數(shù)字煤礦生產(chǎn)協(xié)同管理平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

楊興科，苗霖田,2，段中會(huì)，李 梅，崔浩源，呂婷婷，張建軍

(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054； 3.北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871；4.北京龍軟科技股份有限公司，北京 100190)

0 引言

按照《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》確定的指導(dǎo)方針、目標(biāo)和部署以及黨的十七大提出“兩化融合”的新戰(zhàn)略、新思維，加快我國數(shù)字礦山建設(shè)，實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)的現(xiàn)代化管理是確保煤炭工業(yè)穩(wěn)步和安全發(fā)展的必由之路，也是改變煤炭工業(yè)形象的唯一道路。數(shù)字礦山[1]以先進(jìn)的煤礦機(jī)電及一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、3S技術(shù)、與信息化相適應(yīng)的現(xiàn)代企業(yè)管理制度為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為紐帶，以煤礦安全生產(chǎn)、高產(chǎn)高效、綠色開采、可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多源煤礦信息的采集、輸入、存儲(chǔ)、檢索、查詢與專業(yè)空間分析，并實(shí)現(xiàn)多源信息的多方式輸出、實(shí)時(shí)聯(lián)機(jī)分析處理與決策、專家會(huì)診煤礦安全事故與調(diào)度指揮等。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)和成熟，國內(nèi)外都投入了大量的人力、物力開展計(jì)算機(jī)在礦山的應(yīng)用研究。近年來，伴隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字地球等技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用研究，使信息技術(shù)的滲透方式、處理方法和應(yīng)用模式發(fā)生變革。大數(shù)據(jù)技術(shù)的日臻成熟為煤礦跨專業(yè)、跨系統(tǒng)的聯(lián)合研究成為可能，并促使礦山逐步由數(shù)字煤礦向智慧煤礦轉(zhuǎn)變。諸多學(xué)者對此開展了深入研究與實(shí)踐[2-4]。

然而，煤礦信息屬于空間信息的范疇，而且不同礦井開采技術(shù)條件有一定差異，技術(shù)方法和管理模式也有很大的不同，大量數(shù)據(jù)也是通過各種工程和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)獲取。隨著數(shù)據(jù)的增加，煤礦地質(zhì)特征本身是一個(gè)由黑色向灰色逐漸變化的系統(tǒng)。同時(shí)，煤炭生產(chǎn)還具有企業(yè)龐大、設(shè)備多、工作環(huán)境惡劣，生產(chǎn)、調(diào)度和管理環(huán)節(jié)復(fù)雜、信息量大等特點(diǎn)。一般的通用軟件難以適應(yīng)安全生產(chǎn)的需求，亟需開發(fā)能夠滿足多源數(shù)據(jù)集成、統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與調(diào)用的煤礦生產(chǎn)協(xié)同管理平臺(tái)，且必須具備GIS的核心功能(如二維、三維的數(shù)據(jù)處理功能)。毛善君[5]攻克了煤礦“一張圖”的關(guān)鍵技術(shù)并應(yīng)用于陽泉煤業(yè)，但尚未實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)集成與空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新協(xié)同云服務(wù)；王國法[6]預(yù)測了未來智慧煤礦的發(fā)展是將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能與現(xiàn)代礦山開發(fā)技術(shù)融合并協(xié)同控制的智能管理系統(tǒng)，需要多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)方可實(shí)現(xiàn)。基于此，國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以陜西崔木煤礦為示范基地研發(fā)了基于煤炭地質(zhì)云服務(wù)平臺(tái)的數(shù)字煤礦生產(chǎn)協(xié)同管理平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了煤礦的信息共享、協(xié)同工作、統(tǒng)一管理。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

1.1 技術(shù)架構(gòu)

煤礦生產(chǎn)協(xié)同管理平臺(tái)采用先進(jìn)的IT設(shè)計(jì)理念，基于面向服務(wù)的體系架構(gòu)(Service-Oriented Architecture，SOA)。整個(gè)系統(tǒng)基于煤礦物聯(lián)網(wǎng)一體化的硬件基礎(chǔ)設(shè)施，從下到上分為數(shù)據(jù)源層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、服務(wù)容器層、業(yè)務(wù)系統(tǒng)層和門戶平臺(tái)等，整體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

①數(shù)據(jù)源層是指平臺(tái)的數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)主要依據(jù)平臺(tái)關(guān)于數(shù)據(jù)資源的描述，包括生產(chǎn)業(yè)務(wù)本身及安全監(jiān)測監(jiān)控、安全生產(chǎn)輔助決策信息、基礎(chǔ)地理信息、數(shù)據(jù)交換與共享信息五大應(yīng)用數(shù)據(jù)庫。

②業(yè)務(wù)服務(wù)層以服務(wù)方式向業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。業(yè)務(wù)服務(wù)層可以使系統(tǒng)數(shù)據(jù)源透明化。

③服務(wù)容器層分為企業(yè)服務(wù)總線和組合層。企業(yè)服務(wù)總線包括總線基礎(chǔ)服務(wù)框架、集成服務(wù)、公用服務(wù)、服務(wù)管理和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)監(jiān)控、安全體系等。組合層主要是通過服務(wù)編排集成組合成新的服務(wù)以供前臺(tái)使用。

④業(yè)務(wù)系統(tǒng)層主要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能，首先通過服務(wù)容器層獲取所用，然后通過調(diào)用服務(wù)獲取所需數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)，從而完成系統(tǒng)功能。

⑤門戶平臺(tái)主要對業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行頁面集成。功能包括：提供單一登陸接口(默認(rèn)集成CAS)，多認(rèn)證模式(LDAP或SQL)；管理用戶，組，角色；用戶個(gè)性化的portal layout定制等。

1.2 系統(tǒng)功能

根據(jù)煤礦各部門業(yè)務(wù)需求，研發(fā)了調(diào)度、安環(huán)、地層防治水等業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對煤礦生產(chǎn)過程中地測、安全及環(huán)境等信息的數(shù)字化，可視化、動(dòng)態(tài)化管理，達(dá)到了各部門統(tǒng)一規(guī)劃、協(xié)同工作、資源共享及礦圖協(xié)同管理的目的，為決策提供了技術(shù)支撐。功能界面如圖2所示。

①實(shí)現(xiàn)了煤礦信息集成和融合。以專業(yè)化的煤礦地理空間信息系統(tǒng)和繪圖平臺(tái)對煤礦地理空間數(shù)據(jù)和空間元素屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，建立了統(tǒng)一的煤礦空間數(shù)據(jù)庫體系，以此為基礎(chǔ)，采用B/S架構(gòu)及最新的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對煤礦各專業(yè)業(yè)務(wù)模塊按照煤礦安全生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行專業(yè)化開發(fā)，同時(shí)，集成了礦井各大監(jiān)控子系統(tǒng)，集安全監(jiān)測、水文監(jiān)測、工業(yè)視頻、頂板監(jiān)測等數(shù)據(jù)深度集成和分析，實(shí)現(xiàn)了煤礦信息集成和融合平臺(tái)。

②實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)信息共享和動(dòng)態(tài)管理。根據(jù)不同部門和個(gè)人設(shè)定權(quán)限，煤礦各科室和業(yè)務(wù)模塊對地測數(shù)據(jù)、生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)、圖紙持續(xù)更新，確保平臺(tái)實(shí)時(shí)計(jì)算，實(shí)時(shí)共享，以滿足煤礦地質(zhì)、測量、通風(fēng)、機(jī)電、生產(chǎn)管理等專業(yè)同時(shí)在線編輯，多部門協(xié)同辦公等應(yīng)用，多而實(shí)現(xiàn)各專業(yè)、各部門之間數(shù)據(jù)即時(shí)共享，大大提高了數(shù)據(jù)的更新周期，最終實(shí)現(xiàn)全礦井“一張圖”模式集中管理。

③為煤礦輔助決策提供數(shù)據(jù)服務(wù)。基于統(tǒng)一的煤礦專用GIS和空間數(shù)據(jù)庫，煤礦生產(chǎn)協(xié)同管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對各類圖表、數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和分析功能，建立了礦井地質(zhì)條件及地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)?；诘販y管理子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對煤礦地測數(shù)據(jù)管理、專業(yè)成圖、報(bào)表管理和三維模擬，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對煤礦自然實(shí)體及人工實(shí)體的三維構(gòu)建并進(jìn)行可視化分析?；诿旱V地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警子系統(tǒng)，在煤礦地質(zhì)信息系統(tǒng)的支撐下，利用構(gòu)建的三維模型以及災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行空間分析，為輔助決策提供高層次的數(shù)據(jù)服務(wù)等。

④實(shí)現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)過程對礦井地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、煤層煤質(zhì)、工程測量、資源儲(chǔ)量、生產(chǎn)技術(shù)、機(jī)電、通防、安全管理和礦井系統(tǒng)

圖1 煤礦生產(chǎn)協(xié)同管理平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)體系Figure 1 Coalmine production collaborative management platform technical architecture system

圖2 平臺(tái)的功能界面Figure 2 Platform functional interfaces

的數(shù)字化、信息化、可視化、動(dòng)態(tài)化管理。利用GIS服務(wù)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫和發(fā)布多數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對煤礦的地質(zhì)信息查詢、處理、分析和決策，為智慧煤礦建設(shè)提供地質(zhì)保障和基礎(chǔ)支持。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 灰色地理信息系統(tǒng)

數(shù)字煤礦生產(chǎn)協(xié)同管理平臺(tái)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅涉及先進(jìn)的地理信息系統(tǒng)理論和技術(shù)方法，而且涉及最新的數(shù)字礦山技術(shù)以及大量的煤礦專業(yè)核心技術(shù)。煤礦信息本身是隨著生產(chǎn)而動(dòng)態(tài)更新與增加，并且隨著煤礦信息量的增加，煤礦內(nèi)部的地質(zhì)特征逐漸清晰，由此，應(yīng)用灰色地理信息系統(tǒng)可有效解決煤礦生產(chǎn)變化過程中的灰色問題。

2.1.1 灰色地理信息系統(tǒng)理論

針對地理信息系統(tǒng)在地表以下的煤礦地質(zhì)、采礦、水文、環(huán)境等領(lǐng)域中應(yīng)用的局限性，毛善君[7]創(chuàng)造性地提出了灰色地理信息系統(tǒng)的理論(Grey Geographical Information System簡稱GGIS)。根據(jù)對獲取空間研究對象信息的多少，可以把相應(yīng)的GIS分為三類。

①黑色系統(tǒng)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)、特性和參數(shù)全部未知的系統(tǒng)為“黑箱”，無法獲取“黑箱”內(nèi)的任何信息。

②灰色系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)的信息(結(jié)構(gòu)參數(shù)機(jī)理等)部分清楚，部分不清楚，且處于動(dòng)態(tài)變化之中。這種既含有已知信息，又含有未知信息或非確定信息的系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)。

③白色系統(tǒng)。能給人們提供非常充足或者所有內(nèi)部信息的系統(tǒng)，對外界而言是完全透明的或無邊界的。

2.1.2 灰色地理信息系統(tǒng)的特征

地表以下的地質(zhì)特征原本是黑色系統(tǒng)，經(jīng)過各種勘查技術(shù)手段后，獲取了一定數(shù)量的可靠的地質(zhì)信息，它變成一套灰色信息，因此，地表以下的空間管理信息系統(tǒng)是一個(gè)灰色的系統(tǒng)，即為灰色地理信息系統(tǒng)，它帶有一般控制系統(tǒng)自適應(yīng)和動(dòng)態(tài)修正的特征[7]，如見圖3。

圖3 GGIS自適應(yīng)功能示意圖(據(jù)毛善君2002年)Figure 3 A schematic diagram of GGIS self-adaptation function(after Mao Shanjun, 2002)

GGIS的部分空間對象具有兩個(gè)重要特征：(1)具有“少信息”所產(chǎn)生的灰色不確定性。在實(shí)際工作中，往往只能獲取局部精確數(shù)據(jù)，難以采集足夠的樣本數(shù)據(jù)以解決許多不確定性問題。“少信息”只能對研究對象進(jìn)行近似和模擬。(2)系統(tǒng)能夠根據(jù)最新的真實(shí)或已知數(shù)據(jù)自適應(yīng)地動(dòng)態(tài)修改已有的模型和圖形，使之盡可能反映地質(zhì)體在空間的真實(shí)狀態(tài)；新數(shù)據(jù)的不斷加入，使得整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程是一個(gè)由灰變白的過程。

2.1.3 灰色地理信息系統(tǒng)模型

煤礦空間數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及其變化規(guī)律適合應(yīng)用灰色地理信息系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)據(jù)模型。針對煤礦的數(shù)據(jù)模型研究可分為二維灰色地理信息系統(tǒng)(Two-dimensional Gray Geographic Information System簡稱2D-GGIS)和三維灰色地理信息系統(tǒng)(Three-dimensional Gray Geographic Information System ，簡稱3D-GGIS)，關(guān)于這部分內(nèi)容在文獻(xiàn)[7]毛善君專門作了詳細(xì)的論述，本次項(xiàng)目也是合作研發(fā)，此處不再贅述。

2.2 煤礦GIS專業(yè)應(yīng)用技術(shù)

煤礦地理信息系統(tǒng)作為“數(shù)字煤礦”建設(shè)的基礎(chǔ)信息平臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)煤礦信息化管理和行業(yè)信息共享方面發(fā)揮著重要的作用。煤礦空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新快、復(fù)雜性強(qiáng)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)還具有“灰色”特性，使得建立完善的煤礦地理信息系統(tǒng)仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，相關(guān)的理論和方法也亟待進(jìn)一步研究探索。

2.2.1 地測空間管理技術(shù)

地質(zhì)、測量數(shù)據(jù)是整個(gè)數(shù)字礦山的地理空間基礎(chǔ)，地測同時(shí)也是采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等專業(yè)的重要支撐，地測空間管理是整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)的核心內(nèi)容之一。地測空間管理信息系統(tǒng)涉及了大量的核心算法。主要包括：①空間變量插值算法；②含逆斷層的復(fù)雜TIN模型和煤層底板等高線的自動(dòng)生成算法；③任意比例尺局部圖形的自動(dòng)生成；④采掘工程平面圖、綜合水文地質(zhì)圖的自動(dòng)生成算法；⑤剖面地層線的擬合、交互處理和編輯；⑥柵格矢量化算法；⑦切割預(yù)想剖面圖算法；⑧素描圖巷道線的自動(dòng)延伸算法；⑨掘進(jìn)、回采地質(zhì)說明書的自動(dòng)生成算法。

2.2.2 “一通三防”管理技術(shù)

“一通三防”管理信息系統(tǒng)是在煤礦專用GIS平臺(tái)系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立的集通風(fēng)專業(yè)圖形繪制和計(jì)算于一體的計(jì)算機(jī)信息化管理系統(tǒng)。一方面在礦井采掘工程平面圖等地理信息系統(tǒng)圖形基礎(chǔ)上提供專業(yè)的通風(fēng)圖形制圖工具，完成通風(fēng)系統(tǒng)圖、防塵系統(tǒng)圖、礦井避災(zāi)路線圖、通風(fēng)安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)圖、抽放瓦斯系統(tǒng)圖、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖、壓能圖等圖形的手動(dòng)或自動(dòng)繪制；另外一方面，在圖形的基礎(chǔ)上完成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算、阻力測定計(jì)算等數(shù)值計(jì)算，從而提供相關(guān)決策支持。系統(tǒng)主要完成通風(fēng)專業(yè)圖形的繪制、瀏覽和通風(fēng)專業(yè)數(shù)值計(jì)算分析。

“一通三防”管理信息系統(tǒng)涉也及了大量的核心算法。主要包括:①通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖繪制及拓?fù)溥B動(dòng)算法；②自動(dòng)生成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖算法；③通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算算法；④通風(fēng)阻力計(jì)算算法；⑤瓦斯涌出預(yù)測模型；⑥事故樹分析及其計(jì)算模型。

2.3 多源數(shù)據(jù)集成技術(shù)

針對礦山領(lǐng)域多專業(yè)、多部門的特征，解決各部門現(xiàn)有多源數(shù)據(jù)集成的問題，可以避免數(shù)據(jù)重復(fù)采集引起的人力、財(cái)力浪費(fèi)，及空間數(shù)據(jù)多語義、多尺度，存儲(chǔ)格式、數(shù)據(jù)模型的差異等問題，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)各部門數(shù)據(jù)共享與協(xié)同管理。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理方面，采用支持“多源”數(shù)據(jù)集成空間數(shù)據(jù)引擎，包括文件引擎(ArcGIS shp文件、AutoCAD dwg文件、MapGIS中間文件、TXT文本文件等)、SQLServer引擎、Oracle引擎等。

多源數(shù)據(jù)集成技術(shù)體系包括三層結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)消費(fèi)者(Customer)、數(shù)據(jù)代理(Agency)和數(shù)據(jù)提供者(Provider)。數(shù)據(jù)提供者直接訪問數(shù)據(jù)文件或者數(shù)據(jù)庫，并通過數(shù)據(jù)代理提供給其他模塊使用；數(shù)據(jù)消費(fèi)者和使用數(shù)據(jù)的模塊，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的各種分析、處理和表現(xiàn)；數(shù)據(jù)代理是維系數(shù)據(jù)消費(fèi)者和數(shù)據(jù)提供者之間的紐帶，來自提供者的數(shù)據(jù)通過代理這個(gè)中介傳遞給消費(fèi)者，完成一次數(shù)據(jù)訪問(或者數(shù)據(jù)消費(fèi))或一次數(shù)據(jù)消費(fèi)行為可能產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)(如：迭加分析產(chǎn)生的新圖層、緩沖區(qū)分析產(chǎn)生的緩沖區(qū)多邊形等)，這些新的數(shù)據(jù)也是通過代理傳遞給提供者，由提供者完成存儲(chǔ)[8]。

多源數(shù)據(jù)集成技術(shù)中的數(shù)據(jù)代理是一個(gè)虛擬空間數(shù)據(jù)引擎(Virtual Spatial data Engine)[9]。該引擎定義了數(shù)據(jù)訪問的框架，但并不實(shí)現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)訪問功能，因此該引擎是“虛擬”的。該數(shù)據(jù)集成技術(shù)提供的對每一種數(shù)據(jù)格式的訪問，最終通過空間數(shù)據(jù)引擎(SDE，Spatial data Engine)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)提供者由一組空間數(shù)據(jù)引擎組成，每個(gè)引擎負(fù)責(zé)訪問一種數(shù)據(jù)格式。多源空間數(shù)據(jù)引擎是一種泛化的以空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的引擎設(shè)計(jì)方式。具體結(jié)合實(shí)體模型部分，可以分為三個(gè)層次：數(shù)據(jù)使用引擎、數(shù)據(jù)代理接口、以及數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)，其中數(shù)據(jù)引擎和數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)都是核心組件的一部分。

數(shù)據(jù)使用引擎主要結(jié)合實(shí)體組織模型中的數(shù)據(jù)源(DataSource)來實(shí)現(xiàn)，是數(shù)據(jù)引擎的上層調(diào)用者，實(shí)際上就是數(shù)據(jù)連接引擎的接口(IConnection)，各種連接引擎由數(shù)據(jù)連接管理器(DataConnectionManager)統(tǒng)一負(fù)責(zé)注冊、分配、管理和釋放。數(shù)據(jù)代理接口是連接上層數(shù)據(jù)使用和底層各種數(shù)據(jù)源存儲(chǔ)的中間層，包括數(shù)據(jù)讀寫、查詢相關(guān)的數(shù)據(jù)連接接口(IConnection)、查詢結(jié)果集接口(IQueryResult)、記錄接口(IRecord)等。通過數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)組織兩類中間接口，對于上層使用者來說，屏蔽了底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的差異，通過對應(yīng)各種數(shù)據(jù)介質(zhì)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)引擎，就可以以統(tǒng)一的方式訪問各種數(shù)據(jù)源，從而實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的集成。

2.4 空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢技術(shù)

在數(shù)據(jù)組織方面，基于空間數(shù)據(jù)引擎的支持，采用空間數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一集中存儲(chǔ)方式。系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)部組織管理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 GIS數(shù)據(jù)組織模型Figure 4 GIS data organization model

空間數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系模型來組織數(shù)據(jù)，這決定了空間數(shù)據(jù)的訪問方式。從使用者的角度來看，空間數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展了關(guān)系數(shù)據(jù)庫的功能，提供了對空間數(shù)據(jù)類型的處理。自然地對空間數(shù)據(jù)庫的訪問也應(yīng)當(dāng)像對關(guān)系數(shù)據(jù)庫那樣，采用SQL語言作為操作的表述。但由于關(guān)系模型的范式約束，使得標(biāo)準(zhǔn)化的查詢描述功能有限，不支持復(fù)雜數(shù)據(jù)類型查詢，不支持空間操作和運(yùn)算，不宜將它應(yīng)用于GIS等高級(jí)應(yīng)用中。GSQL語言是基于SQL擴(kuò)展的空間查詢語言，包括數(shù)據(jù)模式定義、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)更新等。GSQL對SQL標(biāo)準(zhǔn)語句擴(kuò)展，從而支持空間數(shù)據(jù)類型、空間數(shù)據(jù)運(yùn)算符、空間關(guān)系運(yùn)算以及空間分析功能。在數(shù)據(jù)類型上，不但要支持結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，而且要支持像點(diǎn)、線、面這樣的空間數(shù)據(jù)類型。擴(kuò)充幾何數(shù)據(jù)類型是使用空間查詢語言進(jìn)行空間查詢、空間操作以及判斷空間拓?fù)潢P(guān)系的基礎(chǔ)。在空間運(yùn)算上，針對空間數(shù)據(jù)類型，擴(kuò)展相應(yīng)于操作這些數(shù)據(jù)類型的空間運(yùn)算和空間分析功能。通過這樣的擴(kuò)展使空間數(shù)據(jù)類型完全集成于SQL語言，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的概念模型。

一般意義上的GSQL實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)SQL語句解釋器，對查詢字符串進(jìn)行語法和語義解析，生成語法分析樹，然后查詢優(yōu)化，最后執(zhí)行查詢等步驟[10]。但是在引擎下用戶很少以輸入SQL語句進(jìn)行操作，完全可以通過用戶界面的操作由協(xié)議緩沖生成結(jié)構(gòu)化GSQL表達(dá)，通過可視化查詢語言即可完成。

由于空間數(shù)據(jù)的不規(guī)則分布，許多單元可能是空的(未開采區(qū))，有許多單元可能過渡的飽和(工業(yè)廣場)，這是格網(wǎng)索引模型的缺陷。盡管如此，但其模型簡單，使用方便，在LRSDE通過格網(wǎng)索引來提高檢索效率足以滿足應(yīng)用的要求。每個(gè)要素在一個(gè)或者多個(gè)網(wǎng)格中，每個(gè)網(wǎng)格可以包含多個(gè)要素，應(yīng)用中會(huì)按照需求對格網(wǎng)進(jìn)行分級(jí)，存儲(chǔ)不同數(shù)據(jù)規(guī)模下的格網(wǎng)索引。

2.5 三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型和巷道建模

高精度地質(zhì)模型應(yīng)由一系列地質(zhì)子模型組成，這些地質(zhì)子模型是根據(jù)不同地質(zhì)體，如地層、斷層等地質(zhì)體的不同特征而專門設(shè)計(jì)的。三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型的構(gòu)建包括三個(gè)方面的內(nèi)容：①通過物探技術(shù)得到的高分辨率數(shù)據(jù)；②通過對數(shù)據(jù)的處理和推斷，建立由較小或很小基本地質(zhì)單元組成的，更能反映地質(zhì)體空間分布細(xì)節(jié)的地質(zhì)模型，并提供對地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體進(jìn)行操作和分析的功能；③根據(jù)最新獲取的生產(chǎn)數(shù)據(jù)快速對已有模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，以反映地質(zhì)體和巷道的最新空間形態(tài)，提高表達(dá)精度。

2.5.1 礦井三維地質(zhì)模型的自動(dòng)構(gòu)建

根據(jù)灰色地理信息系統(tǒng)理論和數(shù)據(jù)模型，礦井三維地質(zhì)模型的構(gòu)建主要是要解決TIN和ARTPN的自動(dòng)生成。自動(dòng)生成TIN是構(gòu)造ARTPN的基礎(chǔ)。正負(fù)區(qū)判別模型為TIN的自動(dòng)生成奠定了基礎(chǔ)。以自動(dòng)生成TIN模型的算法為基礎(chǔ)，按相應(yīng)的準(zhǔn)則構(gòu)造出ARTPN。

2.5.2 巷道幾何建模

巷道是煤礦中重要的人工對象，一條巷道可分解成若干條局部巷道的集合。在一個(gè)局部巷道內(nèi)部，巷道斷面形態(tài)控制巷道的幾何形態(tài)，巷道中心線控制巷道的空間位置。巷道斷面是巷道幾何建模中的重要參數(shù)，主要有拱形、矩形、梯形、斜梯形等，如圖5。巷道中心線是巷道底板的軸線。

圖5 主要巷道斷面形態(tài)示意圖Figure 5 A schematic diagram of main roadwaysection configuration

將地層剖分成一系列鄰接但不交叉的ARTP體元的集合，但沒有考慮穿插于地層中的巷道。為了將地層和巷道的幾何建模有機(jī)地結(jié)合起來，我們應(yīng)該在ARTP體元剖分的過程中，將地層和巷道作為一個(gè)整體來看待，對所有巷道形態(tài)控制點(diǎn)與所有地層的數(shù)據(jù)點(diǎn)求并集[11]。這里，巷道形態(tài)控制點(diǎn)是指在煤礦巷道測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，增加了若干個(gè)能夠描述巷道形態(tài)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖6中的A、B、C、D、E、F、G和H點(diǎn)?？刂葡锏揽臻g形態(tài)的參數(shù)主要有測點(diǎn)的坐標(biāo)X、坐標(biāo)Y、巷高、左幫、右?guī)?、斷面形態(tài)、方位和仰俯角等。但在實(shí)際工作中，這些參數(shù)數(shù)據(jù)并不是全部都需要直接獲取(例如，坐標(biāo)X、坐標(biāo)Y除起算點(diǎn)輸入外其余均為計(jì)算所得)，而是可以通過基本的導(dǎo)線測量等手段在井下測量中獲取一些最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，然后通過測量數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得所需要的參數(shù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行集中式管理。

圖6 局部巷道的形態(tài)控制點(diǎn)Figure 6 Local roadway configuration control points

將一條巷道的底板看作一個(gè)曲面，除底板以外的其它各個(gè)面看作另外一個(gè)曲面。這樣，一條巷道就和地層相對應(yīng)，由上下兩個(gè)曲面組成。我們可以生成以數(shù)據(jù)點(diǎn)集TOTALn為基礎(chǔ)的TIN，在經(jīng)過高程插值后，就可以生成包括地層和巷道在內(nèi)的全區(qū)統(tǒng)一的ARTP體元的集合。

2.5.3 三維地質(zhì)模型的動(dòng)態(tài)生成

三維地質(zhì)模型除了通過物探技術(shù)得到的高分辨率數(shù)據(jù)外，還有另一層意思：通過對數(shù)據(jù)的處理和推斷，建立由較小或很小基本地質(zhì)單元組成的，更能反映地質(zhì)體空間分布細(xì)節(jié)的地質(zhì)模型，并提供對地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體進(jìn)行操作和分析的功能[12]。高精度地質(zhì)模型應(yīng)由一系列地質(zhì)子模型組成，這些地質(zhì)子模型是根據(jù)不同地質(zhì)體，如地層、斷層等地質(zhì)體的不同特征而專門設(shè)計(jì)的。

3 結(jié)論

①研發(fā)了數(shù)字煤礦生產(chǎn)協(xié)同管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了煤礦信息集成和融合，以及對礦井生產(chǎn)信息的共享和動(dòng)態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)、文檔、報(bào)表等信息網(wǎng)上填報(bào)、上傳、審批、查詢、匯總分析與輸出。

②應(yīng)用灰色地理信息系統(tǒng)理論，構(gòu)建了灰色地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)成圖并動(dòng)態(tài)修正、自動(dòng)生成復(fù)雜拓?fù)潢P(guān)系，自動(dòng)構(gòu)建三維地質(zhì)模型，且達(dá)到三維模型空間層次分明的目的。

③利用多源數(shù)據(jù)集成技術(shù)，基于空間數(shù)據(jù)引擎的支持，借助于數(shù)據(jù)分層管理和各級(jí)空間查詢，實(shí)現(xiàn)對煤礦的地質(zhì)信息查詢、處理、分析和決策，為建立智慧礦山提供地質(zhì)保障和基礎(chǔ)支持。