基于Auto CAD的三維巷道可視化建模及應(yīng)用

程相琛，郭進(jìn)平，李角群，盧皎旭，鄭冰,

(1.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院， 陜西 西安 710015；2.山陽秦鼎礦業(yè)有限公司， 陜西 商洛市 726000)

0 引言

礦山圖紙的生成和處理是礦山設(shè)計(jì)工作的主要內(nèi)容，目前還有礦山為手工繪制，速度及精度已不能滿足生產(chǎn)需要。因此，需要對(duì)礦山各類圖紙進(jìn)行數(shù)字化綜合處理?，F(xiàn)有礦圖大多是二維的，在描述三維空間時(shí)存在著諸如可視性差、缺乏立體感等問題[1]。而三維礦圖具有直觀、計(jì)算方便等優(yōu)點(diǎn)，所以三維礦圖將是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，礦山企業(yè)也開始使用計(jì)算機(jī)繪圖，諸如Auto CAD等繪圖軟件應(yīng)運(yùn)而生。但是和其他產(chǎn)業(yè)相比，礦用計(jì)算機(jī)輔助軟件還是比較落后。截至目前，僅有部分大型礦企開發(fā)出了一些礦用計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，絕大多數(shù)中、小型礦山企業(yè)還是以手工繪圖為主[3-10]。這是由于大部分軟件都是國(guó)外人員開發(fā)，然后引入國(guó)內(nèi)，無論在礦體賦存條件、開采方法，還是軟件語言和操作習(xí)慣甚至設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等方面都與國(guó)內(nèi)存在較大的差異，再加上后期軟件的維護(hù)升級(jí)等工作也存在較大的問題。盡管Auto CAD在礦山繪圖方面給企業(yè)帶來了方便和巨大的經(jīng)濟(jì)收益，但是在實(shí)際使用過程中還是存在一些問題。因此，需要對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)并加以完善，使得Auto CAD在礦山圖紙繪制中更加方便，給用戶帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和操作舒適性。因此，基于Auto CAD的二次開發(fā)技術(shù)，構(gòu)建地下礦三維巷道的可視化模型顯得尤為重要。

1 三維圖形的繪制

在礦山生產(chǎn)管理過程中，實(shí)現(xiàn)三維巷道快速、準(zhǔn)確的構(gòu)建是礦業(yè)人不懈追求的目標(biāo)。首先，三維圖比二維圖對(duì)于礦山安全生產(chǎn)和管理能起到更好的輔助作用，因?yàn)槿S實(shí)體模型能夠精確地描述地下礦的空間結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的生產(chǎn)提供支撐。其次，實(shí)現(xiàn)地下礦三維巷道的可視化也能輔助礦山生產(chǎn)設(shè)計(jì)。

礦山企業(yè)最常用的繪圖軟件為Auto CAD，經(jīng)過多年的發(fā)展，其已經(jīng)發(fā)展為一款多功能、多維矢量繪圖軟件。該平臺(tái)搭載有不同的坐標(biāo)系，也可以根據(jù)自身的實(shí)際需要建立用戶坐標(biāo)系。Auto CAD有大量的繪圖控件和命令，操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、靈活，深受廣大用戶的青睞。因此，基于Auto CAD平臺(tái)實(shí)現(xiàn)三維模型的構(gòu)建有一定的先天優(yōu)勢(shì)。

1.1 三維繪圖坐標(biāo)系

Auto CAD提供了兩種坐標(biāo)系：一種是世界坐標(biāo)系，另一種是用戶坐標(biāo)系UCS，在創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，三維坐標(biāo)系可以使用笛卡爾坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系等。

（1）笛卡爾坐標(biāo)系：笛卡爾坐標(biāo)系即通常所說的直角坐標(biāo)系。

（2）柱坐標(biāo)系：極坐標(biāo)系增加一個(gè)軸就構(gòu)成了柱坐標(biāo)系，如空間直角坐標(biāo)系等。

（3）球坐標(biāo)系：球坐標(biāo)系是三維坐標(biāo)系的一種，用以確定三維空間中點(diǎn)、線、面以及體的位置，它以坐標(biāo)原點(diǎn)為參考點(diǎn)，由方位角、仰角和距離構(gòu)成。

Auto CAD有一個(gè)局部坐標(biāo)系，它跟全局坐標(biāo)系有相同的特征，但是在創(chuàng)建三維模型時(shí)可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求創(chuàng)建自身需要的局部坐標(biāo)系。其最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以通過相關(guān)命令實(shí)現(xiàn)其在空間內(nèi)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。三維空間的方位一般就是利用用戶坐標(biāo)系來確定的。一般位于Auto CAD繪圖視口的左下方，需要的時(shí)候調(diào)出即可。

1.2 三維模型

Auto CAD一共有3種三維模型：線框模型、曲面模型和實(shí)體模型，它們?cè)趧?chuàng)建、編輯時(shí)均有較大的差異。

在Auto CAD中創(chuàng)建的三維對(duì)象通常稱為三維模型，與其他模型一樣，Auto CAD模型是全三維的，且易于創(chuàng)建和修改。創(chuàng)建模型的過程稱為建模。而二維操作稱為繪圖。線框模型是用來展示三維模型的主體架構(gòu)。只能描繪對(duì)象邊界的點(diǎn)、直線和曲線，沒有面和體，當(dāng)然也就不能進(jìn)行渲染等操作，更不能進(jìn)行分析計(jì)算等工作。

1.2.1 曲面模型

曲面模型比線框模型更加復(fù)雜，用來表示三維物體的表面，它既定義了三維對(duì)象的邊，也定義了面，可以解決圖形的渲染、著色、計(jì)算等問題[11]。曲面模型特別適合于構(gòu)造復(fù)雜的曲面立體模型，而且構(gòu)造效果較好，比如實(shí)體外形等。然而曲面模型中沒有體的信息，也不能進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。因此，只有難以建立實(shí)體模型時(shí)，才考慮建立曲面模型。

1.2.2 實(shí)體模型

Auto CAD中與曲面模型互相補(bǔ)充的是實(shí)體模型，與曲面模型相比，其具有面和體的屬性，可以進(jìn)行渲染等操作，也具有質(zhì)量、體積等物理特性。實(shí)體模型是最容易使用的三維建模。在Auto CAD實(shí)體模型類型中，可以通過先創(chuàng)建以下基本三維形狀來構(gòu)建三維對(duì)象:長(zhǎng)方體、圓錐體、球體、楔體和圓環(huán)體等實(shí)體，如圖1所示。之后再將這些實(shí)體通過切割、剖切、布爾運(yùn)算等操作來完成更為復(fù)雜的實(shí)體創(chuàng)建。

圖1 三維實(shí)體模型

2 三維礦圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一般情況下，無論是設(shè)計(jì)單位還是生產(chǎn)單位，常用的圖紙均是二維的，可視性不強(qiáng)，技術(shù)人員觀測(cè)不方便、不全面。因此，實(shí)現(xiàn)礦山圖紙的三維繪制顯得尤為重要。在進(jìn)行三維礦圖繪制時(shí)，首先要對(duì)擬描述對(duì)象結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，之后將復(fù)雜的整體分解成為若干個(gè)簡(jiǎn)單體，最后利用Auto CAD上的實(shí)體模型操作來完成三維模型的繪制。

本文將主要闡述利用 VBA語言對(duì) Auto CAD進(jìn)行二次開發(fā)，結(jié)合夏家店礦斜坡道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其斜坡道進(jìn)行研究，希望建立其三維立體模型，從而以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)采用巷道斷面沿指定拉伸路徑或指定拉伸高度的辦法生成三維巷道，構(gòu)建基于Auto CAD平臺(tái)的礦山三維斜坡道自動(dòng)化繪制模塊，最終實(shí)現(xiàn)三維巷道的建模，實(shí)際上這也是對(duì)三維繪圖功能的一個(gè)學(xué)習(xí)和開發(fā)。

2.1 巷道斷面的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行三維建模前，首先需要了解Auto CAD的基本繪圖功能，在繪制平面圖時(shí)只要用雙線或直線描出所有巷道的兩側(cè)邊線即可，不需要考慮高程問題。而對(duì)整個(gè)礦山而言，巷道是礦山生產(chǎn)中的一個(gè)重要實(shí)體。巷道尤其是斜坡道，是采礦生產(chǎn)中將無軌設(shè)備從地面運(yùn)送到井下以及輔助通風(fēng)、安全輸送工作人員的主要通道。

地下礦山現(xiàn)有的巷道斷面形狀有圓弧拱、半圓拱、矩形、梯形等，如斜坡道、運(yùn)輸巷道、采礦進(jìn)路、排水溝等，不同的巷道在采礦設(shè)計(jì)過程中均有不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 建模方法

本文所敘述的巷道斷面建模方法的 VBA編程原理是基于Auto CAD平臺(tái)，借助巷道斷面沿指定路徑拉伸的方法實(shí)現(xiàn)三維巷道建模。主要介紹巷道斷面沿直線路徑和彎曲路徑拉伸構(gòu)建三維斜坡道。需要注意的是，以上建模方法均是首先建立一個(gè)巷道斷面面域，之后再運(yùn)行Auto CAD中的建模程序來完成的。

2.2.1 拱形巷道直線路徑建模

拱形斷面建模主要分兩步：第一步是繪制巷道斷面，直接利用VBA程序在Auto CAD中進(jìn)行參數(shù)化繪制，如圖2所示；第二步是在Auto CAD中調(diào)用[菜單→繪圖→面域]，將已完成的巷道斷面生成一個(gè)面域，完成三維巷道模型構(gòu)建的準(zhǔn)備。

圖2 巷道斷面繪制

除了按照上述方法繪制巷道斷面之外，也可直接采用多段線和其他線的組合來繪制巷道斷面。需要注意的是，由于拉伸命令需要巷道斷面與拉伸路徑在三維空間中處于垂直狀態(tài)，因此之后需要進(jìn)行很重要的一個(gè)步驟，即將巷道斷面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得巷道斷面和拉伸路徑垂直。首先將斷面移到巷道中線的端點(diǎn)處，然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使巷道斷面與路徑在同一水平垂直，如圖3所示。巷道斷面和拉伸路徑在平面圖中顯示垂直，但這并不是真正空間意義上的垂直，因此不能直接對(duì)其進(jìn)行拉伸，必須進(jìn)行下一步的旋轉(zhuǎn)才能使斷面垂直于拉伸路徑。具體操作方法如下。

圖3 巷道斷面與拉伸路徑垂直

（1）點(diǎn)擊修改工具欄的[旋轉(zhuǎn)→回車→選擇對(duì)象]進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)操作不能實(shí)現(xiàn)空間的旋轉(zhuǎn)，要通過新建坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)。因此，首先新建坐標(biāo)系。

（2）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。重復(fù)輸入命令：[UCS→回車]，之后在命令行[新建（N）/移動(dòng)（M）/正交（G）/上一個(gè)（P）/回復(fù)（R）/刪除（D）/應(yīng)用（A）/？/世界（W）]：輸入N，回車，輸入3，回車，再點(diǎn)擊新坐標(biāo)系的原點(diǎn)，在點(diǎn)擊新坐標(biāo)系的XX和YY方向。直至將原來坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)至如圖4所示的坐標(biāo)系。在這種狀態(tài)下就可以完成圖像在空間平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。

圖4 旋轉(zhuǎn)之后的坐標(biāo)系

（3）旋轉(zhuǎn)。采用Auto CAD中的 [旋轉(zhuǎn)]命令：選擇斷面→指定基點(diǎn)→點(diǎn)擊交點(diǎn)→指定旋轉(zhuǎn)角度或[參照回車/指定基點(diǎn)/原始方向/新方向]完成旋轉(zhuǎn)。

（4）重復(fù)上述操作使得巷道斷面與路徑在空間上垂直，如圖5所示。之后就可以進(jìn)行拉伸，完成巷道的三維建模，見圖6。整個(gè)過程進(jìn)行了多次旋轉(zhuǎn)才使得巷道斷面與所畫的路徑完全垂直。由于礦山巷道的斷面一般情況下只有拱形，故其他斷面形狀這里不再贅述。

圖5 巷道斷面和拉伸路徑垂直

圖6 拉伸建立巷道三維模型

2.2.2 拱形巷道彎曲路徑建模

上述建模過程利用Auto CAD中的拉伸命令，雖然也可以實(shí)現(xiàn)三維模型的建立，但是其過程太過復(fù)雜，且存在一個(gè)主要的問題，就是只能建立拉伸路徑為直線的模型。而實(shí)際礦山的巷道往往都是彎曲的。因此，在進(jìn)行彎曲巷道建模時(shí)，就需要采取其他的方法來完成，諸如通過Auto CAD中的VBA編輯器編程來實(shí)現(xiàn)彎曲路徑下三維巷道的繪制。建模思想如下：

（1）建立一個(gè)巷道斷面、一個(gè)三維拉伸路徑；

（2）通過運(yùn)行相關(guān)程序就可建立彎曲路徑的三維巷道模型，如圖7所示。

圖7 程序化繪制彎曲路徑三維巷道

通過上述建模過程，有如下思考：是否可以對(duì)Auto CAD進(jìn)行二次開發(fā)，直接通過選定路徑和巷道的斷面來實(shí)現(xiàn)地下礦山斜坡道的自動(dòng)繪制，從而實(shí)現(xiàn)地下礦山斜坡道的可視化。下面以夏家店礦山為例，詳細(xì)敘述基于Auto CAD的二次開發(fā)構(gòu)建三維斜坡道的技術(shù)。

3 夏家店礦三維斜坡道構(gòu)建

3.1 構(gòu)建三維斜坡道一般流程

由以上巷道建模過程，總結(jié)地下礦山三維斜坡道建模的思路如下：

（1）首先構(gòu)建三維巷道中心線，由于斜坡道主要分為螺旋式和折返式，因此需要單獨(dú)生成屬于不同類型的中心線；

（2）繪制巷道斷面，根據(jù)夏家店實(shí)測(cè)巷道數(shù)據(jù)繪制巷道斷面，然后構(gòu)建巷道斷面面域，為之后的三維巷道構(gòu)建做準(zhǔn)備；

（3）三維斜坡道的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)前兩步之后，通過調(diào)用以下程序完成斜坡道的自動(dòng)化繪制。

3.2 夏家店鐵礦三維斜坡道模型

夏家店金釩礦位于陜西省山陽縣，年產(chǎn)6萬t。礦體破碎，工程條件差，礦山開采難度較大。為了使采礦工作順利進(jìn)行，就需要對(duì)礦體信息進(jìn)行深入分析，以往工程相關(guān)數(shù)據(jù)主要以二維圖紙為主，因此，在施工中無法獲得立體化和更為精準(zhǔn)的信息，資料的分析難度也增大，不利于直觀地展現(xiàn)地下井巷工程的相關(guān)信息。而借助三維可視化建模技術(shù)進(jìn)行三維信息展示，可幫助礦山采礦工作者結(jié)合空間關(guān)系進(jìn)行開采條件分析，及時(shí)提出合理的開采建議，及時(shí)跟進(jìn)采掘計(jì)劃，不斷優(yōu)化采礦施工方案。

在繪制三維巷道時(shí)，一個(gè)重要工作就是確定斷面的拉伸路徑，也就是巷道斷面的中心線。夏家店礦斜坡道采用的是折返式斜坡道，因此中心線的幾何構(gòu)型與樓梯相似，根據(jù)夏家店斜坡道的斷面尺寸首先繪制巷道中心線，在完成三維斜坡道中心線工作之后，在中心線所在的平面按照要求創(chuàng)建巷道斷面，使得巷道斷面與巷道中心線的位置如圖8所示，并利用Auto CAD中的面域命令將巷道斷面轉(zhuǎn)化為面域，為之后建立三維可視化斜坡道做準(zhǔn)備。

圖8 在巷道中心線空間創(chuàng)建巷道斷面

完成上述工作之后，調(diào)用Auto CAD中的三維巷道繪制程序模塊，完成對(duì)夏家店礦體三維斜坡道的繪制，結(jié)果如圖9所示。

圖9 基于Auto CAD構(gòu)建的夏家店三維斜坡道模型

4 結(jié)論

（1）利用Auto CAD中內(nèi)置的VBA管理器進(jìn)行加載，通過VBA編程對(duì)Auto CAD進(jìn)行了二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了夏家店地下礦斜坡道的自動(dòng)化繪制。提高了繪圖的準(zhǔn)確性、規(guī)范性，在降低工作強(qiáng)度的同時(shí)也提高了工作效率。

（2）Auto CAD是目前無論設(shè)計(jì)單位還是生產(chǎn)單位使用最廣泛的礦用輔助軟件，在Auto CAD中進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)夏家店地下礦三維斜坡道的可視化建模，具有較強(qiáng)的可操作性和實(shí)用性，同時(shí)對(duì)其他礦山和后續(xù)實(shí)現(xiàn)地下三維立體開拓模型的構(gòu)建有一定的借鑒意義。

（3）基于 Auto CAD進(jìn)行夏家店地下礦山三維立體斜坡道的繪制，證明了利用Auto CAD進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)地下礦三維立體巷道模型可視化的可行性，為之后的繼續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。