礦圖云服務管理平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

張磊

(國能神東煤炭集團智能技術(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，這些圖紙將開采的進度、位置、產(chǎn)量、計劃等礦井基礎(chǔ)生產(chǎn)信息記錄下來，用于指導礦井設計、生產(chǎn)以及接續(xù)。傳統(tǒng)的礦圖管理僅僅是對生產(chǎn)信息的記錄，煤礦制圖管理是礦井生產(chǎn)經(jīng)營的基礎(chǔ)工作，傳統(tǒng)的礦圖的制作和數(shù)據(jù)管理主要以應用單機版的制圖軟件為主，存在數(shù)據(jù)標準、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 問題。

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

1 礦圖云服務技術(shù)

1.1 礦圖云服務平臺

隨著云計算的興起，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)向面向組件和服務遷移，礦圖云服務平臺具備最基本的繪圖功能，同時技術(shù)人員可以通過網(wǎng)絡創(chuàng)建、管理和發(fā)布礦圖服務。礦圖云服務平臺把軟件開發(fā)和應用服務分開，把基礎(chǔ)資源、軟件應用轉(zhuǎn)移到了遠端，由專業(yè)的服務商進行模塊式開發(fā)，把應用和服務按照業(yè)務功能通過組件發(fā)布到云平臺，通過接口形式提供各類礦圖服務功能，同時支持計算機終端、移動終端應用，把制圖軟件從簡單的繪圖工具轉(zhuǎn)化為管理工具，支持數(shù)據(jù)管理、分析和計算。

1.2 礦圖云服務架構(gòu)

礦圖云服務平臺一般包括網(wǎng)絡服務層、礦圖服務層、數(shù)據(jù)服務層3層架構(gòu)[2]。數(shù)據(jù)服務層提供底層的數(shù)據(jù)存取功能；礦圖服務層按照模塊將具體功能封裝到各個組件中，通過接口為客戶端提供各種服務；網(wǎng)絡服務層提供服務通道，用戶可以通過多種方式登錄到礦圖服務組件中執(zhí)行相應的功能。網(wǎng)絡服務層是云服務的核心，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。數(shù)據(jù)服務層是基礎(chǔ)，存儲礦圖各類空間數(shù)據(jù)， 包括地質(zhì)測量、水文、構(gòu)造、井巷工程、機電、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)。礦圖服務層是工具，通過專業(yè)的切分，提供專業(yè)的制圖、編輯和計算模塊，同時各專業(yè)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享，打通數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)。

圖1 煤礦服務GIS平臺體系架構(gòu)

礦圖云服務平臺在制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準基礎(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)存儲引擎，通過網(wǎng)絡化、協(xié)同化的功能應用需求，以模塊式的應用開發(fā)，為礦井各專業(yè)、各部門提供數(shù)據(jù)訪問、編輯和存儲需求，保證了多途徑數(shù)據(jù)存取的完整性和一致性。

礦圖云服務平臺將礦井制圖功能的實現(xiàn)由客戶端轉(zhuǎn)移到了服務器端，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)同應用的新型服務軟件模式，是礦圖實現(xiàn)在線協(xié)同編輯、修改、管理功能的核心和后臺基礎(chǔ)。

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

前端應用的服務流暢度取決于后臺礦圖服務的支撐，同一時間段不同部門、不同專業(yè)人員在同一個平臺上操作，會引起數(shù)據(jù)沖突、版本不一致等問題，通過后臺權(quán)限管理對區(qū)域和圖層進行控制，利用本地緩存機制、版本迭代機制等技術(shù)手段，最終將數(shù)據(jù)統(tǒng)一合并成唯一最新版本。

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

1.3 協(xié)同工作服務機制

實現(xiàn)礦圖云服務平臺的關(guān)鍵之處在于如何解決多終端動態(tài)數(shù)據(jù)存儲帶來的數(shù)據(jù)、版本沖突等問題，以及能否對礦圖數(shù)據(jù)進行協(xié)同化、在線化、實時化更新處理，因此需要在礦圖服務端建設和部署協(xié)同工作服務模塊。

礦圖實現(xiàn)在線編輯、修改、管理功能需要強大、穩(wěn)定的后臺協(xié)同管理服務器支持，礦圖云服務平臺具有傳統(tǒng)桌面平臺和協(xié)同特性的服務云平臺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)沖突檢測等方面大不相同[3]。一個典型的協(xié)同服務端如圖2所示。

圖2 協(xié)同服務緩沖機制

圖2中，虛線展示了主要的數(shù)據(jù)傳遞流程，實曲線代表的是組件之間的調(diào)用過程，實直線表示的是組件對過程的支持，虛線雙箭頭展示了服務器和客戶端的請求—反饋過程。完成端口組件在接收到連接請求時生成對應的客戶端項（從客戶端選項池中），通過對比協(xié)議緩沖數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)來完成對客戶端請求的應答，即無須經(jīng)過記錄集內(nèi)存完成；在反饋數(shù)據(jù)時同樣無須經(jīng)過記錄集內(nèi)存，例如對連接的確認、錯誤信息等。

由圖2可看出，數(shù)據(jù)的傳遞過程為：數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)→記錄集內(nèi)存數(shù)據(jù)→協(xié)議緩沖和固定二進制數(shù)據(jù)。傳遞到客戶端的數(shù)據(jù)是最后的協(xié)議緩沖和固定二進制數(shù)據(jù)。而前面的兩個傳遞過程是訪問數(shù)據(jù)庫必經(jīng)的數(shù)據(jù)流程，當把實體對象數(shù)據(jù)存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫時不得不將其轉(zhuǎn)換成空間對象，再將空間對象轉(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)議使得其具備表達空間對象的能力，因此在設計傳輸協(xié)議的同時完成了空間實體對象的 設計。

當客戶端存儲數(shù)據(jù)時，首先需要檢查數(shù)據(jù)對應的客戶項目是否存在或者關(guān)閉。如果相應的資源被占用，則數(shù)據(jù)被定義為不合法，會向系統(tǒng)發(fā)送錯誤包或者丟包提示，并且按照存儲順序，當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，通過判斷圖紙內(nèi)實體列表數(shù)量的動態(tài)變化，對應在原有的基表列表中增加記錄，并將有變化的數(shù)據(jù)進行標記，在用戶更新圖紙版本時，僅對有變化的數(shù)據(jù)進行操作，規(guī)避了大文件存儲帶來的系統(tǒng)延遲。需要注意的是，最終的圖紙形成是以時間軸最近一次版本的更新為準。因此，協(xié)同更新機制更注重數(shù)據(jù)庫迭代更新的時效性。

2 數(shù)據(jù)標準規(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)管理問題，首先要解決各類數(shù)據(jù)標準問題，然后分專業(yè)、分區(qū)域?qū)?shù)據(jù)進行整合處理。

礦圖數(shù)據(jù)標準目前有國內(nèi)標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準3大類，國內(nèi)標準和行業(yè)標準覆蓋了基本的制圖元素，礦井生產(chǎn)技術(shù)的不斷進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，導致實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)部實際運作的礦圖制作規(guī)范，收集圖形符號、圖列名稱、圖層命名習慣等，特別是圖層命名規(guī)范，除了考慮命名標準和規(guī)范外，還需考慮各個專業(yè)在應用系統(tǒng)時對礦圖使用的實際需求，按照部門職責、專業(yè)類型、區(qū)域劃分對圖層進行分類和梳理。原則上按照專業(yè)要求分為地測、采掘、機電、運輸、一通三防、安全等六大類，每大類再按照部門職責和管理區(qū)域進行細分，通過建立分類體系，規(guī)范圖層管理。

數(shù)字礦山的建設過程中會產(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)是避免重復采集數(shù)據(jù)、迅速推廣云服務系統(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、數(shù)據(jù)訪問。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要通過第三方程序進行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成符合當前系統(tǒng)的格式進行數(shù)據(jù)庫文件導入。數(shù)據(jù)驅(qū)動的前提是異構(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，平臺內(nèi)支持不同的空間數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換無需外部人為干預，由系平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)服務器對數(shù)據(jù)進行自動解析和轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)訪問是指云平臺無需任何轉(zhuǎn)換操作、無任何外掛接口，可以直接訪問其他系統(tǒng)、其他格式的數(shù)據(jù)，平臺的數(shù)據(jù)引擎可以對多源數(shù)據(jù)進行集成。綜合比較上述3種數(shù)據(jù)訪問模式，數(shù)據(jù)訪問是最為理想的數(shù)據(jù)集成方式，能夠避免數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換帶來的數(shù)據(jù)損耗，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的開放和共享。

礦圖云服務平臺中所有對象均以實體的形式存在，包括點、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

礦圖云平臺的數(shù)據(jù)架構(gòu)主要解決圖形的的存儲問題，主要涉及實體集、實體集集合、實體模板庫、地圖集、數(shù)據(jù)源等概念。

實體集是具有共同特征的實體對象的集合，對應3種類型的對象模型，實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。

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

專題圖是應用服務的核心內(nèi)容，專題圖是由多種相關(guān)實體集組合而成，專題圖里的數(shù)據(jù)實際上是實體集對不同數(shù)據(jù)的引用，同時，實體集是公用的，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)組織管理的總對象。從物理介質(zhì)上看，可以是傳統(tǒng)意義上的一個文件、數(shù)據(jù)庫，也可以是提供數(shù)據(jù)服務的網(wǎng)絡服務器等。

數(shù)據(jù)源管理除上面提到的實體集、地圖集、實體模板等，另外還提供通向物理介質(zhì)的數(shù)據(jù)存儲、讀取接口，以及高級的數(shù)據(jù)版本、歷史等特性。數(shù)據(jù)源除了負責管理、組織所有相關(guān)的數(shù)據(jù)外，還負責數(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)應用

礦圖云服務平臺建設服務于礦井生產(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)有的服務建構(gòu)基礎(chǔ)上部署采礦設計模塊，包括掘進設計、回采設計和輔助設計，以及配套的方案設計、工程設計與專業(yè)設計[4]。模塊需要大量算法支撐，包括空間實體模型算法、幾何數(shù)據(jù)動態(tài)算法、參數(shù)設計算法等。

基于平臺錄入的供電線路、供排水管路、機電設備等數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)和設備的層級關(guān)系，在現(xiàn)有的服務建構(gòu)基礎(chǔ)上部署機電設計模塊，包括供電系統(tǒng)的設計與計算、供電系統(tǒng)圖的生成、運輸設備的選型、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)的機電信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)平面圖紙和系統(tǒng)圖紙的有效轉(zhuǎn)化，同時礦井機電相關(guān)設計需要大量技術(shù)支撐，包括網(wǎng)絡數(shù)據(jù)模型、煤礦井下設備圖例實體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、供電設計報告自動生成技術(shù)等。

借助平臺內(nèi)的通風系統(tǒng)、防塵防滅火系統(tǒng)、避災路線、安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，配合通風網(wǎng)絡解算、阻力數(shù)值計算等計算方法，借助通風拓撲連動算法、預測模型、事故樹分析等計算模型，實現(xiàn)通風專業(yè)圖形的繪制和瀏覽，實現(xiàn)通風專業(yè)數(shù)值計算分析[5]，為礦井通風管理提供相關(guān)決策支持。

4 結(jié)語

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