3.3 时空数据模型

3.3.1 车间时空数据模型

时空数据指具有时间属性并随时间变化的空间数据。该数据模型在传统的地理信息数据模型中加入了时间维度，可以对地物要素的形状、空间位置等信息在时间维度上的连续性变化进行表征，即该地物要素在时空中的变化历程集合。根据不同的构建方式，传统时空数据模型主要有以下几种：序列快照模型、离散格网单元列表模型、基态修正模型、时空立方体模型、时空复合模型、基于事件的时空数据模型、时空三域模型、面向对象的时空数据模型、运动对象时空数据模型。

序列快照模型是将时间进行离散化，记录每个时间片段的空间和属性信息，模型简单易懂，但实用性差。离散格网单元列表模型将序列快照模型的空间进行网格化后以矩阵形式进行信息存储，降低了数据冗余度，但不利于关系数据库存储。基态修正模型将某时刻的空间信息作为基态文件进行保存，而其他时刻的空间信息则保存与基态时刻空间信息的变化量，减小了数据的冗余度，能表达空间在不同时空的变化信息，但模型空间维度和时间维度关系不够紧密，时空特性分析比较困难。时空立方体模型以坐标系中的X、Y轴表示空间维，Z轴表示时间维，可以直观反映空间实体的演变过程，但存在数据冗余较大的缺点。时空复合模型按照时间维度将非基态时间点的空间信息投影到对应空间平面，把状态信息发生变化的实体看作最小的变化单元，有利于历史特征信息的处理，但容易对地理目标造成破坏，目标查询比较困难。基于事件的时空数据模型将状态变化定义为事件，引入事件对时空数据时态进行分析，减小了数据冗余，提高了时间和空间的查询效率，但无法对多维属性数据进行有效管理。时空三域模型通过时间域、空间域、语义域进行过程和现象的描述，可以记录动态对象的特有特征，但缺少对象间的关系定义，无法体现对象的变化信息。面向对象的时空数据模型将面向对象的思想融入时空数据模型中，实现了实体对象属性特征、时间信息、空间信息的定制查询，规范了时空数据查询操作，对时间数据的处理更为有效，但存在数据冗余的缺点。运动对象时空数据模型主要根据运动主题将运动对象抽象为点、线、面，主要用于浮动车监控及特定的运动对象行为预测。各类时空数据模型具体性能特点见表3-1。

表3-1 时空数据模型特点

结合时空数据模型和制造现场数据特点，采用面向对象的时空数据模型对生产要素信息进行管理，从时间维度、空间维度、属性信息维度对生产要素进行全面描述。在时空数据模型中，空间信息主要用于描述生产要素在离散车间的位置信息，根据定位需求和定位系统的不同，可以分为工位级（区域）位置信息和坐标级（点）位置信息。属性信息主要用于描述生产要素的基本属性信息（如编号、类别）和在生产过程中的状态变化信息（如故障状态、工作状态），涵盖了生产要素的编号（ID）、名称（Name）、批次（Batch）、工序（Process）、状态（Status）等各类生产相关的信息。时间信息则用于记录在生产过程中对象位置信息、属性信息发生变化的时间戳，确定生产要素位置信息和状态信息变化的先后顺序，由时间戳和时间段组成。在制造车间中，生产要素同时具有空间信息、属性信息以及时间信息，三者相互关联共同构成了生产要素时空数据的多维结构，具体如图3-12所示。

图3-12 生产要素时空数据多维结构示意图

在时空数据多维结构中，每个坐标轴代表一个维度，表示特定的观察视角。根据生产要素时空数据的特点，可以将生产要素的时空数据模型抽象为三个互相关联的基本要素，分别为“属性信息”、“位置信息”和“时间信息”，每个要素对应一个特定的维度，具体如图3-13所示。

图3-13 时空数据三元组模型

生产要素属性信息可进一步抽象为一个多维数组，即

式中，ID为生产要素唯一编号；Loc为生产要素位置信息集合；Atr为生产要素属性信息集合；Time为生产要素时间信息集合。通过不同的观察维度可获取不同类型的信息，如通过时间-位置维度可以提取生产要素在制造车间中的运动轨迹信息，通过时间-属性维度可以提取生产要素在制造车间中的状态变化过程信息，通过位置-属性维度可以提取生产要素属性信息和位置信息的关联关系。由上述分析可知，时空数据模型可从时间、位置、属性等多个维度对生产要素进行全方位描述，有利于实现制造车间生产要素的集成化、一体化组织管理。