基于WPF的露天礦生產(chǎn)作業(yè)圖表可視化系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)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(yè)有限責(zé)任公司，遼寧鞍山112000；2.東北大學(xué)智慧礦山研究中心，遼寧沈陽110819；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819；4.鞍鋼集團礦業(yè)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(fēng)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(chǎn)系統(tǒng)，采運設(shè)備信息管理是礦山生產(chǎn)管理系統(tǒng)的重要內(nèi)容和基礎(chǔ)［1-2］，生產(chǎn)作業(yè)圖表是進行采運設(shè)備管理的有效途徑。露天礦生產(chǎn)作業(yè)圖表通常以班為單位，形象直觀地展現(xiàn)設(shè)備產(chǎn)量、設(shè)備狀態(tài)與起止時間等信息［3］。傳統(tǒng)方法通過調(diào)度員填表與畫圖相結(jié)合的方式記錄和展示相關(guān)信息。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，利用Excel 表格、通過編程繪制生產(chǎn)作業(yè)圖表的新興形式逐漸嶄露頭角［4-5］。文獻［4］對傳統(tǒng)模式和Excel 表格繪圖模式的優(yōu)缺點進行了詳細(xì)論述，并開發(fā)了實用的生產(chǎn)作業(yè)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(chǎn)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(zhǔn)度比較低，更適用于卡車調(diào)度系統(tǒng)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(nèi)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(shè)備種類不同，不同礦山的生產(chǎn)作業(yè)圖表的具體內(nèi)容和形式也不盡相同。如有的礦山生產(chǎn)作業(yè)圖表只需要設(shè)備故障信息而不需要產(chǎn)量信息，也有的礦山兩者缺一不可；有的礦山僅顯示采運設(shè)備信息，也有的礦山主要生產(chǎn)設(shè)備與輔助生產(chǎn)設(shè)備作業(yè)圖表全部繪制，還有礦山分設(shè)備類別、設(shè)備型號繪制作業(yè)圖表等；有的礦山安裝了智能監(jiān)控系統(tǒng)，產(chǎn)量與狀態(tài)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(shè)備實現(xiàn)了智能采集，部分設(shè)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(nèi)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(nèi)第一套露天礦卡車自動化調(diào)度系統(tǒng)在該礦山正式投入運行，從此將國內(nèi)礦山帶入數(shù)字化礦山時代，由于該系統(tǒng)距離現(xiàn)在年代久遠(yuǎn)，沒有進行定期維護，軟硬件系統(tǒng)已經(jīng)十分落后，所以在2017—2019 年礦山投資進行了全新卡車調(diào)度系統(tǒng)升級換代。本研究以生產(chǎn)作業(yè)圖表的通用性、實用性、靈活性和規(guī)范性為目標(biāo)，采用WPF 技術(shù)對文獻［4］的生產(chǎn)作業(yè)圖表系統(tǒng)進行升級改造，開發(fā)新的露天礦生產(chǎn)作業(yè)圖表系統(tǒng)，經(jīng)伊敏露天礦的應(yīng)用證明，效果較理想。

1 生產(chǎn)作業(yè)圖表需求分析

露天礦生產(chǎn)作業(yè)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(yè)圖表。根據(jù)功能可將作業(yè)圖表劃分為以下7個區(qū)域。

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

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

（3）人員顯示區(qū)。分班次記錄值班人員與調(diào)度人員。由于人員基本固定，應(yīng)建立相應(yīng)的人員數(shù)據(jù)庫，并可方便地進行增刪改查。實際應(yīng)用時應(yīng)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(shè)備顯示區(qū)。分別按設(shè)備類別、型號、設(shè)備號進行排序，每臺設(shè)備占一行；按設(shè)備類別、型號、設(shè)備號進行分組，每組占一列。設(shè)備類別、型號、設(shè)備號的分組與排序是這一部分需要解決的關(guān)鍵問題。

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

（6）故障顯示區(qū)。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(shè)備占一行，通過不同線型或顏色表示設(shè)備的不同狀態(tài)。分別記錄每臺設(shè)備狀態(tài)的名稱及起止時間等。故障欄是整個作業(yè)圖表實現(xiàn)的重點和難點，這部分需要解決的關(guān)鍵問題有：①線型設(shè)置問題，通過不同線型或顏色表示設(shè)備故障的不同狀態(tài)；②時間精度問題，故障起止時間輸入應(yīng)精確，滿足礦山需求精度；③鼠標(biāo)位置對應(yīng)問題，在用鼠標(biāo)進行故障輸入、刪除、修改過程中，需實現(xiàn)鼠標(biāo)位置與設(shè)備、時間的快速對應(yīng)與轉(zhuǎn)換；④人工編輯時的新舊故障邏輯關(guān)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(guān)系，以此來處理新舊故障邏輯關(guān)系；⑤縮放問題，要求列縮放但行不縮放，故障區(qū)域縮放其它區(qū)域不進行縮放；⑥設(shè)備故障與維修跨班，如果當(dāng)班故障在下班時仍未解除，應(yīng)自動延續(xù)到下一班。

（7）記錄區(qū)。對當(dāng)班的產(chǎn)量完成情況、設(shè)備工作與維修等信息進行記錄。該區(qū)域按內(nèi)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(shè)備數(shù)量，具體數(shù)值應(yīng)自動生成。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)以上需求分析，以應(yīng)用與擴展的通用性與實用性、操作簡單、使用方便為目標(biāo)，進行以下相關(guān)內(nèi)容設(shè)計。

2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)作業(yè)圖表各區(qū)域的不同內(nèi)容，主要設(shè)計了

以下數(shù)據(jù)庫：

（1）人員數(shù)據(jù)庫。包括值班人員與調(diào)度人員數(shù)據(jù)，為人員顯示區(qū)下拉框的選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）設(shè)備數(shù)據(jù)庫。包括設(shè)備類別、設(shè)備型號、設(shè)備號，為生產(chǎn)作業(yè)圖表設(shè)備欄的分組和排序提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）作業(yè)時間數(shù)據(jù)庫。主要包括班次、班名、班次起止時間等，為產(chǎn)量欄、故障欄、人員欄劃分班次與起止時間提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（4）產(chǎn)量數(shù)據(jù)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(chǎn)量欄提供產(chǎn)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（5）故障數(shù)據(jù)庫。主要包括日期、班次、故障名稱、故障起止時間、班故障結(jié)束標(biāo)志等，為故障欄提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其形成方式有2種：一是根據(jù)采集的設(shè)備流水文件自動轉(zhuǎn)換而成；二是由調(diào)度員通過人工編輯作業(yè)圖表方式形成。其中班故障結(jié)束標(biāo)志為故障自動跨班提供依據(jù)［6］。

（6）設(shè)置數(shù)據(jù)庫。包括圖例、顯示欄目與內(nèi)容設(shè)置、行列大小等。實現(xiàn)作業(yè)圖表內(nèi)容與形式的人工定制功能，滿足系統(tǒng)的通用性與實用性需要。

2.2 菜單設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能的不同，設(shè)計了以下菜單：

（1）系統(tǒng)。包括選擇日期、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、保存、退出等功能。選擇具體日期之后，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換從當(dāng)天設(shè)備流水文件中提取當(dāng)天的交接班時間、班餐時間以及當(dāng)天的故障名稱與起止時間，從產(chǎn)量數(shù)據(jù)庫中提取對應(yīng)當(dāng)天的設(shè)備產(chǎn)量信息，顯示在生產(chǎn)作業(yè)圖表中。為防止系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的直接交互，在人工輸入故障時可以將數(shù)據(jù)保存至相應(yīng)鏈表中，縮短系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的直接交互所帶來的系統(tǒng)反應(yīng)速度時間，為之后的存儲做準(zhǔn)備。

（2）故障欄縮放。包括放大、縮小與還原。放大與縮小只對應(yīng)故障欄中的列相應(yīng)改變，而行不會發(fā)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(diào)度人員的故障信息通過人工編輯畫線添加至對應(yīng)的圖表中，之后通過保存功能存入數(shù)據(jù)庫中。對現(xiàn)有故障可以通過修改或刪除方式進行編輯操作。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計。包括故障時長、設(shè)備利用率、班故障查詢以及日生產(chǎn)情況查詢等，可以對當(dāng)前時間或某一段時間內(nèi)的設(shè)備故障進行統(tǒng)計，方便調(diào)度人員查看。

2.3 鼠標(biāo)事件設(shè)計

該系統(tǒng)在人工進行故障添加、刪除、修改時需要對鼠標(biāo)事件進行處理。在系統(tǒng)設(shè)計之前，需要預(yù)先了解WPF 中冒泡事件和隧道事件之間的區(qū)別與聯(lián)系［7］。WPF中的事件統(tǒng)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(fā)該事件的對象）調(diào)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(dá)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(dá)事件的源元素。這樣上游元素就可以在事件到達(dá)源元素之前先行截取并進行處理。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計原理，本研究添加故障畫線是向根元素中觸發(fā)鼠標(biāo)事件，所以選擇隧道事件作為鼠標(biāo)觸發(fā)事件最為穩(wěn)妥［10-11］。

利用鼠標(biāo)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(jié)點，MM 代表故障時長，PMLBU 代表故障終止時間節(jié)點，對這3 個變量進行行列變換之后保存至對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

（1）添加故障。選擇對應(yīng)的故障設(shè)備行，當(dāng)鼠標(biāo)觸發(fā)PMLBD 事件時為設(shè)備故障起始時間，之后觸發(fā)鼠標(biāo)MM 事件進行故障添加，直到觸發(fā)鼠標(biāo)PMLBU事件之后的對應(yīng)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(dāng)故障終止時間大于當(dāng)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(dāng)前班次的終止時間。

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

（3）刪除故障。選擇當(dāng)天設(shè)備故障時間，并選擇對應(yīng)故障設(shè)備行，當(dāng)鼠標(biāo)觸發(fā)PMLBD 事件時對應(yīng)的設(shè)備行存在故障且所在橫坐標(biāo)位置所表示的時間在該故障的起止時間內(nèi)，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(tǒng)開發(fā)

3.1 開發(fā)平臺選擇

WPF 是用于Windows 的現(xiàn)代圖形顯示系統(tǒng)［12］，引入“內(nèi)置硬件加速”等創(chuàng)新功能。它不僅可以提供標(biāo)準(zhǔn)的控件，而且能夠?qū)崿F(xiàn)“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(nèi)容的方式［13-14］。本研究選擇WPF 為集成開發(fā)平臺的原因如下：

（1）本研究系統(tǒng)主要通過畫線的形式來實現(xiàn)人工添加設(shè)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(jiān)聽，通過依賴屬性（Dependency Property）動態(tài)變更控件樹等［15］。在Winform 程序開發(fā)時，需要用到橡皮筋技術(shù)來實現(xiàn)矢量畫線等功能［16］，編程復(fù)雜。故首選WPF為集成開發(fā)平臺。

（2）WPF 的界面設(shè)計與分辨率無關(guān)。傳統(tǒng)Windows 應(yīng)用程序的用戶界面是基于像素設(shè)計的，當(dāng)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(shè)備無關(guān)的單位進行度量，可保證在不同分辨率下設(shè)計尺寸不變，使生產(chǎn)作業(yè)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(xiàn)了界面與邏輯分離［19］。WPF的核心是一個與分辨率無關(guān)并且基于向量的呈現(xiàn)引擎（可以保證圖像和影像具有高清晰度），旨在利用現(xiàn)代圖形硬件優(yōu)勢，實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)圖表的通用性［20］。

考慮到市場占有率、穩(wěn)定性、實用性等綜合因素，本研究選擇SQL Server 2016 作為數(shù)據(jù)庫應(yīng)用平臺。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)處理

3.2.1 區(qū)域劃分與關(guān)聯(lián)問題

如圖3所示，將核心區(qū)從左到右依次劃分為設(shè)備區(qū)、產(chǎn)量區(qū)、故障區(qū)。從位置上來說，3 個區(qū)域左右緊密相連，上下對齊；從內(nèi)容上來說，3 個區(qū)域左右相互獨立，上下通過設(shè)備（行號）緊密關(guān)聯(lián)，即每個區(qū)域從上到下劃分為相同的若干行，每行對應(yīng)1 臺設(shè)備，假設(shè)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(jù)作業(yè)時間數(shù)據(jù)庫中提供的班次、班名、班次起止時間等數(shù)據(jù)，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(xiàn)時間與列的對應(yīng)。m、n取值可以人為控制。

（2）設(shè)備類別、型號與設(shè)備號分組。通過讀取設(shè)備數(shù)據(jù)分別建立設(shè)備類別、設(shè)備型號和設(shè)備號的鏈表及相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過for 循環(huán)將所有出動的設(shè)備按照設(shè)備類別、型號和設(shè)備號之間的級別顯示在每一列中，如圖3所示。

3.2.2 鼠標(biāo)位置對應(yīng)問題

假設(shè)鼠標(biāo)的位置為( )x,y，則有下式成立：

式中，Y 為對應(yīng)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(shù)。

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(biāo)（時間）改變，而縱坐標(biāo)不變，也就是時間進行放大與縮小，而設(shè)備行不發(fā)生變化。

3.2.4 跨班故障自動接續(xù)顯示

對于長期處于故障狀態(tài)的設(shè)備，將其故障按照班次進行分段處理。如果設(shè)備故障在一個班的時間內(nèi)沒有得到解決，將故障沒有結(jié)束的字段變?yōu)?，在下一個班的結(jié)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(zhuǎn)為下個班的開始時間和結(jié)束時間。以此類推，即可實現(xiàn)跨班故障自動接續(xù)顯示。

3.2.5 新舊故障時間邏輯處理

假設(shè)原有故障為AB，新增故障為CD，故障AB 在故障欄區(qū)的起止位置坐標(biāo)為( X1,Y )和( X2,Y)，故障CD 的起止位置坐標(biāo)為( X3,Y )和( X4,Y)，X、Y 分別為時間、行號（設(shè)備號）。X1、X2、X3、X4之間存在關(guān)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(guān)系從圖中可知：X1＜X2＜X3＜X4。由于是同一設(shè)備下的兩條故障，所以縱坐標(biāo)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(chǎn)作業(yè)圖表中處理為兩條故障，這兩條故障是相互獨立且毫無關(guān)聯(lián)的。

（2）相交與包含。假設(shè)故障AB與故障CD的位置關(guān)系如圖5 所示，由于是同一設(shè)備下的兩條故障，所以縱坐標(biāo)相同。然而故障CD 的起始時間落在故障AB 的起止時間內(nèi)，所以在生產(chǎn)作業(yè)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(biāo)為( X1,Y )和( X4,Y)；假設(shè)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(biāo)為( X1,Y )和( X4,Y)；假設(shè)存在故障AD 與故障CB 的位置關(guān)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(fā)鼠標(biāo)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(xiàn)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(shè)備故障名稱非常繁雜，為方便調(diào)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(shè)備故障。此外，為防止調(diào)度人員少畫和多畫問題的發(fā)生，進一步提高了手動添加故障開始時間和終止時間的準(zhǔn)確性。

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

4 結(jié) 論

（1）相對文獻［4］的生產(chǎn)作業(yè)圖表系統(tǒng)，本研究開發(fā)的系統(tǒng)其通用性和實用性更強，既適用于卡車自動化調(diào)度系統(tǒng)信息自動采集，又適用于完全人工錄入，實現(xiàn)了兩者的有效融合；產(chǎn)量信息與狀態(tài)信息既可獨立顯示，又可有機結(jié)合顯示；可實現(xiàn)所有設(shè)備信息顯示，也可只顯示當(dāng)班出動設(shè)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(tǒng)升級擴展。在人工輸入的基礎(chǔ)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(chǎn)過程、發(fā)掘生產(chǎn)潛力、提高設(shè)備工作效率提供了一定支持。