一体化模型的定义及意义分析

一体化模型是以矿山复合场理论为依托，以体素、体素集合、对象、实体为基本结构，以逻辑表达树为体素间、体素集合间、对象间、实体间的组织与管理工具，以各种绘制技术、空间映射技术、不确定信息量化技术和动态仿真技术等作为表达与实现手段的一种数字模型。一体化模型的任务就是要以统一的数字模型来动态、集成地表达各类矿山复合场对象的各类属性和状态信息及数据。

1.基本要素定义

一体化模型的基本要素包括区域、场量和时效等3类。

（1）区域，是一个以体素填充了的三维空间。

（2）场量，是对象的空间形体、属性、状态等的综合描述，其结构是一个三元组，包括场元、场强和场向等3个部分。

（3）时效，各场元中属性、数值与单位向量保持不变所持续的时间，包括开始时刻与结束时刻。

就场量的具体组成而言，场元是对离散数据点处的空间形体表示，场强和场向则是对应于某种场量场元处属性、状态模型的表示。场量的三元组各部分定义如下。

（1）场元，是矿山复合场中几何属性的载体，是一个占据一定三维空间的不可压缩、不可再分的立方体，是区域的基本组成单元。

（2）场强，是对场量的数值表示，是一个与时效相对应的数值集合。

（3）场向，是对场量的方向表示，是一个与时效相对应的方向集合。

一体化模型通过定义区域使矿山复合场的研究范围得以界定，通过场量中场元、场强和场向的定义，使各种仿真对象的空间几何属性、分布密度属性和矢量属性得以描述，通过系统时钟定义时效使各场量的变化得以限定。所以，基于区域、场量（场元、场强、场向）和时效等各类元素，一体化模型可对矿山复合场的不同类型、结构、特点的对象进行建模及仿真。(www.xing528.com)

2.信息场量化

在矿山复合场理论中，对象的空间几何属性、组分分布属性及力学等矢量属性相互融合渗透，这已经不仅仅是空间形态的表征，它还包括地矿工程许多内在性质的描述，这与体绘制技术所要表现物体内在信息的初衷一致。但要能真正以体素的形式进行仿真对象的空间形态和内部结构表达，就需要先将仿真对象的各种属性、状态、参数等信息量化为场量，从而建立一体化仿真模型。

由矿山复合场的分析可知，信息场量化就是对各种对象的诸如属性、状态与时序等仿真信息进行场量化的过程。在此，以这3类信息为主要研究对象，研究矿山复合场的各种信息场量化。

（1）属性的场量化。对象的属性主要包括几何属性、分布属性和矢量属性等3类，与其对应分别对这3类属性进行场量化。

1）几何属性的场量化，在经数据采集及预处理后，对象形成用以表征几何属性特点的轮廓线、轮廓面或包络体等空间结构。在拓扑关系上，这些结构把三维空间进行了有效、无重复地分割，而在空间形态上，对象的空间结构也可视为映射到三维坐标系下一系列离散点的集合。通过标识这些离散点的归属对象，就可以唯一确定对象的空间关系和形态结构。这种将对象的空间形体离散化和标识的过程即几何属性的场量化过程。

2）分布属性的场量化，在对象的属性样本数据规则化和离散化后，即可形成三维空间离散的属性样本点集合，结合属性的空间分布规律，以数值计算方法形成表征空间量场及内部特征的三维空间离散属性点集。这些离散的属性点不仅可以通过三维坐标确定空间位置及形态，还可通过其承载的数值表现该对象属性的分布状态、规律及特征等。进而，可由离散点的空间属性和分布属性赋予场量的场元及场强，从而实现分布属性的场量化。

3）矢量属性的场量化，考虑矢量属性具有的矢量叠加性和具有方向性特点，在对矢量属性样本采用矢量分解方法形成离散的矢量集合，以此计算整个三维空间中各场元处的数值及矢量方向，并赋予场强及场向。

（2）状态的场量化。对象状态的场量化是基于各对象的几何形体的离散点集，把对象的物质状态、系统状态等参量，以诸如颜色、纹理、文字描述等形式赋予相关的场量，这个过程与分布属性的场量化过程相似。所不同的是，分布属性的场量化是对同一种属性不同程度的描述，而在状态的场量化中，所描述的内容大多是仿真对象的简单几类状态中的一种。例如，对于通风系统中的风机来说，就有启动和停止两种状态；而对于巷道内的空间而言，正常情况下为气态，水灾过程中为液态，未开挖情况下为固态等情况。

（3）时序的场量化。对象时序的场量化是将场量所描述的对象属性、状态等按照系统时钟最小时间单位进行记录，并以时间先后为序建立场强和场向的时间集合。这样，场量也就不仅包括对几何空间属性、分布密度属性、矢量属性以及各种状态的描述，还包括对沿时间变化的时序属性描述，实现场量的多维描述。从而针对事件并行性和时间有序性特点，在各种对象属性的场量化基础上，动态表达了矿山复合场各对象的变化情况。

在对矿山复合场的各种对象属性、状态和时序的场量化后，场量与体素形成了一个统一的整体，矿山复合场的建立和表征也与体绘制技术与理论形成了一个紧密的整体。若就仿真实现过程而言，体素与场量是一体化模型的两个方面，体素侧重于矿山复合场一体化模型的具体实现，而场量侧重于一体化模型的概念描述；而在体绘制过程中，体素可视作是对某种场量的空间形体、属性、状态等直接表达，这与场量的含义是完全一致的，故体素可替代场量作为一体化模型的一部分。