Маркшейдерсько-геологічна аналітична інформаційна система (МГАІС) гірничого підприємства

Михалевич Дмитро Семенович, д.т.н.,, зав. лабораторією Слухаючи, м. Санкт-Петербург, С.Н. Голубков, інженер, С.Б. П'ятницький, інженер, І.П. Іванов, к. Т.Н, Д.М. Брудно, аспірант

В цілому сучасний світовий рівень комп'ютерних графічних систем для гірської промисловості відрізняється різновидом, активністю, динамічністю розвитку, готовністю задовольняти практично будь-які специфічні вимоги замовників - За наявності в останніх належних коштів і достатньо кваліфікованого персоналу для освоєння складних програмних продуктів.

До числа найбільш складних і розвинених комп'ютерних систем в розглянутій області відносяться DATAMINE фірми MICL, VULCAN фірми Мартек, MINESCAPE фірми MINCOM.

Так, програма MINESCAPE закуплена на чотирьох вуглевидобувних підприємствах Росії. У даний час найбільш повно програма використовується на ш. Распадская, де її експлуатують дві людини. На інших підприємствах програма вже тривалий час знаходиться в стадії освоєння.

MAINE SCAPE спочатку розроблялася як універсальна система для самого різного використання в гірничій справі. Застосування системи в тому вигляді, в якому її зазвичай отримує користувач, досить проблематично. Універсальність зажадала впровадження в систему засобів настроювання на предметні області та національні стандарти. Це було зроблено у вигляді безлічі системних змінних, за допомогою яких користувач може підігнати пакет під свої потреби. Оскільки MINESCAPE народилася в світі, глибоко чужому нашим ГОСТам і просто традиціям і оформлення гірничої графічної документації, то поле діяльності користувача в даному випадку справді важко.

Таким чином, не виключаючи зарубіжний досвід інформаційних систем на об'єктних і корпоративному рівні, для розробки інформаційної системи гірничого підприємства Слухаючи використаний спеціалізований підхід для даної предметної області і Росії.

В основі системи лежать результати робіт різних лабораторій Слухаючи та інституту Углеавтоматізаціі (маркшейдерія, геологія, геомеханіка, геодинаміка, гідрогеологія, геофізика і т.д.). Концептуальні основи системи нами опубліковані раніше/1 /.

Вона відрізняється від пропонованих на ринку універсальних систем перш за все консалтингової спеціалізацією в перерахованих наукових напрямах. Система є прямим мостом між наукою і практикою. Це нові інформаційні технології вирішення різних експлуатаційних задач гірничого підприємства, засновані на картографічних електронних моделях земної поверхні, гірського масиву і вироблених просторів. Вони включають інформаційні шари і бази даних входять до них об'єктів, що характеризують геометричне, геологічне, геомеханічні, геодинамічних, гідрологічний, геофізичне стану, будова та властивості гірського масиву в просторі і в часі.

Структура системи

В основі структури мережева модель "клієнт-сервер", що є на сьогодні промисловим стандартом для побудови інформаційних систем. Її суть полягає в розміщенні Бази Даних на ЕОМ-сервер, а функціональних додатків - на ПЕОМ-клієнтах. Тим самим забезпечується поділ процесів обробки інформації між серверами і клієнтами, а так само мінімізується мережевий трафік за рахунок передачі користувачеві тільки необхідних йому фрагментів бази даних. У моделі "клієнт-сервер" сервер відіграє активну роль: він спочатку "думає, а потім робить". На робочу станцію клієнта потрапляють тільки ті дані, які задовольняють його запиту. У результаті на сервері інформація є оптимальною для роботи з усіма клієнтами без повторення однойменних даних про об'єкти.

В свою чергу ця ідеологія розширена за рахунок поповнення самого сервера тільки індексованої інформацією, сформованої на локальній базі даних роботи клієнта. Наприклад, результати поповнення плану гірських робіт надійдуть в БД сервера після остаточного формування в індексованих вигляді результатів обробки маркшейдерської зйомки за певний період з робочого місця маркшейдера.

Система Слухаючи на сьогодні включає наступні програмні продукти:

1. Програмне ядро і об'єктна тривимірна маркшейдерська база даних -- маркшейдерський модуль.

2. Геологічний модуль.

3. Графічне програмне ядро всієї системи - Microstation.

4. Програмне забезпечення Terra Modeler, вбудоване в Microstation - для тривимірних, об'ємних цифрових моделей в системі координат, прийнятій на підприємстві.

5. СУБД Access або ORACLE.

6. Календарне планування.

7. Розрахунок деформації земної поверхні.

8. Проектування доріг.

9. Рекультивація.

Інші додатки, зараз використовуються в різних службах підприємства. Вони можуть бути вбудовані в пропоновану систему

Для забезпечення управління системою на гірничому підприємстві в ній оперують об'єктами і термінами, повсякденно використовуються на гірничому підприємстві, такими як: свердловина, стовбур, гірська виробка, штрек, пласт, квершлагами, небезпечні події, раптовий викид газу і породи, небезпечна зона гірничого тиску і т.д. Всі модулі розроблені на основі вітчизняних стандартів виконання гірських робіт.

Топологічні основи геометризації маркшейдерської бази даних

Система гірничих виробок на діючій шахті утворює складну топологічну структуру. Одне із завдань для її відображення в БД - знайти топологічну індексацію (визначення) об'єктів цієї структури і на їх основі реалізувати базу даних по цих об'єктах. З метою чіткої індексації топологічних об'єктів в якості топологічної одиниці використано поняття ребра (ланки). Це ділянка гірничої виробки між двома сполученнями. Реєстрація ребра в базі даних здійснюється з використанням геометричних параметрів у вигляді опорно-Знімальна маркшейдерської мережі і маркшейдерських замірів.

Геометричні параметри в БД визначають особливості створення (відтворення - малювання) геометричних об'єктів на електронному плані.

В процесі автоматизованої генерації електронного вихідного маркшейдерського плану, в алгоритмі Слухаючи, погодженого з маркшейдерської службою ВАТ Воркутавугілля, використовуються всі три координати X, Y, Z і результати зйомки контуру об'єкта. У результаті машина розпізнає, як сполучаються гірничі виробки, і якщо контурні точки сполучення мають однакові позначки Z, вона їх малює без перетинів і навпаки.

Однак побудова ортогонального електронного вихідного маркшейдерського плану по трьом координатами не дозволяє побачити всі морфологічні та структурні тонкощі гірничих виробок. МГАІС здійснює динамічна зміна подання об'єкта в об'ємному вигляді.

Тривимірна база даних дає можливість у будь-якій точці плану отримати інтерпольованим висоту (Z), бажаний профіль (перетин) з вироблення. Побудова інформаційної площині моделі проводиться зі швидкістю приблизно 3000 точок за 2 секунди, з можливістю в будь-якому місці моделі візуалізувати НЕ екрані побудовану систему трикутників і, якщо необхідно, змінити інтерактивно побудова трикутників або ввести додаткову точку і перерахувати модель. Кількість побудов інформаційних площин необмежено.

Замість координати Z на електронному маркшейдерська плані може бути обрано для побудови інформаційної моделі поля показник цього поля: потужність пласта, зольність вугілля, геомеханічні моніторингова характеристика (напруження в точці, міцність, деформації) і т.д.

Розраховані за моделями інформаційні поля між ізолініями можуть бути виправлені експертом-фахівцем, спираючись на свій досвід пізнання розглянутої моделі, вносячи суб'єктивну інформацію в прогнозні алгоритми. Порівняння інформаційних шарів на основі зіставлення двох побудов, одне з яких виконано з використанням суб'єктивної інформації (авторська трактування інтерполяції), а інше на основі стандартних алгоритмів (тріангуляція сплайни і т.д.) дозволяє здійснювати планування розвитку геометричної мережі отримання даних.

Програмне ядро і динамічна структура маркшейдерської бази даних

Інформаційна система має динамічну об'єктну структуру даних з необмеженою можливістю нарощування функціональності. Ця база даних у системі виступає як інтегрує основи корпоративної роботи всіх експлуатаційних модулів системи. Найважливішим критерієм життєздатності та ефективності корпоративної системи є закладені в неї можливості розвитку інформаційної моделі силами самих користувачів. Дійсно, експлуатує персонал гірничого підприємства, як правило, працює з реальними об'єктами. Завдання інженерно-технічних працівників служб головного маркшейдера, головного геолога, головного технолога і т.п. важко формалізуються і постійно змінюються. Особи, які приймають рішення, мають тут справу зі специфічною технічною інформацією про різнотипних об'єктах, структура яких ніде заздалегідь не "прописана", а часто відома їм одним. Об'єкти експлуатації "живуть", як наприклад, гірничі виробки, спочатку вони проектуються, потім проходяться, утворюють сопряжекія, розділяючись на два і більше "ланки" (ребра), гасяться і т.д. Інакше, одні об'єкти є частиною інших і впливають на властивості цих об'єктів - систем більш високого рівня. Інформаційна підтримка повинна супроводжувати весь життєвий цикл інженерних об'єктів і відображати потреби різних служб-учасників корпоративної системи. Реалізація такої системи можлива тільки при постійному розвитку її структури, тому що єдиним "авторитетним" постановником завдань Час є, точніше - самі користувачі, які лише в ході експлуатації системи починають розуміти, що від неї можна чекати і що, - і в якій послідовності - Їм дійсно потрібно. І тільки в ході розвитку інформаційна система здатна ставати все більш і більш адекватною всій складності об'єкта. При цьому встановиться необхідна структура, здатна ефектно задовольнити всім необхідним завданням.

Таким чином, виникає необхідність дуже гнучкого, потужного і, в той же час, доступного користувачу апарату для самостійного створення необхідних структур зберігання даних, отримання відповідей на заздалегідь невідомі запити в корпоративному інформаційному просторі.

Використання динамічної БД, що розробляється Слухаючи, припускає наявність спеціального програмного забезпечення, нарощується і змінного адекватно ситуації, яка ситуації. Фірма Microsoft надає розробникам програм можливість створення СОМ (Component Object Model)-об'єктів. Дані об'єкти пишуться з допомогою Visual С + + версії 4.1 і вище, і можуть компонуватися як у бібліотеки (DLL), так і в виконувані програми (ЕХЕ). На відміну від звичайних програмних модулів СОМ-об'єкти реєструються в реєстрі операційної системи (ОС) і в надалі розглядаються як її невід'ємна частина. ОС - Windows 98 або NT бере на себе більшість функцій щодо збереження, відстеження модифікацій і переміщень СОМ-об'єктів на жорсткому диску або в мережі.

В нашому випадку, кожен СОМ-об'єкт обслуговує певний невеликий фрагмент БД і (або) надає набір функцій для його обробки. Закінчений програмне додаток являє собою набір звернень до незалежних один від одного СОМ-об'єктів, які в свою чергу звертаються до інших об'єктів. Глибина вкладеності такої структури може бути довільна, і зміна одного з об'єктів не тягне за собою переробку програму або всієї системи в цілому.

Таким чином, поява в динамічній БД нових елементів або посилань, постановка нових практичних завдань вимагає лише написання одного або кількох СОМ-об'єктів, не піклуючись про зміну всього написаного раніше.

Інформаційна технологія, що використовується в запропонованій системі, дозволяє "на ходу", за допомогою СОМ-об'єктів розвивати реалізовану в єдиному сховищі даних інформаційну модель корпоративної системи і знімає жорстку кордон між її проектуванням та використанням. Впровадження системи не вимагає раз і назавжди завершеного проекту системи. Це якісно відрізняє її від звичайних підходів до створення інформаційних систем, коли розробники в ході тривалого і дорогого етапу проектування намагаються зібрати максимум відомостей від всіх можливих користувачів, пов'язати всі існуючі та перспективні завдання, і тільки створивши повну і адекватну інформаційну модель, приступають до програмування. При цьому, однак, постійно виявляються невраховані потреби, необхідність коректування виникає ще до початку впровадження, розробка набуває перманентний характер, а експлуатація в промисловому обсязі так і не починається. Затративши значний час і засоби і не отримавши бажаних результатів, замовник не розвивається системи виявляється заручником розробників. Втрата їх може виявитися фатальною для розпочатого проекту. Відсутність же розвитку впровадженої системи дуже швидко зробить її неактуальною.

Можливість розвитку корпоративної системи Слухаючи забезпечується наявністю в ній шляху подання інформації не в статистичному вигляді (як у звичайних реляційних БД), а інформації про відносини між об'єктами. За рахунок цього ми можемо нарощувати скільки завгодно нових відносин між об'єктами, кожні з яких сортуються з інформаційних шарах, утворюючи певну ієрархію інформації, зручну для вилучення її з БД по формалізованої в ній таблиці всього з чотирьох колонок: ідентифікатор шару, початок (верхній за ієрархією об'єкт), кінець (нижній за ієрархією об'єкт), параметр описуваного відносини.

Така інформаційна ієрархія наочно може бути представлена графами, у вигляді стрілок, де початок відображає верхній за ієрархією об'єкт, кінець відображає нижній за ієрархією об'єкт, а від стрілок у вигляді дробу назву інформаційного шару і його параметр.

Створивши принципово нову динамічну структуру ядра БД, її зберігання і управління покладено на відомі СУБД Acces фірми Мікрософт, є готовність до впровадження СУБД Oracle, підкреслюючи цим перспективну триланкового архітектуру клієнт-сервер додатків - СУБД.

Найважливішим шаром є графа "Склад" (сховище). На ньому закінчується інформаційна ієрархія графа БД і посилається на таблицю БД, в якій представлена тематична інформація, наприклад, каталог маркшейдерських точок. Кожній стрілкою графа відповідає рядок формалізованої таблиці подання об'єктів у БД. Наприклад, жирної стрілкою відповідає наступний запис у таблиці:

Таблиця 1. Формалізована таблиця представлення об'єктів у БД        

Шар         

початок         

Кінець         

Параметр             

Ребро (ланка)         

С1         

С2         

Зв1     

Подання будь-якого геометричного об'єкта в БД можливо в 4-х різновидах: вихідної, похідної, планованої (проектної), розрахункової (проекція). Початкове - це подання за результатами маркшейдерської зйомки. Похідна - подання з похідної гірської графічної документації оператором-векторизатор. Планована (проектна) -- це інформація в плоских координатах, наприклад, з плану гірських робіт. Розрахункова (проекція) - це інформація в тривимірних координатах, відновлена по плоским координатами шляхом проекції на поверхню визначається цифровий тривимірною моделлю, наприклад, грунту пласта. Це дозволить побачити об'ємне відображення майбутнього ланки по відношенню до об'ємного рудному тілу або вугленосному шару.

Заповнення БД буде відбуватися в напівавтоматичному режимі онлайн. Структура таблиць шарів автоматично закладається в БД в міру відображення гірських виробок на плані, тому що незалежно від кількості шарів та їх розташування вони акумулюються в БД однозначно таблицями з 4-х стовпців, в яких змінюється назва шару і параметр. Склади формуються інтерактивно і їх зміст залежить від розв'язуваних завдань.

На малюнку, де представлена лише часткова структура картини БД, добре читається той величезний обсяг інформації, що містить вся база по гірських виробках на шахті. Тут же зовсім очевидно, що рішення того чи іншого завдання, поставленої на виробництві, пов'язане лише секолективної з тими чи іншими інформаційними даними по виробках. Ця селективність вибору даних вирішується в новій структурі БД наочно, вибираючи з БД лише ті стрілочки (шари, графи) інформації, які необхідні для вирішення того чи іншого завдання. Практично досить доторкнутися курсором з графічним об'єктом на електронному маркшейдерська плані, об'єкт виділиться миготінням і певним інтерфейсом зв'яже клієнта з базою даних на виділений об'єкт, а якщо необхідно - з АРМ маркшейдера/2 /.

Геологічний модуль і практичне використання системи у ВАТ "Воркутавугілля"

Безпосередньо до маркшейдерської базі даних у системі Слухаючи примикає геологічний модуль, розроблений інститутом Углеавтоматізаціі.

Він призначений для автоматизації на ПЕОМ праці геолога вугільного підприємства шляхом введення та обробки матеріалів геологічних спостережень і ізмерній в гірських виробках і розвідувальних свердловинах.

В якості вихідної інформації використовуються справи розвідувальних свердловин і первинні (чернетки) дані геологічних спостережень і вимірювань в гірничих виробках.

При необхідності початкова інформація може вводитися з чистових геологічних розрізів, виконаних раніше на паперових носіях.

На базі обробки вихідної інформації здійснюється одержання креслень чистових геологічних розрізів по осі, забою, укосу (стінки) і підошві (майданчику) гірничих виробок:

Формування бази геологічних даних по гірських виробках і розвідувальних свердловин, необхідної при виконанні прогнозу гірничо-геологічних умов розробки вугільних пластів, поповненні планів гірничих виробок, геометричних побудовах на планах (ізолінії, межі, тектонічні порушення) підрахунку, обліку та аналізу запасів вугілля.

Використання в модулі графічного корпоративного ядра системи Microstation тріангуляціонного моделювання кордонів геологічних шарів дозволили побудувати для ВАТ "Воркутавугілля" маркшейдерсько-геологічну модель ділянки родовища, обраного на електронному маркшейдерська плані, в районі планування гірничих робіт. З урахуванням даних по розвідувальних свердловин, гірським виробкам, даними по геологічних порушень побудувати точні стратиграфічні розрізи за обраними лініях, провести криволінійний розріз по поверхні корисної копалини з певним ухилом, побудувати ізолінії по різних характеристиках (ізолінії підошви, пласта, покрівлі пласта, ізомощності, ізолінії площині сместітеля геологічного порушення, ізолінії поверхні, ізоглубіни).

На основі перерахованих даних, використовуючи об'ємне моделювання в системі Слухаючи проектується календарне планування робіт на певний обсяг видобутку вугілля з фіксацією за кожний місяць з урахуванням перестановки видобувних комплексу, якщо це необхідно.

Для геомеханічного забезпечення гірничих робіт оперативно і точно прогнозується вплив намічених гірничих робіт на поверхню і об'єкти, розташовані на ній, оскільки від нього залежить безпека ведення гірських робіт і умови експлуатації об'єктів.

Завдання розрахунку очікуваних зрушення та деформацій реалізована в системі спеціальним модулем/З /. Ці розрахунки дають можливість застосування пріродноохранних заходів для захисту природних об'єктів від шкідливого впливу гірських розробок.

Список літератури

1. Яковлєв Д.В., Михалевич Д.С. та ін "Географічна інформаційна система гірничого підприємства "в СБ" Проблеми геодинамічної безпеки "II міжнародне робоча нарада. СПб, Росія, червень 1997 р. с.60-65

2. Жуков Г.П. "Автоматизоване робоче місце маркшейдера". Межвузовский сб. "Маркшейдерська справа і геодезія" СПб, СПГГІ, 1995 р., с.14-18.

3. Земісев В.Н. та ін "Правила охорони споруд та природних об'єктів".

4. Михалевич д.с та ін Звіт "Впровадити растрово-векторну технологію виготовлення і поповнення електронно-цифрових маркшейдерських планів на шахтах ВАТ "Гуковуголь" і "Ростовуголь".

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://masters.donntu.edu.ua