露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計與實現(xiàn)

杜久升 王 莉 侯 爭 陳宜金

(1. 河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作454000;2. 河南工業(yè)和信息化職業(yè)學院能源工程系，河南 焦作454000;3. 中國礦業(yè)大學( 北京) 地球科學與測繪工程學院，北京100083)

現(xiàn)代化的露天采礦正朝著規(guī)模大型化、管理信息化、技術(shù)科學化、環(huán)境環(huán)?；姆较虬l(fā)展［1］。露天礦生產(chǎn)過程中地面運輸尤為重要，在采礦設備總投資中，運輸設備投資約占60%，甚至更高，運輸成本占采礦總成本的50%以上［2］?？ㄜ囌{(diào)度系統(tǒng)集多項高新技術(shù)于一體，是提高露天礦生產(chǎn)能力、節(jié)省投資、提高礦山管理效率的有效手段［3］。數(shù)據(jù)庫是露天礦卡車調(diào)度軟件系統(tǒng)的核心［4］，近年來針對露天礦數(shù)據(jù)庫的研究主要包含如下幾類: ①以采礦為目的，完成礦山排產(chǎn)、精細化開采、邊坡預警等功能［5-7］; ②以地質(zhì)研究為目的，管理礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)，進行地質(zhì)災害監(jiān)測;③偏重基于AutoCAD 的圖形顯示或建模，僅利用小型數(shù)據(jù)庫( Access) 提供輔助數(shù)據(jù)管理功能［8-10］; ④以卡車調(diào)度為目的，使用Access、SQL Server 等軟件構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，主要用于存儲屬性數(shù)據(jù)?？梢姡斍暗穆短斓V數(shù)據(jù)庫多未顧及空間數(shù)據(jù)的存儲及空間分析;但是，卡車調(diào)度系統(tǒng)涉及諸多空間數(shù)據(jù)，例如重要區(qū)域的邊界、運輸路徑、設備的位置和運行軌跡等。因此，構(gòu)建適用于露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫已成為亟待解決的問題。

本研究選用SQL Server 2008 作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，該軟件不僅是當前主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，而且具備專門的空間數(shù)據(jù)類型( Geometry 和Geography) ，可滿足卡車調(diào)度系統(tǒng)所需空間數(shù)據(jù)的存儲及分析的需求［11］。以內(nèi)蒙某露天金礦為研究實例，以需求分析為出發(fā)點，進行數(shù)據(jù)庫的設計與實現(xiàn)，在完成屬性數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，利用空間數(shù)據(jù)的特性實現(xiàn)礦區(qū)基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)存儲、車輛位置顯示、軌跡回溯、卡車工作量自動統(tǒng)計等功能。礦區(qū)實驗表明:該數(shù)據(jù)庫運行狀態(tài)良好;工作量統(tǒng)計快速、準確;SQL Server 空間數(shù)據(jù)類型的使用，避免了傳統(tǒng)管理模式下人工統(tǒng)計的弊端及其引發(fā)了各種不合理現(xiàn)象，充分體現(xiàn)了將空間分析引入卡車調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)勢。

1 需求分析

1.1 功能需求

露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)是針對生產(chǎn)實際建立的輔助生產(chǎn)管理、監(jiān)控、統(tǒng)計、決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)以礦山數(shù)據(jù)庫為核心，綜合利用無線通訊、計算機軟件等技術(shù)，通過無線網(wǎng)絡集成各個生產(chǎn)指揮環(huán)節(jié)。旨在提高露天礦生產(chǎn)管理效率、輔助決策、降低企業(yè)成本，在一定程度上改善管理人員工作環(huán)境，使露天礦生產(chǎn)管理更加精準、高效、科學、人性化?？ㄜ囌{(diào)度系統(tǒng)的功能需求因各個露天礦具體情況而略有差異，本研究以內(nèi)蒙某露天礦為例，經(jīng)過調(diào)查分析其功能需求如下。

(1) 用戶權(quán)限管理。基于系統(tǒng)安全性、共享性考慮，要求軟件根據(jù)用戶的不同操作需求，為各類用戶賦予相應權(quán)限。

(2) 礦區(qū)地圖管理。一方面，需要以圖形方式顯示礦區(qū)基礎(chǔ)空間信息——運輸路徑、重要區(qū)域( 裝載區(qū)、排土場、破碎站) ，作為可視化平臺的底圖。另一方面，當上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，應及時更新地圖數(shù)據(jù)，以確保系統(tǒng)的現(xiàn)勢性。

(3) 車輛位置監(jiān)控。①車輛位置實時監(jiān)控，具體功能包括根據(jù)GPS 定位數(shù)據(jù)，實時顯示車輛位置;按照用戶設定的條件，篩選目標車輛; 以礦區(qū)重要區(qū)域為依據(jù)，顯示各個區(qū)域的車輛排隊狀況，以便對車輛的調(diào)度和導航［12］。②通過系統(tǒng)隨時查詢車輛運行的歷史信息，實現(xiàn)運行軌跡回溯。

(4) 車輛實時調(diào)度。在完成日常車輛排班的基礎(chǔ)上，考慮到依照實際生產(chǎn)運行狀態(tài)，通過無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)車輛的實時調(diào)度。

(5) 生產(chǎn)報表生成。實現(xiàn)工作量自動統(tǒng)計，生成各類生產(chǎn)報表，諸如采場出車單、運巖工作量統(tǒng)計表、運礦工作量統(tǒng)計表等。工作量自動統(tǒng)計需利用空間分析實現(xiàn)，也是本研究的重點。

(6) 車輛胎壓監(jiān)控。要求監(jiān)控系統(tǒng)可以實時顯示所有車輛輪胎壓力數(shù)據(jù)，對超限情況予以預警，以確保生產(chǎn)安全。

(7) 礦區(qū)視頻監(jiān)控。建立礦區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，即可直觀地查看生產(chǎn)運行情況，又可在必要時對重大事件進行回放。

根據(jù)需求分析，該礦區(qū)卡車調(diào)度系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

1.2 數(shù)據(jù)需求

露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求主要包括［13］:

(1) 生成和處理生產(chǎn)數(shù)據(jù)的準確性與實時性。

(2) 實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的一致性。

(3) 數(shù)據(jù)的共享性與獨立性。

(3) 數(shù)據(jù)可以滿足多種查詢、統(tǒng)計的需求，并可生成多種生產(chǎn)報表。

系統(tǒng)內(nèi)所有數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)的共享與交換由各個功能模塊通過訪問數(shù)據(jù)庫完成，以此滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流Fig.2 System data flow diagram

2 數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫設計是卡車調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)的核心，其設計是否合理直接影響到軟件架構(gòu)以及數(shù)據(jù)處理效率［14］。在遵從常用卡車調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計方法的基礎(chǔ)上，旨在利用SQL Server 2008 提供的空間數(shù)據(jù)類型Geography 來處理系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的存儲及工作量自動統(tǒng)計。鑒于此，只闡述與空間數(shù)據(jù)的處理相關(guān)的數(shù)據(jù)庫設計內(nèi)容，其余工作不予贅述。

2.1 概念結(jié)構(gòu)設計

概念結(jié)構(gòu)設計的主要任務是將用戶需求抽象為信息結(jié)構(gòu)，即概念模型。根據(jù)用戶需求，結(jié)合研究重點，分析與空間相關(guān)的需求，可以抽象出以下幾類實體。

(1) 節(jié)點。初始化礦區(qū)基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)所需的基礎(chǔ)點數(shù)據(jù)，多為通過測量獲得的控制點或碎部點，也可能包含由已有圖件( 如Auto CAD、南方Cass) 轉(zhuǎn)化得來的坐標點。節(jié)點是構(gòu)成礦區(qū)其他空間信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其屬性信息包括點號和點位信息。

(2) 區(qū)域。礦區(qū)各類重要區(qū)域的集合，主要包括裝載區(qū)( 裝巖區(qū)、裝礦區(qū)) 、排土場、破碎站，個別礦區(qū)設置有維修場、輪胎場等區(qū)域。區(qū)域邊界由一系列節(jié)點確定，其基本屬性為區(qū)域編號、區(qū)域名稱、區(qū)域類型、區(qū)域邊界、數(shù)據(jù)更新時間;各類區(qū)域還可能具備特定屬性，例如，裝載區(qū)的屬性還包含裝載半徑、排隊半徑。

(3) 路徑。就露天礦而言，運輸路徑是其最重要的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)，路徑由一系列節(jié)點確定，起訖點均為區(qū)域，其屬性為路徑編號、路徑名稱、起點區(qū)域號、終點區(qū)域號、道路等級、通行狀態(tài)、路徑空間數(shù)據(jù)、長度、數(shù)據(jù)更新時間。

(4) 車輛運行軌跡。記錄車輛運行過程中相關(guān)位置及狀態(tài)信息，以便于滿足車輛位置顯示、軌跡回溯、工作量自動統(tǒng)計的需求。其屬性為車號、司機編號、班編號、運行狀態(tài)、負載狀態(tài)、負載物料、狀態(tài)改變時間、當前位置、當前時間。

實體－聯(lián)系模型( 簡稱E－R 模型) 由實體集、屬性和聯(lián)系集構(gòu)成，適用于表達數(shù)據(jù)庫概念模型中各實體及其相互聯(lián)系。上述空間實體及其主要屬性可由圖3 所示E－R 模型表示。

2.2 邏輯結(jié)構(gòu)設計

E－R 模型是用戶的模型，它獨立于任何一個具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)( Database Management System，DBMS) 。為了建立用戶所要求的數(shù)據(jù)庫，需將概念模型轉(zhuǎn)換為某個具體的DBMS 所支持的數(shù)據(jù)模型，這正是數(shù)據(jù)庫邏輯設計的任務。邏輯設計需要考慮到具體DBMS 的性能、具體數(shù)據(jù)模型的特點，通常分為3 步完成:①初始關(guān)系模式設計;②關(guān)系模式規(guī)范化;③模式的評價與改進［15］。

圖3 空間實體的E－R 模型Fig.3 Entity-relationship model of spatial entity

本研究選用SQL Server 2008 作為露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)DBMS，如前所述，其突出優(yōu)勢在于可以使用Geography 數(shù)據(jù)類型處理空間數(shù)據(jù)。結(jié)合此項優(yōu)勢，遵循邏輯設計步驟，對卡車調(diào)度系統(tǒng)所涉及的空間數(shù)據(jù)進行邏輯結(jié)構(gòu)設計，可獲得下述主要邏輯模型。

(1) 節(jié)點( 節(jié)點編號，節(jié)點數(shù)據(jù)) 。

(2) 區(qū)域類型( 區(qū)域類型編號，類型描述) 。

(3) 區(qū)域節(jié)點( 區(qū)域編號，區(qū)域名稱，區(qū)域類型，節(jié)點列表，修改時間) 。

(4) 裝礦區(qū)域( 裝載區(qū)編號，區(qū)域名稱，區(qū)域空間數(shù)據(jù)，裝載半徑，排隊半徑，狀態(tài)改變時間) 。

(5) 裝巖區(qū)域( 裝載區(qū)編號，區(qū)域名稱，區(qū)域空間數(shù)據(jù)，裝載半徑，排隊半徑，狀態(tài)改變時間) 。

(6) 排土場( 卸載區(qū)編號，卸載區(qū)名稱，區(qū)域空間數(shù)據(jù)，狀態(tài)改變時間) 。

(7) 破碎站( 破碎站編號，破碎站名稱，狀態(tài)，區(qū)域空間數(shù)據(jù)，狀態(tài)改變時間) 。

(8) 維修場( 維修場編號，維修場名稱，狀態(tài)，區(qū)域空間數(shù)據(jù)，狀態(tài)改變時間) 。

(9) 輪胎場( 輪胎場編號，輪胎場名稱，狀態(tài)，區(qū)域空間數(shù)據(jù)，狀態(tài)改變時間) 。

(10) 路徑節(jié)點( 路徑編號，路徑名稱，裝載點，卸載點，節(jié)點列表，修改時間) 。

(11) 路徑( 路徑編號，路徑名稱，路徑起點，路徑終點，數(shù)據(jù)采集方式，道路等級，通行狀態(tài)，空間數(shù)據(jù)，長度，平均坡度，更新時間) 。

(12) 車輛位置( 車輛編號，司機編號，路徑編號，所在班，負載狀態(tài)，物料，運行狀態(tài)，當前位置，狀態(tài)改變時間，已完成路徑，所在區(qū)域) 。

(13) 車輛軌跡( 車輛編號，司機編號，班編號，路經(jīng)編號，物料，運行狀態(tài)，負載狀態(tài)，狀態(tài)改變時間，當前位置，當前時間) 。

2.3 物理結(jié)構(gòu)設計

邏輯結(jié)構(gòu)設計階段已經(jīng)考慮到SQL Server 2008軟件的特點，為物理結(jié)構(gòu)設計順利推進奠定了良好基礎(chǔ)。本研究中各項物理結(jié)構(gòu)指標均采用系統(tǒng)默認值，如存儲結(jié)構(gòu)、訪問方法、存放位置、用戶并發(fā)數(shù)等。數(shù)據(jù)庫實施通過以下步驟完成。

(1) 使用SQL 語言或Management Studio 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。

(2) 將邏輯模型轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)表及其中字段，創(chuàng)建數(shù)據(jù)表及視圖，并設置主鍵、建立必要索引。

(3) 根據(jù)數(shù)據(jù)表間聯(lián)系設置外鍵，根據(jù)數(shù)據(jù)觸發(fā)流程建立觸發(fā)器，根據(jù)數(shù)據(jù)處理需要構(gòu)建存儲過程、函數(shù)。

(4) 為數(shù)據(jù)庫建立安全策略，如訪問方式、登錄名及密碼、加密等。

3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

3.1 空間數(shù)據(jù)

空間數(shù)據(jù)存儲復雜，SQL Server 2008 引入了2 種新的空間數(shù)據(jù)類型( 其區(qū)別如表1 所示) : Geometry類型用于存儲平面空間數(shù)據(jù); Geography 類型用于存儲地理空間數(shù)據(jù)，用經(jīng)度和緯度表示空間坐標。為與GPS 數(shù)據(jù)配合使用，建議采用Geography 數(shù)據(jù)類型存儲空間數(shù)據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)類型分析Table 1 Analysis of data types

2 種類型均用內(nèi)置于SQL Server 的Common Language Runtime 實現(xiàn)，其實質(zhì)是. NET CLR data type［16］。它們既可以描述點( Point) 、線( Curve) 、面( Polygon、Surface) 以完成空間數(shù)據(jù)儲存，又提供了一系列的空間關(guān)系判斷方法。例如，某點是否在某線上，某個面是否包含或被包含于另一面［17］。前者可以滿足本研究中基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)存儲的要求，而工作量統(tǒng)計主要基于判斷車輛運行位置與各個區(qū)域的空間關(guān)系來實現(xiàn)。

3.2 基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)存儲

3.2.1 數(shù)據(jù)預處理

根據(jù)需求分析及概念設計的要求，原始數(shù)據(jù)主要包括節(jié)點、路徑、區(qū)域。節(jié)點是組成區(qū)域和路徑的三維點，節(jié)點提取應遵循以下原則。

(1) 完整性。按照區(qū)域編號、路徑編號，逐一從基礎(chǔ)圖件中提取節(jié)點信息，以確保數(shù)據(jù)無遺漏。

(2) 唯一性。利用Visual Studio 2013 平臺、C#語言編寫程序，自動剔除與已有路徑、區(qū)域邊界重復的點，并且按順序記錄當前區(qū)域邊界、運輸路徑所用到的節(jié)點編號，以“* . txt”格式存儲。

(3) 坐標統(tǒng)一。為與車輛GPS 定位數(shù)據(jù)相適應，將節(jié)點坐標轉(zhuǎn)換為WGS－84 坐標。

繼而，獲取礦區(qū)各區(qū)域信息，確定區(qū)域邊界與節(jié)點的對應關(guān)系( 表2) 。最后，處理路徑信息，確定路徑與節(jié)點的對應關(guān)系( 表3) 。按照慣例將裝載點作為路徑的起點，卸載點( 排土場、破碎站) 作為路徑的終點。最終以“* . txt”格式存儲這兩項對應關(guān)系。

表2 區(qū)域節(jié)點對應Table 2 Regional node mapping

表3 路徑節(jié)點對應Table 3 Path node mapping

3.2.2 數(shù)據(jù)入庫

采用Visual Studio 2013 平臺、C#語言編寫外部程序，將存儲于“* . txt”文件中的節(jié)點坐標數(shù)據(jù)、區(qū)域節(jié)點數(shù)據(jù)、路徑節(jié)點數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫內(nèi)部，通過Geography 類型的熟知文本( Well － Known Text，WKT) 表示形式實現(xiàn)文本向空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，最終生成露天礦的區(qū)域、路徑。

(1) 存儲節(jié)點。外部程序提供節(jié)點信息，在SQL Server 2008 中構(gòu)建存儲過程，以WKT 形式定義Geography 類型的點( POINT) 存儲節(jié)點，即可將節(jié)點信息轉(zhuǎn)化為空間數(shù)據(jù)存入節(jié)點表( node) ，訪問該表可以看到空間結(jié)果。

(2) 存儲區(qū)域。外部程序?qū)⒈? 所示的“區(qū)域節(jié)點對應表”中相關(guān)數(shù)據(jù)存入?yún)^(qū)域節(jié)點表( areanode) ，SQL Server 2008 自動執(zhí)行為該表編寫的觸發(fā)器:將區(qū)域節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為區(qū)域邊界的坐標序列，以WKT 形式定義Geography 類型的區(qū)域( POLYGON) 存儲空間數(shù)據(jù)，再根據(jù)區(qū)域類型將各個區(qū)域存入相應區(qū)域表中。其數(shù)據(jù)存儲過程如圖4 所示，圖5 為存儲后的區(qū)域空間。

圖4 區(qū)域存儲Fig.4 Regional storage

圖5 區(qū)域圖Fig.5 Regional map

(3) 存儲路徑。外部程序?qū)⒈? 所示的“路徑節(jié)點對應表”中相關(guān)數(shù)據(jù)存入路徑節(jié)點表( pathnode) ，SQL Server 2008 自動執(zhí)行為該表編寫的觸發(fā)器: 以WKT 形式定義Geography 類型的線( LINESTRING)數(shù)據(jù)存儲路徑，其數(shù)據(jù)存儲過程如圖6 所示，圖7 為存儲后的路徑空間。

圖6 路徑存儲Fig.6 Path storage

圖7 路徑圖Fig.7 Path map

3.3 卡車工作量統(tǒng)計

如圖8 所示，圖中黑色點為車輛運行軌跡。要實現(xiàn)車輛工作量自動統(tǒng)計，需先準確判斷車輛位置與裝載區(qū)、卸載區(qū)及其他重要區(qū)域的空間關(guān)系，再輔以邏輯判斷。

圖8 車輛運行軌跡Fig.8 Vehicles running path

3.3.1 Geography 方法

Geography 數(shù)據(jù)類型提供了多種內(nèi)置方法，以滿足對空間數(shù)據(jù)操作的基本需求，主要包含3 類: ①查詢Geography 實例的屬性和行為。例如，查詢構(gòu)成實例的點數(shù)、實例的起點、終點;查詢實例的面積、長度;判斷實例是否閉合等。②操作Geography 實例創(chuàng)建新的Geography 實例。例如，創(chuàng)建實例的緩沖區(qū); 利用實例的交集、并集或差集創(chuàng)建新的實例等。③確定Geography 實例間的關(guān)系。例如，確定2 個實例是否相交;確定2 個實例的交點; 確定2 個地域?qū)嵗g點的差異等。

判斷車輛位置與區(qū)域空間關(guān)系的實質(zhì)即為判斷兩者( POINT 與POLYGON) 是否相交，Geography 類型的STIntersects 方法可完成此判斷。

3.3.2 工作量統(tǒng)計方法

以上述空間關(guān)系判斷為基礎(chǔ)，根據(jù)車輛位置變化，提取其運行狀態(tài)發(fā)生變化時的信息，可實現(xiàn)工作量自動統(tǒng)計。統(tǒng)計流程如圖9 所示，其中@inAreaID代表車輛所在區(qū)域的編號，如果車輛不在任何區(qū)域則該值為0。

如圖9 所示，車輛運行狀態(tài)發(fā)生變化時各項信息均被存入數(shù)據(jù)表VehicleEstate，該表內(nèi)容如圖10 所示。利用Visual Studio 2013 平臺、C#語言編寫外部程序訪問此表，可實現(xiàn)以EXECL( * . xls、* . xlsx) 格式輸出礦區(qū)生產(chǎn)所需的生產(chǎn)報表，諸如采場出車單、運巖工作量統(tǒng)計表、運礦工作量統(tǒng)計表等。

圖9 統(tǒng)計流程Fig.9 Statistics flowchart

圖10 車輛運行狀態(tài)統(tǒng)計Fig.10 Statistics of vehicle operation estate

4 結(jié) 論

(1) SQL Server 中空間數(shù)據(jù)類型Geography 的引入，使得露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫能夠更好地存儲與管理相關(guān)空間數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)空間分析奠定了基礎(chǔ)。

(2) 基于空間關(guān)系判斷的卡車工作量自動統(tǒng)計方法，不僅具有統(tǒng)計準確、高效的優(yōu)點，而且避免了傳統(tǒng)管理模式下人工計數(shù)的弊端及其引發(fā)的各種不合理現(xiàn)象，充分體現(xiàn)了在卡車調(diào)度系統(tǒng)中應用空間分析的優(yōu)勢。

(3) 本研究實現(xiàn)了卡車工作量自動統(tǒng)計，下一步研究中可以考慮通過判斷挖掘機、卡車及各個區(qū)域之間的空間關(guān)系實現(xiàn)挖掘機工作量的自動統(tǒng)計，從而完善露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)，更好地輔助生產(chǎn)管理。

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