基于E-R模型的機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景概念建模

全　琪，雍歧衛(wèi)，劉　洲，聶　桐

(解放軍后勤工程學(xué)院 供油系，重慶　401311)

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基于E-R模型的機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景概念建模

全琪，雍歧衛(wèi)，劉洲，聶桐

(解放軍后勤工程學(xué)院 供油系，重慶401311)

摘要：概念建模對(duì)機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景的建立具有指導(dǎo)意義，通過(guò)對(duì)機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景對(duì)象實(shí)體、三維關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析，理清各層次的結(jié)構(gòu)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景的總體設(shè)計(jì)，基于E-R模型的管線裝備概念模型，最終完成了機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景整體的概念建模工作，為接下來(lái)機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景的實(shí)際建模工作順利開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：E-R模型；機(jī)動(dòng)管線；虛擬場(chǎng)景；概念建模

Citation format:QUAN Qi, YONG Qi-wei, LIU Zhou, et al.Conceptual Modeling of Virtual Scene of Mobile Pipeline Based on E-R Model[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):67-70.

機(jī)動(dòng)管線是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)后方不可缺少的油料保障力量，具有鋪設(shè)、撤收迅速、運(yùn)量大、損耗少、便于機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)移等特點(diǎn)[1-2]。管線裝備是我軍戰(zhàn)時(shí)前送大量散裝油料最高效、最可靠的方式，具有其他油料運(yùn)輸方式不可比擬的地位和作用，是確保部隊(duì)油料保障任務(wù)順利完成的中堅(jiān)力量。機(jī)動(dòng)管線通常鋪設(shè)于野外，一般需要穿跨越山地、湖泊等復(fù)雜地域，線路走向曲折多變，系統(tǒng)構(gòu)成錯(cuò)綜復(fù)雜，使得管理人員和指揮人員無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)管線圖準(zhǔn)確把握全局，有效進(jìn)行管線的鋪設(shè)、管理和指揮，因此必須采用科學(xué)的方法和手段對(duì)管線線路進(jìn)行管理和指揮，確保在戰(zhàn)時(shí)充分發(fā)揮機(jī)動(dòng)管線的保障效能[3]。然而構(gòu)建機(jī)動(dòng)管線虛擬環(huán)境過(guò)程中牽涉管線裝備數(shù)量類(lèi)型較多，空間關(guān)系復(fù)雜，直接構(gòu)建虛擬場(chǎng)景將使得建模工作雜亂無(wú)章。針對(duì)這一問(wèn)題，本文采用基于E-R模型的機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景概念模型構(gòu)建方法，充分利用E-R模型在概念場(chǎng)景建模方面的優(yōu)勢(shì)，分析場(chǎng)景中包含的要素，給出了機(jī)動(dòng)管線概念層次結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)，描述了各類(lèi)要素間的架構(gòu)關(guān)系，最后依次建立了管線裝備概念模型和場(chǎng)景概念模型，作為機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)的參照。

1概念模型

1.1三維概念建模

概念模型是指為了實(shí)現(xiàn)某一應(yīng)用目的，采用比較通用的語(yǔ)法和語(yǔ)義環(huán)境，對(duì)我們所認(rèn)知的真實(shí)世界事物進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化后形成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參照物[4-5]。概念模型在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛研究[6-9]和應(yīng)用[10-13]。趙新?tīng)N、盧朝陽(yáng)等[7-8]以現(xiàn)有概念模型研究為參考，借助本體論方法，構(gòu)建了概念建?？蚣埽o出了場(chǎng)景的靜態(tài)建模和動(dòng)態(tài)交互的概念建模方法，并以化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)虛擬場(chǎng)景為例進(jìn)行了概念模型設(shè)計(jì)和方法驗(yàn)證；胡斌[9]利用概念模型描述了軍事場(chǎng)景中的一些普遍問(wèn)題，提出了軍事建模的原則和相應(yīng)的方法，以期提高建模品質(zhì)，使模型能夠指導(dǎo)建立較為真實(shí)的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)，模擬戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)行；曹曉東[11]針對(duì)陸軍分隊(duì)?wèi)?zhàn)斗對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真的基本要求，分析了戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型中的環(huán)境要素及分類(lèi)，研究了各類(lèi)要素對(duì)陸軍分隊(duì)作戰(zhàn)的影響，給出了一種包含多種要素的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境概念模型構(gòu)建方法。杜幸洋 、朱軍等[12-13]利用概念模型指導(dǎo)高速鐵路虛擬場(chǎng)景建模，有效解決了復(fù)雜場(chǎng)景建模的相關(guān)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高速鐵路虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建。

綜上所述，在虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)階段引入概念模型，能夠使建模工作者更容易在宏觀上理解整個(gè)場(chǎng)景的組織結(jié)構(gòu)，提高建模效率。機(jī)動(dòng)管線是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，包含的實(shí)體種類(lèi)多，實(shí)體關(guān)系復(fù)雜多樣，使用概念模型作為指導(dǎo)，能夠更好地適應(yīng)虛擬場(chǎng)景的建模需要。

1.2E-R模型

E-R模型由P.P.S.Chen于1976年提出，基本思想是設(shè)計(jì)一個(gè)概念模型，從現(xiàn)實(shí)世界抽離實(shí)體與實(shí)體關(guān)系，抽象出一種不依賴(lài)于具體的操作系統(tǒng)、存取方法、存儲(chǔ)組織和效率的信息結(jié)構(gòu)[14]，用以指導(dǎo)虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建。E-R模型采用圖形的描述方式，包含3個(gè)要素：實(shí)體、屬性和關(guān)系。將各要素的名稱(chēng)分別標(biāo)記在各自的圖元符號(hào)框內(nèi)，并以直線相連，最終形成的E-R概念模型圖如圖1所示。

圖1　E-R概念模型

2機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景要素分析

2.1對(duì)象實(shí)體分析

實(shí)體是對(duì)客觀世界各類(lèi)事物的抽象。機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景中的實(shí)體可分為地形實(shí)體和地物實(shí)體兩大類(lèi)別，管線裝備實(shí)體屬于地物實(shí)體類(lèi)別。

屬性是實(shí)體的特征、特性或性質(zhì)，可以分為標(biāo)識(shí)屬性、狀態(tài)屬性、可感知屬性、效能屬性[3]。標(biāo)識(shí)屬性提供能代表實(shí)體并區(qū)別于其他實(shí)體的標(biāo)識(shí)性信息，如裝備類(lèi)型、裝備編號(hào)、從屬信息等；狀態(tài)屬性是對(duì)管線裝備狀態(tài)的抽象描述；可感知屬性描述管線實(shí)體呈現(xiàn)出的外部特征；效能屬性表征管線實(shí)體所具備的預(yù)期保障能力。

機(jī)動(dòng)管線所處環(huán)境復(fù)雜，但其相關(guān)的場(chǎng)景概念、三維結(jié)構(gòu)、實(shí)體模型和關(guān)聯(lián)信息比較固定，根據(jù)對(duì)機(jī)動(dòng)管線的軍事需求和工程需求的描述可逐步抽取相對(duì)獨(dú)立的實(shí)體對(duì)象。具有相同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和屬性信息的場(chǎng)景實(shí)體可歸為同一類(lèi)別，并通過(guò)對(duì)實(shí)體的統(tǒng)一命名及對(duì)其屬性名集合來(lái)抽象和描述，如長(zhǎng)管。

2.2三維關(guān)系分析

場(chǎng)景的正確表達(dá)是基于實(shí)體有序連接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。三維實(shí)體關(guān)系分析可以清晰的表述實(shí)體方位，對(duì)三維場(chǎng)景實(shí)體之間的空間位置、幾何操作和三維約束等進(jìn)行細(xì)致的描述，使建模人員全面了解場(chǎng)景結(jié)構(gòu)。場(chǎng)景中的三維實(shí)體關(guān)系可分為以下幾類(lèi)：

1) 實(shí)體空間位置。在三維場(chǎng)景中,實(shí)體空間位置可以由全局坐標(biāo)系(x,y,z)表示，也可以根據(jù)需要定義相對(duì)坐標(biāo)系來(lái)表示。機(jī)動(dòng)管線的鋪設(shè)依據(jù)管線線路數(shù)據(jù)進(jìn)行，每一個(gè)實(shí)體模型的空間位置都與線路數(shù)據(jù)緊密相關(guān)，以線路數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)管線各類(lèi)實(shí)體空間位置的確定。

2) 空間姿態(tài)關(guān)系。空間姿態(tài)描述了實(shí)體本身的空間信息，主要包括實(shí)體的朝向和旋轉(zhuǎn)關(guān)系。空間姿態(tài)的確定對(duì)場(chǎng)景建立具有重要意義，通常在獲得確切實(shí)體空間位置之后，再根據(jù)具體的需求進(jìn)行空間角度的調(diào)整，以符合實(shí)體在真實(shí)場(chǎng)景中的表達(dá)要求。

3) 實(shí)體組合關(guān)系。組合關(guān)系是指實(shí)體之間進(jìn)行組合的結(jié)構(gòu)關(guān)系，是多個(gè)實(shí)體構(gòu)成場(chǎng)景整體的規(guī)則依據(jù)。合理有序的實(shí)體間組合關(guān)系能夠?yàn)閷?shí)體空間定位與角度調(diào)整提供依據(jù)，也能指導(dǎo)場(chǎng)景整體的復(fù)雜關(guān)系建模。

3虛擬場(chǎng)景概念建模

3.1概念場(chǎng)景總體設(shè)計(jì)

機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景是一個(gè)有限空間，即只包括管線所經(jīng)地域。一個(gè)場(chǎng)景由一個(gè)二元數(shù)組來(lái)描述，Scene={SE，RSE}[15-16]。其中SE是場(chǎng)景元素的幾何模型，RSE是SE上的關(guān)系。本文以場(chǎng)景實(shí)體層面為出發(fā)點(diǎn)，探討了要素的基本空間關(guān)系表達(dá)，并在此基礎(chǔ)上完成了概念場(chǎng)景結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。整個(gè)場(chǎng)景結(jié)構(gòu)可劃分為實(shí)體層、關(guān)系層以及場(chǎng)景層3個(gè)層次(圖2)。

圖2　機(jī)動(dòng)管線概念場(chǎng)景層次結(jié)構(gòu)

1) 實(shí)體層。實(shí)體層是虛擬場(chǎng)景的基礎(chǔ)， 與三維幾何模型有關(guān)，包括實(shí)體模型的分類(lèi)、實(shí)體結(jié)構(gòu)、實(shí)體屬性、模型渲染、模型存儲(chǔ)等操作和功能。三維實(shí)體是用戶(hù)在三維場(chǎng)景中觀察到的各類(lèi)元素，是場(chǎng)景的重要組成單元。從幾何建模的角度來(lái)講，場(chǎng)景中的三維幾何模型都可以看作一些三維實(shí)體的組合。

2) 關(guān)系層。關(guān)系層與領(lǐng)域知識(shí)相關(guān)，主要說(shuō)明多個(gè)虛擬對(duì)象間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，包括場(chǎng)景中實(shí)體的空間位置、空間姿態(tài)以及組合關(guān)系等，既是對(duì)實(shí)體層中的實(shí)體對(duì)象進(jìn)行行為約束，也是對(duì)場(chǎng)景整體的語(yǔ)義描述。

3) 場(chǎng)景層。場(chǎng)景層是對(duì)虛擬場(chǎng)景全局的闡述，根據(jù)建模目的確定場(chǎng)景表達(dá)內(nèi)容，從高層次對(duì)場(chǎng)景結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，包含場(chǎng)景的三維信息和屬性信息。場(chǎng)景層通過(guò)對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)和信息的整合，明確場(chǎng)景各個(gè)層次和重要元素，提出實(shí)體模型的構(gòu)建法則，在結(jié)合已有數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)符合實(shí)際要求的場(chǎng)景模型。

3.2線路裝備概念模型與管線裝備概念模型

為滿足機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景的專(zhuān)業(yè)描述要求，本文將管線裝備系統(tǒng)作為主要描述對(duì)象，將其從地物實(shí)體中分離出來(lái)重點(diǎn)建模。機(jī)動(dòng)管線裝備系統(tǒng)可細(xì)化為泵站裝備、線路裝備、計(jì)量站裝備和輔助裝備，依次建立各裝備的概念模型，明確其相互關(guān)系，即可完成整套機(jī)動(dòng)管線裝備系統(tǒng)的概念模型。

線路裝備主要承擔(dān)管線裝備系統(tǒng)的油品輸送，是構(gòu)成整個(gè)機(jī)動(dòng)管線系統(tǒng)的主要實(shí)體對(duì)象，在此先以線路裝備為例，建立線路裝備概念模型。線路裝備實(shí)體包括管子、管件、連接器和閥門(mén)等部件，各部件下包含各類(lèi)型的散件：管子分為長(zhǎng)管和短管；管件包括彎頭、三通、堵頭等；閥門(mén)主要有閘閥、球閥 、蝶閥、止回閥和多功能調(diào)節(jié)閥等以適應(yīng)線路對(duì)閥門(mén)的不同需求。

線路裝備作為管線裝備的主要運(yùn)輸載體，在鋪設(shè)過(guò)程中需要考慮整體線路的起點(diǎn)、走向、終點(diǎn)和管道工作壓力等信息。對(duì)于組成線路裝備的管子、管件、連接器和閥門(mén)等部件，還涉及功能描述、外形尺寸和開(kāi)關(guān)狀態(tài)等屬性信息。

一套線路裝備包含多個(gè)零部件，呈一對(duì)多關(guān)系(1∶N)。各零部件之間依照相應(yīng)的空間約束關(guān)系，通過(guò)連接器順序連接，構(gòu)成線路裝備。在逐步分析了線路裝備的實(shí)體、屬性和關(guān)系等要素后，建立的概念圖如圖3所示。

參照線路裝備概念模型的建立，可依次建立泵站裝備、計(jì)量站裝備及輔助裝備的概念模型。各個(gè)子裝備分別提供了諸如裝備坐標(biāo)、泵站壓力、工作狀態(tài)等屬性，這也構(gòu)成了管線裝備系統(tǒng)的屬性，同時(shí)管線裝備還帶有自身特有屬性如線路總長(zhǎng)等。一套管線裝備系統(tǒng)對(duì)應(yīng)多個(gè)子裝備，呈一對(duì)多關(guān)系。最終得到機(jī)動(dòng)管線裝備系統(tǒng)的概念模型如圖4所示。

3.3整體場(chǎng)景概念模型

本文將機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景中的實(shí)體劃分為3部分：第1部分是地形實(shí)體，包括山地、溝谷以及湖泊等，為整個(gè)場(chǎng)景的基礎(chǔ)面；第2部分是自然地物實(shí)體，包括樹(shù)木、路牌以及房屋等，是構(gòu)建場(chǎng)景的重要要素；第3部分是管線裝備實(shí)體，是整個(gè)場(chǎng)景模型中重點(diǎn)描述的對(duì)象。在已有的場(chǎng)景整體分類(lèi)集成基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)每一部分實(shí)體總結(jié)，歸納出實(shí)體對(duì)象結(jié)構(gòu)與屬性信息，依照?qǐng)鼍爸械慕M合層次組合連接，構(gòu)成如圖5所示的機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景概念模型。

圖3　線路裝備概念模型

圖4　機(jī)動(dòng)管線裝備系統(tǒng)概念模型

圖5　機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景概念模型

4結(jié)束語(yǔ)

本文著眼機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景建模對(duì)概念模型的需求，對(duì)機(jī)動(dòng)管線場(chǎng)景中的實(shí)體對(duì)象分類(lèi)和空間約束關(guān)系進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了概念場(chǎng)景層次的總體架構(gòu)，以線路裝備為例建立了概念模型，進(jìn)而建立了機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景整體的概念模型?；贓-R的機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景概念建模直觀易懂，清晰的描述了場(chǎng)景各實(shí)體的屬性以及相互之間關(guān)系，為下一步構(gòu)建虛擬場(chǎng)景模型提供了參考。

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(責(zé)任編輯唐定國(guó))

Conceptual Modeling of Virtual Scene of Mobile Pipeline Based on E-R Model

QUAN Qi, YONG Qi-wei, LIU Zhou, NIE Tong

(Department of Petroleum Supply, Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401311, China)

Abstract:Concept modeling for motor line has guiding significance for the establishment of the virtual scene. By analyzing the object entity and the three dimensional relations of virtual mobile pipeline scene，the structure of each level was recognized. Then the overall design of the virtual mobile pipeline scene was realized, and a conceptual model of pipe based on entity-relationship(E-R) model was built. Finally the conceptual modeling of the overall scene was completed. This model lays a good foundation for virtual mobile pipeline scene．

Key words:entity relationship(E-R) model; mobile pipeline; virtual scene; conceptual modeling

文章編號(hào)：1006-0707(2016)03-0067-04

中圖分類(lèi)號(hào)：TE

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.017

作者簡(jiǎn)介：全琪(1991—)，男，碩士，主要從事輸油管線理論、技術(shù)與裝備研究。

收稿日期：2015-08-23；修回日期：2015-09-15

本文引用格式：全琪，雍歧衛(wèi)，劉洲，等.基于E-R模型的機(jī)動(dòng)管線虛擬場(chǎng)景概念建模[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(3):67-70.

【后勤保障與裝備管理】