Геоінформаційні системи в гірничій справі
К.Н. Трубецькой, А.Ф.
Клебанов, Д.Я. Владимиров
Інститут проблем
комплексного освоєння надр РАН, м. Москва
НВК "ВІСТ",
м. Москва
В
даній статті продемонстровані можливості застосування ГІС-технологій у
проектуванні і створенні автоматизованих картографічних інформаційних
систем для вирішення широкого кола інженерних і наукових задач гірського
виробництва - гірничо-технічних, екологічних та соціально-економічних
проблем, що виникають при освоєнні надр. Гнучкість і відкритість ГІС-технологій
дозволяють створювати системи для підтримки прийняття рішень при:
екологічному
моніторингу гірничопромислових регіонів;
аналізі
і прогнозі освоєння родовищ;
управлінні
гірської компанією;
прогнозі
газодинамічних явищ;
оцінці
геомеханічних умов розробки родовищ;
геологічному
моделюванні і плануванні гірничих робіт;
оперативному
управлінні відкритими гірничими роботами з використанням систем супутникової
навігації,
а
також у багатьох інших випадках вирішення складних багатофакторних проблем освоєння
родовищ корисних копалин.
Застосування
ГІС-технологій як ядро при побудові перерахованих систем
зумовлює можливість їх (систем) створення на єдиній методологічній
основі, незалежно від рівня використання (регіон, галузь, акціонерне
суспільство, гірничодобувне підприємство). Це дозволяє в значній мірі
уніфікувати та систематизувати програмні та технічні засоби,
застосовувані в гірничодобувних галузях промисловості, і виробити єдину
стратегію інформатизації та технічного переозброєння підприємств.
Крім
цього ГІС-технології надають можливість інтегрувати в єдину
інформаційне середовище алгоритми вирішення багатьох прикладних задач, що є
надзвичайно важливим при створенні проблемно-орієнтованих автоматизованих
систем гірничого виробництва на основі програмно-алгоритмічних засобів,
розроблених у різних наукових колективах і, як правило, не доведених до
кінцевого програмного продукту.
Всі
перераховані переваги використання ГІС-технологій при проектуванні
автоматизованих інформаційних систем дозволяють розглядати їх застосування
як альтернативу придбання гірничими підприємствами, науковими і проектними
організаціями спеціалізованих дорогих західних пакетів програм,
мають, як правило, обмежений набір функціональних модулів
"закритих" для користувача.
Нижче
ілюструються результати виконаних у 1994-1998 рр.. ІПКОН РАН спільно з НВК
"ВІСТ" проектів створення інформаційних картографічних систем:
екологічної
експертизи гірничопромислових регіонів (на прикладі Кузбасу):
комплексного
аналізу вугільних і сланцевих басейнів і родовищ Росії;
моніторингу
планів розвитку гірничих робіт підприємств гірничодобувної компанії;
регіонального
прогнозування викидонебезпечність вугільних пластів;
прогнозу
деформацій земної поверхні при підземній розробці вугільних родовищ;
ведення
геолого-маркшейдерської документації і планування гірничих робіт;
моніторингу
і диспетчеризації роботи мобільного обладнання на розрізах (кар'єрах).
СИСТЕМА ДЛЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ ЕКСПЕРТИЗИ гірничопромислових регіонах
За
базі даних про 600 промислових підприємств Кемеровській області проводиться
аналіз територіального розподілу їх екологічного впливу на
навколишнє середовище по адміністративних районах. Оцінюється і ранжирується внесок
окремих галузей промисловості в екологічне забруднення регіону (Рис.1).
Картографічна
основа - топографічна карта
Кемеровській
області (М 1: 500 000)
ІНФОРМАЦІЙНА
СИСТЕМА ПО вугільних і сланцевих Басейни і родовища Росії
В
якості картографічної основи використовується адміністративна цифрова карта
Росії (М 1:8 000 000) і оглядова карта вугільних і сланцевих родовищ (М
1: 5 000 000).
Відображені
контури басейнів, родовищ, вугленосних площ і районів.
атрибутивна
інформація: запаси, марки вугілля, технологія видобутку
ІНФОРМАЦІЙНА
СИСТЕМА МОНІТОРИНГУ ПЛАНІВ РОЗВИТКУ ГІРНИЧИХ РОБІТ ПІДПРИЄМСТВ ГІРНИЧОВИДОБУВНОЇ
КОМПАНІЇ
Цифрова
карта вугільних і сланцевих басейнів і родовищ Росії використана для
навігації по загальній базі даних, що інтегрує цифрові картографічні
матеріали підприємств вугільної промисловості. Пропонується трирівнева
система цифрових планів і карт: карта Росії; карти по кожному з вугільних
басейнів (з відображенням полів діючих вугледобувних підприємств); плани
розвитку гірничих робіт по кожному з підприємств.
ілюстрований
перехід від карти Росії до карти Кузбасу і далі до плану гірських робіт з
вибраної шахті - ш.Октябрьская ВАТ "Ленінскуголь"
РЕГІОНАЛЬНЕ
ПРОГНОЗУВАННЯ викидонебезпечних Вугільні пласти
Реалізована
методика прогнозу викидонебезпечність вугільних пластів по геологорозвідувальних
даними, розроблена в ІПКОН РАН. Використано дані геологорозвідувальних
випробувань по 300 свердловинах в полі ш.Суходольская-Східна (Донбас).
Вибросопасние
зони виділені за допомогою інтегрованої з ГІС ARCVIEW програми побудови
ізоліній по нерегулярної мережі точок випробування
ПРОГНОЗ
Деформації земної поверхні при підземній розробці вугільних родовищ
Завдання
прогнозу деформацій земної поверхні в зоні впливу гірничих робіт реалізована
як одне з обчислювальних додатків системи інженерного забезпечення гірських
робіт на вугільних шахтах. В якості алгоритму прогнозу використовувалася
нормативна методика розрахунку зрушення і деформацій земної поверхні.
Результати розрахунків деформаційних полів від існуючих та проектованих
виробок відображаються графічно у прив'язці до планів гірських робіт у вигляді
набору ізоліній і зон, кожній з яких відповідає заданий інтервал
осідань поверхні, нахилів, горизонтальних зрушення і деформацій.
Система
випробувана для умов відпрацювання пласта К2 шахти Обухівська (Російський
Донбас).
СИСТЕМА ДЛЯ ВЕДЕННЯ геолого-маркшейдерська документація І
ПЛАНУВАННЯ ГІРНИЧИХ РОБІТ
Система
реалізує інформаційну модель шахти, побудовану як сукупність
інформаційних шарів (покриттів) по об'єктах шахтного поля:
будівлі
на поверхні (полігональних топологія);
земельні ділянки (полігональних топологія);
залізниці (лінійна топологія);
автомобільні дороги (лінійна топологія);
земельні відводи (полігональних топологія);
водойми
(полігональних топологія);
лінії
електропередач (лінійна топологія);
технічні кордону шахтного поля
(полігональних топологія);
Изогипс пласта (лінійна топологія);
вихід
шару під наноси (лінійна топологія);
лінії
геологічних порушень (лінійна топологія);
протяжні підземні гірничі виробки
(лінійна топологія);
камерні підземні гірничі виробки (полігональних
топологія);
відпрацьовані площі (старі відпрацьовані
площі, які відображаються на планах
без
виділення виїмкових полів, полігональних топологія);
виймальних поля (полігональних топологія);
положення очисного забою (лінійна топологія);
цілики
(полігональних топологія);
стовбури
(точкова топологія);
На
даному етапі система забезпечує вирішення наступних завдань:
автоматизоване виготовлення планів гірських
робіт та інших графічних документів;
розрахунки
теодолітних ходів, поповнення планів гірничих робіт;
ведення
бази геологічних даних;
побудова гіпсометричні планів, карт
якості вугілля, потужності пласта;
розкроювання шахтного поля, планування гірських
робіт;
прогноз
деформацій земної поверхні при веденні гірничих робіт.
Система
випробувана для ш.Обуховская (Російський Донбас) і для ш.Октябрьская ВАТ
"Ленінскуголь" (Кузбас).
Описані
вище системи були реалізовані з застосуванням програмних продуктів ARC/INFO і
ArcView фірми ESRI (США). Вибір пакетів програм сімейства ARC/INFO був зроблений
на основі аналізу застосовуються в нашій країні і за кордоном геоінформаційних
систем, а також досвіду використання деяких з них в макетних проектах.
Організація роботи з даними
В
основі всіх розробляються із застосуванням ГІС-технології систем лежить єдина
інтегрована реляційна база даних (БД). Структура цієї бази даних
відповідає інформаційним потребам що реалізуються в системі завдань. Для багатьох
гірничо-геологічних додатків інформація, що зберігається в БД, може включати в себе
не тільки текстові та числові дані (що традиційно для реляційних СУБД), але
і первинні, найбільш відповідальні просторові дані - координати точок
маркшейдерської зйомки.
Велика
частина координатних даних систем зберігається у форматі покриттів системи ARC/INFO.
Зв'язок даних у покриттях ARC/INFO і таблицях СУБД реалізується на основі
використання унікальних ідентифікаторів об'єктів. Частина описаних у статті
систем проектувались як розподілені: кожен користувач у системі
працює зі своїм клієнтським набором даних, який є підмножиною
всіх даних системи, що відповідають специфіці конкретного робочого місця
(маркшейдера, технолога, геолога, диспетчера). Багатокористувацький доступ до
даними з використанням технології клієнт-сервер забезпечується базовим
програмним забезпеченням.
Частина
просторових даних, специфічних для конкретного робочого місця зберігається
у файлах формату ArcView (Shape файли). Розташування та формат даних в системі
прозорі для кінцевого користувача.
Реалізація прикладних програм у система
Основні
базові функції роботи з даними (як просторовими, так і атрибутивними)
виконувалися з використанням внутрішнього мови ArcView (Avenue). Прості
програми розрахунків і побудов також створювалися на Avenue.
Мова
Avenue дозволив організувати динамічне взаємодія систем із зовнішніми
завданнями, використовуючи протокол DDE в середовищі Microsoft Windows і протокол RPC в
середовищі UNIX. Крім того, використовувалися бібліотеки динамічного компонування (DLL)
в середовищі Microsoft Windows. Зазначені механізми дозволили реалізувати в системах
складні розрахункові програми, що вимагають високопродуктивної обробки
числових даних. Ці програми розроблялися з використанням універсальних
алгоритмічних мов програмування (наприклад, СІ + +).
Створення бібліотеки графічних символів
В
рамках реалізації описаних вище проектів була створена бібліотека графічних
символів та апробовані різні способи їх створення.
Перш
за все слід зазначити, що створення бібліотеки цифрових символів є
необхідною умовою можливості реального впровадження систем на гірських
підприємствах, так як вихідні графічні документи повинні в точності
задовольняти вимогам чинного стандарту - Гірська графічна
документація. ГОСТ 2.850 - 75? ГОСТ 2.857 - 75. М., Держстандарт, 1983;
однак цей стандарт орієнтований на ручну технологію виготовлення карт і на
його основі можуть бути створені лише символи немасштабіруемой графіки, а також
паперовий документ або його точне екранне уявлення.
Для
масштабованої інтерактивної екранної графіки повинні бути визначені деякі
правила візуалізації, які б включали також такі необхідні
вимоги:
діапазон
масштабів зображення об'єктів;
діапазон
масштабів масштабного/немасштабні зображення об'єктів;
правила
зміни розмірів немасштабних символів при багаторазовому масштабування;
правила
автоматичного підписування об'єктів;
правила
зміни виду символу при масштабування.
Як
було зазначено вище, більша частина завдань, пов'язаних з графічним поданням
інформації, відбувається на основі ArcView, що володіє необхідними
можливостями настроюваної візуалізації та дозволяє необмежено
нарощувати набір символів відповідно до вимог вищезазначеного
стандарту. На нашу думку, найбільш перспективним шляхом створення символів
є використання мови Avenue і розробка програмного забезпечення в
середовищі ArcView, яке дозволить користувачеві здійснювати редагування
символів.
Виконані
проектні розробки опубліковані:
Ю. М. Малишев,
К. М. Трубецькой, В. Ж. Аренс, А. Ф. Клебанов, М. Ю. Худин. Проектування систем
екологічного моніторингу гірничопромислових регіонів (на прикладі Кузбасу).
Гірський вісник, N 2, 1996, с. 13 - 20.
K. N. Troubetskoi,
AFKlebanov, D.Ya.Vladimirov and M.Yu.Khudin, 1995. Computer Technology for Estimation and
Forecasting of Enviromental Conditions in Mining Region, Proceedings 25th
APCOM, Brisbane, Australia, p. 573 - 577.
K. N. Troubetskoi, V. I. Postnikov,
A. F. Klebanov and M.Yu.Khoudine, 1996. Information System of Mining Operations
Monitoring in Russion State Coal Company "Rosugol", Proceedings 26th APCOM,
Pensilvania, USA, p. 373 - 375.
K. N. Troubetskoi, M. A. Iofis,
A. F. Klebanov, A. M. Navitny, 1997. Forecast of Surface Deformation in Undeground
Mining of Coal Deposits with the Employment of Geoinformation System (GIS)
Technologies, Proceedings Xth International Congress of the International
Society for Mine Surveying, Fremantle, Western Australia, p. 545 - 551.
S. K. Kovalenko, N. M. Sergeeva,
AFKlebanov, KGKlimachov, EMAndreevskaya, 1998. Dispatch and Control
System for Mobil Equipment, Taldinsky Open Cast Mine, Proceedings 27th APCOM,
London, UK, p. 577 - 585.
Реалізація
описаних проектів показала високу ефективність застосування ГІС-технологій для
вирішення зазначеного класу задач; результати проектування свідчать про
можливості створення (на базі ГІС) єдиної комп'ютерної технології збору,
зберігання, обробки та використання інформації (гірничо-геологічної,
технологічної, маркшейдерської) при плануванні гірничих робіт, прогнозуванні
умов і екологічних наслідків відпрацювання родовищ, а також управлінні
виробництвом на рівні гірничодобувних підприємств (шахт, кар'єрів, рудників),
акціонерних товариств, галузей, регіонів. Впровадження комп'ютерних графічних
технологій в гірничій справі безперечно надасть у майбутньому вплив на зміст
нормативних документів, що визначають вимоги до інженерної документації при
веденні гірничих робіт.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://masters.donntu.edu.ua
