（采矿工程专业论文）基于gis的采掘衔接计划编制及图形化系统研究.pdf

太原理： 大学硕士研究生学位论文 基于g is 的采掘衔接计划编制及图形化系统研究 摘要 采煤和掘进是煤矿生产系统中两个极为重要的环节，采掘关系是矿井 生产的两个基本要素。编制采掘计划是处理采掘关系决策的手段，也是其 首要的和基础性的工作。煤矿生产衔接工作的效率直接影响到其生产安 全性和生产效益，对其年度生产计划的完成会产生很大影响。地理信息 系统的产生和发展为提高煤矿生产衔接效率提供了新的可能，它与煤矿 现场的顺利结合必将服务于煤炭行业，并为煤炭企业安全生产起到积极 的作用。基于g i s 的煤矿采掘衔接计划编制及图形化系统的开发研究是 依据目前矿山生产信息系统不能很好满足现场实际需求的特点与当前计 算机软硬件技术、网络技术、a d o 技术、地理信息系统理论与技术以及 数据库理论的提高与发展的要求不相适应的情况进行的。系统的实现能 够很好地解决矿山图形信息与属性信息的动态管理、查询、决策与显示， 为矿井的正常和安全生产提供有力的保障，将促进矿山海量空间数据的 使用与交换以及地理信息的共享，同时减少许多重复的人力、物力，更 为矿井管理现代化、网络化和信息化的实现奠定良好的基础。 论文结合地理信息系统、计算机技术的进展以及地理信息系统在煤 矿生产领域中应用与发展的实际情况，提出了基于g i s 的煤矿采掘衔接 计划编制及图形化系统开发的新思路。 本文以系统工程的基本理论为基础，从系统的观点出发，建立了采掘 计划编制和图形化的模型，并将c a d 集成化和智能化技术引入到采矿工 太原理工大学硕士研究生学位论文 程中来。运用系统优化理论、数据库理论和g i s 技术，对基于g i s 的采 掘计划编制及图形化进行了较深入的研究。在对采掘计划和图形化的研 究现状、发展趋势和存在问题进行分析的基础上，把高级程序设计语言 的计算功能和a u t o c a d 的绘图功能相结合，构建了采掘计划编制和图形 化的总体框架。对采矿图素集的构造方法、各种图素的表述方法和图素 属性的表达进行了深入的研究。在此基础上，着重完成了采掘平面图基 本图素集的构造、采掘衔接计划的编制、及巷道工程量的自动统计计算。 主要包括采用模块形式结构对采掘计划的仿真模型进行了整体设计；采 用了v b 程序设计语言的单文档窗体，多文档窗体及多种控件，通过这些 窗体和控件组成软件的用户界面。 论文以v b 语言和a u t o l i s p 语言为基础，以c a d 图形处理系统为平 台，成功建立了一个将地质数据库、采掘计划编制、开采辅助设计等专 业功能集成为一体的采掘计划编制和管理系统。 综上所述，本文开发的基于g i s 的煤矿采掘衔接计划编制及图形化系 统采用地理信息系统的空间分析方法进行决策分析，分别实现了煤矿生 产中回采衔接和掘进衔接的决策安排，并提供信息查询和决策结果输出 功能。由于作者的精力和时间有限，系统涉及的内容较多等，系统提出 的一些算法没有完全实现，还需结合实际情况进行更周密的研究、设计 和实现。进一步完善煤矿采掘衔接管理系统，使其更加实用化，对于减 少煤矿采掘衔接工作成本、提高工作效率具有重要的理论意义和现实意 义。 关键词：采掘计划，图形化，g i s ，计算机模拟，c a d ，图元属性 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho fd i g g i n gp i 气ne s 呦u s h m e n ta n d g r a p h i c a lp r e s e n t a t i o nb a s e do ng i s a b s t r a c t e x c a v a t ec o a la n dg r u ba r ev e r yt w oi m p o r t a n tl i n k s t h er e a l a t i o n s h i p b e t w e e ne x c a v a t ea n dg r u bi sb a s a lf a c t o r w e a v i n ge x c a v a t ea n dg r u b s u p e r s e d u r ep l a ni sm e a n so fd e a l i n gw i t hc o n n e c t i o no fe x c a v a t ea n dg r u bi n m i n ep r o d u c t i o n ，a n di sc h i e fa n db a s a lw o r k t h ee f f i c i e n c yo fm i n i n g p r o d u c t i o n - l i n kp l a y s ad i r e c tr o l eo ft h es a f e t ya n dp r o d u c t - p r o f i to ft h e c o a l m i n e ，w h i c ha f f l u e n c e t h e a n n u a l l y a r r a n g e dp r o j e c to ft h em i n i n g e n t e r p r i s e a n dt h ee m e r g e n c e d e v e l o p m e n to fg i sm a k ei tp o s s i b l et o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm i n i n gp r o d u c t i o n l i n k ，a t t h es a m et i m e ，t h e i n t e g r a t i o nb e t w e e ng i sa n dm i n i n gw o u l ds e r v ec o a l m i n ee n t e r p r i s eb e t t e r a n dp r o m o t et h es a f e t ys t a n d a r d o fc o a l m i n ep r o d u c t i o n t h es t u d ya n d p r o g r a m m i n go ft h es t o p i n g & d e v e l o p i n g l i n ka n dg r a p h i c a lp r e s e n t a t i o n s y s t e mo fc o a l m i n eb a s e do ng i si sa c c o r d i n ga st h ed i s a c c o r db e t w e e nt h e c u r r e n td r a g g l e ds o f tw a r e si nm i n i n gf i e l da n dt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e s w h i c hi n c l u d ec o m p u t e rh a r d w a r et e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y , a d o t e c h n o l o g y , g i st h e o r y & t e c h n o l o g y , a n dt h e d a t a b a s e t h e o r y t h i s i n f o r m a t i o ns y s t e mc o u l dh e l pt od i s s o l v et h ep r o b l e mo fo p e r a t i o n sb e t w e e n t h ea t t r i b u t ed a t aa n dg r a p h i c sd a t a ，w h i c hi n c l u d ed y n a m i cm a n a g e m e n t ， q u e r y , d e c i s i o n - m a k i n ga n dt h ed i s p l a yo ft h er e s u l t a n dt h er e a l i z a t i o no f t h i ss y s t e mw o u l dg u a r a n t e et h e s e c u r i t yp r o d u c t i o no fc o a l m i n ee n t e r p r i s e a n dp r o m o t et h eu s eo fm i n i n gg r e a t c a p a c i t y d a t u ma n dt h es h a r eo f 1 1 1 太原理：l 大学硕士研究生学位论文 g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n a tt h es a m et i m ei tc o u l d r e d u c el o t so fr e p e a t e d w o r k f o r c e a n dt h i sw i l lb eas o u n db a s i so fm o d e r n i z a t i o n n e t w o r k ， i n f o r m a t i o no ft h em i n i n ge n t e r p r i s em a n a g e m e n t a c c o r d i n g t ot h ee v o l v e m e n to fg i s ，c o m p u t e r t e c h n o l o g y a n dt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no fg i si nt h em i n i n gf i e l d ，t h ea r t i c l ep u tf o r w a r dan e w m e t h o dt od e v e l o pt h e s t o p i n g & d e v e l o p i n gl i n ka n dg r a p h i c a lp r e s e n t a t i o n s y s t e mf o rc o a l m i n eb a s e do ng i s t h em o d e lo ft h ea u t o m a t i ce s t a b l i s h m e n to fd i g g i n gp l a na n dg r a p h i c a l p r e s e n t a t i o nw a se s t a b l i s h e dw i t ht r a d i t i o n a ls t a n d p o i n tt h a tt h eb a s i ct h e o r i e s o ft h e s y s t e me n g i n e e r i n ga s af o u n d a t i o n ，a n dc a di n t e g r a t i o na n d i n t e l l i g e n c et e c h n i q u ew a sg a t h e r e di n t ot h eo p e n c a s te n g i n e e r i n g u s e dt h e s y s t e mm a j o r i z a t i o nt h e o r i e s ，d a t ab a s et h e o r i e sa n dt h eg i st e c h n i q u e ，a n d d i g g i n gp l a nw a sd e e p l ys t u d i e da c c o r d i n gt og i se s t a b l i s h m e n ta n dm a n a g e d m o d e t h et o t a lf r a m eo f d i g g i n gp l a nr e g i m e n t a t i o n a n d g r a p h i c a l p r e s e n t a t i o ns y s t e mw a ss e tu pb a s e do nt h ep r e s e n tc o n d i t i o n ，d e v e l o p m e n t t r e n da n de x i s t i n gt h ep r o b l e m t h et h e s i sc o m b i n e dt h ec o m p u t e rf u n c t i o no f h i g hp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dt h ep l o t i n gf u n c t i o n ，s t u d i e dt h em e t h o da n d e x p r e s s i o no fm i n e r a lp i x e lg a t h e ra n dp r o p e r t y t h i si sm o s t l yf o c u s e do nt h e g r a p h i cp r e s e n t i o n sm o d e le s t a b l i s h m e n t ， a u t o m a t i cw e a v i n go fe x c a v a t ea n dg r u b s u p e r s e d u r e p l a na n dt h e a u t o c o u n t i n go fm i n eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g i tc h i e f l yi n c l u d e dh o l i s t i cd e s i g n f o rs i m u l a t i o nm o d e lo fe x c a v a t ea n dg r u bs u p e r s e d u r ep l a nw i t hm o d u l e f o r m ；b u i l d u pu 1w i t hs i n g l ed o c u m e n tf o r m s ，m u l t i - d o c u m e n tf o r m sa n d s o m ec o n t r 0 1 a d i g g i n gr e g i m e n t a t i o n a n d m a n a g es y s t e m w a s s u c c e s s f u l l y e s t a b l i s h e di n c l u d i n gag e o l o g yd a t ab a s e ，d i g g i n gp l a ne s t a b l i s h m e n ta n d m i n ea s s i s t a n td e s i g n ，w h i c hw a sb a s e do n t h ev bl a n g u a g e s ，t h ea u t o l i s p i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 l a n g u a g e sa n dc a d s k e t c hd i s p o s a ls y s t e m a b o v ea l l ，t h e s t o p i n g & d e v e l o p i n gl i n k a n d g r a p h i c a l p r e s e n t a t i o n s y s t e mf o rm i n i n ge n t e r p r i s eb a s e do ng i sa d o p t st h es p a t i a la n a l y s i sm e t h o d o fg i st om a k ed e c i s i o n m a k i n g s ，a n do nt h i sb a s i st h es t o p i n g - l i n ka n dt h e d e v e l o p m e n t - l i n ko ft h ec o a l m i n ea r ef u l f i l l e dr e s p e c t i v e l yi n t h es o f t w a r e ， p r o v i d i n gi n f o r m a t i o nq u e r ya n dr e s u l to u t p u tf u n c t i o n s b u td u et ot h e l i m i t a t i o no ft h ea u t h o r sb r a i na n dt i m e ，a n dt h el a r g en u m b e ro ft h ec o n t e n t o ft h es o f t w a r es y s t e m ，s o m ea l g o r i t h m sa d v a n c e db yt h i ss y s t e mh a v en o t b e e nf u l f i l l e dc o m p l e t e l y , w h i c hn e e dt ob es t u d i e d ，d e s i g n e da c c o r d i n gt o p r a c t i c a lc o n d i t i o n sf u r t h e r m o r ea n dr e a l i z e d t op e r f e c tt h es y s t e ma n dm a k e i tm o r ea p p l i c a b l ea r ev e r yc r u c i a lb o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c et or e d u c et h e c o s to fm i n i n gp r o d u c ta n di m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c yo ft h ec o a l m i n e e n t e r p r i s e k e yw o r d s ：d i g g i n gp l a n ，g r a p h i c a lp r e s e n t a t i o n ，g i s ，c o m p u t e r s i m u l a t i o n ，c a d ，g r a p he l e m e n ta t t r i b u t e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 前言 第一章绪论 随着信息社会的到来及采矿技术的进一步发展，企业的信息量也在急剧增加，信息对 人们的生活起着越来越重要的作用，人们正在通过各种手段获取大量的信息，但目前对它 们的利用率还很低，如何从获取的信息中挖掘和利用有用信息为经济建设和社会发展服务， 已引起人们的重视。传统的信息获取和管理模式已经大大落后于生产力的需求，随着计算 机硬件和软件功能的强化发展及成本的显著下降，计算机在数据采集、信息处理和图形化 等方面的功能得到了进一步的拓宽和深化，计算机的应用已遍及各个行业。在矿业领域中 由于新技术的不断引入，增加了矿业对于安全高效、自动化的要求。借助于g i s 技术在旷 业领域的最新成果，煤矿地理信息系统( c o a l m i n eg e o l o g i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，c g i s ) 或者 称为矿区资源环境信息系统( m i n i n gr e s o u r c e a n de n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n s y s t e m ，m r e i s ) ( 郭达志等，1 9 9 6 ；毛善君，1 9 9 7 ，1 9 9 8 ；张海荣，1 9 9 9 ；汪英宏等2 0 0 0 ) 是一 种特殊的地理信息系统的应用研究方向，其研究对象类型众多，主要是条件复杂多变且采 前对其状态不能完全掌握的地下空间实体。矿山地理信息系统理论与应用研究为矿产资源 的开发、矿山安全的检测提供信息支持和辅助决策手段。开发矿井可视化数据管理系统【1 】 将地质数据、矿井测量数据、采掘生产数据等作为信息数据源，建立关系数据模型，把矿 图中的图形元素( 巷道、工作面等) 与其信息数据库联系起来，及时查询工作面及巷道等 的相关信息和统计巷道工程量，通过计算机实现图形数据与属性数据的相互连接、数据共 享来利用这些数据做为矿井生产辅助设计、采掘衔接计划编制等管理与设计工作的依据。 在矿山企业中，采掘衔接计划是指导矿山生产的依据，计划编制是矿山生产管理中不可缺 少的重要部分，决策是否科学合理，直接关系到企业在市场经济激烈竞争中的前途和命运， 因此，各矿山都非常重视这一工作。然而，长期以来，我国大部分矿山采掘衔接计划的编 制一直采用传统的手工方法进行。尽管它能在一定程度上吸取计划人员的经验和智慧，然 而由于进行这项工作所涉及采掘关系的定性及定量因素多，限制条件复杂多变，编制人员 往往需要查询大量的原始资料，然而在工作现场我们经常看到工作人员从资料柜中翻出经 过多年使用的破旧地质地形图、开拓设计图等一些相关的图纸和说明书，这些资料上的一 太原理工大学硕士研究生学位论文 些记录往往被长期的使用所破坏，致使工作人员有时只能根据上面的残留的痕迹进行猜测 和推断，因而使工作人员手工编制计划不仅效率低，而且难以保证计划的质量。然而应用 基于g i s 系统的计算机编制采掘接替计划，不仅可以大大的减少人力和时间消耗，提高 工作效率和计划质量，而且可以从数据库中调入比较准确可靠的数据。通过人机交互方 式的改变输入条件，获得多个方案，从中比较和选择合理方案。为实现煤矿快速、高效、 安全生产提供可能。 1 2 国内外研究概况 目前，计算机绘图和设计软件包( a u t oc a d 等) 和地理信息系统( m a p g i s 、m a p l n f o 、 a r c i n f o ) 在矿山生产中都有不同程度的应用【“。并且都为矿山的发展作出了巨大的贡献， 虽然它们各自都存在着难以克服的缺点，但已被广泛应用于矿山的生产管理和设计开发 中。编制采掘衔接计划大体上有二种方法。第一种方法是手工编制采掘衔接计划。第二种 方法是运用计算机法仿真模拟的原理编制采掘衔接计划，这种方法将进一步发展，逐步完 善，然而基于g i s 系统的采掘衔接计划的编制系统目前只有极少量的文章出现。 采矿系统工程是由采矿工程与系统工程相结合而形成的一个新的学科分支，它是依 据采矿工程内在规律，利用系统工程的观点和方法，研究和解决采矿系统的规划、设计、 施工及生产中的问题，使其在系统总体上达到优化的科学技术。 近年来随着系统工程和电子计算机技术的发展，系统优化的理论和方法已经成为对 采矿系统进行对比、分析和选择的现代化手段，正在发挥着越来越大的作用。系统工程是 以研究大系统为对象的一门跨学科的边缘学科。他是把自然科学和社会科学中的某些思 想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要，有机地联系起来，把人们的生产、 科研和经济活动有效地组织起来，应用数学方法和电子计算机等工具，对系统的构成要素、 组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到最优设计、 最优控制和最优管理的目标，以便最充分地发挥人力、物力的潜力，通过各种组织管理技 术，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统( 方案和参数) 的总和最优化【3 1 。 系统工程的主要理论基础是运筹学，以及其它数学分支，通常有：概率论和数理统 计、线性规划、非线性规划、动态规划：排队论：网络分析等。自上世纪6 0 年代初计算 机及运筹学引人采矿工程后，前苏联和美国为代表的一些国家就开始在矿山运用了各种定 量的管理技术编制和评估矿山作业计划，平衡矿山各种作业量，计算优化指标等。他们主 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 要应用的具体问题有：采煤方法中工艺和参数选择：采区巷道布置系统方案及参数优化； 巷道断面优化和通风系统选择；井巷施工工期的网络分析和计划管理；地面生产系统和布 置的优化；矿井系统及参数化等。之后又从两个方向进行矿山生产计划编制的研究工作： 一是采用优化方法确定矿山生产计划；二是利用模拟方法确定矿山生产计划。后来，人们 又在矿山生产计划编制中引入人工智能技术，尝试综合运用人工智能、优化法、和模拟法 来有效的解决矿山生产计划的优化编制问题。此时，人们一般采用传统的运筹学数学规划 方法如线性规划、非线性规划、混合整数规划、目标规划和动态规划等进行计划编制。在 这期间，南非的一些金矿运用线性规划和模拟技术制定了矿山长期规划和年度计划，平衡 各项工作；日本、加拿大等国将线性规划、目标规划等优化理论用于矿山计划编制：美国 新墨西哥州矿产局及赞比亚的恩昌加铜矿公司曾运用动态规划编制了矿山生产作业计划； 俄罗斯的杰兹卡兹甘有色冶金研究院运用模拟技术编制了盘区一房柱式采矿法矿山的生 产计划。由于矿山系统的复杂性，采用纯粹的“专家系统1 ”不易满足不同地质条件的 矿井以及在开采过程中遇到的一些特殊的情况。因此，需要以专家系统为基础，适当的给 工作人员一些干预的机会，这样就能使得专家系统的通用性增强。 1 9 世纪8 0 年代以后，由于计算机技术和系统工程的主要理论基础运筹学的进一步发 展，运用计算机编制矿山生产计划的研究也愈来愈活跃，交互式技术开始受到重视。因此， 过去把系统所求得的结果看作精确的、不能变的凝固的东西，而现在要以“易变性”的概 念看待所得的结果，以适应系统的不断变化。 我国煤炭工业部门对系统工程应用的研究起步较晚，七十年代末才开始的，但是发 展数度很快，特别是高等院校和设计部门作了大量的研究和软件开发工作，取得了一些成 果。如：北京科技大学资源工程学院李仲学教授根据煤矿生产的实际需求编制了地下煤矿 采掘计划计算机辅助管理系统。系统设计了数据库，利用高级编程语言实现部分显示功能， 是当时较先进的一种地下煤矿采掘衔接计划的实现方式。( 李仲学，廖荣淮，1 9 9 6 ) ；中国 矿业大学王玉浚教授和彭建良博士在上世纪九十年代末编制了缓倾斜煤层矿井的采区和 工作面衔接的通用模型与程序，对工作面产量进行了计算机模拟，并利用模糊数学理论对 工作面衔接的地质条件进行了综合分析；西安科技学院的张金锁博士与唐祖章教授利用计 算机动画与仿真技术，并结合优化原理，模拟采掘衔接计划。开发了矿井采掘衔接计划屏 幕动态显示仿真模型，利用t u r b oc + + 语言在微机上进行了实现，使采掘接替模型具有一 定的直观性。( 张金锁，唐祖章等，1 9 9 4 ) ；焦作工学院的张星臣博士以平顶山一矿为例， 利用网络技术目标规划等系统工程理论和方法，建立了矿井短期生产计划的计算机辅助决 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 策系统。平顶山矿务局一矿的涂兴子工程师开发了平顶山一矿的采掘接替关联信息系统， 该系统能够显示本矿的采掘工程状态，进行采掘衔接调整、检验和指标预测，为生产决策 和采掘计划管理提供信息f 涂兴子，1 9 9 6 ) 。随着c a d 技术的产生和发展，又促使人们将 传统的设计方法转用计算机实现，并且进一步用计算机输出设计成果( 图纸和设计文件) 。 以采剥计划编制为例，可先用数学规划安排矿山的长期采剥计划，然后在长期计划指导下 用c a d 技术编制短期采剥计划。这样，不仅能保证决策的总体优化，又能提高具体作业 的可操作性，但是c a d 的数据处理功能远不如g i s 强。近年来，随着地理信息系统( g i s ) 在矿山中的深入应用。使得人们开始关注g i s 强大的存储和处理各种与空间和地理分布 有关的图形和属性数据的能力。 目前国内对运用计算机编制采掘生产计划的研究归纳起来主要是两大类：一是运用 优化理论( 主要是单目标线性规划理论，在露天矿有极少数运用了动态规划理论) 对采掘生 产计划予以优化，并借助于计算机实现优化计算；二是直接运用计算机模拟人工编制的方 法，或者逼近的方法进行计划的编制。用模糊数学的理论和e s 技术进行采掘计划的优化 和编制的研究也正在进行，并不断有论文出现，但离实用还有一段距离【8 _ l 们，主要问题在 于矿山地质条件复杂多变性和采前对其状态不能完全掌握性( 也就是地质情况的预先未知 性) 。使得难以建立通用的模型以满足不同情况的要求。 综上所述，新学科、新技术的应用继续发展。采矿系统工程不断从其它学科的发展 中汲取营养，借助这些新学科、新技术，采矿系统工程正在迈上一新台阶。国内外“采掘 衔接计划的优化及其计算机编制”的研究工作已有一定的基础，取得了一些成果，但由于 矿山系统的复杂性，使得这方面的进展较为缓慢，难于推广应用。随着矿山c a d 技术的 深入应用，以及g i s 技术的日益成熟，基于g i s 的“采掘衔接计划编制”系统研究将会 有很大突破，以地理信息系统数据支持的采掘衔接计划c a d 系统将会在矿山中得到广泛 的推广应用。鉴于此，我们根据前人的研究成果，结合现场的实际情况，对采掘衔接计划 的编制及图形化进行深入的研究，使得基于g i s 技术的采掘衔接计划交互式的计算机编 制进行进一步的完善，尽早的应用于生产实践。 1 2 论文研究的意义 采矿系统工程是系统工程与采矿工程两个学科的交叉结合。它用数学方法和计算机 等工具对系统功能进行分析、设计、制造和服务，从而使得各个方面的关系协调配合达到 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 最优控制和最优管理的目标。矿山采掘进度计划是指导矿山生产的依据，计划编制是矿山 生产管理中不可缺少的重要部分，决策是否科学合理，直接关系到企业在市场经济激烈竞 争中的前途和命运，因此，各矿山都非常重视这一工作。但是，长期以来，我国矿山采掘 计划一直采用传统的手工方法进行编制，尽管它能在一定程度上吸取计划人员的经验和智 慧，然而由于进行这项工作所涉及采掘关系的定性及定量因素多，限制条件复杂多变，所 以人工编制计划不仅效率低，而且难以保证计划的质量。综上所述，煤矿生产衔接工作的 效率直接影响到其生产安全性和生产效益，对其年度生产计划的完成会产生很大影响。地 理信息系统的产生和发展为提高煤矿生产衔接效率提供了新的可能，它与煤矿现场的顺利 结合必将服务于煤炭行业，并为煤炭企业安全生产起到积极的作用。 1 3 论文研究的主要内容与方法 本课题将高级程序设计语言v b 的计算功能和a u t o c a d 的绘图功能相结合，基于 g i s 技术，建立以图形为核心的数据库系统，运用参数输入的方法完成采掘衔接计划的编 制，并进行井巷工程量的统计计算。 1 研究的具体内容 采掘工程图素化、采掘工程图素树形化模型、采用a u t o c a d 建立符号库以及专 业线型的开发。 g i s 采掘工程图形数据库的建立、数据库的空间分析和管理功能、采掘衔接计 划编制数据库。 编制采掘衔接计划的v b 设计平台、数据库管理系统系统、采掘衔接计划的形成 系统、采掘衔接计划巷道图的形成系统、巷道工程量的自动统计计算系统、数据查询系 统。 2 实验设计方案 以v b 、a u t o l i s p 为基本工具，以a u t o c a d 为平台进行开发。 基于g i s 技术，用系统工程理论为指导，在技术规则择优的基础上，达到编制采 掘计划和进行巷道工程量统计计算的目的。 建立g i s 采掘工程数据库，结合现场实际，实现交互式的采掘衔接计划编制。 通过数据库的连接实现数据共享。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 系统开发方法选择 第二章采掘计划编制模型 在采掘衔接计划计算机编制和图形化的系统的开发过程中，为了遵循了软件工程的开 发原则，提高应用软件的工作效率，便于维护，而且更能符合用户的意愿，首先学习和分 析了软件开发的方法和技术的发展过程和各种开发方法的优缺点。 随着计算机于1 9 5 4 年问世，软件技术也开始在应用中得到发展。1 9 世纪6 0 年代中 期以后，软件数量急剧膨胀，于是在计算机软件的开发和维护过程中遇到了一系列严重的 问题。随之产生了“软件危机”。为了解决“软件危机”，北大西洋公约组织的计算机科 学家于1 9 6 8 年在联邦德国召开了国际会议，并使用了“软件工程”这个专用名词。于是， 软件工程这门新兴的工程科学诞生了。软件工程的定义：它是- - l q 指导计算机软件开发 和维护的工程学科，采用工程的概念、原理和方法来开发和维护软件，把经过时间考验并 证明正确的管理技术和当前能够得到的最好的技术方法结合起来。软件工程从管理和技术 两个方面研究如更好地开发和维护计算机软件。软件工程的提出，对解决“软件危机”起 到了巨大的作用，大大提高了软件开发的效率。软件工程解决了许多程序的“个体化软件 作坊”特性。使软件系统开发有了一定的标准化方法。 软件工程的传统途径强调的两个重要方面。一方面是“生命周期方法学”，生命周期 方法学遵循“用分阶段的生命周期计划严格管理”的原则，从时间角度对软件开发和维护 的复杂问题进行分解，把软件生命周期划分为定义、开发、维护等若干阶段，各个阶段有 相对独立的任务，然后逐步完成每个阶段的任务。这种方法是软件开发和维护这一复杂问 题的困难程度降低，因为每个阶段的任务相对独立，而且比较简单，便于不同人员分工合 作。该方法要求软件生命周期的各个阶段都采用科学的管理技术和良好的开发技术方法， 并在各个阶段之间加入严格的技术和管理两方面的审查，使整个软件开发工程有条不紊地 进行，按照这种传统的生命周期方法学开发软件，各阶段的工作自顶向下，从抽象到具体 顺序进行，如同山间的瀑布从高处流向低处，奔流不息。所以也用瀑布模型( w a t e r f a l l m o d e l ) ( 见图2 - 1 ) 来形容传统的生命周期方法学；另一方面是“结构化分析及结构化设 计技术”，传统的生命周期方法学在划分各个阶段以及在各个阶段中继续分解各个子问题 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 时，都采用结构化分析( s a ) 及结构化设计技术( s d ) 。这是一种6 0 年代末提出，到7 0 年代大家都以公认的先进的程序设计技术。 图2 - 1 瀑布模型 f i l j l l r e2 1 w a t e f a l lm o d e l 计划时期 开发时期 运行时期 以生命周期方法学和结构化方法为主要特征的传统方法学是软件工程学科的技术基 础，它为克服软件危机，提高软件生产率和软件质量有着不可磨灭的功绩，但是随着软件 行业的发展传统方法学暴露出一些问题：生产率提高的幅度远不能满足需要，软件重用程 度很低，软件仍然很难维护，软件往往不能真正满足用户需要。这些问题已经使得他们不 能满足系统开发的需要。 通过分析传统方法学出现上述问题的原因，可以归结为两个方面：一方面是僵化的瀑 布模型。瀑布模型意味着生命周期各个阶段之间存在着严格的顺序性和依赖性，特别对阶 段之间的评审，在某种意义上把用户、经理、分析员、程序员隔离，又由于强调需求分析 结果的先行性和确定性，而“定死”软件需求，因而出现了不能适应下列不断变化的用户 需求的情况，系统需求可能模糊，对于已有长期使用类似软件经验的成熟的对象，瀑布 模型中预定义全部系统需求的策略还可能适用，但对于复杂的对象，如，管理信息系统 ( m i s ) 或生产数据管理系统( p d m ) 等复杂的数据处理系统，许多用户对他们的需求最 初只有模糊笼统的概念，这时若要求在系统开发初期就准确全面地定义全部需求，则系统 需求也只能是“模糊地”提出了。参与者之间的通信鸿沟，传统开发方法虽然强调各类 文档和可理解性，但是各类文档基本上是被动的、静止的通信工具，通过他们来深刻理解 动态的系统是很困难的。需求可能是过时的，传统开发方法学的瀑布模型预先定义需求 7 、j，、厂_、， 太原理工大学硕士研究生学位论文 往往可能过时，原因是软件开发的周期跟不上用户需求的变化：另一方面是结构化技术的 缺点，“功能分解”是结构化分析和结构化设计的本质，也是具体的技术路线，而这种思 维方法从根本上与人类认识世界的思路是不一致的。例如，用户需求的改变大部分是针对 功能方面的，因此面对愈来愈复杂多变的对象系统，结构化方法将会遭到灾难性的问题， 即采用结构化方法设计的系统是不稳定的。同样，由于预先定义了目标系统的边界，并根 据这种边界开发出了系统结构，一旦环境条件有变化，需要扩充系统的话，那将是很困难 的，即用结构化方法设计的系统可扩充性较差。再者，结构化方法的功能分解有一定的随 意性，加上软件采用的设计方法本质上具有冯诺依曼计算机的结构特点，即数据与操作 分离，因而使开发出的软件可重用性差。 随之，在软件工程中出现了两种系统分析设计新方法，克服了传统方法的弱点它们是 快速原型法和面向对象方法学。 快速原型法采用快速、灵活、交互式的软件开发方法，摒弃常规的程序设计方法和僵 化的瀑布模型。是在原型化开发方法的基础上发展起来的。原型化开发方法是目前用第四 代计算机语言编程的新型信息系统设计应用开发工具，已经实现了以程序为中心向以数据 为中心的转变。以数据集合的处理代替对单个记录或数据元素的处理，是用来快速开发应 用软件的高产工具( 如p o w e r b u i l d e r ) 。快速原型法就是以这些开发工具作为基础发展起 来的。它克服了采用结构化系统开发方法时，开发周期长，灵活性差的缺陷，其基本思路 是：首先了解用户最基本、最迫切的需求，而不是全部需求；采用快速开发原型工具， 如数据语言、图形语言、决策支持语言、报表生成器、应用程序生成器，或一些自行开发 的通用程序，快速生成系统雏形；提交用户试运行，由用户确定保留哪些功能，增加哪 些功能；按用户的需求改进设计，反复修改、完善，直到用户满意为止。这种方法的优 越性在于：用户始终参与开发，信息反馈及时、准确，可以随时解决问题：软件开发 周期相对地缩短，费用降低；用户参与后积极性提高了，而参与过程也是培训使用系统 的过程，有利于系统的维护使用。但原型法存在重复修改多，并且潜在着与系统整体目标 不一致的危险。对于一些使用高度复杂技术的软件系统，仍适用生命周期法。 面向对象方法学是一种新的思维方法，它的基本原则是：尽可能模拟人类习惯的思维 方式，使描述问题的问题空间( 也称为问题学域) 与实现解法的解空间( 也称为解域) 在 结构上尽可能一致。面向对象方法是一种运用对象、类、继承、封装、聚合、消息传递、 多态性等概念来构造系统的软件开发方法。目前，面向对象开发方法还只是一种新兴技术， 它的数据模型缺乏数学理论基础，它的语言缺乏形式化基础，有待于进一步的深入研究。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 但可以肯定，它是一项具有重大理论意义和应用前景的数据库技术。目前面向对象编程 ( o o p ) 已普遍使用，但面向对象分析( o o a ) 与面向对象设计( o o d ) 还落后于( o o p ) 。 每种开发方法均有其适用范围，不同的软件应采用不同的开发方法。结构化生命周期 方法在开发操作系统和编译程序等能够精确定义需求的软件系统时有良好的效果；面向对 象的方法是一种比较通用的开发方法，适用面大；对于数据流程结构比较强和包含有大量 图形设计的系统类软件而言，采用原型化开发方法有更高的开发效率，能够更容易的扩充 软件功能。 通过对各种方法的分析比较，基于g i s 的采掘衔接计划编制及图形化系统开发中采 用了快速原型法开发方法，这样做的好处是，首先建立一个开放式的能反映主要功能的信 息系统，为以后多方对话奠定了原型基础，容易设计出比较完善的系统；另外，能够避免 在开发过程中一次性盲目扩大功能，增加设计和编制的难度。 2 2 系统分析 计算机编制采掘计划就是运用系统工程的方法，以计算机为主要手段，编制最优或较 满意的采掘计划。根据矿山生产管理的需要编制全矿的生产计划、开拓工程计划、掘进工 程计划、采煤工程计划等。而采煤和掘进是煤矿生产系统工程中极为重要的两个环节，采 掘关系是矿井生产的两个最基本的要素，采煤和掘进的关系是一种动态的平衡关系，如果 采掘关系失调将会造成生产失调。如果“采”的过多，“掘”跟不上，采煤工作面准备不 足，就会在不久的将来造成采煤队无处可采，使得矿井的产量急剧下降。如果矿井配备的 掘进队过多，会造成大量的巷道闲置，这样不仅违反了将人力、物力主要放在采煤工程上 的原则，而且大量闲置的巷道需要维护，进一步加剧了人力、物力的浪费，很显然是不合 理的。为了保证矿井的均衡生产，需要根据矿山的实际情况编制合理采掘计划。矿山编制 短期的采掘计划，有年、季、月、旬计划。编制年计划一般以采矿技术因素、地质因素、 煤层赋存条件和上级主管部门要求的产品数量和质量等指标作为依据，其他计划则依据年 计划来编制。 编制计划要贯彻党和国家有关矿山的方针政策，并认真处理好如下关系：“采掘并举， 掘进先行”；遵守科学的开采顺序：由上而下、由远而近、从上盘到下盘：贯彻难易、贫 富、厚薄兼采的技术决策；及时回采矿柱和处理采空区，确保安全生产。在这些关系的制 约下，采掘计划系统必然是一个多输入和多输出的系统。输入的是计划参数、采区、采煤 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 工作面、采煤队组、采煤设备、回采定额、巷道、掘进队组、掘进设备、掘进定额等1 0 类数据，输出的是反映各种计划量的报表及各类采掘进度计划图件和报表等。所有输入输 出都是为了一个目的，即服务于编制优化的采掘计划。由于编制年计划输出的参数主要涉 及的是大工艺，考虑到有关数学模型的递归属性，同时为满足线性规划算法的要求：一方 面要对“计划问题空间”进行抽象和简化，建构自