名， 文件名，D:\USERIYUNSHU 主要大巷悦状为半固抽 「莱准垫调 输入参数 炭刷 O电机车话输大都印，占吨以下矿车 6采区中上下山 围岩坚固性系数儿☐巷道净完预位厚度 ⊙电机车运输大巷吨延和式矿布 O好道Q工作面领槽 行人一侧完度 轨道运馆机中心距 O常送机运信大想”⊙总回风港 而开形行 非行人一衡宽度 轨道运输机，距 支护方式 0三元H O量选0询国 ©梯形 Q西形 底板巷道的壁高 机车最大宽度 支护为式 主要立并 ○骑情Q工字明 是否按装雪线一单双选择 ⊙墨形⊙姬形确认 取 ©瑞碳O钢 ○按装O不装O单轨O双轨 确认 取清 图2巷道断面设计 图3断面设计参数输入对话框 2.3工程图纸编辑 根据采矿工程图纸的特点和要求，在AutoCAD提供的图形编辑功能基础上，开发图纸编 辑工具，对设计图形进行编辑加工，绘制合格的工程图纸 二次开发的编辑工具主要有巷道端点坐标编辑器、坐标及夹弧曲线参数标注器以及网 格、图框，图名框生成器和文本编辑及插人器等 例如，利用曲线标注器进行标注时，只需单击图4()中的“目标拾取”按钮，在图中选择两 直线巷道的交点，标注器将自动算出两巷道间的夹角，并取出该夹弧的半径等参数显示在对 话框中，输入插人高度后，单击“插入标注”，在图中选择插人位置，即可插人曲线标注，如图 4b)所示. a=38°4555" 曲行王 R=20.000m 参数 入 T=23.123 转角a: 高度 K=12.6788 半径R 目标选取< T 插入标注 取消 (a) (b) 图4标注曲线参数(a)莱单，(b)曲线标注 3井巷工程数据库系统的建立 应用AutoCAD ASE/ASI技术在3DMS系统内建立具有完整数据库操作功能的嵌人式 井巷工程数据库系统， 3.1数据库的纪录单元 如前所述，井巷工程系统可以分解为一系列井巷工程基本部件.井巷工程数据库以1个 基本部件的有关信息为1个纪录单元.记录结构如下：(1)工程空间位置参数.立井用中心线

·208 北京科技大学学报 1998年第3期 两端点坐标表示其空间位置：直线巷道用巷道底板中心线两端点坐标表示；曲线巷道用其弧 上的起止点坐标及半径表示.(2)工程形体特征参数.从截面数据文件里提取井巷工程的截面 类型、面积、详细尺寸等，记入数据库，(3)图形句柄.图形句柄是井巷工程中心线图形（代表1 个基本部件)的唯一标识，后面将解释图形句柄的作用.(4)其他参数.如表示工程内部矿岩特 性及施工要求的参数.空间位置参数和形体特征参数描述了基本部件的几何形状和空间位 置，根据这2种参数，可以构造出基本部件的三维实体模型 3.2由平面设计图录入并巷工程的几何位置 (1)井巷工程图形与数据库记录的关联.3DMS系统是以AutoCAD为图形支持系统的， 也就是说，由3DMS系统设计的井巷工程图形实际上是AutoCAD图形结构.句柄是图元在 AutoCAD图形结构中的唯一标识. 在井巷工程数据库记录结构中，定义1个句柄字段名，存贮代表井巷工程基本部件中心 线的图形实体句柄.应用AutoCAD ASE技术，通过句柄建立井巷工程图形与数据库之间的 双向联系，即：①从图形中拾取】个图元实体，系统自动取出其句柄，在数据库中以此句柄为 关键词进行查询，显示查找结果，如果所选图元实体还未加人数据库，系统将自动进人添加记 录的状态：②取某个数据库记录，程序按实体句柄字段，找到相应图元，在图形中可以对其进 行醒目显示，也可以通过修改数据库记录修改图形图元， (2)由中段平面图录人井巷工程，井巷工程系统由布置在各中段水平上的巷道、硐室以及 联接各水平之间的立、斜井工程组成.因此，在完成各中段水平的平面设计后，由设计图中依 次拾取并录入各井巷工程基本部件的几何位置坐标，同时提供用户界面，由用户选择断面文 件名（从中提取断面形状及几何参数）并输入巷道的属性参数，最终形成整个井巷工程系统的 数据库模型. 由中段平面图录入井巷工程的具体步骤是：①在中段设计平面图中拾取代表井巷工程位 置的中心线，在图中这些中心线为直线或弧，线型一般为点划线；②系统由图元实体数据中取 出该中心线的句柄，据此，查询该工程部件是否已录人数据库.为避免不同图形文件中句柄同 名而引发错误结果，系统查询到某记录后，还需对比图元数据与记录中的位置参数，确认是否 重合，如果确认找出1条新的井巷工程，则把该工程的几何位置参数自动加入数据库里，同时 等待用户断面文件名并输人巷道的有关属性参数：③重复上述步骤，直至录完每个中段水平 的每1项工程. 33井巷工程数据库管理系统的建立 应用AutoCAD ASE/ASI技术，开发数据库ADS管理程序，实现井巷工程数据库系统的 各项管理功能.实现的主要功能有： (1)数据操作.①拾取，到图形中拾取一井巷工程中心线，此时在界面上显示其几何位置 参数，如果此段巷道已录人数据库，将同时显示其他数据；②录人，将拾取的巷道加上其他参 数后，录入数据库，用户也可以不经拾取而直接通过界面输人工程的几何位置等参数；③修改 或删除数据库的当前记录， (2)记录查询.通过查询按钮，可查询任意1条记录. 4井巷工程实体造型系统 利用AEM/API开发井巷工程造型系统.AME除了提供多种实体体素如立方体，圆柱体

Vol.20 No.3 侯运炳等：地下矿井巷工程CAD及造型系统3DMS的研究与开发 ·209· 圆锥体等外，还可以通过平面域拉伸及旋转造型构造基本实体.通过AME的布尔运算，可由 基本实体及体素构造复杂形体的实体模型，API提供了AME的用户编程接口， 4.1构造并巷工程基本部件实体模型 组成井巷工程的基本部件根据走向和断面形状可分为3类： (1)拉伸类基本部件.根据其截面类型，它主要有拱形、三心拱形、矩形、圆形和梯形等几 种，可用平面域拉伸的方法构造拉伸类部件的实体模型. (2)旋转类部件.它主要是指弧形巷道，根据其断面形状，也有拱形、三心拱形、矩形、圆形 和梯形等几种，可用截面旋转的方法构造旋转类件的实体模型， (3)规则形体类部件，有些井巷工程如硐室等，由于其形体规则，因此可直接由Auto- CAD的基本体素表示. 4.2井巷结构工程的组装 采用AutoCAD AME技术，通过基本部件实体模型的正则集合运算，构造井巷结构工程 系统的实体模型，但由于井巷工程的复杂性，直接利用AME进行井巷工程系统造型存在很 多困雅：(1)一个完整的井巷工程，按实体造型的要求进行基本实体的划分后，可产生数量巨 大的基本形体，造型工作量巨大；(2)要求输入的参数多，且复杂不直观.井巷工程实体造型是 在任意三维空间中进行的，许多参数都是要求输入空间三维点，有时还必须进行空间距离、角 度变换；(3)并巷工程三维造型要求频繁的变换用户坐标系，手工变换坐标，需要用户有很强 的空间想象力，有时需进行复杂的计算，实际操作起来比较困难， 正是针对上述问题并结合并巷工程设计的技术特点，本文提出以井巷工程数据库为基础 的井巷工程系统自动化实体造型方法，总结如下：(1)程序由数据库中取出基本部件的中心线 参数，用单实线绘出井巷工程系统的三维框架；(2)在框架上选取一条或一组表示井巷工程的 框架线段，利用ADS实体操作函数获取其几何数据，得到工程位置参数；(3)根据上一步获得 的实体句柄查询数据库，获取工程记录值；(4)根据部件的空间走向坐标，建立局部实体构造 用户坐标系，使构造平面位于当前UCS的XOY平面上；(5)根据数据库记录的截面类型及几 何参数，在构造平面上绘出截面轮廓（封闭域），根据直线或弧实体数据中的起点、终点及半径 等参数确定实体拉伸长度或旋转角度，用AME造型方法构造部件的实体模型；(6)重复以上 步骤，构造每一个基本部件的实体模型；(7)对所有构造好的部件实体模型进行AME的“并” 造型操作，构造出整个井巷工程系统的实体模型， 43可视化造型系统的实现 应用AME/API技术，开发ADS程序，实现井巷工程可视化造型功能，图5为造型界面 操作步骤为：(1)构造实体模型时，首先由列表框选择数据库，(2)选定数据库后，单击“构造框 架”按纽，绘出数据库中所有井巷工程部件的结构框架.(3)在单击“实体造型”按钮开始造型 前，应选择造型范围，如果选择“全部”，则依照组 成结构框架所有中心线构造实体模型；如果选择 选定 构造框梁 数据库 “建立选择集”，则由用户用鼠标在结构框架图上 生成方式 实体造型 选取中心线，被选择部分生成实体模型 ⊙建立选择集 ○全部 副面生成 通过井巷工程系统实体模型，可以输出井巷 退出 计算工程量 立体控图 结构工程系统的任意视点的三维视图，生成任意 图5井巷工程实体造型界面