摘 要 矿井通风系统平面图自动绘制系统——MventCAD的核心功能，不仅实现了巷道的双线自动绘制，而且能够自动对巷道间的空间位置关系进行正确判断，根据判断的结果，对巷道的连接、相交或交叉自动进行消隐处理。
关键词 通风系统平面图 计算机辅助设计 自动绘制
1 引言
矿井通风系统平面图是反映矿井实际通风状况的开拓开采工程图，它是矿井的必备图纸之一，是通风系统方案设计、网络分析和管理决策的基础性资料。由于矿井通风系统平面图大多由不规则的线条、弧、图块等组成，同时随着井下生产环境的变化，通风图形也要随之变化，修改工作量较大。
所以采用手工或通用商品化CAD图形软件如AutoCAD来绘制矿井通风系统图不仅劳动强度大、效率低，而且绘图精度低、容易出错。这就要求开发出自动绘制系统图的辅助设计CAD系统。
目前，我国矿井通风系统平面图辅助设计CAD系统有：中国矿业大学的VentCAD、河南理工大学开发的MCAD、安徽理工大学李湖生开发的MCANT等。这些矿井通风系统图绘制系统所存在的问题是：限于当时的技术条件落后和开发工具单一，它们大都是用LISP和ADS开发的，这就不可避免造成软件运行速度慢、界面不太友好、人机交互性较差。另外，这些软件尽管有些提供有巷道自动绘制模块，但基本上不能完全自动确定巷道间的空间位置关系，还需进行人工判断和人机交互式修改，这就不能最有效地降低工作量和提高工作效率。
鉴于此，使用AutoCAD 2000提供的ObjectARX开发工具（30版）在Visual C++ 60平台上开发完成了矿井通风系统平面图自动绘制系统——MventCAD，具有界面友好、模块性好、独立性强、连接简单、使用方便、内部功能高效实用等优点。MventCAD系统的最大特点是能够完全自动绘制巷道，能够自动确定巷道间的空间位置关系。
在MventCAD系统中，绘制一幅矿井通风系统平面图，并进行网络解算要用到的基本模块按操作顺序依次为：图纸初始化、添加巷道分支、巷道绘制、添加通风设施等。
2 图纸初始化
图纸初始化模块是绘制通风系统平面图的第一步，主要功能是确定绘图环境，包括设置绘图比例、选择文字样式、选择标题栏样式、设置图层以及绘制坐标方格网。在AutoCAD环境下，输入内部命令initpaper，弹出的图纸初始化对话框如图1所示。
图1 图纸初始化对话框（略）
3 添加巷道分支
要实现通风巷道的自动绘制，应预先根据地质测量结果，输入各条巷道的基本数据。这些基本数据包括巷道测站的坐标X、Y坐标，高程H，左边距Ll（测站与巷道左帮的距离）、右边距Lr（测站与巷道右帮的距离）。
在MventCAD中，要添加某条巷道分支的基本数据，首先应在激活该命令后弹出的对话框中输入该条巷道的名称，然后在弹出的“巷道数据输入”表格中，根据要求输入该巷道各测站的具体数值，最后这些数据作为记录被存储到数据库名为HdEntermdb的“坐标数据输入”表中。
4 巷道绘制
MventCAD系统在其核心模块——巷道绘制中，不仅完全实现了巷道的双线自动绘制，而且能够自动对巷道间的空间位置关系进行正确判断，根据判断的结果，对巷道的连接、相交或交叉自动进行消隐处理。经过多个具体例子证明，只要输入的巷道分支基本数据能够控制在一定误差内，巷道自动绘制并进行自动处理后的结果，基本上符合矿井井巷实际布置状况，很少需要进行人工修改。
巷道绘制模块具体又分为巷道自动绘制，巷道消隐处理和巷道相连接处理3个子模块。
41 巷道自动绘制
在添加巷道分支模块结束后，运行该子模块，系统将调用“坐标数据输入”表，循环读入每条巷道的基本数据，然后按照一定的步骤和方法进行自动绘制。系统在实现巷道自动绘制的算法时，其核心内容参照了手工绘制巷道的步骤。
首先以某矿一条巷道中的三测站两段为例简单介绍一下手工绘制巷道的步骤。
第一步，将现场实测巷道的数据列成表格。某矿3个测站的基本数据列于表1。
第二步，分别用三个测站的X、Y坐标在图纸的相应位置绘出3个测站的平面位置，见图3中的pt1、pt2和pt3。
第三步，由pt1点在pt1和pt2连线的近似垂直方向上分别量取左边距Ll1和右边距Lr1，得到点pt11和pt12。同理，可得到两段巷道的另外6个边界点pt21、pt212、pt31、pt22、pt222和pt32。
第四步，分别连接pt11、pt21并延长至ptj1，连接pt31、pt212并延长至ptj1，形成左侧巷道。
第五步，分别连接pt12、pt22并缩短至ptj2，连接pt32、pt222并缩短至ptj2，形成右侧巷道。
第六步，进行测站名称和底板标高及其它工作，完成图形。
表1 某矿3个测站的基本数据（略）
在MventCAD系统中，建立一个CHangDao类，并提供了一个与手工绘制巷道步骤相一致的重要类方法（函数）——draw（)。CHangDao类封装了实现巷道绘制的具体细节，提供了同用户进行交互的数据输入接口（成员函数）。在使用CHangDao类时，只需为其类对象的数据输入成员函数赋值，并调用有关的绘制函数，即可自动绘制出一条巷道。MventCAD在执行“巷道自动绘制”子模块时，将循环从“坐标数据输入”表中读入所需数据，然后按照上述代码格式，构造巷道对象，并调用数据输入成员函数和巷道绘制函数，最后自动绘制成图。
42 巷道消隐处理
“巷道绘制”子模块结束后，巷道的形状、位置按照投影关系都被清晰地表示出来，但巷道间的空间位置关系还没表示出来，所以必须进行巷道消隐处理。
巷道消隐处理指的是对于投影在平面图上相互交叉的两个巷道，根据它们的空间位置关系，对交叉部位的隐藏线自动进行消除，并重新进行绘制，从而能正确地在平面图上显示出巷道间的层次关系。
MventCAD系统把巷道间的空间相对位置关系归纳为以下5种（图2所示）：
(1)一巷从另一巷上部跨过，简称“上跨”（如图2中A巷与B巷）。
(2)一巷从另一巷下部穿过，简称“下穿”（如图2中A巷与C巷）。
(3)一巷与另一巷相贯通， 简称“贯通”（如图2中A巷与D巷）。
(4) 一巷与另一巷相接， 简称“相接”（如图2中A巷与E巷）。
(5) 一巷与另一巷不相关， 简称“无关”（如图2中A巷与F巷）。
图2 巷道空间位置关系示意图（略）
系统在自动判断某条巷道A与某条巷道B的位置关系属于上面5种关系里的哪一种时，需进行以下两个步骤：① 计算巷道A的左、右壁与巷道B的左、右壁在投影平面上的交点数和交点坐标。设交点数为m，则如果m=0，那么巷道A与B的关系属于“无关”；如果m=2,那么巷道A与巷道B的关系属于“相接”；如果m=4，那么需要进行第二步判断。② 在m=4的前提下，分别求出巷道A与巷道B在某一个交点处的高程坐标h1和h2。如果h1－h2＞ε（ε为高程误差值，在MventCAD系统中ε为5m），那么巷道A与B的关系属于“上跨”。如果h1－h2＜－ε，那么巷道A与巷道B的关系属于“下穿”。如果h1－h2≥－ε并且h1－h2≤ε，那么巷道A与巷道B的关系属于“贯通”。
应特别注意的是，系统在进行这两个判断步骤前，必须保证巷道A与巷道B最多只能交叉一次，即其交点数最多只能为4个。如果出现巷道B在巷道A上的交叉位置多于一个，那么必须在输入巷道B数据时，把它分成两段或多段，保证每一段与A最多交叉一次，然后分别对巷道A与B的每一段进行消隐处理。
在上面进行巷道关系判断的步骤①中，要求巷道A与巷道B的交点坐标以及交点数，需用到CHangDao类的成员函数intersect，程序指令为Pts=A->intersect（B）（Pts为交点坐标数组，A、B为CHangDao类）。在成员函数intersect（）中，首先把两条巷道的左、右壁用两个多义线实体表示出来，然后四次调用了ObjectARX类库中的一个重要重载函数intersectWith（）（该函数返回图形中一个实体与另一个实体的交点）。
在上面进行巷道关系判断的步骤②中，要求出巷道交点处的高程坐标，需调用程序中的CalHeight（）函数。在该函数内部，首先判断交点位于巷道哪个壁以及壁上哪两个已知高程的点之间，然后分两种情况求出交点高程。这两种情况如图3???4所示，图上P表示交点，A、B表示在巷道壁上与P相邻的两点，P1、A1、B1分别表示点P、A、B在平面图上的投影，h1为A点高程，h2为B点高程，hx为P点高程。
图中，已知A、P和B点的X、Y坐标，并且已知A和B点高程为h1和h2，现求P点高程hx。对于情况1：|h1|＜| h2|，过A点作垂直于AA1的直线，交PP1于点P11，交BB1于点BB1，则从图上可看出：hx＝h1＋|PP11|，而由两三角形相似定理，可求得| PP11|＝|AP11|×（| h2|－| h1|）／|AB11|（其中| AP11|和| AB11|由两点坐标公式计算而得），代入上式即可得hx得计算公式：hx＝h1＋| AP11|×（| h2|－| h1|）／| AB11|。同理，对于情况2：| h1|＞| h2|，可求得hx得计算公式：hx＝h2＋|BP11|×（| h2|－| h1|）／|BA11|。〖BP）〗
经过步骤①和②，只要输入数据正确，巷道间的空间位置相对关系基本上能够正确无误地自动确定下来，这种关系类型以及交点坐标最终被存储到hddatamdb数据库中的"消隐表"中。接下来，应根据“消隐表”中的数据，对于需要消除隐藏线的巷道重新进行绘制。当某条巷道与其它巷道的相对位置关系为“下穿”、“贯通”或“相接”时，需在交叉部位消除隐藏线，而当关系为“上跨”和“无关”时，无需进行处理。〖JP〗
现以图3中的巷道A为例，来具体说明系统是如何自动消除隐藏线的（该图表示的是没有经过消隐处理的通风系统局部图）。从图3中可看出，巷道A共有3个测站，如果用一个CHangDao类的对象（设名称为HdA）来描述巷道A，那么在消隐前，HdA的属性之一“巷道左壁数组”共包括3点，分别为图中的1、2、3点，HdA的属性之二“巷道右壁数组”也包括3个点，分别为图中的4、5、6点。在自动消隐时，系统顺序读入“消隐表”中与巷道A相关的记录数据，根据数据项“巷道关系”的内容，可知：巷道A与巷道C的关系为“下跨”，巷道A与巷道D的关系为“贯通”，巷道A与巷道E的关系为“相接”，这样，需在它们的交叉位置（图3中X、Y、Z）消除隐藏线。然后，分别读取记录中“交点坐标”数据，在HdA的“巷道左壁数组”属性中，添加4个点（见图3中的7、8、9、10），在HdA的“巷道右壁数组”属性中，添加6个点（见图3中的11、12、13、14、15、16）。最后，删除巷道A构成的组实体，再分别用直线（在程序中为AcDbLine类）连接1和7、8和2、2和9、10和3构成巷道左壁，分别用直线连接4和11、12和5、5和13、14和15、16和6，构成巷道右壁。对巷道A进行消隐处理后，系统按同样的方法，自动对巷道B、C、D、E和F进行处理，最终得到的图形如图2所示。
图3 通风系统局部图（略）
43 巷道相连接处理
随着矿井生产布局的变化，经常要开拓出一些新的巷道，如果新增加的巷道与某条已存在的巷道首部或尾部相连接，那么就需进行该子模块的处理，以便能在通风图中自动准确连接这两个巷道。MventCAD系统在判断巷道A与巷道B是否相连接时，拿巷道A的首、尾坐标（即测站坐标）同巷道B的首、尾坐标相比较，如果属于以下4种情况：A的首坐标等于B的首坐标、A的首坐标等于B的尾坐标、A的尾坐标等于B的首坐标或A的尾坐标等于B的尾坐标，那么系统认为巷道A与巷道B相连接。系统根据不同情况的连接问题，用不同方法分别进行了处理，实现了巷道的自动准确连接。
例如，图4中，a图表示的是巷道A的尾坐标等于巷道B的首坐标的连接问题，经过系统处理，形成b图，实现了准确连接。
图4 巷道连接问题的处理（略）
5 添加通风设施
在通风系统图上，必须用合适的符号表明通风设施的类型和位置，以表明通风系统布置情况。为了提高绘图效率，MventCAD系统参照《煤矿矿井设计手册》和《通风安全工程图集》预先建立了标准化的通风图例库。图例库中包括通风设施、通风机、风流方向、安全监测、防尘等图块。
6 结论
MventCAD系统实际应用在平顶山煤业集团公司一矿、六矿、郑州新登煤矿和神火煤业集团新庄煤矿等矿井的通风系统平面图绘制当中，并都取得了较好的应用效果。通过多次实际应用，证明该系统具有以下功能和特点：
(1)能够自动绘制出反映矿井通风巷道实际布置情况和相对空间位置关系的通风系统平面图。
(2)绘制出的平面图易于编辑、修改和长期保存。
(3)界面友好，人机交互性强。
(4)操作简便，易于上手。
(5)程序易于维护和升级。
该系统具有较高的推广应用价值，能够应用在高等院校、煤炭研究所、矿务局、煤矿、培训中心等单位，并将成倍降低工作量。
参考文献
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摘自《中国煤炭》杂志
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