露天礦卡車調度系統數據庫設計與實現

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. 河南工業和信息化職業學院能源工程系，河南 焦作454000;3. 中國礦業大學( 北京) 地球科學與測繪工程學院，北京100083)

現代化的露天采礦正朝著規模大型化、管理信息化、技術科學化、環境環保化的方向發展［1］。露天礦生產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］。卡車調度系統集多項高新技術于一體，是提高露天礦生產能力、節省投資、提高礦山管理效率的有效手段［3］。數據庫是露天礦卡車調度軟件系統的核心［4］，近年來針對露天礦數據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、精細化開采、邊坡預警等功能［5-7］; ②以地質研究為目的，管理礦山地質數據，進行地質災害監測;③偏重基于AutoCAD 的圖形顯示或建模，僅利用小型數據庫( Access) 提供輔助數據管理功能［8-10］; ④以卡車調度為目的，使用Access、SQL Server 等軟件構建數據庫，主要用于存儲屬性數據?？梢?，當前的露天礦數據庫多未顧及空間數據的存儲及空間分析;但是，卡車調度系統涉及諸多空間數據，例如重要區域的邊界、運輸路徑、設備的位置和運行軌跡等。因此，構建適用于露天礦卡車調度系統的空間數據庫已成為亟待解決的問題。

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

1 需求分析

1.1 功能需求

露天礦卡車調度系統是針對生產實際建立的輔助生產管理、監控、統計、決策系統。該系統以礦山數據庫為核心，綜合利用無線通訊、計算機軟件等技術，通過無線網絡集成各個生產指揮環節。旨在提高露天礦生產管理效率、輔助決策、降低企業成本，在一定程度上改善管理人員工作環境，使露天礦生產管理更加精準、高效、科學、人性化。卡車調度系統的功能需求因各個露天礦具體情況而略有差異，本研究以內蒙某露天礦為例，經過調查分析其功能需求如下。

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

(2) 礦區地圖管理。一方面，需要以圖形方式顯示礦區基礎空間信息——運輸路徑、重要區域( 裝載區、排土場、破碎站) ，作為可視化平臺的底圖。另一方面，當上述基礎數據發生變化，應及時更新地圖數據，以確保系統的現勢性。

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

(4) 車輛實時調度。在完成日常車輛排班的基礎上，考慮到依照實際生產運行狀態，通過無線網絡，實現車輛的實時調度。

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

(6) 車輛胎壓監控。要求監控系統可以實時顯示所有車輛輪胎壓力數據，對超限情況予以預警，以確保生產安全。

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

根據需求分析，該礦區卡車調度系統的整體架構如圖1 所示。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

1.2 數據需求

露天礦卡車調度系統的數據需求主要包括［13］:

(1) 生成和處理生產數據的準確性與實時性。

(2) 實際生產數據與數據庫數據的一致性。

(3) 數據的共享性與獨立性。

(3) 數據可以滿足多種查詢、統計的需求，并可生成多種生產報表。

系統內所有數據均由數據庫統一管理，數據的共享與交換由各個功能模塊通過訪問數據庫完成，以此滿足系統的數據需求。系統的數據流向如圖2 所示。

圖2 系統數據流Fig.2 System data flow diagram

2 數據庫設計

數據庫設計是卡車調度系統開發的核心，其設計是否合理直接影響到軟件架構以及數據處理效率［14］。在遵從常用卡車調度系統數據庫設計方法的基礎上，旨在利用SQL Server 2008 提供的空間數據類型Geography 來處理系統中的空間數據，實現空間數據的存儲及工作量自動統計。鑒于此，只闡述與空間數據的處理相關的數據庫設計內容，其余工作不予贅述。

2.1 概念結構設計

概念結構設計的主要任務是將用戶需求抽象為信息結構，即概念模型。根據用戶需求，結合研究重點，分析與空間相關的需求，可以抽象出以下幾類實體。

(1) 節點。初始化礦區基礎空間數據所需的基礎點數據，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) 轉化得來的坐標點。節點是構成礦區其他空間信息的基礎數據，其屬性信息包括點號和點位信息。

(2) 區域。礦區各類重要區域的集合，主要包括裝載區( 裝巖區、裝礦區) 、排土場、破碎站，個別礦區設置有維修場、輪胎場等區域。區域邊界由一系列節點確定，其基本屬性為區域編號、區域名稱、區域類型、區域邊界、數據更新時間;各類區域還可能具備特定屬性，例如，裝載區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空間數據，路徑由一系列節點確定，起訖點均為區域，其屬性為路徑編號、路徑名稱、起點區域號、終點區域號、道路等級、通行狀態、路徑空間數據、長度、數據更新時間。

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

實體－聯系模型( 簡稱E－R 模型) 由實體集、屬性和聯系集構成，適用于表達數據庫概念模型中各實體及其相互聯系。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 邏輯結構設計

E－R 模型是用戶的模型，它獨立于任何一個具體的數據庫管理系統( Database Management System，DBMS) 。為了建立用戶所要求的數據庫，需將概念模型轉換為某個具體的DBMS 所支持的數據模型，這正是數據庫邏輯設計的任務。邏輯設計需要考慮到具體DBMS 的性能、具體數據模型的特點，通常分為3 步完成:①初始關系模式設計;②關系模式規范化;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 作為露天礦卡車調度系統DBMS，如前所述，其突出優勢在于可以使用Geography 數據類型處理空間數據。結合此項優勢，遵循邏輯設計步驟，對卡車調度系統所涉及的空間數據進行邏輯結構設計，可獲得下述主要邏輯模型。

(1) 節點( 節點編號，節點數據) 。

(2) 區域類型( 區域類型編號，類型描述) 。

(3) 區域節點( 區域編號，區域名稱，區域類型，節點列表，修改時間) 。

(4) 裝礦區域( 裝載區編號，區域名稱，區域空間數據，裝載半徑，排隊半徑，狀態改變時間) 。

(5) 裝巖區域( 裝載區編號，區域名稱，區域空間數據，裝載半徑，排隊半徑，狀態改變時間) 。

(6) 排土場( 卸載區編號，卸載區名稱，區域空間數據，狀態改變時間) 。

(7) 破碎站( 破碎站編號，破碎站名稱，狀態，區域空間數據，狀態改變時間) 。

(8) 維修場( 維修場編號，維修場名稱，狀態，區域空間數據，狀態改變時間) 。

(9) 輪胎場( 輪胎場編號，輪胎場名稱，狀態，區域空間數據，狀態改變時間) 。

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

(11) 路徑( 路徑編號，路徑名稱，路徑起點，路徑終點，數據采集方式，道路等級，通行狀態，空間數據，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，物料，運行狀態，當前位置，狀態改變時間，已完成路徑，所在區域) 。

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

2.3 物理結構設計

邏輯結構設計階段已經考慮到SQL Server 2008軟件的特點，為物理結構設計順利推進奠定了良好基礎。本研究中各項物理結構指標均采用系統默認值，如存儲結構、訪問方法、存放位置、用戶并發數等。數據庫實施通過以下步驟完成。

(1) 使用SQL 語言或Management Studio 創建數據庫。

(2) 將邏輯模型轉換為數據表及其中字段，創建數據表及視圖，并設置主鍵、建立必要索引。

(3) 根據數據表間聯系設置外鍵，根據數據觸發流程建立觸發器，根據數據處理需要構建存儲過程、函數。

(4) 為數據庫建立安全策略，如訪問方式、登錄名及密碼、加密等。

3 關鍵技術實現

3.1 空間數據

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

表1 數據類型分析Table 1 Analysis of data types

2 種類型均用內置于SQL Server 的Common Language Runtime 實現，其實質是. NET CLR data type［16］。它們既可以描述點( Point) 、線( Curve) 、面( Polygon、Surface) 以完成空間數據儲存，又提供了一系列的空間關系判斷方法。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空間數據存儲的要求，而工作量統計主要基于判斷車輛運行位置與各個區域的空間關系來實現。

3.2 基礎空間數據存儲

3.2.1 數據預處理

根據需求分析及概念設計的要求，原始數據主要包括節點、路徑、區域。節點是組成區域和路徑的三維點，節點提取應遵循以下原則。

(1) 完整性。按照區域編號、路徑編號，逐一從基礎圖件中提取節點信息，以確保數據無遺漏。

(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、區域邊界重復的點，并且按順序記錄當前區域邊界、運輸路徑所用到的節點編號，以“* . txt”格式存儲。

(3) 坐標統一。為與車輛GPS 定位數據相適應，將節點坐標轉換為WGS－84 坐標。

繼而，獲取礦區各區域信息，確定區域邊界與節點的對應關系( 表2) 。最后，處理路徑信息，確定路徑與節點的對應關系( 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系。

表2 區域節點對應Table 2 Regional node mapping

表3 路徑節點對應Table 3 Path node mapping

3.2.2 數據入庫

采用Visual Studio 2013 平臺、C#語言編寫外部程序，將存儲于“* . txt”文件中的節點坐標數據、區域節點數據、路徑節點數據存入數據庫。數據庫內部，通過Geography 類型的熟知文本( Well － Known Text，WKT) 表示形式實現文本向空間數據的轉換，最終生成露天礦的區域、路徑。

(1) 存儲節點。外部程序提供節點信息，在SQL Server 2008 中構建存儲過程，以WKT 形式定義Geography 類型的點( POINT) 存儲節點，即可將節點信息轉化為空間數據存入節點表( node) ，訪問該表可以看到空間結果。

(2) 存儲區域。外部程序將表2 所示的“區域節點對應表”中相關數據存入區域節點表( areanode) ，SQL Server 2008 自動執行為該表編寫的觸發器:將區域節點數據轉化為區域邊界的坐標序列，以WKT 形式定義Geography 類型的區域( POLYGON) 存儲空間數據，再根據區域類型將各個區域存入相應區域表中。其數據存儲過程如圖4 所示，圖5 為存儲后的區域空間。

圖4 區域存儲Fig.4 Regional storage

圖5 區域圖Fig.5 Regional map

(3) 存儲路徑。外部程序將表3 所示的“路徑節點對應表”中相關數據存入路徑節點表( pathnode) ，SQL Server 2008 自動執行為該表編寫的觸發器: 以WKT 形式定義Geography 類型的線( LINESTRING)數據存儲路徑，其數據存儲過程如圖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 卡車工作量統計

如圖8 所示，圖中黑色點為車輛運行軌跡。要實現車輛工作量自動統計，需先準確判斷車輛位置與裝載區、卸載區及其他重要區域的空間關系，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 數據類型提供了多種內置方法，以滿足對空間數據操作的基本需求，主要包含3 類: ①查詢Geography 實例的屬性和行為。例如，查詢構成實例的點數、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 實例創建新的Geography 實例。例如，創建實例的緩沖區; 利用實例的交集、并集或差集創建新的實例等。③確定Geography 實例間的關系。例如，確定2 個實例是否相交;確定2 個實例的交點; 確定2 個地域實例之間點的差異等。

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

3.3.2 工作量統計方法

以上述空間關系判斷為基礎，根據車輛位置變化，提取其運行狀態發生變化時的信息，可實現工作量自動統計。統計流程如圖9 所示，其中@inAreaID代表車輛所在區域的編號，如果車輛不在任何區域則該值為0。

如圖9 所示，車輛運行狀態發生變化時各項信息均被存入數據表VehicleEstate，該表內容如圖10 所示。利用Visual Studio 2013 平臺、C#語言編寫外部程序訪問此表，可實現以EXECL( * . xls、* . xlsx) 格式輸出礦區生產所需的生產報表，諸如采場出車單、運巖工作量統計表、運礦工作量統計表等。

圖9 統計流程Fig.9 Statistics flowchart

圖10 車輛運行狀態統計Fig.10 Statistics of vehicle operation estate

4 結 論

(1) SQL Server 中空間數據類型Geography 的引入，使得露天礦卡車調度系統數據庫能夠更好地存儲與管理相關空間數據，為實現空間分析奠定了基礎。

(2) 基于空間關系判斷的卡車工作量自動統計方法，不僅具有統計準確、高效的優點，而且避免了傳統管理模式下人工計數的弊端及其引發的各種不合理現象，充分體現了在卡車調度系統中應用空間分析的優勢。

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

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