煤炭企业可视化管理图元分类体系研究

谭章禄，李睿哲，王　力

(中国矿业大学(北京) 管理学院，北京 100083)



煤炭企业可视化管理图元分类体系研究

谭章禄，李睿哲，王力

(中国矿业大学(北京) 管理学院，北京 100083)

基于煤炭企业的可视化管理图元分类体系研究，是当前可视化管理应用的潮流，但现阶段仍欠缺对其分类的探讨研究，对于其划分方法、标准及理论体系皆有待形成。通过对煤炭企业图元分类现状的分析调研，及包含国标、行标等煤炭企业对象符号汇总的基础上，依据层级划分方法将其划分为基本图元分类体系与专业图元分类体系。采用二维分类及拆分构建的方法，以煤炭企业专业分类作为自变量，点、线、面三种基类作为应变量进行统计划分，构建共计四级分类的基本图元分类体系。根据不同层级管理主体及对象对图元展示需求的不同，运用面向对象的分类方法，将煤炭专业图元分为面向基层员工及面向中高层管理者的图元。此种分类方法及设计思路，为后续形成一套完备规范且统一的图元分类体系有较多借鉴意义。

图元；分类体系；可视化管理；煤炭企业

随着信息化技术的发展，如何直观地呈现对象及其关系等信息，已成为可视化管理的一种趋势。对于煤炭企业而言，图是一种用来直观描述对象信息及其状态的方法，图元作为其构成的最小单位，是其重要的组成部分。而图元分类体系的建立可以指导煤炭企业进行安全有效的可视化管理[1]，对各个管理对象采用标准化设计和展示，使界面图像能够形象、生动的模拟现场及设备运动状态，便于管理人员及时了解煤炭企业运行管理状况，并及时进行调整改进。

基于煤炭企业的可视化管理图元体系研究，是可视化管理的研究重点，但现阶段仍欠缺对其分类的探讨，对于其划分方法、标准及理论体系皆有待形成。本文针对此研究空白，运用独特的视角，以面向对象的方法为指导，以完备性灵活性为约束条件，对煤矿企业现有图元进行识别分类提取，并创新性的划分为基本图元与专业图元体系，提供了对煤炭企业可视化管理图元分类的新方式与设计思路，为后续研究内容的完善奠定了坚实的基础。

1　相关概念

1.1可视化管理相关概念

可视化管理的研究首先根源于“可视化”的研究，是基于对管理所需信息进行可视化展示、可视化分析、可视化操作的处理，最终真正实现直观化与可视化的管理[2]。在长期的管理活动中，人们逐步积累了初期可视化管理的实践经验，形成了如交通管理的图文规则模式等简单的可视化管理应用。

可视化管理可以促进工作人员了解自己在工作内容、工作环境、工作目标中存在的不足，管理者可了解企业生产管理中存在的问题[2]，对潜在问题进行综合分析、预警、预测、预防、预控，从而达到对企业的完全掌控。

1.2图元相关概念

图元是煤炭企业信息形象化的语言，是构成图形的最小单元，它用直观的图形或图像方式来形象表达对象性质及内容。图元通过自身各种设计组合及属性的调整，可以实现各类可视化图形的展现[3]，它是图形软件用于操作和组织画面的最基本的素材。

图元是图元分类体系构建的基础，根据煤炭企业管理的需求，在分类体系的基础上，以一定的属性和拼接规则为指导，产生出不同且具体的可视化方式。图元分类体系的建立，对后续图元属性及其拼接的研究有着重要意义，图元分类体系的完善，有利于煤炭企业工作现场标准化实现[4]，有利于煤炭企业可视化管理系统的完善，为其提高生产决策效率、减少安全事故奠定基础。

2　煤炭企业图元分类现状分析

煤炭企业图元及其分类体系直接影响着图元属性等特性的研究，其设计与建立对生产管理系统也有着重要的作用，以展示企业的经营状况，为管理人员提供实时数据信息。国内外针对煤炭企业的特殊情况制定了部分国家或行业级别的矿图符号标准，如《煤矿机械技术文件用图形符号》，用于满足井下生产管理需要，但由于其划分标准不统一，所表达的含义也有所偏差。现已制定出的图标符号尚不完整，也未出现更广泛、通用、完整、统一的图元标准或图元分类体系，需加以修改完善与补充。

就目前而言，部分图形设计或制作软件都是通用于各个行业，多数功能并不适用于煤炭企业的特殊状况，专门针对煤炭行业开发的软件甚少。Auto CAD虽有为煤炭企业制图制定的系统，但由于煤炭企业特殊符号较多，Auto CAD处理较繁琐，影响了绘图的质量与效率[5]。因此，急需根据相关规程与规范，制定一套统一的煤炭企业专用的图元分类体系，实现图元符号的统一化、标准化、完整化，从而使各软件平台、各用户之间图元符号达到通用、完整与共享。

3　煤炭企业对象符号汇总

煤炭企业管理实践中，可视化图元分类体系的发展有迹可循，采矿、通风、机电、地质、安全监控等专业都拥有自身业务范围内的符号及图件，形成了诸如基于CAD软件、GIS系统的矿井管理符号及图形，为可视化图元分类体系的建立提供了借鉴。

煤炭企业管理的对象符号包括机电、设备、地质、安全管理、通风、防尘等专业内容的具体符号，这为图元分类体系的研究奠定了基础。当前，关于煤炭企业符号的规制包括国家标准、安全生产标准、煤炭行业标准、其他煤炭企业标准等，分别有：《煤炭矿井制图标准》(GB-T 50593-2010)、《煤炭机械技术文件用符号》(GB/T 18024.1-18024.7-2000)、《综合工程地质图例及色标》(GB-T 12328-90)、《图形符号表示规则总则》(GB-T 16900-2008)、《矿用产品安全标志标识》(AQ1043-2007)、《煤矿井下安全标志》(AQ1017-2005)、《煤矿井下安全标志》(MT 108-85)、《矿山安全标志》(GB 14161-2008)、《矿山安全标志技术条件和试验方法》(AQ2014-2008)、《煤矿地质测量图例》、《煤矿测量规程》等。本文研究不仅在以上所提及的国家行业等标准的基础上进行探讨，还参照了神华集团有限责任公司于2012年自主研发的《煤矿矿图》(Q/SHJ0035.3-2012)系统。在以上资料的基础上，分别对其符号库进行了基本图元的提取与分类统计工作，按照井上与井下部分进行标准划分。井下部分分为：煤炭五大生产系统(采掘、机电、运输、通风、压气与排水系统)、安全避险类、地测类三大类；井上部分包括露天类一大类，其中包括界线、剥采排、机械设备、供电、防排水、爆破等六类，共计四大类，十六小类专业类别。

4　煤炭企业图元分类体系研究

图元的分类对于整套可视化图元体系的设计难度和复杂性都有着直接的影响。它是图元体系的组织基础，因此成为在研究中需谨慎考虑的问题之一。[6]。本文对图元分类体系的研究，将其分为两个层面，分别为煤炭企业基本图元分类体系(包括点基类、线基类、面基类)与专业图元分类体系，在专业图元分类体系中，又可根据面向管理对象的不同划分不同的图元。同时，在后续对图元设计研究中增加自定义图元及其使用等功能。

4.1煤炭企业基本图元分类体系

一个对象是某一类的实例。不同的物体可能有相同的特征，把一类对象的共性抽象出来，即具有同样属性和方法集的所有对象构成了一个对象类(简称类)[7]。在类与对象关系的指导下，笔者将图元的共性提炼出来，作为基本图元的通用类，具体的图元对象作为其继承子类。在此研究的煤矿基本图元，是提供矿井各种图形制作的辅助过程，是煤炭企业专业图元的基础。

4.1.1研究对象

按照上文所述煤炭企业所用符号的规制包括国标、行标、其他煤炭企业标准进行了汇总统计，尤其以《煤炭矿井制图标准》、《煤炭机械技术文件用图形符号》及神华集团的《煤矿矿图》为依据，在综合AutoCAD、OpenGL等相关图形库的基础上对其进行了划分，最终选择以点、线、面三种符号类型作为基本图元分类的一级标准。在煤炭企业中常用的图元包括圆形、圆弧、矩形、三角形、折线、曲线等具有代表性特征的图形符号，以及与行业相关的特殊符号和配套注记符号，将其作为分类的二级标准。

在图1所示的图元分类体系图中，统计的对象依据是按照煤炭采掘类、机电类、运输类、压气及排水类、一通三防、安全类、露天这七大类为自变量，以点、线、面三种基类(一级类别)作为应变量，对其进行统计汇总。

4.1.2研究原则及体系构建

符号拆分原则为：每一符号都是由具有确定意义的基本图元(如圆、正方形、长方形、三角形、菱形、不规则图形等)相互空间关系及叠加等关系构成的，有时也会由一些专业符号(如地线、二极管、开关等)与基本图元组成新的符号，如图2(a)所示的单滚筒采煤机，将其拆分并记为实线+圆形+矩形组成。

由此将上述国标、行标等符号拆分总结得出：点基类符号共有五种，即圆的几何变化形式及圆点，指的是不能依地图比例尺表示的小面积地物和点状地物的图元[8]，包括圆与圆点两类二级分类，圆又包括普通圆、半圆、椭圆三级分类，在普通圆中又分为圆与弧四级分类。线基类指的是长度在图上依比例表示，而宽度在图上不依比例表示的，用于描述呈线状分布的元素[8]。包括直线、斜线、曲线、折线、点划线、射线六类二级分类。面基类是由点基类与线基类两部分叠加组合而成的，指在图上各方向都能依比例尺表示的元素，用作面状地物的填充模式[9]。包括图形、注记、特殊符号三类二级分类，其中图形又包括三角形、四边形、多边形、其他四类三级分类，在四边形中又分为菱形、矩形等四级分类；注记又分为字母、数字、文字、其他符号四类三级分类；特殊符号包括字母型、专业型、其他符号三级分类。共计三类一级分类，十一类二级分类，十四类三级分类，十一类四级分类。具体分类见图1。

图1　煤炭企业基本图元分类体系结构图

4.1.3研究标准及汇总

图2　采煤机图

在确定了基本图元分类体系后，依据分类结果及与之对应的具体特征进行图元拆分统计。拆分标准为：在每一个符号或图例中即使出现多次的基本图元，都被记为一次。例如：图2(a)是单滚筒采煤机的示图，记其由一条实线+一个圆形+一个矩形组成；图2(b)双滚筒采煤机中，其圆形出现了两次，但在统计之中，仍将其记录为一次，即其仍由一条实线+一个圆形+一个矩形组成。按此标准，笔者将上文提及的煤炭多个国家标准、行业标准，共计741个符号，以及神华集团及自主研发的总计129个符号，总计870个符号进行了拆分与统计后得出，点基类在这些符号中出现共计265次，线基类共计482次，面基类共计411次，特殊符号类共计123次，注记类共计89次，总计出现个数为1370。

在研究中发现，有部分图元在现有的统计中尚未出现，后期可添加或完善，如在线基类中可增加双点化线、复合线型(指的是嵌入了型和文字的线型)等；在面基类中可增加圆边矩形、圆边正方形等图元进行补充。图3、图4、图5分别是各基类按专业分类对比图。

图3　点基类分类统计图

图4　线基类分类统计图

图5　面基类分类统计

4.2煤炭企业专业图元分类体系

对煤炭企业而言，不同层级的管理者对可视化图元展示的需求不同，针对各层级人员的不同需要，按照面向各级管理对象的分类方法，将煤炭专业图元分别分为面向基层员工及面向中高层管理者的图元。在研究此专业图元中，将图元定义为更为广泛的意义，即从不同层次员工的信息可视化角度进行分析，将图元的概念扩大为依据煤炭企业管理的需求，结合了基本图元拼接组合成的图形、图像等，以此表现具体且详细的某项管理状态，如环境监测数据表、因果图等。

具体而言，对于井下员工及基础操作人员，应进行看板管理，进一步规范员工在工作现场的操作，避免安全事故的发生。从看板管理的角度出发，分八大类对专业图元进行了研究分析，其中在安全避险类图元中，从警示、禁止等原则的角度出发划分出图元；对于中层管理人员，他们需要具有较强的分析判断能力，并作为桥梁协调好上下级之间的关系，因此对于事件分析的需求更加强烈；对于矿长及其他领导班子成员而言，他们对于事件的综合把握、重点分析总结的需求更强烈，而且工作压力大，工作量多，事情繁杂，因此可通过图表、图形等二三维模拟等方式向其进行可视化表达和信息阐述，不仅可节省不必要的时间浪费，还可从更宏观的角度把握员工动态及各事务的运行状态。图7是煤炭企业专业图元分类体系图。

4.2.1面向员工专业图元

面向员工的图元，他们要遵守和掌握本职岗位的作业标准、操作规范、安全规章等，为了提高其安全意识，通常要在工作现场定制一个标准，增加指令、提示标志等，使员工的工作效率提高，减少失误率。尤其是对于井下采矿工人，他们的重点是在现场竖立起禁止、警告等标识牌，并做好危险源、逃生路线等井下安全标志的标识[10]。其中，采掘类、机电类、地测类、运输类、一通三防类、压气及排水类、露天类七类图元的具体图元形式可参照上文所述的国标与行标，例如钻井机、风门等图元符号。而安全避险类中的图元从禁止、警告、指令、指示的角度进行了划分，其通过不同的颜色与底边进行区分，对于颜色与文字等属性将在后续属性的研究中详细阐述。其中，禁止标志是禁止或制止人们的某种不安全行为，如在煤矿井口及井下设置禁带烟火的标志；警告标志是警告人们注意可能发生的危险的标志，如在盲巷口、瓦斯抽放地带设置当心瓦斯的标志；指令标志是指示人们必须遵守某种规定的标志，如在如井口等地指明必须携带矿灯；提示、路牌、指示牌等标志是告诉人们目标方向、地点等信息的标志，如在井下采取安全出口路线上及改变方向处提示紧急出口的地点与方向。

图6　按专业统计图

图7　煤炭企业专业图元分类体系

4.2.2面向管理者专业图元

在研究专业图元中，可以通过图元位置、大小、色彩、形式的变化表达不同的图形与图像，并通过图形清晰度透明度进行突出表达。在面向煤矿中、高层领导管理者的图元，看板管理仅占极小的一部分，可视化图元的表达才是效率最高、最有效的运用方法，使信息和知识以最佳方式呈现，提高信息被感知、注意、识别和理解的敏感度。其中，图表、二维、三维甚至是多维图形、虚拟现实更是管理人员从海量数据中取得有用信息的重要方法。例如：趋势外推方法(线性、指数、包络分析等)，各类分析模型，柱状图、折线图(散点图)、饼图等最为常用，除此之外，气泡图、等值线图、走势图、维恩图、热力图、雷达图、鱼骨刺图等方式也较多。管理者根据自身需求，利用二、三维图形、组态图、图表等可视化图元的展示方式，随机对其关注对象进行分析，并最终显示在管理者的界面上。

下文以柱状图的图元展示方式简单介绍面向煤炭企业管理人员的图元。如图8所示历史报警分析及预测图形界面，管理人员通过该图形展示即可统计整个矿井报警数、某区域报警数，不仅仅可以分析出哪个月的报警数较多，还可以预测出下一月的数目，以便做好准备，防患于未然，无需面对大量的数据及信息进行查验，有利于管理者决策分析。

图9　历史报警分析及预测分析图形界面

5　总结与展望

本文从煤炭企业图元分类的研究现状出发，对其进行了研究探讨，并以期初步形成一套较完整的煤炭可视化管理图元分类体系。基于目前缺少一套统一、完整、标准化的煤炭企业专用的图元分类体系的现状，首先对包括国家、行业、安全生产、煤炭企业等标准中所涉及的对象符号进行了识别分类及提取，在对其统计分析的基础上，划分了面向对象的煤炭企业基本图元与专业图元。其中基本图元按照矩形分类与拆分构建的方法，以点基类、线基类、面基类作为一级类别，由此划分出若干二、三、四级分类类别。对于专业图元的研究，按照面向各级管理对象的分类方法，针对各层级人员的不同需要，将其分为面向基层员工及面向中高层管理者的图元，以保持与其对象认知能力的一致性。

可视化管理离不开对图元的研究与发展，图元为可视化展示与数据可视化奠定了基础，可视化图元分类体系的研究，可保证工作现场的标准化一致化，及管理人员对整个管理过程的分析预测及控制，从而提高工作及管理效率。本文对图元的分类尚处于初步阶段，对煤炭企业中各管理对象的各个属性单元采用的图元设计，以及设备、人员、材料统一的操作模式仍在研究中，力图通过组态和图像技术，使界面图像能够形象、生动的模拟现场、设备的运动状态，并在图元中即时显示相关属性数据，实现图像和数据的交互等功能。随着技术与理论的不断发展，煤炭企业图元分类体系将会不断完善，开发制定出完整有效的标准规范，具有预见性，完整性，统一性及可操作性，使企业的各层人员都可根据工作需要选择合适且有效的表达方式，为今后的可视化发展奠定良好基石。

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Research into the primitive classification system of the visual management of coal enterprise

TAN Zhang-lu，LI Rui-zhe，WANG Li

(School of Management，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Based on entity classification system of visual management research has been the focus of research on the application of visual management in coal enterprises.However，the achievements on it is a few for that the classification methods，standards of classification the theoretical system have not been formed yet.Through investigating and analyzing the status，and summarizing the objects of today's coal enterprises which include those in national and industrial standard，this thesis try to build the system in two level：basic entity classification system and professional entity classification system.The four-level basic entity classification system is formed by the way that：taking the professional classification of coal enterprises as the independent variable and the basic classification of “point，line and surface” as the dependent variable to split and analyze.The professional system divides it for the grass-roots staff and for the middle and high managers according to their different demand on the entity though the object-oriented classification method.May this kind of classification method and model of design thought do some guidance and reference significance for the further research on building a rounded classification system.

primitive；classification system；visual management；coal enterprise

2016-01-18

国家自然科学基金项目“基于数据挖掘的煤矿安全可视化管理模型及图元体系研究”资助(编号：61471362)

谭章禄(1962-)，男，教授、博士生导师、博士后，研究方向为管理科学与工程、软件工程、智能管理等。

李睿哲(1989-)，女，汉族，山东淄博人，博士研究生，攻读中国矿业大学(北京)管理科学与工程专业，主要从事可视化研究工作。E-mail:sdzblrz@126.com。

F273

A

1004-4051(2016)08-017-05