CAD现状及发展前景1

CAD市场

市场需求是技术创新的原动力。二十世纪的一个重大变革是全球市场的统一，它使市场竞争更加激烈，产品更新周期加快。在这种背景下，CAD技术得到迅速普及和极大发展。海湾战争结束当年，美国评出的二十世纪最具影响的十大技术中，CAD便榜上有名。CAD技术从最初的工业设计领域已渗透到人们日常生活的每个角落，从机械、电子、航空、航天、邮电、兵工、纺织、建筑、船舶、地质、采矿，一直到艺术、装演、医疗、教学、旅游、管理等，可以说无数不包，以CAD技术为基础开发的各类商业专业软件已超过10万个，其中以工程设计领域的CAD所占比例最大，发展和普及速度也最快，并且取得了显著的经济效益，如美国Autodesk公司开发AutoCAD己推出了17个版本，应用领域遍及全球各个行业。

近二十年来，随着计算机硬件技术的发展，特别是图形处理设备的飞速发展，计算机辅助设计/制造((CAD/CAM)技术以惊人的速度快速发展，有专家评价:“如果把电子技术看作是工业的一次革命的话，那么CAD/CAM是工业的另一次革命，它是计算机对人类文明的巨大推动在工业方面的重要体现，其前景是不可限量的”。据美国1991年统计，在超大规模集成电路设计生产中引入CAD技术后，提高效率18倍，机械工业提高5倍，建筑行业提高3倍，出版行业提高4.4倍。随着交互式图形技术，特别是可视化技术的提高，其效率会有更明显的增长。

CAD技术发展趋势

随着CAD技术的普及应用，CAD技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展。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CAD软件开发及技术应用与世界接轨的必由之路。作为CAD系统的支撑环境，开放的操作系统，如:WINDOWS, UNIX将是今后CAD系统的主流;面向对象的编程技术和数据库技术将为CAD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CAD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，80年代中期CAD/CAM技术的集成形成了CIMS高科技系统。

概括起来今后CAD系统将会在以下几方面发展:

1.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

CAD/CAM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CIMS系统、工程设计建筑、水、电、暖一体化的集成。

4.与CAD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CAD系统将大量发展，网络环境下的分布式CAD系统，将各种不同的CAD作业、不同的硬、软件支撑环境集成于一个网络环境，或客户/服务器环境下;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CAD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CAD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CAD系统也是一个热门研究方向。

采矿CAD技术研究进展

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。其中部分软件如DATAMINE, VULCAN已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。进入九十年代，可视化和集成化技术在CAD/CAM, GIS、流体力学、有限元计算等领域得到广泛的应用，在地质和矿山CAD方面亦已起步，如DATAMINE, VULCAN, Earthworks等。

国内，自80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，可视化集成采矿CAD技术在国内基本还是空白。

CAD技术在采矿行业的应用起步较早，几乎与计算机图形处理技术同步发展，早在八十年代初，就出现了一些功能较齐全的采矿CAD软件系统，如D.Hartly等人研制的地下矿设计软件，建立了一个采矿工程图形库，根据需要可以组合这些图形，完成采矿的设计工作，并可给出设计结果的立体图和投影图。Intergraph公司采矿与地质应用分部研制的Intergraph这样一个综合的交互式的图形系统，用来管理一个复杂的动态的矿床模型。在美国许多矿山公司，如兰特公司、比特尔建筑与矿山公司等，都由于应用Intergraph系统获得了很好的经济效益。据报导]，德国还有在图形工作站上安装的采矿设计集成化系统，它把地质统计学、矿床模型、储量计算、开采设计、模拟开采、岩石力学和效果评价等综合在一起来综合解决矿床开采的设计问题。从历届APCOM会议资料报道来看，在近期内，国外研制和开发了十多个关于地质储量计算和矿床开采辅助设计方面的商品化软件，如MINEX3D, Surpac, Mintec,

Geo-Model, Geostat system,LUNX, Mincromine, Egales, MinCom, MineMap,

DATAMINE, GEOMATH,DM等，这些软件在使用各种方式和方法来描述矿床和管理原始资料的基础上，侧重于矿床开采的辅助设计工作。

在我国，采矿CAD技术的研究和应用始于80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80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CAD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简介。

鞍山黑色冶金设计研究院是较早着手开发采矿CAD软件的单位之一。他们开发的“露天矿采剥计划CAD软件包”，利用CAD技术来编制露天矿中短期采剥进度计划，其主要原始资料是地质分段平面图或剖面图。后来又研制了“采矿、地质总图优化设计软件”，主要是用于完成露天矿采剥进度计划的计算机模拟编制并输出工程图表，辅助布置露天矿汽车运输线路，建立地质及经济块段模型，露天矿境界优化圈定，各种矿岩量的统计与计算，由地质剖面图生成地质平面图等。虽然从软件开发水平和质量上不算太高，但却从CAD技术在矿床开采中的实际应用上朝实用化方面前进了一大步，解决了工程实际问题，先后在冶金系统的二十多家单位推广应用。

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”，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。

长沙有色冶金设计研究院曾研制出了一套地质CAD软件系统，它主要用来生成各种地质剖面图、分层平面图、地质界线连接与矿体圈定等，辅助工程技术人员对地质资料进行图形化管理，从开发技术、功能上以及软件的发展方面来看，这是开发得较成功的一套软件，可惜没有进行推广和完善。

中南工业大学资源开发工程系经过多年努力开发出了DM&MCAD软件系统。它完成由地质钻孔资料、地形图开始到辅助设计的微机化，能绘制各种地质平、剖面图和采矿工程图，可在微机上实现采矿设计，整个系统不依赖于任何通用工具软件，自带数据库、图形环境，己成功应用于10多个单位。

长沙勘察院针对Auto-CAD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TOPCAD。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Auto-CAD基础上开发了一套井巷工程计算机辅助设计软件系统SCAD，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图。

中国矿业大学、西安冶金建筑学院等单位，在煤炭系统CAD应用方面也做了很多工作，如境界优化、露天矿采掘计划编制、采矿方法选择、露天矿开拓方案选择等方面的软件。

除此之外，还有马鞍山矿山研究院、北京科技大学、东北大学、长沙矿冶研究院、长沙黑色冶金设计研究院、长沙矿山研究院等单位就矿床开采辅助设计方面也做了一些研究、应用和推广工作。

从1985年至今的文献资料来看，CAD技术在开采设计中的应用日益广泛和深入。它作为一种高速、精确的新型设计手段和工具，已广泛地为工程技术人员所接受，并对传统的设计手段和方法提出了挑战。目前，它己广泛应用于矿床开采设计的各个分支和侧面:如绘制通风辅助设计及绘制通风系统立体图、开拓系统图，各种井巷工程设计及绘图、巷道交叉点设计、提升系统设计、采矿方法设计、爆破设计、回采设计、排水系统设计与绘图、露天采剥计划辅助编制、露天矿境界圈定、露天汽车运输线路辅助布置、露天与井下运输系统的辅助调度、排土场规划与设计、地形图辅助绘制、各种地质平面图、剖面图的辅助绘制，地下采区布置图绘制等等。

采矿CAD技术存在的问题

从目前的研究和应用情况来看，笔者认为存在如下几方面的不足:

1.采矿CAD技术的基础研究太少。对CAD技术在开采设计中的应用很少从理论上、技术上和方法上展开研究。如对数据的采集、图形化描述、图形运算、处理、传输、共享机制以及图形化数据结构、存取结构、算法研究不够。尤其对图形数据的规范化及其表示方法研究不够，目前还没有相应的标准可以遵循，这些都是采矿CAD技术深入研究和应用的严重障碍。

2.对适合于计算机图形处理特点的采矿专业基本图元集和基本图形集研究不够，其重要性未受到应有的重视。

3.系统性和集成性不强。目前采矿CAD技术的应用还停留在较低层次上，研制和开发的软件只针对某个侧面的具体问题而开发的，一般只解决局部问题。还很少出现以地质、测量、采矿、选矿为大系统来开发辅助设计软件。

4.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。

5.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。