地下矿可视化生产管控系统参数化数据模型

熊书敏¹，王李管¹，黄俊歆^{1, 2}，陈建宏¹

(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 湖南工学院 安全与环境工程系，湖南 衡阳，421001)

摘要：在融合面向实体的数据模型和网络数据模型的基础上，引入参数对象，设计一种网络化、层次化、参数化的实体与网络复合模型(PENDM)，解决该系统中RPS的空间数据建模问题，形成以井巷为空间参照的井巷与生产系统整体模型。运用面向对象的思想建立PENDM的主要数据结构。PENDM采用面向实体的元素描述井巷工程和生产系统的实体特征，采用网络元素描述系统内部网络的空间拓扑结构，采用参数描述实体轮廓、定位信息、设备信息和其他附属信息。结合具体应用分析PENDM在地下矿山生产管控系统中的作用。研究结果表明：该模型能够实现复杂生产系统信息管理、空间分析和三维体模型的自动建立，解决了矿山井巷工程与生产系统的表达、自动建模与快速更新以及漫游路径和救避灾路线的求解问题，对于其他(如通风量计算)的需要网络的专业分析同样有效。

关键词：数字矿山；巷道；实体数据模型；几何网络；三维矢量数据模型

中图分类号：TD17         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)01-0272-06

Parametric data model for underground mine 3D visual production management and control system

XIONG Shu-min¹, WANG Li-guan¹, HUANG Jun-xin^{1, 2}, CHEN Jian-hong¹

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Department of Safety and Environment Engineering, Hunan Institute of Technology, Hengyang 421001, China)

Abstract: In order to establish the spatial data model of the RPS for the UM3DVPMCS, a new networked, hierarchical, hybrid and parametric entity-network data model (PENDM) was designed, which integrates entity-oriented data model and network data model and has some parameter  elements. When the PENDM was used to describe roadways and production systems, a roadways and production systems frame model (RPSFM) was formed. The object-oriented data structures of the PENDM were given. The PENDM describes the features of RPS with entity-oriented elements and the spatial topological relationships of inner network with network elements. It defines the entity outline, device information and other additional informations with parameters. Finally, the model was applied in the underground mine 3D visual production management and control system (UM3DVPMCS), and some applications were analyzed. The results show that the model is suitable for information management of complex production systems, spatial analysis, and automatic modeling of three-dimensional volume models, and solves the problems of the expression: Automatic modeling and rapid renewal of roadways and production systems and obtaining the roaming path and escape route. It is also effective to solve the other professional analysis problems (such as ventilation calculation) which need network.

Key words: digital mine; roadway; entity-oriented data model; geometric network; 3D vector data model

随着数字矿山技术的不断发展，充分利用三维空间信息和空间分析进行矿山生产过程的管理、辅助决策、调度和控制越来越重要。井巷工程及其内部的生产辅助系统的三维空间数据模型必能为空间信息管理和分析提供强有力的支持。很多学者在井巷工程和生产系统的建模和分析等方面进行了大量的研究工作，如：龚健雅等^[1]提出用断面和似柱面来表达矿井巷道；马荣华等^[2]将矿井巷道抽象为巷道弧(测量导线)，形成巷道网络，并在弧上加载断面表示巷道的三维形态；李海霞等^[3]提出用网络表达整个矿区巷道，用巷道体表达单个巷道的双级三维空间数据结构。随着三维可视化技术的发展，三维体模型受到广泛的关注，它有效地解决了巷道设计结果的三维可视化问题^[4-7]和矿山虚拟场景的表现问题^[8-10]。周科平等^[8-9]在运输系统的仿真研究中建立了运输系统的网络模型。孔令标  等^[10]为了实现供电系统的自动设计，建立了供电系统的三维地理网络。目前所提出的各种模型和方法在一定程度上解决了其所关注领域的空间现象建模问题，但对于地下矿山三维可视化生产管控信息平台，由于其在数据动态更新、快速可视化表达及空间信息分析等方面具有特殊需求，因此，对描述对象的数据模型提出了更高的要求。目前的模型方法用于可视化生产管控信息平台存在如下问题：一是三维体模型可视化能力强，但空间分析能力不足；二是这些模型要么无法表达实体，要么没有形成网络，要么在实体和网络间没有建立联系，且模型中没有包含向三维体模型转换的足够信息；三是无法描述生产系统和井巷工程之间的空间依赖关系。为此，本文作者设计一种新的参数化实体与网络复合数据模型(PENDM)来描述井巷工程和地下矿生产系统的实体和网络拓扑。

1  地下矿生产管控系统对数据模型的要求

1.1  地下矿生产系统的空间分布特征

(1) 线状特征。地下矿山的井巷工程和硐室基本上都是具有规则断面形状的线状实体^[11]。井下生产系统也具有明显的线性特征，如供电系统中的线路是一种线状实体。

(2) 网络特征。矿山地下巷道与硐室是联通的，形成了一个复杂的地下空间网络。矿山生产系统内部也可以看成是一个空间几何网络，如供电系统可以看成是以供电线路为边、以供电设备为结点的供电网络。

(3) 对井巷的时空依赖性。井下生产系统的空间分布呈现出很明显的对巷道和硐室的依赖性。生产系统的生命周期也依赖于巷道和硐室的服务周期。因此，这种依赖具有时空和动态特征。

1.2  数据模型设计原则

一个完整的井巷和生产系统实体是由几何信息、属性信息和可视化信息3部分构成，其模型要满足以下几点要求：

(1) 既能完整地描述井巷和生产系统的单个实体，又能描述系统内部的几何网络拓扑关系，且具有较少的数据冗余，易于进行空间分析和操作。

(2) 具备实现自动建立井巷和生产系统三维体模型的所有信息，且尽量与原始数据(设计数据和实测数据)保持一致，有利于它们的存储、查询、分析和管理。

(3) 能够根据语义层次式地组织空间实体数据。例如，可以按盘区和水平分层分块来组织井巷工程实体。

(4) 能够反映工程实体和各个生产系统实体之间的包含关系。

2  典型空间数据模型

在空间信息领域，有2类典型的空间数据模    型^[12]：拓扑关系数据模型和面向实体的数据模型。拓扑关系数据模型侧重于空间实体之间的拓扑关系的表达；几何网络模型是一种特殊的拓扑关系模型，用于表达空间实体之间形成的网络关系。拓扑模型对单个的空间实体的表达能力有限。面向实体的数据模型侧重于对单个实体的表达^[13-14]，用三维点、线、面和体4种元素描述空间实体，其中，点和线元素可用于抽象空间实体，便于进行空间分析。可以看出：任何一种经典数据模型都有其优缺点，单一模型不能完全满足地下矿三维可视化生产管控信息平台对数据模型的要求。

3  参数化实体与网络复合数据模型

根据以上分析，设计了1种三维矢量数据模型，即参数化实体与网络数据复合模型(PENDM)。建立各个生产系统的PENDM和井巷工程的PENDM之后，由于该模型内隐含了它们之间的空间依赖关系，因此，就可以形成井巷与生产系统整体模型(Roadways and production systems frame model, RPSFM)。

3.1  PENDM模型的元素组成

PENDM以实体模型为基础，兼顾网络模型。该模型由实体元素、网络元素和参数元素组成，如图1所示。其中，实体元素(从坐标点到要素类)之间存在层次式的包含关系。各元素定义如下。

(1) 坐标点。坐标点(X，Y，Z)描述三维空间中的1个位置。

(2) 点对象。井巷PENDM中的点对象包含1个坐标点对象和断面对象。生产系统PENDM中的点对象包含定位参数对象和断面对象。

图1  PENDM模型的元素构成图

Fig.1  Structure diagram of parametric entity-network  data model

(3) 定位参数对象。包含以井巷中线为空间参照的定位参数，如定位点L₁、定向点L₂、沿定位方向相对定位点的距离s、相对井巷中线的偏移量L和距离底板的高度H等。图2所示示意图以供电系统为例说明了定位参数的含义，其中，L_i为井巷中线点；G_i为电缆中线点；s为G₁在L₁L₂上的投影点到L₁的距离；L为G₁到L₁L₂的水平距离。

(4) 线对象。由一系列有序的点对象组成。

(5) 材质对象。描述空间实体的表面颜色和纹理等效果。

(6) 属性对象。描述空间实体的属性信息，是一个N元组，通过ID关联到对应的几何对象。

(7) 线要素。线对象带上自身的属性对象之后就形成了线要素，线要素是对客观现象的一种抽象。

图2  巷道中线和供电系统中线关系示意图

Fig.2  Relationships between roadway midline and power system midline

 (8) 复杂要素。在语义上有联系的要素可以组成一个整体，形成复杂要素，复杂要素也可以包含属性。复杂要素具有自嵌套特征，可以通过自嵌套方式继续组合成更高一级的复杂要素。

(9) 要素类。具有相同属性结构的同类要素的集合。

(10) 结点。结点对象是1个网络拓扑几何对象，包含1个相连边列表，它是边的端点。

(11) 边。边由线要素组成，其两端为结点对象。边是几何网络的组成元素。

(12) 几何网络。网络对象由边和结点组成，可以用于辅助线状实体模型的建立和进行网络分析(运输分析、淹没分析、救避灾路线分析等)。

(13) 断面。描述矿山坑道和部分生产系统形状的抽象对象。规则断面由一组参数组成，不规则巷道由1条封闭的折线组成。

(14) 附加信息。边和结点的附加信息用于辅助建立三维模型或者辅助网络分析，其内容在模型实例化时确定，如设备的姿态信息记录了设备的方位，由1个空间矢量坐标(X，Y，Z)组成。

3.2  井巷工程与生产系统整体模型

通过建立PENDM与井巷和生产系统之间的对应关系，就可以建立各自的PENDM。此处只讨论井巷和供电系统与PENDM的对应关系。

井巷实体可以分为位置、分段井巷中心线、分段井巷、井巷、井巷组、井巷模型共6个层次。其中：井巷模型包含矿山的所有井巷工程；井巷组是人为划分若干个井巷的集合体；分段井巷是井巷被断面变化处和交叉口打断后的实体。其中所有的分段井巷连通形成1个空间几何网络。

矿山供电系统由各种线状和点状设备组成。系统的组成元素可以划分为相对巷道中线点的位置信息、电缆中心线、分段电缆、电缆(设备)和电网共5个层次，所有的电缆和点设备组成1个网络。

图3所示为实体数据模型原型与井巷和供电系统映射模型之间的对应关系。从图3可以看出：采用实例化方法，可以方便地建立各种生产系统的PENDM映射模型。建立井巷和各个生产系统PENDM之后，就形成了以井巷为空间参照的RPSFM。图4所示为RPSFM概要结构图，其中：每个大圆代表1个PENDM模型；各生产系统PENDM中的定位信息对象均引用井巷PENDM中的点对象来实现空间定位，由此将所有生产系统PENDM和井巷PENDM连接成一个整体。

3.3    PENDM的数据结构设计

在图1所示的PENDM的逻辑结构图中，描述了模型的组成元素和元素之间的关系。为了在计算机中实现该模型，还必须设计该模型的数据结构。本文作者在逻辑模型的基础上，运用面向对象的设计思想，建立描述模型中各个元素的类的数据结构。网络元素的数据结构如下：

(1) 网络类包含网络ID、网络名称、边列表和结点列表。

(2) 边类包含边ID、开始结点ID、终止结点ID和可扩展的附加信息结构。

(3) 结点类包含结点ID、边ID列表和可扩展的附加信息结构。

主要实体元素类数据结构如下：

(1) 坐标点包含坐标点ID，坐标(X，Y，Z)。

(2) 点对象包含点对象ID、所属线对象ID、断面ID、坐标点ID和定位参数对象。

(3) 定位参数对象包含定位参数对象ID、定位线对象ID、定位点ID、定向点ID、相对距离s、偏移量L和距离底板高度H。竖井中H存储的是方位角A。

(4) 线对象包含线对象ID、名称、所属线要素ID、点对象ID列表和材质名称。

(5) 断面对象包含断面对象ID、断面类型、超高值、断面特征参数1(圆形断面的半径以及矩形、梯形、拱形断面的底宽)、参数2(矩形和梯形断面的高以及拱形断面的壁高)和参数3(梯形顶宽以及拱形断面的拱高与底宽之比)。

(6) 线要素包含线要素ID、名称、类型、所属要素类ID、线对象ID和属性对象ID。

(7) 复杂要素包含复杂要素ID、名称、类型、所属要素类ID、线要素/复杂要素ID列表和属性对象ID。

(8) 要素类包含要素类ID、名称和描述。

(9) 不同系统的附加信息各不相同，供电系统附加信息是设备对象类，它包含设备对象ID、设备类型码、设备型号ID、设备坐标(X，Y，Z)、设备局部坐标系与场景坐标轴的夹角(α，β，γ)。

图3  实体数据模型及其映射图

Fig.3  PENDM and roadways and power system

图4  井巷和生产系统整体模型

Fig.4  Roadways and production systems frame model

4  数据模型的应用

PENDM在地下矿三维可视化生产管控系统中主要有3方面用途：一是在矿山设计阶段用于保存井巷工程和生产系统的设计数据(中线、断面、岔口类型或设备信息等)；二是在虚拟矿山建模阶段实现矿山场景的自动化快速建模；三是在矿山生产管理阶段实现空间分析和面向实体的信息管理。下面以某磷矿的部分数据作为原始数据，举例说明此模型的功能。

(1) 井巷工程三维体模型的自动建模。按照深度优先遍历算法遍历井巷PENDM中的网络，提取每条边对应的分段井巷实体的中线、断面信息和材质信息，根据中线加断面法^[6-7]建立每条边(分段井巷)和每个结点(交叉口)的三维体模型，如图5所示。若用传统的抽象实体模型和网络模型表达井巷中线，则由于需要交互式指定断面和材质甚至井巷连接关系(使用实体模型时)，无法实现自动建模。

(2) 双向查询。由于PENDM内含巷道与生产系统之间的空间依赖，基于PENDM可以实现它们之间的双向查询。图6所示是巷道与供电系统线要素间双向查询逻辑流程图。若使用传统的数据模型，则实现这个功能需要复杂的空间关系计算。

图5  井巷三维模型

Fig.5  3D roadways model

图6  井巷与供电系统双向查询流程图

Fig.6  Bidirectional query flowchart of roadway and power supply system

(3) 确定救避灾路线。巷道PENDM中要素的属性可以记录温度、CO含量、风量、CH₄含量、风流方向和巷道类型等信息，巷道的线对象还记录了断面信息，并可根据线对象中的坐标信息计算井巷的坡度。以这些信息和井巷PENDM中的网络为输入数据，用双向扫描法算法^[15]可以确定最佳避灾路线。传统数据模型要么缺乏网络(如实体模型)，要么缺乏实体属性(如网络模型)，要么缺乏断面信息(如实体模型和网络模型)，要么不便于计算坡度(如体模型)，而难以实现这一功能。

(4) 巷道漫游。巷道PENDM中包含网络元素和实体元素，网络可以作为漫游的路径，利用网络与实体的关联关系，漫游时还可以显示当前分段巷道实体的属性(固有信息和监测信息)，如图7所示。传统体模型无法用作漫游路径，使用抽象实体模型不能实现网络漫游，使用网络模型不能显示关联的井巷属性。

图7  基于中线网络的巷道漫游

Fig.7  Roadway roam based on midline network

5  结论

(1) PENDM用实体元素、网络元素和参数对象记录了巷道和生产系统实体的信息，形成其抽象“骨架”，不仅可以实现面向语义实体的信息管理和三维体模型的自动构建，还弥补了三维体模型在空间分析上的不足。

(2) 以PENDM为基础的RPSFM是一个整体模型，表明生产系统对巷道的时空依赖性，可以实现巷道与生产系统实体之间的空间查询，而且生产系统的位置信息随着巷道位置的修改而自动修改。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-02-26；修回日期：2011-05-05

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50774092)；湖南省科技厅重点项目(2008SK3077)；湖南省教育厅科研项目(10C0573)

通信作者：熊书敏(1976-)，男，湖北麻城人，工程师，博士研究生，从事数字矿山研究；电话：15084922486；E-mail: xsm_126@126.com