張磊

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)智能技術(shù)中心， 陜西 神木市 719315)

0 引言

狹義的礦圖是指反映礦井的邊界、規(guī)模、礦產(chǎn)類型、儲(chǔ)量等礦井資料的圖紙。礦圖有很多種，包含水文地質(zhì)類圖紙、采掘工程類圖紙、機(jī)電信息類圖紙、一通三防類圖紙等基本類型圖紙礦，這些圖紙將開(kāi)采的進(jìn)度、位置、產(chǎn)量、計(jì)劃等礦井基礎(chǔ)生產(chǎn)信息記錄下來(lái)，用于指導(dǎo)礦井設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及接續(xù)。傳統(tǒng)的礦圖管理僅僅是對(duì)生產(chǎn)信息的記錄，煤礦制圖管理是礦井生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的基礎(chǔ)工作，傳統(tǒng)的礦圖的制作和數(shù)據(jù)管理主要以應(yīng)用單機(jī)版的制圖軟件為主，存在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、繪圖軟件版本不相同，部門之間圖紙更新周期不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)共享不便等 問(wèn)題。

近年來(lái)，云計(jì)算市場(chǎng)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于政府、金融、電信、交通、制造、能源等領(lǐng)域，云計(jì)算的興起給企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)管理提供了新的思路。云計(jì)算基于網(wǎng)絡(luò)共享軟件和硬件資源，按需為網(wǎng)絡(luò)中的用戶和系統(tǒng)提供服務(wù)。借助云計(jì)算技術(shù)手段，運(yùn)用圖形學(xué)技術(shù)、空間分析、數(shù)據(jù)挖掘等新技術(shù)，將礦井生產(chǎn)過(guò)程中包含的地形、煤巖層、地質(zhì)構(gòu)造、井巷工程、運(yùn)輸系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、一通三防系統(tǒng)等各類海量的礦井?dāng)?shù)據(jù)資源整合到一起[1]，在統(tǒng)一的空間坐標(biāo)體系下，為礦井技術(shù)人員隨時(shí)隨地提供各種查詢、統(tǒng)計(jì)服務(wù)，同時(shí)具備基本繪圖能力以及礦井生產(chǎn)信息管理能力，必要時(shí)可以通過(guò)專業(yè)數(shù)據(jù)分析，為礦井生產(chǎn)決策提供輔助決策支持。

1 礦圖云服務(wù)技術(shù)

1.1 礦圖云服務(wù)平臺(tái)

隨著云計(jì)算的興起，各類信息系統(tǒng)的部署逐步從桌面客戶端向”SaaS”服務(wù)模式轉(zhuǎn)變，制圖軟件也從傳統(tǒng)的一體式系統(tǒng)向面向組件和服務(wù)遷移，礦圖云服務(wù)平臺(tái)具備最基本的繪圖功能，同時(shí)技術(shù)人員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建、管理和發(fā)布礦圖服務(wù)。礦圖云服務(wù)平臺(tái)把軟件開(kāi)發(fā)和應(yīng)用服務(wù)分開(kāi)，把基礎(chǔ)資源、軟件應(yīng)用轉(zhuǎn)移到了遠(yuǎn)端，由專業(yè)的服務(wù)商進(jìn)行模塊式開(kāi)發(fā)，把應(yīng)用和服務(wù)按照業(yè)務(wù)功能通過(guò)組件發(fā)布到云平臺(tái)，通過(guò)接口形式提供各類礦圖服務(wù)功能，同時(shí)支持計(jì)算機(jī)終端、移動(dòng)終端應(yīng)用，把制圖軟件從簡(jiǎn)單的繪圖工具轉(zhuǎn)化為管理工具，支持?jǐn)?shù)據(jù)管理、分析和計(jì)算。

1.2 礦圖云服務(wù)架構(gòu)

礦圖云服務(wù)平臺(tái)一般包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層、礦圖服務(wù)層、數(shù)據(jù)服務(wù)層3層架構(gòu)[2]。數(shù)據(jù)服務(wù)層提供底層的數(shù)據(jù)存取功能；礦圖服務(wù)層按照模塊將具體功能封裝到各個(gè)組件中，通過(guò)接口為客戶端提供各種服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層提供服務(wù)通道，用戶可以通過(guò)多種方式登錄到礦圖服務(wù)組件中執(zhí)行相應(yīng)的功能。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層是云服務(wù)的核心，面向礦井生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)所有的用戶提供傳統(tǒng)制圖軟件相同的繪圖功能，根據(jù)區(qū)域劃分，分布式管理，提供數(shù)據(jù)管理、編輯和分析服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)層是基礎(chǔ)，存儲(chǔ)礦圖各類空間數(shù)據(jù)， 包括地質(zhì)測(cè)量、水文、構(gòu)造、井巷工程、機(jī)電、一通三防等生產(chǎn)信息，各類圖形數(shù)據(jù)量大、更新快，但相互之間關(guān)系緊密，存在共同的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。礦圖服務(wù)層是工具，通過(guò)專業(yè)的切分，提供專業(yè)的制圖、編輯和計(jì)算模塊，同時(shí)各專業(yè)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享，打通數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)。

圖1 煤礦服務(wù)GIS平臺(tái)體系架構(gòu)

礦圖云服務(wù)平臺(tái)在制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，集成礦井生產(chǎn)相關(guān)的各類數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)引擎，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化的功能應(yīng)用需求，以模塊式的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，為礦井各專業(yè)、各部門提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)、編輯和存儲(chǔ)需求，保證了多途徑數(shù)據(jù)存取的完整性和一致性。

礦圖云服務(wù)平臺(tái)將礦井制圖功能的實(shí)現(xiàn)由客戶端轉(zhuǎn)移到了服務(wù)器端，以Web接口的形式提供礦圖管理功能，支持多客戶端在線協(xié)同應(yīng)用的新型服務(wù)軟件模式，是礦圖實(shí)現(xiàn)在線協(xié)同編輯、修改、管理功能的核心和后臺(tái)基礎(chǔ)。

礦圖云服務(wù)平臺(tái)不僅僅是地圖發(fā)布平臺(tái)，更是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)版的礦圖管理平臺(tái)，礦井技術(shù)人員能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)繪制、編輯和發(fā)布礦圖，包括對(duì)礦圖數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽、查詢和多人協(xié)同作業(yè)等操作，把桌面應(yīng)用服務(wù)從前端轉(zhuǎn)移到后臺(tái)，制圖人員體驗(yàn)到的是更多的應(yīng)用服務(wù)而不是工具本身。

前端應(yīng)用的服務(wù)流暢度取決于后臺(tái)礦圖服務(wù)的支撐，同一時(shí)間段不同部門、不同專業(yè)人員在同一個(gè)平臺(tái)上操作，會(huì)引起數(shù)據(jù)沖突、版本不一致等問(wèn)題，通過(guò)后臺(tái)權(quán)限管理對(duì)區(qū)域和圖層進(jìn)行控制，利用本地緩存機(jī)制、版本迭代機(jī)制等技術(shù)手段，最終將數(shù)據(jù)統(tǒng)一合并成唯一最新版本。

面向服務(wù)架構(gòu)的礦圖云服務(wù)平臺(tái)涉及網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形等技術(shù)，其中需要重點(diǎn)研究多源空間數(shù)據(jù)引擎、空間查詢、空間索引、圖形版本管理與控制、協(xié)同管理服務(wù)器開(kāi)發(fā)等。

1.3 協(xié)同工作服務(wù)機(jī)制

實(shí)現(xiàn)礦圖云服務(wù)平臺(tái)的關(guān)鍵之處在于如何解決多終端動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)帶來(lái)的數(shù)據(jù)、版本沖突等問(wèn)題，以及能否對(duì)礦圖數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同化、在線化、實(shí)時(shí)化更新處理，因此需要在礦圖服務(wù)端建設(shè)和部署協(xié)同工作服務(wù)模塊。

礦圖實(shí)現(xiàn)在線編輯、修改、管理功能需要強(qiáng)大、穩(wěn)定的后臺(tái)協(xié)同管理服務(wù)器支持，礦圖云服務(wù)平臺(tái)具有傳統(tǒng)桌面平臺(tái)和協(xié)同特性的服務(wù)云平臺(tái)兩種不同的部署方式，二者在功能模塊、數(shù)據(jù)模型、可視化操作等方面具有相同的礦圖內(nèi)核，但在數(shù)據(jù)版本處理、用戶并發(fā)的處理、數(shù)據(jù)沖突檢測(cè)等方面大不相同[3]。一個(gè)典型的協(xié)同服務(wù)端如圖2所示。

圖2 協(xié)同服務(wù)緩沖機(jī)制

圖2中，虛線展示了主要的數(shù)據(jù)傳遞流程，實(shí)曲線代表的是組件之間的調(diào)用過(guò)程，實(shí)直線表示的是組件對(duì)過(guò)程的支持，虛線雙箭頭展示了服務(wù)器和客戶端的請(qǐng)求—反饋過(guò)程。完成端口組件在接收到連接請(qǐng)求時(shí)生成對(duì)應(yīng)的客戶端項(xiàng)（從客戶端選項(xiàng)池中），通過(guò)對(duì)比協(xié)議緩沖數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)來(lái)完成對(duì)客戶端請(qǐng)求的應(yīng)答，即無(wú)須經(jīng)過(guò)記錄集內(nèi)存完成；在反饋數(shù)據(jù)時(shí)同樣無(wú)須經(jīng)過(guò)記錄集內(nèi)存，例如對(duì)連接的確認(rèn)、錯(cuò)誤信息等。

由圖2可看出，數(shù)據(jù)的傳遞過(guò)程為：數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)→記錄集內(nèi)存數(shù)據(jù)→協(xié)議緩沖和固定二進(jìn)制數(shù)據(jù)。傳遞到客戶端的數(shù)據(jù)是最后的協(xié)議緩沖和固定二進(jìn)制數(shù)據(jù)。而前面的兩個(gè)傳遞過(guò)程是訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)必經(jīng)的數(shù)據(jù)流程，當(dāng)把實(shí)體對(duì)象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)不得不將其轉(zhuǎn)換成空間對(duì)象，再將空間對(duì)象轉(zhuǎn)換為傳輸協(xié)議格式的數(shù)據(jù)。而協(xié)議緩沖這種特殊的傳輸協(xié)議使得其具備表達(dá)空間對(duì)象的能力，因此在設(shè)計(jì)傳輸協(xié)議的同時(shí)完成了空間實(shí)體對(duì)象的 設(shè)計(jì)。

當(dāng)客戶端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，首先需要檢查數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的客戶項(xiàng)目是否存在或者關(guān)閉。如果相應(yīng)的資源被占用，則數(shù)據(jù)被定義為不合法，會(huì)向系統(tǒng)發(fā)送錯(cuò)誤包或者丟包提示，并且按照存儲(chǔ)順序，當(dāng)正在占用的客戶端數(shù)據(jù)操作完成后，新的客戶端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楹戏〝?shù)據(jù)并被保存，數(shù)據(jù)版本的更新并不是整體文件的更新，通過(guò)判斷圖紙內(nèi)實(shí)體列表數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)應(yīng)在原有的基表列表中增加記錄，并將有變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，在用戶更新圖紙版本時(shí)，僅對(duì)有變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，規(guī)避了大文件存儲(chǔ)帶來(lái)的系統(tǒng)延遲。需要注意的是，最終的圖紙形成是以時(shí)間軸最近一次版本的更新為準(zhǔn)。因此，協(xié)同更新機(jī)制更注重?cái)?shù)據(jù)庫(kù)迭代更新的時(shí)效性。

2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及數(shù)據(jù)處理

礦圖數(shù)據(jù)的種類多、數(shù)據(jù)量大，動(dòng)態(tài)更新要求高，數(shù)據(jù)更新涉及部門比較多。解決海量數(shù)據(jù)管理問(wèn)題，首先要解決各類數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，然后分專業(yè)、分區(qū)域?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行整合處理。

礦圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)目前有國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3大類，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了基本的制圖元素，礦井生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步又衍生出一些新型的礦圖元素，并且由于不同專業(yè)、不同技術(shù)人員使用不同的版本，導(dǎo)致實(shí)際成圖從圖形類別和名稱在叫法上也有較大的差異。因此，需要全面梳理公司內(nèi)部實(shí)際運(yùn)作的礦圖制作規(guī)范，收集圖形符號(hào)、圖列名稱、圖層命名習(xí)慣等，特別是圖層命名規(guī)范，除了考慮命名標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范外，還需考慮各個(gè)專業(yè)在應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)對(duì)礦圖使用的實(shí)際需求，按照部門職責(zé)、專業(yè)類型、區(qū)域劃分對(duì)圖層進(jìn)行分類和梳理。原則上按照專業(yè)要求分為地測(cè)、采掘、機(jī)電、運(yùn)輸、一通三防、安全等六大類，每大類再按照部門職責(zé)和管理區(qū)域進(jìn)行細(xì)分，通過(guò)建立分類體系，規(guī)范圖層管理。

數(shù)字礦山的建設(shè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種類型的數(shù)據(jù)文件，研究多源數(shù)據(jù)集成技術(shù)是避免重復(fù)采集數(shù)據(jù)、迅速推廣云服務(wù)系統(tǒng)的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)集成有3種方式：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)訪問(wèn)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要通過(guò)第三方程序進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成符合當(dāng)前系統(tǒng)的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)文件導(dǎo)入。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的前提是異構(gòu)數(shù)據(jù)互相理解，需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互規(guī)范和通用協(xié)議，平臺(tái)內(nèi)支持不同的空間數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換無(wú)需外部人為干預(yù)，由系平臺(tái)內(nèi)部數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)解析和轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)訪問(wèn)是指云平臺(tái)無(wú)需任何轉(zhuǎn)換操作、無(wú)任何外掛接口，可以直接訪問(wèn)其他系統(tǒng)、其他格式的數(shù)據(jù)，平臺(tái)的數(shù)據(jù)引擎可以對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行集成。綜合比較上述3種數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式，數(shù)據(jù)訪問(wèn)是最為理想的數(shù)據(jù)集成方式，能夠避免數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換帶來(lái)的數(shù)據(jù)損耗，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的開(kāi)放和共享。

礦圖云服務(wù)平臺(tái)中所有對(duì)象均以實(shí)體的形式存在，包括點(diǎn)、線、多邊形等基本幾何圖形以及這些圖形的組合圖形，在數(shù)據(jù)組織方面，利用空間數(shù)據(jù)引擎技術(shù)，采用圖層分布式存儲(chǔ)方式，數(shù)據(jù)組織管理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 GIS數(shù)據(jù)組織模型

礦圖云平臺(tái)的數(shù)據(jù)架構(gòu)主要解決圖形的的存儲(chǔ)問(wèn)題，主要涉及實(shí)體集、實(shí)體集集合、實(shí)體模板庫(kù)、地圖集、數(shù)據(jù)源等概念。

實(shí)體集是具有共同特征的實(shí)體對(duì)象的集合，對(duì)應(yīng)3種類型的對(duì)象模型，實(shí)體集也分別有三大類，包括普通數(shù)據(jù)集、幾何類型數(shù)據(jù)集、柵格數(shù)據(jù)集。

實(shí)體集集合是實(shí)體的集合，是所有實(shí)體的管理類，提供實(shí)體集的創(chuàng)建和編輯功能。

專題圖是應(yīng)用服務(wù)的核心內(nèi)容，專題圖是由多種相關(guān)實(shí)體集組合而成，專題圖里的數(shù)據(jù)實(shí)際上是實(shí)體集對(duì)不同數(shù)據(jù)的引用，同時(shí)，實(shí)體集是公用的，賦予不同的數(shù)據(jù)意義從而組成不同的地圖，地圖集就是專題圖的集合。

數(shù)據(jù)源代表了具有特定主題意義的數(shù)據(jù)的集合，是數(shù)據(jù)組織管理的總對(duì)象。從物理介質(zhì)上看，可以是傳統(tǒng)意義上的一個(gè)文件、數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以是提供數(shù)據(jù)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等。

數(shù)據(jù)源管理除上面提到的實(shí)體集、地圖集、實(shí)體模板等，另外還提供通向物理介質(zhì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取接口，以及高級(jí)的數(shù)據(jù)版本、歷史等特性。數(shù)據(jù)源除了負(fù)責(zé)管理、組織所有相關(guān)的數(shù)據(jù)外，還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)連接，具體由各自類型的空間數(shù)據(jù)引擎提供，在數(shù)據(jù)連接管理器中統(tǒng)一管理。

3 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

礦圖云服務(wù)平臺(tái)建設(shè)服務(wù)于礦井生產(chǎn)管理，基于巷道、煤層、水文地質(zhì)等數(shù)據(jù)，依據(jù)現(xiàn)有的工作面布置情況，在現(xiàn)有的服務(wù)建構(gòu)基礎(chǔ)上部署采礦設(shè)計(jì)模塊，包括掘進(jìn)設(shè)計(jì)、回采設(shè)計(jì)和輔助設(shè)計(jì)，以及配套的方案設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)與專業(yè)設(shè)計(jì)[4]。模塊需要大量算法支撐，包括空間實(shí)體模型算法、幾何數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)算法、參數(shù)設(shè)計(jì)算法等。

基于平臺(tái)錄入的供電線路、供排水管路、機(jī)電設(shè)備等數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)和設(shè)備的層級(jí)關(guān)系，在現(xiàn)有的服務(wù)建構(gòu)基礎(chǔ)上部署機(jī)電設(shè)計(jì)模塊，包括供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算、供電系統(tǒng)圖的生成、運(yùn)輸設(shè)備的選型、供排水系統(tǒng)管路的優(yōu)化等。模塊的搭建有效利用圖紙系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)電信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)平面圖紙和系統(tǒng)圖紙的有效轉(zhuǎn)化，同時(shí)礦井機(jī)電相關(guān)設(shè)計(jì)需要大量技術(shù)支撐，包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型、煤礦井下設(shè)備圖例實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、供電設(shè)計(jì)報(bào)告自動(dòng)生成技術(shù)等。

借助平臺(tái)內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)、防塵防滅火系統(tǒng)、避災(zāi)路線、安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，配合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、阻力數(shù)值計(jì)算等計(jì)算方法，借助通風(fēng)拓?fù)溥B動(dòng)算法、預(yù)測(cè)模型、事故樹(shù)分析等計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)專業(yè)圖形的繪制和瀏覽，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)專業(yè)數(shù)值計(jì)算分析[5]，為礦井通風(fēng)管理提供相關(guān)決策支持。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)礦圖管理中遇到的難題，本文通過(guò)對(duì)礦圖管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、分布式數(shù)處理方式、云協(xié)同工作模式的深入研究，實(shí)現(xiàn)了基于云模式的多人協(xié)同礦圖管理平臺(tái)。本平臺(tái)的實(shí)際意義在于運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)的部署思路，一方面統(tǒng)一了各專業(yè)繪圖平臺(tái)和礦圖管理平臺(tái)，消除了數(shù)據(jù)冗余和數(shù)據(jù)“孤島”，實(shí)現(xiàn)了礦圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、礦圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)字化、礦圖更新協(xié)同化；另一方面，結(jié)合云計(jì)算發(fā)展模式對(duì)礦圖的管理模式進(jìn)行了創(chuàng)新，礦圖信息瀏覽、查詢更加方便快捷，同時(shí)在圖紙管理方面實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化辦公，為礦井生產(chǎn)決策系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。