煤炭企業可視化管理圖元分類體系研究

譚章祿，李睿哲，王　力

(中國礦業大學(北京) 管理學院，北京 100083)

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煤炭企業可視化管理圖元分類體系研究

譚章祿，李睿哲，王力

(中國礦業大學(北京) 管理學院，北京 100083)

基于煤炭企業的可視化管理圖元分類體系研究，是當前可視化管理應用的潮流，但現階段仍欠缺對其分類的探討研究，對于其劃分方法、標準及理論體系皆有待形成。通過對煤炭企業圖元分類現狀的分析調研，及包含國標、行標等煤炭企業對象符號匯總的基礎上，依據層級劃分方法將其劃分為基本圖元分類體系與專業圖元分類體系。采用二維分類及拆分構建的方法，以煤炭企業專業分類作為自變量，點、線、面三種基類作為應變量進行統計劃分，構建共計四級分類的基本圖元分類體系。根據不同層級管理主體及對象對圖元展示需求的不同，運用面向對象的分類方法，將煤炭專業圖元分為面向基層員工及面向中高層管理者的圖元。此種分類方法及設計思路，為后續形成一套完備規范且統一的圖元分類體系有較多借鑒意義。

圖元；分類體系；可視化管理；煤炭企業

隨著信息化技術的發展，如何直觀地呈現對象及其關系等信息，已成為可視化管理的一種趨勢。對于煤炭企業而言，圖是一種用來直觀描述對象信息及其狀態的方法，圖元作為其構成的最小單位，是其重要的組成部分。而圖元分類體系的建立可以指導煤炭企業進行安全有效的可視化管理[1]，對各個管理對象采用標準化設計和展示，使界面圖像能夠形象、生動的模擬現場及設備運動狀態，便于管理人員及時了解煤炭企業運行管理狀況，并及時進行調整改進。

基于煤炭企業的可視化管理圖元體系研究，是可視化管理的研究重點，但現階段仍欠缺對其分類的探討，對于其劃分方法、標準及理論體系皆有待形成。本文針對此研究空白，運用獨特的視角，以面向對象的方法為指導，以完備性靈活性為約束條件，對煤礦企業現有圖元進行識別分類提取，并創新性的劃分為基本圖元與專業圖元體系，提供了對煤炭企業可視化管理圖元分類的新方式與設計思路，為后續研究內容的完善奠定了堅實的基礎。

1　相關概念

1.1可視化管理相關概念

可視化管理的研究首先根源于“可視化”的研究，是基于對管理所需信息進行可視化展示、可視化分析、可視化操作的處理，最終真正實現直觀化與可視化的管理[2]。在長期的管理活動中，人們逐步積累了初期可視化管理的實踐經驗，形成了如交通管理的圖文規則模式等簡單的可視化管理應用。

可視化管理可以促進工作人員了解自己在工作內容、工作環境、工作目標中存在的不足，管理者可了解企業生產管理中存在的問題[2]，對潛在問題進行綜合分析、預警、預測、預防、預控，從而達到對企業的完全掌控。

1.2圖元相關概念

圖元是煤炭企業信息形象化的語言，是構成圖形的最小單元，它用直觀的圖形或圖像方式來形象表達對象性質及內容。圖元通過自身各種設計組合及屬性的調整，可以實現各類可視化圖形的展現[3]，它是圖形軟件用于操作和組織畫面的最基本的素材。

圖元是圖元分類體系構建的基礎，根據煤炭企業管理的需求，在分類體系的基礎上，以一定的屬性和拼接規則為指導，產生出不同且具體的可視化方式。圖元分類體系的建立，對后續圖元屬性及其拼接的研究有著重要意義，圖元分類體系的完善，有利于煤炭企業工作現場標準化實現[4]，有利于煤炭企業可視化管理系統的完善，為其提高生產決策效率、減少安全事故奠定基礎。

2　煤炭企業圖元分類現狀分析

煤炭企業圖元及其分類體系直接影響著圖元屬性等特性的研究，其設計與建立對生產管理系統也有著重要的作用，以展示企業的經營狀況，為管理人員提供實時數據信息。國內外針對煤炭企業的特殊情況制定了部分國家或行業級別的礦圖符號標準，如《煤礦機械技術文件用圖形符號》，用于滿足井下生產管理需要，但由于其劃分標準不統一，所表達的含義也有所偏差?，F已制定出的圖標符號尚不完整，也未出現更廣泛、通用、完整、統一的圖元標準或圖元分類體系，需加以修改完善與補充。

就目前而言，部分圖形設計或制作軟件都是通用于各個行業，多數功能并不適用于煤炭企業的特殊狀況，專門針對煤炭行業開發的軟件甚少。Auto CAD雖有為煤炭企業制圖制定的系統，但由于煤炭企業特殊符號較多，Auto CAD處理較繁瑣，影響了繪圖的質量與效率[5]。因此，急需根據相關規程與規范，制定一套統一的煤炭企業專用的圖元分類體系，實現圖元符號的統一化、標準化、完整化，從而使各軟件平臺、各用戶之間圖元符號達到通用、完整與共享。

3　煤炭企業對象符號匯總

煤炭企業管理實踐中，可視化圖元分類體系的發展有跡可循，采礦、通風、機電、地質、安全監控等專業都擁有自身業務范圍內的符號及圖件，形成了諸如基于CAD軟件、GIS系統的礦井管理符號及圖形，為可視化圖元分類體系的建立提供了借鑒。

煤炭企業管理的對象符號包括機電、設備、地質、安全管理、通風、防塵等專業內容的具體符號，這為圖元分類體系的研究奠定了基礎。當前，關于煤炭企業符號的規制包括國家標準、安全生產標準、煤炭行業標準、其他煤炭企業標準等，分別有：《煤炭礦井制圖標準》(GB-T 50593-2010)、《煤炭機械技術文件用符號》(GB/T 18024.1-18024.7-2000)、《綜合工程地質圖例及色標》(GB-T 12328-90)、《圖形符號表示規則總則》(GB-T 16900-2008)、《礦用產品安全標志標識》(AQ1043-2007)、《煤礦井下安全標志》(AQ1017-2005)、《煤礦井下安全標志》(MT 108-85)、《礦山安全標志》(GB 14161-2008)、《礦山安全標志技術條件和試驗方法》(AQ2014-2008)、《煤礦地質測量圖例》、《煤礦測量規程》等。本文研究不僅在以上所提及的國家行業等標準的基礎上進行探討，還參照了神華集團有限責任公司于2012年自主研發的《煤礦礦圖》(Q/SHJ0035.3-2012)系統。在以上資料的基礎上，分別對其符號庫進行了基本圖元的提取與分類統計工作，按照井上與井下部分進行標準劃分。井下部分分為：煤炭五大生產系統(采掘、機電、運輸、通風、壓氣與排水系統)、安全避險類、地測類三大類；井上部分包括露天類一大類，其中包括界線、剝采排、機械設備、供電、防排水、爆破等六類，共計四大類，十六小類專業類別。

4　煤炭企業圖元分類體系研究

圖元的分類對于整套可視化圖元體系的設計難度和復雜性都有著直接的影響。它是圖元體系的組織基礎，因此成為在研究中需謹慎考慮的問題之一。[6]。本文對圖元分類體系的研究，將其分為兩個層面，分別為煤炭企業基本圖元分類體系(包括點基類、線基類、面基類)與專業圖元分類體系，在專業圖元分類體系中，又可根據面向管理對象的不同劃分不同的圖元。同時，在后續對圖元設計研究中增加自定義圖元及其使用等功能。

4.1煤炭企業基本圖元分類體系

一個對象是某一類的實例。不同的物體可能有相同的特征，把一類對象的共性抽象出來，即具有同樣屬性和方法集的所有對象構成了一個對象類(簡稱類)[7]。在類與對象關系的指導下，筆者將圖元的共性提煉出來，作為基本圖元的通用類，具體的圖元對象作為其繼承子類。在此研究的煤礦基本圖元，是提供礦井各種圖形制作的輔助過程，是煤炭企業專業圖元的基礎。

4.1.1研究對象

按照上文所述煤炭企業所用符號的規制包括國標、行標、其他煤炭企業標準進行了匯總統計，尤其以《煤炭礦井制圖標準》、《煤炭機械技術文件用圖形符號》及神華集團的《煤礦礦圖》為依據，在綜合AutoCAD、OpenGL等相關圖形庫的基礎上對其進行了劃分，最終選擇以點、線、面三種符號類型作為基本圖元分類的一級標準。在煤炭企業中常用的圖元包括圓形、圓弧、矩形、三角形、折線、曲線等具有代表性特征的圖形符號，以及與行業相關的特殊符號和配套注記符號，將其作為分類的二級標準。

在圖1所示的圖元分類體系圖中，統計的對象依據是按照煤炭采掘類、機電類、運輸類、壓氣及排水類、一通三防、安全類、露天這七大類為自變量，以點、線、面三種基類(一級類別)作為應變量，對其進行統計匯總。

4.1.2研究原則及體系構建

符號拆分原則為：每一符號都是由具有確定意義的基本圖元(如圓、正方形、長方形、三角形、菱形、不規則圖形等)相互空間關系及疊加等關系構成的，有時也會由一些專業符號(如地線、二極管、開關等)與基本圖元組成新的符號，如圖2(a)所示的單滾筒采煤機，將其拆分并記為實線+圓形+矩形組成。

由此將上述國標、行標等符號拆分總結得出：點基類符號共有五種，即圓的幾何變化形式及圓點，指的是不能依地圖比例尺表示的小面積地物和點狀地物的圖元[8]，包括圓與圓點兩類二級分類，圓又包括普通圓、半圓、橢圓三級分類，在普通圓中又分為圓與弧四級分類。線基類指的是長度在圖上依比例表示，而寬度在圖上不依比例表示的，用于描述呈線狀分布的元素[8]。包括直線、斜線、曲線、折線、點劃線、射線六類二級分類。面基類是由點基類與線基類兩部分疊加組合而成的，指在圖上各方向都能依比例尺表示的元素，用作面狀地物的填充模式[9]。包括圖形、注記、特殊符號三類二級分類，其中圖形又包括三角形、四邊形、多邊形、其他四類三級分類，在四邊形中又分為菱形、矩形等四級分類；注記又分為字母、數字、文字、其他符號四類三級分類；特殊符號包括字母型、專業型、其他符號三級分類。共計三類一級分類，十一類二級分類，十四類三級分類，十一類四級分類。具體分類見圖1。

圖1　煤炭企業基本圖元分類體系結構圖

4.1.3研究標準及匯總

圖2　采煤機圖

在確定了基本圖元分類體系后，依據分類結果及與之對應的具體特征進行圖元拆分統計。拆分標準為：在每一個符號或圖例中即使出現多次的基本圖元，都被記為一次。例如：圖2(a)是單滾筒采煤機的示圖，記其由一條實線+一個圓形+一個矩形組成；圖2(b)雙滾筒采煤機中，其圓形出現了兩次，但在統計之中，仍將其記錄為一次，即其仍由一條實線+一個圓形+一個矩形組成。按此標準，筆者將上文提及的煤炭多個國家標準、行業標準，共計741個符號，以及神華集團及自主研發的總計129個符號，總計870個符號進行了拆分與統計后得出，點基類在這些符號中出現共計265次，線基類共計482次，面基類共計411次，特殊符號類共計123次，注記類共計89次，總計出現個數為1370。

在研究中發現，有部分圖元在現有的統計中尚未出現，后期可添加或完善，如在線基類中可增加雙點化線、復合線型(指的是嵌入了型和文字的線型)等；在面基類中可增加圓邊矩形、圓邊正方形等圖元進行補充。圖3、圖4、圖5分別是各基類按專業分類對比圖。

圖3　點基類分類統計圖

圖4　線基類分類統計圖

圖5　面基類分類統計

4.2煤炭企業專業圖元分類體系

對煤炭企業而言，不同層級的管理者對可視化圖元展示的需求不同，針對各層級人員的不同需要，按照面向各級管理對象的分類方法，將煤炭專業圖元分別分為面向基層員工及面向中高層管理者的圖元。在研究此專業圖元中，將圖元定義為更為廣泛的意義，即從不同層次員工的信息可視化角度進行分析，將圖元的概念擴大為依據煤炭企業管理的需求，結合了基本圖元拼接組合成的圖形、圖像等，以此表現具體且詳細的某項管理狀態，如環境監測數據表、因果圖等。

具體而言，對于井下員工及基礎操作人員，應進行看板管理，進一步規范員工在工作現場的操作，避免安全事故的發生。從看板管理的角度出發，分八大類對專業圖元進行了研究分析，其中在安全避險類圖元中，從警示、禁止等原則的角度出發劃分出圖元；對于中層管理人員，他們需要具有較強的分析判斷能力，并作為橋梁協調好上下級之間的關系，因此對于事件分析的需求更加強烈；對于礦長及其他領導班子成員而言，他們對于事件的綜合把握、重點分析總結的需求更強烈，而且工作壓力大，工作量多，事情繁雜，因此可通過圖表、圖形等二三維模擬等方式向其進行可視化表達和信息闡述，不僅可節省不必要的時間浪費，還可從更宏觀的角度把握員工動態及各事務的運行狀態。圖7是煤炭企業專業圖元分類體系圖。

4.2.1面向員工專業圖元

面向員工的圖元，他們要遵守和掌握本職崗位的作業標準、操作規范、安全規章等，為了提高其安全意識，通常要在工作現場定制一個標準，增加指令、提示標志等，使員工的工作效率提高，減少失誤率。尤其是對于井下采礦工人，他們的重點是在現場豎立起禁止、警告等標識牌，并做好危險源、逃生路線等井下安全標志的標識[10]。其中，采掘類、機電類、地測類、運輸類、一通三防類、壓氣及排水類、露天類七類圖元的具體圖元形式可參照上文所述的國標與行標，例如鉆井機、風門等圖元符號。而安全避險類中的圖元從禁止、警告、指令、指示的角度進行了劃分，其通過不同的顏色與底邊進行區分，對于顏色與文字等屬性將在后續屬性的研究中詳細闡述。其中，禁止標志是禁止或制止人們的某種不安全行為，如在煤礦井口及井下設置禁帶煙火的標志；警告標志是警告人們注意可能發生的危險的標志，如在盲巷口、瓦斯抽放地帶設置當心瓦斯的標志；指令標志是指示人們必須遵守某種規定的標志，如在如井口等地指明必須攜帶礦燈；提示、路牌、指示牌等標志是告訴人們目標方向、地點等信息的標志，如在井下采取安全出口路線上及改變方向處提示緊急出口的地點與方向。

圖6　按專業統計圖

圖7　煤炭企業專業圖元分類體系

4.2.2面向管理者專業圖元

在研究專業圖元中，可以通過圖元位置、大小、色彩、形式的變化表達不同的圖形與圖像，并通過圖形清晰度透明度進行突出表達。在面向煤礦中、高層領導管理者的圖元，看板管理僅占極小的一部分，可視化圖元的表達才是效率最高、最有效的運用方法，使信息和知識以最佳方式呈現，提高信息被感知、注意、識別和理解的敏感度。其中，圖表、二維、三維甚至是多維圖形、虛擬現實更是管理人員從海量數據中取得有用信息的重要方法。例如：趨勢外推方法(線性、指數、包絡分析等)，各類分析模型，柱狀圖、折線圖(散點圖)、餅圖等最為常用，除此之外，氣泡圖、等值線圖、走勢圖、維恩圖、熱力圖、雷達圖、魚骨刺圖等方式也較多。管理者根據自身需求，利用二、三維圖形、組態圖、圖表等可視化圖元的展示方式，隨機對其關注對象進行分析，并最終顯示在管理者的界面上。

下文以柱狀圖的圖元展示方式簡單介紹面向煤炭企業管理人員的圖元。如圖8所示歷史報警分析及預測圖形界面，管理人員通過該圖形展示即可統計整個礦井報警數、某區域報警數，不僅僅可以分析出哪個月的報警數較多，還可以預測出下一月的數目，以便做好準備，防患于未然，無需面對大量的數據及信息進行查驗，有利于管理者決策分析。

圖9　歷史報警分析及預測分析圖形界面

5　總結與展望

本文從煤炭企業圖元分類的研究現狀出發，對其進行了研究探討，并以期初步形成一套較完整的煤炭可視化管理圖元分類體系?；谀壳叭鄙僖惶捉y一、完整、標準化的煤炭企業專用的圖元分類體系的現狀，首先對包括國家、行業、安全生產、煤炭企業等標準中所涉及的對象符號進行了識別分類及提取，在對其統計分析的基礎上，劃分了面向對象的煤炭企業基本圖元與專業圖元。其中基本圖元按照矩形分類與拆分構建的方法，以點基類、線基類、面基類作為一級類別，由此劃分出若干二、三、四級分類類別。對于專業圖元的研究，按照面向各級管理對象的分類方法，針對各層級人員的不同需要，將其分為面向基層員工及面向中高層管理者的圖元，以保持與其對象認知能力的一致性。

可視化管理離不開對圖元的研究與發展，圖元為可視化展示與數據可視化奠定了基礎，可視化圖元分類體系的研究，可保證工作現場的標準化一致化，及管理人員對整個管理過程的分析預測及控制，從而提高工作及管理效率。本文對圖元的分類尚處于初步階段，對煤炭企業中各管理對象的各個屬性單元采用的圖元設計，以及設備、人員、材料統一的操作模式仍在研究中，力圖通過組態和圖像技術，使界面圖像能夠形象、生動的模擬現場、設備的運動狀態，并在圖元中即時顯示相關屬性數據，實現圖像和數據的交互等功能。隨著技術與理論的不斷發展，煤炭企業圖元分類體系將會不斷完善，開發制定出完整有效的標準規范，具有預見性，完整性，統一性及可操作性，使企業的各層人員都可根據工作需要選擇合適且有效的表達方式，為今后的可視化發展奠定良好基石。

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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

國家自然科學基金項目“基于數據挖掘的煤礦安全可視化管理模型及圖元體系研究”資助(編號：61471362)

譚章祿(1962-)，男，教授、博士生導師、博士后，研究方向為管理科學與工程、軟件工程、智能管理等。

李睿哲(1989-)，女，漢族，山東淄博人，博士研究生，攻讀中國礦業大學(北京)管理科學與工程專業，主要從事可視化研究工作。E-mail:sdzblrz@126.com。

F273

A

1004-4051(2016)08-017-05