顧清華，盧才武，馮治東，白春妮

(1. 西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 榆林學(xué)院信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

地下礦采礦活動涉及了地質(zhì)、采掘、通風(fēng)、運輸?shù)榷鄠€生產(chǎn)環(huán)節(jié)，井巷施工及采礦生產(chǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具有顯著地多源、多量、多維、多尺度、多時態(tài)等特征，在地下礦開采的生產(chǎn)實際中，巷道的掘進和礦體的被開采情況等都具有時空動態(tài)變化特征．目前一些礦業(yè)發(fā)達國家已提出將地下礦采礦活動中涉及到的各類數(shù)據(jù)，例如井巷施工過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)、地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)、三維塊體模型數(shù)據(jù)、采礦生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)等集成到同一個數(shù)據(jù)庫中來進行管理與分析，如南非的 MineRP公司設(shè)計開發(fā)的SpatialDB、美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的“Intelligent Underground”項目以及澳大利亞的”CSIRO Virtual Mine”項目[1,2]．目前，國內(nèi)在地下礦靜態(tài)空間數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方面的研究成果已頗為豐富，提出了多種模型系統(tǒng)，如包含三維矢量數(shù)據(jù)和八叉樹塊段的混合數(shù)據(jù)模型[3]、利用 AME技術(shù)開發(fā)三維可視化井巷工程實體造型系統(tǒng)[4]、基于Arc-GIS的礦井三維建模方法等．而對于三維數(shù)據(jù)模型如何與動態(tài)時間數(shù)據(jù)集成表示和分析尚不多見，主要是郭達志等采用四維空間線性編碼技術(shù)，提出了一種用于礦業(yè)開發(fā)的空間和時間綜合四維數(shù)據(jù)模型[5]．近年來，隨著技術(shù)的進步，在地下礦井巷施工及采礦生產(chǎn)過程時空動態(tài)變化的相關(guān)研究上，研究方法也有了一些進展[6-8]，有部分學(xué)者采用Oracle Spatial進行空間數(shù)據(jù)建模，來處理多源數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)專業(yè)性，同時提高空間數(shù)據(jù)的標(biāo)準化共享能力．

縱觀以上的國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，如何有效的利用當(dāng)前的數(shù)據(jù)庫技術(shù)來組織和管理地下礦時空數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)地下礦井巷施工及采礦生產(chǎn)過程的4D動態(tài)模擬，并根據(jù)井巷開挖、礦體開采及進度模擬等不同需求來快速、高效的對地下礦生產(chǎn)活動進行 4D動態(tài)表達和模擬具有重要意義．

1 Oracle Spatial空間數(shù)據(jù)類型

井巷施工及采礦生產(chǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具有多源、多量、多維、多尺度、多時態(tài)等特征，而Oracle 可提供業(yè)界領(lǐng)先數(shù)據(jù)庫所具有的安全性、可伸縮性和高性能，以便管理數(shù)TB字節(jié)的數(shù)據(jù)集，這滿足了地下礦井巷施工及采礦生產(chǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的多源異質(zhì)性；Oracle Spatial提供的空間信息模塊包含SQL模式和便于存儲、檢索、更新、查詢的函數(shù)集，可用于空間數(shù)據(jù)的定義和存儲，這解決了地下礦時空數(shù)據(jù)的多源、多維和多尺度性；但Oracle Spatial將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)結(jié)合起來管理也帶來了相應(yīng)的問題，最突出的就是空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量往往是海量的，因此它所提供的功能還包括空間索引以及高效的查詢分析優(yōu)化，這滿足了采礦生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的多時態(tài)性、多變性的需求，使其能更加快速、準確地查詢空間對象及其屬性．

圖1 Oracle Spatial的三維空間存儲模型Fig. 1 Oracle spatial 3-D storage model diagram

圖2 SDO_ELEM_INFO和ORDINATE實例Fig. 2 SDO_ELEM_INFO and ORDINATE instance

Oracle Spatial 11g數(shù)據(jù)庫提供了對空間數(shù)據(jù)的管理方法，Oracle Spatial的數(shù)據(jù)模型是層次結(jié)構(gòu)，它由元素、幾何體和空間圖層組成．元素是Oracle Spatial中的基本單元，如圖1所示，幾何體由一系列元素構(gòu)成，體現(xiàn)了空間實體的特征．其中表面、形體和組合類型是三維存儲模型中所特有的．組合類型包括表面和形體間的組合，集合所有基本元素的集合．

2 地下礦動態(tài)變化的4D時空模型

2.1 地下礦時空對象

2.1.1 時空對象空間關(guān)系

圖3 地下礦施工區(qū)實體圖Fig. 3 Underground mining simulation diagram

在地下礦采掘施工過程中，礦區(qū)地理實體處在一個不斷變化的空間中，地下礦區(qū)有多種實體，如下圖3所示，按照面向?qū)ο蟮挠^點，將這些地理實體分別看作是對象，而每個對象又由3部分構(gòu)成：空間信息、屬性信息和時變信息．這里把地下礦涉及的時空對象劃分為四類，分別是時空點對象、時空線對象、時空面對象、時空體對象．而它們之間又有相對應(yīng)的空間關(guān)系．

圖4 面向?qū)ο髸r空對象模型的基本框架Fig. 4 Basic framework of object-oriented spatio-temporal data model

如圖4所示，空間的基本組成要素是點，而點的空間位置附加上屬性維和時間維就構(gòu)成了時空點對象；多個點對象依次連接而成的線段就組成了線對象（包括直線、曲線），同理加上屬性維和時間維構(gòu)成時空線對象；將多條線序列有組織的排列起來就構(gòu)成了面對象（包括多邊形、平面和復(fù)合面），這里只考慮基本復(fù)合面，同理構(gòu)成時空面對象；體對象不僅限于依次由多個面序列組成，它還是一種空間分塊結(jié)構(gòu)，包含了點對象、線對象和面對象的存儲信息，然后附加時間維構(gòu)成時空體對象，這里只考慮基本體，對復(fù)雜凹凸不平面構(gòu)成的體可以進行劃分的將劃分為多個基本體構(gòu)成．

2.1.2 時空對象分類

地下礦采礦活動涉及到多種對象，根據(jù)其時變信息的不同和空間屬性的不同，可把這些對象抽象為四類：一是時空點對象，它包括施工人員、運輸設(shè)備、鉆孔點、井下環(huán)境監(jiān)測點等．二是時空線對象，其不僅具有時間屬性，而且是線性的三維空間對象，它包括井巷掘進工程中豎井、斜井、平巷等中軸線以及勘探線、運輸路線和人員的行走路線等．三是時空面對象，它是存在于空間的二維數(shù)據(jù)對象．包括礦區(qū)的環(huán)境如圍巖、水域以及采礦的工作面，采場剖面和原始地表等．四是時空體對象，它包括井巷工程的分塊模型、巖體、礦體模型等．針對上述四類對象的屬性數(shù)據(jù)的特點及組織方式，其時空數(shù)據(jù)分別可以分為靜態(tài)和動態(tài)兩類．如下表 1所示．

表1 地下礦時空對象分類Tab. 1 Underground ore space-time object classification

2.2 基于SDO_GEOMETRY的時空對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述時空對象的多樣性、復(fù)雜性，可知地下礦4D時空數(shù)據(jù)的管理不僅要涉及屬性數(shù)據(jù)，還需要考慮空間和時間信息，因此傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫無法滿足的時空數(shù)據(jù)存儲的要求．而采用Oracle Spatial的對象關(guān)系模型能夠?qū)⒖臻g數(shù)據(jù)及其時間數(shù)據(jù)和相關(guān)屬性數(shù)據(jù)存儲在同一時空數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化管理，既解決了集中存儲的問題，同時也解決了過去使用MapInfo等GIS軟件造成的空間、屬性數(shù)據(jù)分離的問題，從而可更好的實現(xiàn)地下礦施工及采礦生產(chǎn)活動的動態(tài)模擬．而主要方法是通過LOCATION字段來存儲每個時空對象的空間數(shù)據(jù)，Spatial中提供了MDSYS.SDO_GEOMETRY這一抽象數(shù)據(jù)類型，可以用來描述任何的復(fù)雜實體對象．從圖5可以看出，利用這樣的表結(jié)構(gòu)可以對地下礦的所有時空數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一化的存儲和模擬．

圖5 地下礦時空數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化存儲結(jié)構(gòu)Fig. 5 The unity of the underground mine data storage

根據(jù)井下施工及采礦生產(chǎn)涉及的實體特征，將地下礦所涉及的時空實體抽象為點、線、面、體四類，根據(jù)不同類的實體在地下礦施工及開采過程中的特征和空間信息，提出了各自的時空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)．

(1) 地下礦點對象的時空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2 地下礦點對象存儲表Tab.2 Underground mines object storage table

(2) 地下礦線對象的時空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表3 地下礦線對象存儲表Tab. 3 Underground ore line object storage table

(3) 地下礦面對象的時空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表4 地下礦面對象存儲表Tab. 4 Underground ore surface object storage table

(4) 地下礦體對象的時空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表5 地下礦體對象存儲表Tab. 5 Underground ore body object storage table

表6 地下礦時空數(shù)據(jù)對象數(shù)據(jù)獲取方式Tab. 6 Underground mining temporal-spatial data object access

3 4D時空數(shù)據(jù)模擬應(yīng)用

3.1 時空數(shù)據(jù)采集

從上述地下礦時空數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可以看出，地下礦所涉及的數(shù)據(jù)對象類型復(fù)雜，就目前采集數(shù)據(jù)的方法而言，主要是利用現(xiàn)有地質(zhì)資料、3D地質(zhì)模型數(shù)據(jù)和“六大系統(tǒng)”中的礦井人員定位系統(tǒng)、井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等來采集數(shù)據(jù)，表6是對不同地下礦數(shù)據(jù)對象獲取方法的分類．

3.2 地下礦4D時空數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

地下礦時空數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建主要是面對兩類時空目標(biāo)，即井下施工巷道和開采礦體，其中巷道是采礦生產(chǎn)中將礦石從工作面運送到地面，以及通風(fēng)、安全輸送工人的通道，而礦體則是地下礦開采的直接實體．對整個礦井而言，巷道和礦體都是礦山生產(chǎn)活動中的重要實體．在以往的建模方案中都把巷道抽象為線條來處理，而本文采取把巷道這個三維柱形結(jié)構(gòu)以分塊形式來劃分，并且把巷道內(nèi)部的人員、設(shè)備等實體都包含在塊體內(nèi)．在對巷道體和礦體進行時空數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建時遵循一定的地質(zhì)規(guī)則，具體規(guī)則如下：

3.2.1 巷道和礦體劃分準則

巷道分塊的基礎(chǔ)是確定劃分精度和準則，根據(jù)巷道時空數(shù)據(jù)對象的構(gòu)成，巷道內(nèi)部包括了生產(chǎn)人員、設(shè)備等數(shù)據(jù)．巷道的精度必須要與人員定位的精度、設(shè)備監(jiān)測的精度所匹配．巷道分塊精度的確定可以根據(jù)最大誤差原則，描述如下：

設(shè)P1、P2、P3分別為巷道的測量、人員定位及設(shè)備定位的誤差絕對值，那么巷道分塊的最終精度可以表示為P=max(P1、P2、P3)．

圖6 巷道分塊示意圖Fig. 6 The roadway block diagram

由于井下的環(huán)境限制，根據(jù)測量統(tǒng)計，巷道數(shù)據(jù)的水平誤差和高程誤差約 110 mm，誤差為毫米級；人員定位數(shù)據(jù)主要來源于目前幾種主流的定位技術(shù)，如RFID、Zigbee、WIFI、UWB等，由于定位精度與成本成正比，一般情況下定位誤差的量度為m；設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)包括瓦斯監(jiān)測，一氧化碳、氧氣、風(fēng)量、粉塵等監(jiān)測，一般情況下空間監(jiān)測的量度也為m．分析得出以下結(jié)論：誤差的大小會影響度量值的選擇，在三類系統(tǒng)中，測量系統(tǒng)的誤差值相對較小，人員定位系統(tǒng)的誤差較大，因此根據(jù)最大誤差原則，巷道分塊數(shù)據(jù)應(yīng)以m為取值單位，又考慮到地下礦數(shù)據(jù)是以海量TB級數(shù)據(jù)來存儲，故最終確定巷道的劃分精度為 10m然后根據(jù)巷道中線以10m步距進行巷道塊劃分，巷道分塊數(shù)據(jù)內(nèi)部包含了在此范圍的人員及設(shè)備監(jiān)控檢測數(shù)據(jù)，如圖6所示．

礦體分塊數(shù)據(jù)的來源主要是依據(jù) Surpac、3Dmine等三維礦業(yè)軟件構(gòu)建的塊體模型數(shù)據(jù)，而時間屬性則是根據(jù)礦體的采掘進度和計劃時間來進行賦值，由這些共同組成時空礦體數(shù)據(jù)．

3.2.2 地下礦4D時空數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

圖7 礦體分塊示意圖Fig. 7 The orebody block diagram

以某鉬礦數(shù)據(jù)為例，結(jié)合所劃分的巷道分塊數(shù)據(jù)和礦體分塊的部分字段為例，塊體結(jié)構(gòu)如圖7所示，體對象有復(fù)雜對象和基本對象之分，這里只研究基本對象，復(fù)雜對象可以劃分為基本對象的組合體．如果實體對象抽象為點、線、面或復(fù)雜多邊形等只需依據(jù) MDSYS.SDO_GEOMETRY 所制定的相應(yīng)規(guī)則進行描述即可．巷道分塊數(shù)據(jù)和礦體數(shù)據(jù)表如表 7所示．其中 LOCATION 字段為 Oracle Spatial 中提供的抽象數(shù)據(jù)類型，在創(chuàng)建時空表后可通過插入語句來實現(xiàn)．

INSERT INTO ORE_BODY VALUES(1123,0.065, 5.9, 230, true, ‘2013-6-3 10:07:28’, ‘2013-6-3 11:07:28’ SDO_GEOMETRY

(3008,NULL,NULL,SDO_ELEM_INFO_ARR AY(1,1007,3,),SDO_ORDINATE_ARRAY( 2243.943,4773.237,233.482, 2253.943,4783.237,233.482,);

3.2.3 巷道施工及礦體開采時空數(shù)據(jù)動態(tài)模擬

地下礦井巷施工及采礦生產(chǎn)涉及的數(shù)據(jù)量巨大，主要包括點、線、面、體等四類，且都是以TB為單位存儲，因此在這些海量數(shù)據(jù)中查詢檢索就尤為重要，根據(jù)地下礦生產(chǎn)進度計劃的需要，要依據(jù)其結(jié)果制定巷道掘進、采礦作業(yè)計劃的報告，這都可通過 Oracle Spatial的查詢語句來進行模擬實現(xiàn)．以井巷施工數(shù)據(jù)為例，如圖8為巷道施工原始時空數(shù)據(jù)表．根據(jù)井巷作業(yè)任務(wù)的查詢頻度來查詢，通常為班、天、周、月、年，這里以月為單位進行時空查詢，具體對巷道施工數(shù)據(jù)進行7月份掘進過程的時空數(shù)據(jù)查詢，結(jié)果如圖9所示．

表7 巷道體分塊對象存儲表Tab. 7 Roadway block object storage table

表8 地下礦塊體對象存儲表Tab. 8 Underground ore block object storage table

圖8 巷道原數(shù)據(jù)表圖Fig. 8 The original data table of roadway

圖9 巷道施工數(shù)據(jù)表Fig. 9 The Roadway query data table

3.2.4 時空數(shù)據(jù)模擬操作優(yōu)化

在時空數(shù)據(jù)模擬操作方面，快速確定空間實體的位置和提高空間數(shù)據(jù)的查詢效率是關(guān)鍵，這需要為空間字段建立空間索引．Oracle Spatial提供了兩種索引機制，分別是R-tree和Quadtree索引．可在二維、三維、四維幾何類型字段上建立R-tree索引，通過sdo_index_dims參數(shù)來設(shè)置．一般查詢主要使用兩種方法，即空間函數(shù)和空間操作符．本文共采集測試數(shù)據(jù) 10萬條，分別就空間函數(shù)SDO_GEOM.RELATE和空間操作符 SDO_RELATE進行相同的功能查詢進行了對比，得到以下的圖表．

圖10 空間查詢對比圖Fig. 10 Spatial query contrast figure

從圖表中可得出，空間操作符的性能是遠遠優(yōu)于空間函數(shù)的，這里僅僅是空間函數(shù)SDO_GEOM.RELATE和空間操作符 SDO_RELATE兩者對比，實際Oracle Spatial提供了眾多的空間函數(shù)和操作符用于查詢優(yōu)化，根據(jù)不同維度的需要，使用滿足條件的操作符可以使查詢效率顯著的提高．

4 結(jié)語

(1) 針對地下礦井巷施工及采礦生產(chǎn)涉及的時空數(shù)據(jù)的特點，進行了時空數(shù)據(jù)對象的劃分，提出了統(tǒng)一的時空對象數(shù)據(jù)描述模型，設(shè)計了相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了地下礦井巷施工及采礦生產(chǎn)時空數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和統(tǒng)一存儲．

(2) 根據(jù)地下礦井巷和礦體的空間特性，將地下礦時空操作單元劃分為井下巷道和開采礦體兩大類，提出了巷道和礦體的空間分塊準則，將地下礦的時空數(shù)據(jù)集成在巷道塊體和礦體塊體中，并設(shè)計了兩類塊體的時空數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了地下礦4D時空數(shù)據(jù)庫．

(3) 針對地下礦井巷施工和采礦生產(chǎn)，提出了一種 4D時空數(shù)據(jù)動態(tài)模擬技術(shù)，但地下礦時空數(shù)據(jù)的研究較為復(fù)雜，仍有諸多需要解決的問題，本文尚未觸及．本研究力求為地下礦時空數(shù)據(jù)管理、可視化及工程應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)，并可在隧道、橋梁等工程施工領(lǐng)域進行推廣應(yīng)用．

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