基于E-R模型的机动管线虚拟场景概念建模

全　琪，雍歧卫，刘　洲，聂　桐

(解放军后勤工程学院 供油系，重庆　401311)



基于E-R模型的机动管线虚拟场景概念建模

全琪，雍歧卫，刘洲，聂桐

(解放军后勤工程学院 供油系，重庆401311)

摘要：概念建模对机动管线虚拟场景的建立具有指导意义，通过对机动管线虚拟场景对象实体、三维关系进行详细分析，理清各层次的结构关系，实现了虚拟场景的总体设计，基于E-R模型的管线装备概念模型，最终完成了机动管线虚拟场景整体的概念建模工作，为接下来机动管线虚拟场景的实际建模工作顺利开展奠定基础。

关键词：E-R模型；机动管线；虚拟场景；概念建模

Citation format:QUAN Qi, YONG Qi-wei, LIU Zhou, et al.Conceptual Modeling of Virtual Scene of Mobile Pipeline Based on E-R Model[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):67-70.

机动管线是现代战争中战役、战术后方不可缺少的油料保障力量，具有铺设、撤收迅速、运量大、损耗少、便于机动转移等特点[1-2]。管线装备是我军战时前送大量散装油料最高效、最可靠的方式，具有其他油料运输方式不可比拟的地位和作用，是确保部队油料保障任务顺利完成的中坚力量。机动管线通常铺设于野外，一般需要穿跨越山地、湖泊等复杂地域，线路走向曲折多变，系统构成错综复杂，使得管理人员和指挥人员无法通过传统管线图准确把握全局，有效进行管线的铺设、管理和指挥，因此必须采用科学的方法和手段对管线线路进行管理和指挥，确保在战时充分发挥机动管线的保障效能[3]。然而构建机动管线虚拟环境过程中牵涉管线装备数量类型较多，空间关系复杂，直接构建虚拟场景将使得建模工作杂乱无章。针对这一问题，本文采用基于E-R模型的机动管线虚拟场景概念模型构建方法，充分利用E-R模型在概念场景建模方面的优势，分析场景中包含的要素，给出了机动管线概念层次结构图的设计，描述了各类要素间的架构关系，最后依次建立了管线装备概念模型和场景概念模型，作为机动管线虚拟场景设计的参照。

1概念模型

1.1三维概念建模

概念模型是指为了实现某一应用目的，采用比较通用的语法和语义环境，对我们所认知的真实世界事物进行抽象和简化后形成的系统设计参照物[4-5]。概念模型在各个行业领域都得到了广泛研究[6-9]和应用[10-13]。赵新灿、卢朝阳等[7-8]以现有概念模型研究为参考，借助本体论方法，构建了概念建模框架，给出了场景的静态建模和动态交互的概念建模方法，并以化学实验平台虚拟场景为例进行了概念模型设计和方法验证；胡斌[9]利用概念模型描述了军事场景中的一些普遍问题，提出了军事建模的原则和相应的方法，以期提高建模品质，使模型能够指导建立较为真实的虚拟战场，模拟战争进行；曹晓东[11]针对陆军分队战斗对战场环境仿真的基本要求，分析了战场环境模型中的环境要素及分类，研究了各类要素对陆军分队作战的影响，给出了一种包含多种要素的战场环境概念模型构建方法。杜幸洋 、朱军等[12-13]利用概念模型指导高速铁路虚拟场景建模，有效解决了复杂场景建模的相关问题，实现了高速铁路虚拟场景的构建。

综上所述，在虚拟场景设计阶段引入概念模型，能够使建模工作者更容易在宏观上理解整个场景的组织结构，提高建模效率。机动管线是一个庞大的系统，包含的实体种类多，实体关系复杂多样，使用概念模型作为指导，能够更好地适应虚拟场景的建模需要。

1.2E-R模型

E-R模型由P.P.S.Chen于1976年提出，基本思想是设计一个概念模型，从现实世界抽离实体与实体关系，抽象出一种不依赖于具体的操作系统、存取方法、存储组织和效率的信息结构[14]，用以指导虚拟场景的构建。E-R模型采用图形的描述方式，包含3个要素：实体、属性和关系。将各要素的名称分别标记在各自的图元符号框内，并以直线相连，最终形成的E-R概念模型图如图1所示。

图1　E-R概念模型

2机动管线虚拟场景要素分析

2.1对象实体分析

实体是对客观世界各类事物的抽象。机动管线虚拟场景中的实体可分为地形实体和地物实体两大类别，管线装备实体属于地物实体类别。

属性是实体的特征、特性或性质，可以分为标识属性、状态属性、可感知属性、效能属性[3]。标识属性提供能代表实体并区别于其他实体的标识性信息，如装备类型、装备编号、从属信息等；状态属性是对管线装备状态的抽象描述；可感知属性描述管线实体呈现出的外部特征；效能属性表征管线实体所具备的预期保障能力。

机动管线所处环境复杂，但其相关的场景概念、三维结构、实体模型和关联信息比较固定，根据对机动管线的军事需求和工程需求的描述可逐步抽取相对独立的实体对象。具有相同结构特点和属性信息的场景实体可归为同一类别，并通过对实体的统一命名及对其属性名集合来抽象和描述，如长管。

2.2三维关系分析

场景的正确表达是基于实体有序连接来实现的。三维实体关系分析可以清晰的表述实体方位，对三维场景实体之间的空间位置、几何操作和三维约束等进行细致的描述，使建模人员全面了解场景结构。场景中的三维实体关系可分为以下几类：

1) 实体空间位置。在三维场景中,实体空间位置可以由全局坐标系(x,y,z)表示，也可以根据需要定义相对坐标系来表示。机动管线的铺设依据管线线路数据进行，每一个实体模型的空间位置都与线路数据紧密相关，以线路数据为基准，即可实现对机动管线各类实体空间位置的确定。

2) 空间姿态关系。空间姿态描述了实体本身的空间信息，主要包括实体的朝向和旋转关系。空间姿态的确定对场景建立具有重要意义，通常在获得确切实体空间位置之后，再根据具体的需求进行空间角度的调整，以符合实体在真实场景中的表达要求。

3) 实体组合关系。组合关系是指实体之间进行组合的结构关系，是多个实体构成场景整体的规则依据。合理有序的实体间组合关系能够为实体空间定位与角度调整提供依据，也能指导场景整体的复杂关系建模。

3虚拟场景概念建模

3.1概念场景总体设计

机动管线虚拟场景是一个有限空间，即只包括管线所经地域。一个场景由一个二元数组来描述，Scene={SE，RSE}[15-16]。其中SE是场景元素的几何模型，RSE是SE上的关系。本文以场景实体层面为出发点，探讨了要素的基本空间关系表达，并在此基础上完成了概念场景结构的设计。整个场景结构可划分为实体层、关系层以及场景层3个层次(图2)。

图2　机动管线概念场景层次结构

1) 实体层。实体层是虚拟场景的基础， 与三维几何模型有关，包括实体模型的分类、实体结构、实体属性、模型渲染、模型存储等操作和功能。三维实体是用户在三维场景中观察到的各类元素，是场景的重要组成单元。从几何建模的角度来讲，场景中的三维几何模型都可以看作一些三维实体的组合。

2) 关系层。关系层与领域知识相关，主要说明多个虚拟对象间的关联规则，包括场景中实体的空间位置、空间姿态以及组合关系等，既是对实体层中的实体对象进行行为约束，也是对场景整体的语义描述。

3) 场景层。场景层是对虚拟场景全局的阐述，根据建模目的确定场景表达内容，从高层次对场景结构进行分析，包含场景的三维信息和属性信息。场景层通过对现有数据和信息的整合，明确场景各个层次和重要元素，提出实体模型的构建法则，在结合已有数据信息的基础上，建立一个符合实际要求的场景模型。

3.2线路装备概念模型与管线装备概念模型

为满足机动管线虚拟场景的专业描述要求，本文将管线装备系统作为主要描述对象，将其从地物实体中分离出来重点建模。机动管线装备系统可细化为泵站装备、线路装备、计量站装备和辅助装备，依次建立各装备的概念模型，明确其相互关系，即可完成整套机动管线装备系统的概念模型。

线路装备主要承担管线装备系统的油品输送，是构成整个机动管线系统的主要实体对象，在此先以线路装备为例，建立线路装备概念模型。线路装备实体包括管子、管件、连接器和阀门等部件，各部件下包含各类型的散件：管子分为长管和短管；管件包括弯头、三通、堵头等；阀门主要有闸阀、球阀 、蝶阀、止回阀和多功能调节阀等以适应线路对阀门的不同需求。

线路装备作为管线装备的主要运输载体，在铺设过程中需要考虑整体线路的起点、走向、终点和管道工作压力等信息。对于组成线路装备的管子、管件、连接器和阀门等部件，还涉及功能描述、外形尺寸和开关状态等属性信息。

一套线路装备包含多个零部件，呈一对多关系(1∶N)。各零部件之间依照相应的空间约束关系，通过连接器顺序连接，构成线路装备。在逐步分析了线路装备的实体、属性和关系等要素后，建立的概念图如图3所示。

参照线路装备概念模型的建立，可依次建立泵站装备、计量站装备及辅助装备的概念模型。各个子装备分别提供了诸如装备坐标、泵站压力、工作状态等属性，这也构成了管线装备系统的属性，同时管线装备还带有自身特有属性如线路总长等。一套管线装备系统对应多个子装备，呈一对多关系。最终得到机动管线装备系统的概念模型如图4所示。

3.3整体场景概念模型

本文将机动管线虚拟场景中的实体划分为3部分：第1部分是地形实体，包括山地、沟谷以及湖泊等，为整个场景的基础面；第2部分是自然地物实体，包括树木、路牌以及房屋等，是构建场景的重要要素；第3部分是管线装备实体，是整个场景模型中重点描述的对象。在已有的场景整体分类集成基础上，进一步对每一部分实体总结，归纳出实体对象结构与属性信息，依照场景中的组合层次组合连接，构成如图5所示的机动管线虚拟场景概念模型。

图3　线路装备概念模型

图4　机动管线装备系统概念模型

图5　机动管线虚拟场景概念模型

4结束语

本文着眼机动管线虚拟场景建模对概念模型的需求，对机动管线场景中的实体对象分类和空间约束关系进行了分析，实现了概念场景层次的总体架构，以线路装备为例建立了概念模型，进而建立了机动管线虚拟场景整体的概念模型。基于E-R的机动管线虚拟场景概念建模直观易懂，清晰的描述了场景各实体的属性以及相互之间关系，为下一步构建虚拟场景模型提供了参考。

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(责任编辑唐定国)

Conceptual Modeling of Virtual Scene of Mobile Pipeline Based on E-R Model

QUAN Qi, YONG Qi-wei, LIU Zhou, NIE Tong

(Department of Petroleum Supply, Logistical Engineering University of PLA, Chongqing 401311, China)

Abstract:Concept modeling for motor line has guiding significance for the establishment of the virtual scene. By analyzing the object entity and the three dimensional relations of virtual mobile pipeline scene，the structure of each level was recognized. Then the overall design of the virtual mobile pipeline scene was realized, and a conceptual model of pipe based on entity-relationship(E-R) model was built. Finally the conceptual modeling of the overall scene was completed. This model lays a good foundation for virtual mobile pipeline scene．

Key words:entity relationship(E-R) model; mobile pipeline; virtual scene; conceptual modeling

文章编号：1006-0707(2016)03-0067-04

中图分类号：TE

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.017

作者简介：全琪(1991—)，男，硕士，主要从事输油管线理论、技术与装备研究。

收稿日期：2015-08-23；修回日期：2015-09-15

本文引用格式：全琪，雍歧卫，刘洲，等.基于E-R模型的机动管线虚拟场景概念建模[J].兵器装备工程学报，2016(3):67-70.

【后勤保障与装备管理】