露天矿导航系统总体架构设计与关键技术研究_钟小宇(1).pdf

收稿日期2020-07-29 基金项目 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0801608） ； 国家自然科学基金项目 （编号 51674063） 。 作者简介钟小宇 （1963） ， 男， 采矿首席工程师， 高级工程师。通信作者孙效玉 （1963） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 露天矿导航系统总体架构设计与关键技术研究 钟小宇 1 赵庆丰 2， 3， 4 孙效玉 2， 3 孙健 5 肖开泰 61 （1. 鞍钢集团鞍千矿业有限责任公司， 辽宁 鞍山112000； 2. 东北大学智慧矿山研究中心， 辽宁 沈阳110819； 3. 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳110819； 4. 紫金矿业集团股份有限公司， 福建 龙岩364000； 5. 鞍钢集团矿业公司， 辽宁 鞍山112000； 6. 煤科集团沈阳研究院有限公司通风防灭火研究分院， 辽宁 抚顺 113112） 摘要针对露天矿道路网空间复杂、 设备盲区较大、 能见度较低存在的迷路、 走错路的问题， 设计了由数据 访问层、 业务逻辑层、 接口层、 应用层构成的系统总体架构。数据访问层确定了由点、 路段、 区域、 路径组成的道路 网数据结构与类结构， 在运行于服务端的业务逻辑层设计并开发了导航路径规划、 路网匹配、 运行距离与时间预 测、 路口转向提示等通用算法， 应用层通过接口调用通用算法实现了终端应用功能。基于系统总体架构， 定义了道 路网结构， 采用面向对象技术设计了道路网类的数据结构， 对于业务逻辑层的关键算法进行了研究， 再对算法进行 了接口封装， 最后以华能集团伊敏露天矿的道路网数据为基础， 分为独立导航、 百度地图导航两部分开发了系统。 研究表明 系统总体架构的设计使得系统具有较强的通用性、 实用性、 扩展性； 系统实现了导航路径规划、 定位点修 正与路段匹配、 到达目的地的运行距离与行程时间预测、 路口转向提示等功能， 解决了驾驶员迷路、 走错路的问题； 系统既可独立运行， 也可与百度地图API等有效衔接， 可适应多种终端。 关键词露天矿导航系统架构设计Floyd算法路网匹配算法 中图分类号TD5文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -09-184-07 DOI10.19614/ki.jsks.202009026 Study on Overall Architecture Design and Key Technology of Open-pit Mine Navigation System ZHONG Xiaoyu1ZHAO Qingfeng2， 3， 4SUN Xiaoyu2， 3SUN Jian5XIAO Kaitai62 （1. Anqian Mining Company， Anshan Iron and Steel Co.， Ltd.， Anshan 112000， China； 2. Intelligent Mine Research Center， Northeastern University， Shenyang 110819， China； 3. School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China； 4. Zijin Mining Group Co.， Ltd， Longyan 364000， China； 5. Ansteel Mining Co.， Ltd.， Anshan 112000， China； 6. Ventilation and Fire Prevention Research Branch， CCTEG Shenyang Research Institute， Fushun 113112， China） AbstractIn view of the problems of complex space， large equipment blind area and low visibility in open-pit mine road network， the overall system architecture is designed， which is composed of data access layer， business logic layer， inter- face layer and application layer.The data access layer determines the data structure and class structure of road network com- posed of points， road sections， regions and paths.In the business logic layer running in the server， it designs and develops gen- eral algorithms such as navigation path planning， road network matching，running distance and time prediction， intersection turning prompt， etc.The application layer calls the general algorithm through the interface to realize the terminal application function.Based on the overall structure of the system， the road network structure is defined， and the data structure of road net- work class is designed by using object-oriented technology.The key algorithm of business logic layer is studied， and then the interface of the algorithm is encapsulated.Finally， based on the road network data of Yimin Open-pit Mine of Huaneng Group， the system is divided into independent navigation and Baidu map navigation.The study results show that the design of the overall architecture of the system makes the system has strong universality， practicability and expansibility； the system realiz- es the functions of navigation path planning， positioning point correction and road link matching， prediction of travel distance and travel time to destination， intersection direction prompt and other functions， solves the problems of the driver getting lost and taking the wrong road； the system can run independently.It can also effectively connect with Baidu map API， and can 总第 531 期 2020 年第 9 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 531 September2020 机电与自动化 184 adapt to a variety of terminals. Keywordsopen-pit mine， navigation system， architectural design， Floyd algorithm， road network matching algorithm 露天矿道路网是露天矿设备行驶的道路和关键 点 （装载点、 卸载点、 停车场、 加油站等） 的集合， 通常 分为固定道路、 半固定道路、 移动道路、 临时道路4种 类型， 具有空间形态复杂、 路段性质与动态变化不一 的特点 ［1］。露天矿运输设备规格大， 驾驶室在卡车左 侧， 前方与右方视线被遮挡， 存在较大盲区与安全隐 患 ［2］。露天矿生产环境复杂， 存在灰尘、 风沙、 夜间照 明效果不佳、 能见度较低等问题 ［3］。上述特点导致驾 驶员在行驶过程中容易走错路， 行驶的安全性较低。 因此， 开发露天矿导航系统十分必要。 目前导航系统按平台可大致分为3类 基于地理 信息系统平台的导航系统 ［4］ （借助ArcGIS ［5］、 MapX［6］、 SuperMap ［7］、 MapGIS［8］等软件提供的二次开发接口开 发导航系统） ， 基于电子地图服务的导航系统 （借助百 度地图API ［9］、 GoogleMap API［10］等提供的二次开发接 口开发导航系统） ， 基于自主开发式电子地图的导航 系统 （借助Unity3d ［11］、 C［12］等自主开发导航系统） 。 针对露天矿运输设备运行过程中存在的问题， 结合当前导航技术的最新进展， 设计了系统总体架 构与道路网络结构， 自主开发了后台的标准算法接 口 （导航路径规划算法、 路网匹配算法、 运行距离与 时间预测算法和路口转向提示算法） 。考虑到部分 露天矿山采用了卡车调度系统， 但缺乏导航功能， 因 此开发了适用于卡车调度终端的独立导航； 针对部 分露天矿山没有安装卡车调度终端的问题， 开发了 百度地图导航， 可用于手机等其它终端。 1系统总体架构设计 系统总体架构如图1所示， 本研究将系统总体架 构分为数据访问层、 业务逻辑层、 接口层、 应用层 4 层， 各部分特征论述如下。 （1） 数据访问层。数据访问层主要实现对基础 数据、 流水数据、 道路网数据的访问。基础数据存储 设备、 司机、 生产计划等基础信息； 流水数据存储车 载终端上传的数据， 包括设备位置、 状态、 速度、 方向 等信息； 道路网数据为露天矿道路网的数据信息。 （2） 业务逻辑层。业务逻辑层实现系统业务逻 辑的处理， 为后台标准算法， 接口层将其封装为接 口， 应用层通过接口调用后台标准算法， 包括导航路 径规划、 路网匹配、 运行距离与时间预测、 路口转向 提示算法。导航路径规划算法用于规划起点到终点 的导航路径， 路网匹配算法用于将定位点进行修正 并匹配至对应的路段上， 运行距离与时间预测算法 用于计算到达目的地的距离， 路口转向提示算法用 于判断前方路口左右转向， 进而进行语音提示。 （3） 接口层。接口层将业务逻辑层的算法进行 封装， 给外部应用提供了访问接口， 分为导航算法接 口、 百度地图接口两部分。其中， 导航算法接口包括 导航路径规划算法、 路网匹配算法、 运行距离与时间 预测算法、 路口转向提示算法接口； 百度地图接口包 括地图初始化、 折线绘制、 覆盖物添加等接口， 用于 实现前端图像绘制。 （4） 应用层。应用层分为独立导航、 百度地图导 航两部分。独立导航通过调用导航算法接口实现导 航功能， 独立导航主要用于车载终端； 百度地图导航 通过调用导航算法接口与百度地图接口实现导航功 能， 百度地图导航主要用于手机等其他移动终端。 通过以上架构可知， 接口层将应用层的应用与 业务逻辑层的标准算法分开， 应用层各部分的应用 可以通过接口层的接口调用标准算法， 使得系统能 够解决实际问题， 适用于不同矿山， 加快了开发进 钟小宇等 露天矿导航系统总体架构设计与关键技术研究2020年第9期 185 度， 加强了系统的实用性、 通用性、 扩展性。 2道路网结构设计 2. 1道路网定义 露天矿道路网拓扑关系如图2所示， 具体定义论 述如下 定义1 （节点） 。节点是矿区坐标系中任意一点， 包含坐标 x、 y、 z， 是道路分岔口、 路段起始点或终止 点， 节点所组成的集合为B {}B1,B2,B3,⋯,Bn,n ∈ N。 定义2 （间断点） 。间断点是矿区坐标系中的任 意一点， 包含坐标x、 y、 z， 间断点与间断点间由直线连 接， 间断组成的集合为A {}A1,A2,A3,⋯,An,n ∈ N。 定义 3 （关键点） 。关键点属于节点， 记为kx， x ∈ N， 其中kx∈ B， 表示排卸点、 停车场、 加油站等露 天矿地点。 定义4 （路段） 。路段起始于一节点Bi连接于另 一节点Bj,i,j∈ N， 由一系列有序的间断点依次连接成 的 直 线 所 组 成 ， 可 表 示 为rsBiBj,i,j∈ N， 其 中 Bi、Bj∈ B， 。图2中B1B2为路段。 定义5 （道路网） 。道路网由有限的路段组成。 定义6 （路径） 。起始于一节点终止于一节点的有序 的路段集合， 可表示为rpB1B2B3⋯Bn,n∈N， 其中B1, B2, B3, ⋯, Bn∈ B。图 2 中B1B2B4为 路径。 定义7 （区域） 。由有序的间断点依次连接成的 直 线 组 成 的 多 边 形 ， 可 表 示 为 aqC1C2C3 ⋯Cn,n ∈ N， 其中C1,C2,C3,⋯,Cn∈ A， 表示关键点 范围。图2中C1C2C3C4C5为区域。 定义8 （导航路径） 。起始于一节点终止于一节 点 的 有 序 的 间 断 点 集 合 ， 可 表 示 为 npA1A2 A3⋯An,n ∈ N， 其中A1,A2,A3,⋯,An∈ A。图 2 中 A1A2A3A4为导航路径。 2. 2道路网类结构 根据道路网定义， 节点与间断点为基础部分， 节 点序列组成路段， 路段序列组成路径， 间断点序列组 成区域和导航路径。据此， 建立了点、 路段、 区域等 道路网结构， 在此基础上采用面向对象技术， 首先建 立了节点类与间断点类， 进而建立了路段类、 区域 类、 路径类、 导航路径类， 后续开发的算法通过接口 调用道路网结构实体。类结构属性如图3所示， 各类 之间的组合关系构成了道路网数据结构。 节点类 点名称表示关键点的名称， 坐标 x、 y、 z 表示关键点的位置。间断点类 坐标x、 y、 z为间断点 的位置。路段类 开始节点与终止节点为路段的开 始节点号与终止节点号， 间断点集合为路段中所有 间断点实例的集合。路径类 路段集合为路径中所 有路段实例的集合。导航路径类 间断点集合为导 航路径上所有间断点实例的集合， 路段集合为导航 路径中所有路段实例的集合， 路径类为后台各算法 金属矿山2020年第9期总第531期 186 服务， 导航路径类则用于为前端返回最终路径的详 细间断点坐标， 以具体的间断点集合来表示。区域 类 一个区域对应一个间断点集合， 间断点为区域多 边形的顶点。 3导航关键算法研究 3. 1导航路径规划算法 导航路径规划算法即根据当前位置、 目的地位 置、 道路网数据返回当前位置到达目的地的路径。 道路网可视为图的数据结构， 定义为GV,E，V 为顶点，E为边。常用最短路算法有 Floyd （弗洛伊 德 ［13］ ） 、 Dijkstra （迪杰斯特拉 ［14］ ）、Bellman-Ford （贝尔 曼-福特 ［15］ ） 等， 算法的时间复杂度 （未经其他措施进 行算法优化） 分别表示为OV 3 、OV 2 、OVE。露天矿 道路网中不存在负权值的边， 道路网节点 （顶点V） 有 数百个， 数据规模较小， 对于时间复杂度要求不高， 相比于其他算法， Floyd算法更适用于多源最短路径， 运用一次算法就可求得任意两个顶点的最短路径， 且简单易用， 故本研究选取该算法作为导航路径规 划算法。 利用数据结构中图的思想， 构建了节点与节点 之间的邻接矩阵S （n n阶矩阵，n为节点数量） 。为 存储图中节点到节点的距离， 建立了矩阵P （n n阶 矩阵， n为节点数量） 记录两个节点之间的插入点。 Floyd最短路径算法步骤如下 （1） 初始化邻接矩阵S。当两个节点有通路时， 依次计算两个节点间的相邻间断点的直线距离， 累 加即可得到两个节点间的最短距离。当两个节点无 通路时， 设置该距离为所用数据类型的最大值。当 两个节点相同时， 设置距离为0。 （2） 初始化矩阵P。矩阵P中的元素值为所在列 的下标值， 经过两次循环遍历矩阵P为元素赋初始值。 （3）基 于 状 态 转 移 方 程s[i,j ] min { s[i,k] s[ k,j ],s[i,j ]}（i、j为矩阵行标、 列标，s[i,j ]为第i节点 到第j节点间的距离，k为0至n之间的任意数，n为矩 阵s的阶数） 寻找两节点间是否存在插入点k， 使得i 节点经过插入点到达j节点的距离最短， 若s[i,k] s[ k,j ]＜ s[i,j ]， 则更新矩阵s与矩阵P对应的值。 （4） 在P矩阵中得到起始点、 插入点、 终止点所组 成的节点序列。 3. 2路网匹配算法 由于GNSS的定位精度较低及道路更新不及时， 定位点与实际的道路可能存在偏离， 需通过路网匹 配算法进行修正， 以匹配至正确的路段上。 路网匹配算法大致可以分为4类 ［16］ 几何匹配算 法 ［17］、 拓扑关系算法［18］、 概率统计算法［19］、 先进匹配 算法 ［20］。露天矿道路网的拓扑关系较简单， 几何匹 配算法在道路网拓扑关系较简单的情况下匹配稳定 性较好， 故本研究选用了几何匹配算法。几何匹配 算法可细分为点到点、 点到线、 线到线匹配算法， 点 到线匹配算法比点到点匹配算法准确性高， 比线到 线的匹配算法计算量小， 故选用基于几何学点到线 的路网匹配算法。步骤为 （1） 定义垂线长度l、定位点所在路段号R、 垂足 坐标C， 进行初始化l ∞、R -1、C 0,0 。 （2） 由定位点X直线序列中的直线 （由路段中相 邻间断点连接而成） 作垂线， 若直线遍历完毕， 则退 出并输出垂足坐标C与所在路段R。若垂足的x、 y坐 标值不在直线上， 则继续执行步骤 （2） ， 否则， 执行步 骤 （3） 。 （3） 若垂线长度小于l， 则将l更新为该垂线的长 度， 并将C更新为该垂足， 将R更新为直线所在的路 段， 继续执行步骤 （2） 。 3. 3运行距离与时间预测算法 定位点实时更新时， 应实时显示当前定位点与 目的地的距离以及行程时间。将定位点与道路的关 系简化为点到线的关系， 距离应等于修正后的点在 匹配路段的剩余长度与导航路径中其他路段长度的 总和。算法步骤为 （1） 定位点经过道路匹配算法修正并匹配至对 应路段。 （2） 基于距离最近原则匹配对应路段中距离定 位点最近的间断点， 以该间断点开始到对应路段尾 间断点结束， 依次累加相邻间断点的距离， 得出本路 段的剩余长度。 （3） 遍历导航路径中的剩余路段， 依次累加所遍 历路段的间断点序列中相邻间断点的距离， 得出导 航路径中剩余路段的长度。 （4） 累加步骤 （2） 与步骤 （3） 中计算的长度， 得出 定位点至终止点的距离， 退出算法。 3. 4路口转向提示算法 在交叉路口应提示左右转向， 需要使用路口转 向提示算法， 步骤为 （1） 定位点经过路网匹配算法修正并匹配至对 应路段。 （2） 若定位点与路段尾节点距离小于50， 则执行 步骤 （3） ， 否则， 退出算法。 （3） 令当前路段的起始节点坐标、 终止节点坐标 分别为Ax1,y1、Bx2,y2， 导航路径中下一路段终止 节点坐标为Px3,y3， 令转向因子s x1- x3⋅ y2- 钟小宇等 露天矿导航系统总体架构设计与关键技术研究2020年第9期 187 y3 - y1- y3 x2- x3。 （4） 若s ＞ 0， 返回 “左转” ； 若s ＜ 0， 返回 “右转” ， 退出算法。 4系统接口实现 系统的部分功能通过调用接口层所封装的算法 接口来实现， 部分功能在其上进行扩展， 故而本研究 首先实现了系统的接口， 然后对独立导航、 百度地图 导航进行开发。接口实现如下 4. 1导航算法接口 （1） 导航路径规划算法接口。double ［ ］ The Sho- test Path （int startPoint， int endPoint） ， 规划开始节点到 终止节点间的导航路径， 其中startPoint为开始节点， endPoint为终止节点， 返回的double类型数组为路径 的间断点集合。 （2） 路网匹配算法接口。double ［ ］ The Road Net- work Matching （double x， double y， double z） ， 将定位点 进行修正并匹配到路段上， 其中x、 y、 z为定位点的x、 y、 z坐标值， double数组前3位为修正后的x、 y、 z坐标 值， 第4位为点所在的路段号。 （3） 运行距离与时间预测算法接口。double Up- date Distance （double x， double y， double z， int ［ ］ path- Section） ， 获取到达目的地的距离， 其中x、 y、 z为定位 点的x、 y、 z坐标值， pathSection数组为导航路径的路 段集合， 返回的double类型值为到达目的地的距离。 （4） 路口转向提示算法接口。string Turn Around （double x， double y， double z， int ［ ］ pathSection） ， 判断 路口左右转向， 其中x、 y、 z为定位点的x、 y、 z坐标值， pathSection 数组为导航路径的路段集合， 返回的 string类型值为左右转向。 4. 2百度地图接口 （1） 地图初始化接口。center And Zoom （center Point， zoom Number） ， 地图初始化， Point为地图中心， Number为级别。 （2） 折线绘制接口。Polyline （points Array＜Point ＞， opts PolylineOptions） ， 创建折线覆盖物对象， Array ＜Point＞为折线的转折点， Polyline Options 为线的属 性。 （3）标注创建接口。Marker （point Point， opts Marker Options） ， 创建图像标注实例， Point为标注的 坐标， Marker Options为标注的属性。 （4） 覆盖物添加接口。add Overlay （overlay Over- lay） ， 将覆盖物实例 （折线、 标注等） 添加到地图中， Overlay为覆盖物。 5系统应用开发 本研究以华能集团伊敏露天矿的道路网数据为 基础进行了导航系统开发， 该系统包括独立导航、 百 度地图导航两部分。独立导航部分开发语言为 C 语言， 采用Visual Studio 2015为开发工具， 运行环境 为.NET Framework 4； 百度地图导航部分开发语言为 Java、 HTML、 CSS、 JavaScript， 采用 eclipse jee 2019 为 开发工具， java开发工具包为jdk1.8.0_91。 5. 1独立导航 终端界面如图4所示， 界面中显示了道路网， 规 划了开始点到终止点的导航路径， 可实现对地图的 放大、 缩小、 平移等操作， 实时显示设备的当前位置， 箭头指向为设备的方位， 同时每间隔固定时间提示 到达目的地的距离与时间， 在前方路口转弯处可提 示左转、 右转。 5. 2百度地图导航 5. 2. 1地图显示与操作 导航系统的地图显示与操作界面如图 5 所示。 界面最左侧提供了显示控制控件， 点击控件或通过 鼠标的点击、 移动可实现地图的放大、 缩小、 平移功 能， 分别如图5 （a） 、 图5 （b） 和图5 （c） 所示。 5. 2. 2路径规划 导航系统的路径规划界面如图6所示， 分别提供 了二维地图、 卫星地图两种显示模式， 如图6 （a） 和图 6 （b） 所示。图中560、 680、 二破为排卸点， 2005、 1205 为装载点， 箭头为当前设备的定位点， 箭头方向为设 备的朝向， 开始点为设备的起始位置， 终点为设备的 目的地， 图中规划了从一号机修厂前往装载点2005 的导航路径。 5. 2. 3信息实时更新 导航设备的位置、 到达目的地的距离与时间、 路 口转向等信息会实时更新， 界面如图7所示。卡车从 一号机修厂前往装载点2005， 运行至中途某点， 箭头 为设备的当前位置， 到达装载点的距离为 7.22 km。 基于历史行车数据， 统计该车的平均速度为20 km/h， 预测该车到达装载点2005需耗时21.66 min。 金属矿山2020年第9期总第531期 188 6结论 （1） 将露天矿导航系统总体架构分为数据访问 层、 业务逻辑层、 接口层、 应用层4层， 接口层为应用 层与业务逻辑层之间的桥梁， 具有较强的通用性、 实 用性和扩展性。 （2） 基于Floyd算法、 路网匹配算法、 运行距离与 时间预测算法、 路口转向提示算法， 开发了导航路径 规划、 定位点修正与路段匹配、 到达目的地的运行距 离与行程时间预测、 路口转向提示等功能， 导航功能 全面、 实用、 可靠。 （3） 导航算法与应用有效分离， 通过接口实现有 效衔接， 既可实现自主独立运行， 用于卡车调度系统 终端； 也可兼容百度地图， 用于手机App导航， 通用性 钟小宇等 露天矿导航系统总体架构设计与关键技术研究2020年第9期 189 ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ ［20］ 和扩展性强。 参 考 文 献 孙效玉， 田凤亮， 张航， 等. 基于GPS数据的露天矿道路网自动 提取 ［J］ .煤炭学报， 2017， 42 （11） 3059-3064. 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