基于WPF的露天礦生產作業圖表可視化系統開發與應用

鐘小宇 辛鳳陽 孫效玉 田鳳亮 孫 健 肖開泰

（1.鞍鋼集團鞍千礦業有限責任公司，遼寧鞍山112000；2.東北大學智慧礦山研究中心，遼寧沈陽110819；3.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819；4.鞍鋼集團礦業有限公司，遼寧鞍山112000；5.煤科集團沈陽研究院有限公司通風防滅火研究分院，遼寧撫順113112）

露天礦是以采裝為中心、運輸為紐帶的大型生 產系統，采運設備信息管理是礦山生產管理系統的重要內容和基礎［1-2］，生產作業圖表是進行采運設備管理的有效途徑。露天礦生產作業圖表通常以班為單位，形象直觀地展現設備產量、設備狀態與起止時間等信息［3］。傳統方法通過調度員填表與畫圖相結合的方式記錄和展示相關信息。隨著計算機技術的發展，利用Excel 表格、通過編程繪制生產作業圖表的新興形式逐漸嶄露頭角［4-5］。文獻［4］對傳統模式和Excel 表格繪圖模式的優缺點進行了詳細論述，并開發了實用的生產作業圖表。但該項研究存在的不足有：①圖表只有故障信息，沒有產量信息，故稱為故障圖表更合適；②畫線添加故障的時間精準度比較低，更適用于卡車調度系統故障信息的自動采集，需要增加時間精確控制功能；③Winform 采用位圖方式，界面不夠美觀，清晰度受屏幕分辨率影響較大；④圖表的內容、格式固定，缺少人工定制功能，通用性和實用性還有提升空間。

由于具體開采條件和設備種類不同，不同礦山的生產作業圖表的具體內容和形式也不盡相同。如有的礦山生產作業圖表只需要設備故障信息而不需要產量信息，也有的礦山兩者缺一不可；有的礦山僅顯示采運設備信息，也有的礦山主要生產設備與輔助生產設備作業圖表全部繪制，還有礦山分設備類別、設備型號繪制作業圖表等；有的礦山安裝了智能監控系統，產量與狀態信息可以自動形成，也有的礦山全部采用人工繪制與輸入，還有的礦山部分設備實現了智能采集，部分設備需要人工繪制等。華能伊敏露天礦于1976 年7 月建成，是國內五大露天煤礦之一，年極端最高氣溫37.7 ℃，年極端最低氣溫-45～-47 ℃。1997 年國內第一套露天礦卡車自動化調度系統在該礦山正式投入運行，從此將國內礦山帶入數字化礦山時代，由于該系統距離現在年代久遠，沒有進行定期維護，軟硬件系統已經十分落后，所以在2017—2019 年礦山投資進行了全新卡車調度系統升級換代。本研究以生產作業圖表的通用性、實用性、靈活性和規范性為目標，采用WPF 技術對文獻［4］的生產作業圖表系統進行升級改造，開發新的露天礦生產作業圖表系統，經伊敏露天礦的應用證明，效果較理想。

1 生產作業圖表需求分析

露天礦生產作業圖表的基本形式如圖1所示，通常以工作日為單位，每天繪制1張作業圖表。根據功能可將作業圖表劃分為以下7個區域。

（1）標題顯示區。包括圖表名稱及當前時間。為確保圖表的通用性，圖表名稱應在配置文件中進行引用。

（2）功能顯示區。包括故障添加、修改、刪除、產量統計以及故障統計等功能，確保圖表的實用性。

（3）人員顯示區。分班次記錄值班人員與調度人員。由于人員基本固定，應建立相應的人員數據庫，并可方便地進行增刪改查。實際應用時應主要采取下拉框選擇方式，避免人工輸入錯誤，減少人工輸入工作量。

（4）設備顯示區。分別按設備類別、型號、設備號進行排序，每臺設備占一行；按設備類別、型號、設備號進行分組，每組占一列。設備類別、型號、設備號的分組與排序是這一部分需要解決的關鍵問題。

（5）產量顯示區。按班次進行分組，每班設置司機姓名、物料、產量等若干列，產量顯示區與設備顯示區中的設備號實現一一對應，即產量顯示區利用設備號進行橫坐標定位。每臺設備占一行，實時顯示每臺設備各班的司機姓名及完成的礦石產量、剝離產量等。

（6）故障顯示區。按班次進行分組，每班按小時進行劃分，每小時再劃分若干列。每臺設備占一行，通過不同線型或顏色表示設備的不同狀態。分別記錄每臺設備狀態的名稱及起止時間等。故障欄是整個作業圖表實現的重點和難點，這部分需要解決的關鍵問題有：①線型設置問題，通過不同線型或顏色表示設備故障的不同狀態；②時間精度問題，故障起止時間輸入應精確，滿足礦山需求精度；③鼠標位置對應問題，在用鼠標進行故障輸入、刪除、修改過程中，需實現鼠標位置與設備、時間的快速對應與轉換；④人工編輯時的新舊故障邏輯關系處理，通過新舊故障之間起止時間大小對比，來判斷新舊故障之間屬性（新增、修改或刪除）關系，以此來處理新舊故障邏輯關系；⑤縮放問題，要求列縮放但行不縮放，故障區域縮放其它區域不進行縮放；⑥設備故障與維修跨班，如果當班故障在下班時仍未解除，應自動延續到下一班。

（7）記錄區。對當班的產量完成情況、設備工作與維修等信息進行記錄。該區域按內容形式可以分為固定格式部分與機動格式部分，固定格式部分包括采礦量、剝離量、出動設備數量，具體數值應自動生成。

2 系統方案設計

根據以上需求分析，以應用與擴展的通用性與實用性、操作簡單、使用方便為目標，進行以下相關內容設計。

2.1 數據庫設計

根據作業圖表各區域的不同內容，主要設計了

以下數據庫：

（1）人員數據庫。包括值班人員與調度人員數據，為人員顯示區下拉框的選擇提供基礎數據。

（2）設備數據庫。包括設備類別、設備型號、設備號，為生產作業圖表設備欄的分組和排序提供數據基礎。

（3）作業時間數據庫。主要包括班次、班名、班次起止時間等，為產量欄、故障欄、人員欄劃分班次與起止時間提供基礎數據。

（4）產量數據庫。主要包括日期、班次、卡車號、電鏟號、排卸點名稱、物料名稱等字段，由專門計量程序生成，為產量欄提供產量基礎數據。

（5）故障數據庫。主要包括日期、班次、故障名稱、故障起止時間、班故障結束標志等，為故障欄提供基礎數據。其形成方式有2種：一是根據采集的設備流水文件自動轉換而成；二是由調度員通過人工編輯作業圖表方式形成。其中班故障結束標志為故障自動跨班提供依據［6］。

（6）設置數據庫。包括圖例、顯示欄目與內容設置、行列大小等。實現作業圖表內容與形式的人工定制功能，滿足系統的通用性與實用性需要。

2.2 菜單設計

根據系統功能的不同，設計了以下菜單：

（1）系統。包括選擇日期、數據轉換、保存、退出等功能。選擇具體日期之后，通過數據轉換從當天設備流水文件中提取當天的交接班時間、班餐時間以及當天的故障名稱與起止時間，從產量數據庫中提取對應當天的設備產量信息，顯示在生產作業圖表中。為防止系統與數據庫的直接交互，在人工輸入故障時可以將數據保存至相應鏈表中，縮短系統與數據庫的直接交互所帶來的系統反應速度時間，為之后的存儲做準備。

（2）故障欄縮放。包括放大、縮小與還原。放大與縮小只對應故障欄中的列相應改變，而行不會發生變化。

（3）編輯。包括輸入故障、刪除故障、修改故障、撤銷編輯等。對司機上報給調度人員的故障信息通過人工編輯畫線添加至對應的圖表中，之后通過保存功能存入數據庫中。對現有故障可以通過修改或刪除方式進行編輯操作。

（4）數據統計。包括故障時長、設備利用率、班故障查詢以及日生產情況查詢等，可以對當前時間或某一段時間內的設備故障進行統計，方便調度人員查看。

2.3 鼠標事件設計

該系統在人工進行故障添加、刪除、修改時需要對鼠標事件進行處理。在系統設計之前，需要預先了解WPF 中冒泡事件和隧道事件之間的區別與聯系［7］。WPF中的事件統稱為路由事件，路由事件是一種可以針對元素樹中的多個偵聽器（而不是僅針對引發該事件的對象）調用處理程序的事件［8］。路由事件實際上分兩類：冒泡事件和隧道事件。如圖2 所示，冒泡事件是WPF 路由事件中最為常見的一種形式，它表示事件從源元素擴散（傳播）到中間元素，直到它被處理或到達根元素［9］。隧道事件采用另一種方式，從根元素開始，向下遍歷元素樹，直到被處理或到達事件的源元素。這樣上游元素就可以在事件到達源元素之前先行截取并進行處理。根據系統設計原理，本研究添加故障畫線是向根元素中觸發鼠標事件，所以選擇隧道事件作為鼠標觸發事件最為穩妥［10-11］。

利用鼠標隧道事件由Preview Mouse Left Button Down（簡稱PMLBD）、Mouse Move（簡稱MM）和Preview Mouse Left Button Up（簡稱PMLBU）組成，其中PMLBD 代表故障的開始時間節點，MM 代表故障時長，PMLBU 代表故障終止時間節點，對這3 個變量進行行列變換之后保存至對應的數據庫中。

（1）添加故障。選擇對應的故障設備行，當鼠標觸發PMLBD 事件時為設備故障起始時間，之后觸發鼠標MM 事件進行故障添加，直到觸發鼠標PMLBU事件之后的對應位置為故障終止時間。這里值得注意的是，添加故障不允許跨班添加，所以當故障終止時間大于當前班次的終止時間時，需要將目前的終止時間重新賦值為當前班次的終止時間。

（2）修改故障。對于已有的設備故障進行修改，當鼠標觸發PMLBD事件時的位置所表示的時間如果在現有故障的起止時間內，則允許故障修改，之后觸發鼠標MM 事件進行修改故障時長，直到觸發鼠標PMLBU 事件之后的對應位置為故障終止時間，以便實現對現有故障的修改。

（3）刪除故障。選擇當天設備故障時間，并選擇對應故障設備行，當鼠標觸發PMLBD 事件時對應的設備行存在故障且所在橫坐標位置所表示的時間在該故障的起止時間內，即可選中所要刪除的故障，之后點擊“刪除”按鍵并保存，即可完成操作。

3 系統開發

3.1 開發平臺選擇

WPF 是用于Windows 的現代圖形顯示系統［12］，引入“內置硬件加速”等創新功能。它不僅可以提供標準的控件，而且能夠實現“自行”繪制文本、邊框和背景填充，可以改變渲染屏幕上所有內容的方式［13-14］。本研究選擇WPF 為集成開發平臺的原因如下：

（1）本研究系統主要通過畫線的形式來實現人工添加設備故障，這里存在的問題是畫線的矢量性，引入路由事件（Routed Event）對元素進行多層監聽，通過依賴屬性（Dependency Property）動態變更控件樹等［15］。在Winform 程序開發時，需要用到橡皮筋技術來實現矢量畫線等功能［16］，編程復雜。故首選WPF為集成開發平臺。

（2）WPF 的界面設計與分辨率無關。傳統Windows 應用程序的用戶界面是基于像素設計的，當屏幕分辨率變高時，界面會變小影響閱讀，分辨率變低時，界面各部分變大可能造成遮擋變形［17-18］。而在WPF 中所有界面元素都使用與設備無關的單位進行度量，可保證在不同分辨率下設計尺寸不變，使生產作業圖表的通用性與適用性增加。

（3）WPF 的界面可以用XAML 語言寫，后臺邏輯用C#語言編寫，然而Winform 全部用C#語言編寫，也就是說，WPF 真正實現了界面與邏輯分離［19］。WPF的核心是一個與分辨率無關并且基于向量的呈現引擎（可以保證圖像和影像具有高清晰度），旨在利用現代圖形硬件優勢，實現生產作業圖表的通用性［20］。

考慮到市場占有率、穩定性、實用性等綜合因素，本研究選擇SQL Server 2016 作為數據庫應用平臺。

3.2 關鍵技術處理

3.2.1 區域劃分與關聯問題

如圖3所示，將核心區從左到右依次劃分為設備區、產量區、故障區。從位置上來說，3 個區域左右緊密相連，上下對齊；從內容上來說，3 個區域左右相互獨立，上下通過設備（行號）緊密關聯，即每個區域從上到下劃分為相同的若干行，每行對應1 臺設備，假設每行的屏幕像素為h，則第i 行的起止位置分別為( )

i-1·h像素、i·h像素，h取值可以人為控制。

（1）故障欄。根據作業時間數據庫中提供的班次、班名、班次起止時間等數據，將時間作為橫軸，以每天的一班起始時間作為起點，按照均分方法分為24大格（每一格代表1h），每一大格均分為m 小格，每小格的距離為n個像素單位，這樣可以實現時間與列的對應。m、n取值可以人為控制。

（2）設備類別、型號與設備號分組。通過讀取設備數據分別建立設備類別、設備型號和設備號的鏈表及相互之間的關聯關系，通過for 循環將所有出動的設備按照設備類別、型號和設備號之間的級別顯示在每一列中，如圖3所示。

3.2.2 鼠標位置對應問題

假設鼠標的位置為( )x,y，則有下式成立：

式中，Y 為對應位置行號；H 為所在列；h1為一班起始時間。

3.2.3 故障欄放大與縮小

故障欄放大與縮小后的像素可進行如下計算：

式中，n1為原故障欄像素；k為放大或縮小倍數。

放大前后分別如圖1、圖3 所示。放縮操作只是針對故障欄中橫坐標（時間）改變，而縱坐標不變，也就是時間進行放大與縮小，而設備行不發生變化。

3.2.4 跨班故障自動接續顯示

對于長期處于故障狀態的設備，將其故障按照班次進行分段處理。如果設備故障在一個班的時間內沒有得到解決，將故障沒有結束的字段變為1，在下一個班的結束時間過后，自動刷新添加一條與之相同的故障，只是開始時間和終止時間轉為下個班的開始時間和結束時間。以此類推，即可實現跨班故障自動接續顯示。

3.2.5 新舊故障時間邏輯處理

假設原有故障為AB，新增故障為CD，故障AB 在故障欄區的起止位置坐標為( X1,Y )和( X2,Y)，故障CD 的起止位置坐標為( X3,Y )和( X4,Y)，X、Y 分別為時間、行號（設備號）。X1、X2、X3、X4之間存在關系：

（1）相離。新舊故障位置如圖4 所示，故障AB 與故障CD 之間的關系從圖中可知：X1＜X2＜X3＜X4。由于是同一設備下的兩條故障，所以縱坐標相同。然而故障AB的終止時間要小于故障CD的起始時間，所以在生產作業圖表中處理為兩條故障，這兩條故障是相互獨立且毫無關聯的。

（2）相交與包含。假設故障AB與故障CD的位置關系如圖5 所示，由于是同一設備下的兩條故障，所以縱坐標相同。然而故障CD 的起始時間落在故障AB 的起止時間內，所以在生產作業圖表中按照故障修改來處理，即將兩條故障合為一條故障，該故障的起止坐標為( X1,Y )和( X4,Y)；假設存在故障AC 與故障CD 如圖5 所示，故障AC 的終止時間等于故障CD的起始時間，故按照故障修改來處理，將故障AC與故障CD合為一條故障AD，起止坐標為( X1,Y )和( X4,Y)；假設存在故障AD 與故障CB 的位置關系如圖5 所示，由于AD 包含CB，所以將兩條故障合為一條故障AD。

3.2.6 時間精確控制

在人工添加故障、修改故障時觸發鼠標MBU 事件后會彈出時間精確對話框，如圖6所示。對話框包括檢索文字、選擇故障名稱、開始時間和終止時間3個部分。該對話框可實現對起止時間的精確控制，對故障名稱的模糊查詢。由于礦山的設備故障名稱非常繁雜，為方便調度人員選擇故障名稱，引用了模糊查詢方法來檢索故障名稱，如果不選擇，將無法正常添加設備故障。此外，為防止調度人員少畫和多畫問題的發生，進一步提高了手動添加故障開始時間和終止時間的準確性。

本研究在鼠標事件引用時選擇路由事件中的隧道事件，為了在程序中達到人工畫線添加故障的效果，因而使用了panel 控件，通過調用鼠標Preview Mouse Left Button Down（PMLBD）和Preview Mouse Left Button Up（PMLBU）兩個隧道事件來實現人工添加故障功能。

4 結 論

（1）相對文獻［4］的生產作業圖表系統，本研究開發的系統其通用性和實用性更強，既適用于卡車自動化調度系統信息自動采集，又適用于完全人工錄入，實現了兩者的有效融合；產量信息與狀態信息既可獨立顯示，又可有機結合顯示；可實現所有設備信息顯示，也可只顯示當班出動設備信息。

（2）WPF 界面友好、操作簡單、模塊化程度高、人工定制靈活，便于系統升級擴展。在人工輸入的基礎上，增加了時間編輯功能，保障了故障起止時間的精確性，為分析生產過程、發掘生產潛力、提高設備工作效率提供了一定支持。