Маркшейдерско-геологическая аналитическая информационная система (МГАИС) горного предприятия

Михалевич Дмитрий Семенович, д.т.н,, зав. лабораторией ВНИМИ, г. Санкт-Петербург, С.Н. Голубков, инженер, С.Б. Пятницкий, инженер, И.П. Иванов, к. т.н, Д.Н. Брудно, аспирант

В целом современный мировой уровень компьютерных графических систем для горной промышленности отличается разновидностью, активностью, динамичностью развития, готовностью удовлетворять практически любые специфические требования заказчиков — при наличии у последних необходимых средств и достаточно квалифицированного персонала для освоения сложных программных продуктов.

К числу наиболее сложных и развитых компьютерных систем в рассматриваемой области относятся DATAMINE фирмы MICL , VULCAN фирмы МАРТЕК, MINESCAPE фирмы MINCOM.

Так, программа MINESCAPE закуплена на четырех угледобывающих предприятиях России. В настоящее время наиболее полно программа используется на ш. Распадская, где ее эксплуатируют два человека. На остальных предприятиях программа уже длительное время находится в стадии освоения.

MAINE SCAPE изначально разрабатывалась как универсальная система для самого различного использования в горном деле. Применение системы в том виде, в котором ее обычно получает пользователь, довольно проблематично. Универсальность потребовала внедрения в систему средств настройки на предметные области и национальные стандарты. Это было сделано в виде множества системных переменных, с помощью которых пользователь может подогнать пакет под свои нужды. Поскольку MINESCAPE родилась в мире, глубоко чуждом нашим ГОСТам и просто традициям и оформлению горной графической документации, то поле деятельности пользователя в данном случае поистине затруднительно.

Таким образом, не исключая зарубежный опыт информационных систем на объектном и корпоративном уровне, для разработки информационной системы горного предприятия ВНИМИ использован специализированный подход для данной предметной области и России.

В основе системы лежат результаты работ различных лабораторий ВНИМИ и института Углеавтоматизации (маркшейдерия, геология, геомеханика, геодинамика, гидрогеология, геофизика и т.д.). Концептуальные основы системы нами опубликованы ранее /1/.

Она отличается от предлагаемых на рынке универсальных систем прежде всего консалтинговой специализацией в перечисленных научных направлениях. Система является прямым мостом между наукой и практикой. Это новые информационные технологии решения различных эксплуатационных задач горного предприятия, основанные на картографических электронных моделях земной поверхности, горного массива и выработанных пространств. Они включают информационные слои и базы данных входящих в них объектов, характеризующие геометрическое, геологическое, геомеханическое, геодинамическое, гидрологическое, геофизическое состояния, строение и свойства горного массива в пространстве и во времени.

Структура системы

В основе структуры сетевая модель "клиент-сервер", являющаяся на сегодня промышленным стандартом для построения информационных систем. Ее суть заключается в размещении Базы Данных на ЭВМ-сервере, а функциональных приложений — на ПЭВМ-клиентах. Тем самым обеспечивается разделение процессов обработки информации между серверами и клиентами, а так же минимизируется сетевой трафик за счет передачи пользователю только необходимых ему фрагментов базы данных. В модели "клиент-сервер" сервер играет активную роль: он сначала "думает, а потом делает". На рабочую станцию клиента попадают только те данные, которые удовлетворяют его запросу. В результате на сервере информация является оптимальной для работы со всеми клиентами без повторения одноименных данных об объектах.

В свою очередь эта идеология расширена за счет пополнения самого сервера только индексированной информацией, сформированной на локальной базе данных работы клиента. Например, результаты пополнения плана горных работ поступят в БД сервера после окончательного формирования в индексированном виде результатов обработки маркшейдерской съемки за определенный период с рабочего места маркшейдера.

Система ВНИМИ на сегодня включает следующие программные продукты:

1. Программное ядро и объектная трехмерная маркшейдерская база данных — маркшейдерский модуль.

2. Геологический модуль.

3. Графическое программное ядро всей системы — Microstation.

4. Программное обеспечение Terra Modeler, встроенное в Microstation — для трехмерных, объемных цифровых моделей в системе координат, принятой на предприятии.

5. СУБД Access или ORACLE.

6. Календарное планирование.

7. Расчет деформации земной поверхности.

8. Проектирование дорог.

9. Рекультивация.

Другие приложения, в настоящий момент используемые в различных службах предприятия. Они могут быть встроены в предлагаемую систему

Для обеспечения управления системой на горном предприятии в ней оперируют объектами и терминами, повседневно используемыми на горном предприятии, такими как: скважина, ствол, горная выработка, штрек, пласт, квершлаг, опасные события, внезапный выброс газа и породы, опасная зона горного давления и т.д. Все модули разработаны на основе отечественных стандартов выполнения горных работ.

Топологические основы геометризации маркшейдерской базы данных

Система горных выработок на действующей шахте образует сложную топологическую структуру. Одна из задач для ее отображения в БД — найти топологическую индексацию (определение) объектов этой структуры и на их основе реализовать базу данных по этим объектам. С целью четкой индексации топологических объектов в качестве топологической единицы использовано понятие ребра (звена). Это участок горной выработки между двумя сопряжениями. Регистрация ребра в базе данных осуществляется с использованием геометрических параметров в виде опорно-сьемочной маркшейдерской сети и маркшейдерских замеров.

Геометрические параметры в БД определяют особенности генерации (воспроизведения — рисования) геометрических объектов на электронном плане.

В процессе автоматизированной генерации электронного исходного маркшейдерского плана, в алгоритме ВНИМИ, согласованного с маркшейдерской службой ОАО Воркутауголь, используются все три координаты X,Y,Z и результаты съемки контура объекта. В итоге машина распознает, как сопрягаются горные выработки, и если контурные точки сопряжения имеют одинаковые отметки Z, она их рисует без пересечений и наоборот.

Однако построение ортогонального электронного исходного маркшейдерского плана по трем координатам не позволяет увидеть все морфологические и структурные тонкости горных выработок. МГАИС осуществляет динамическое изменение представления объекта в объемном виде.

Трехмерная база данных дает возможность в любой точке плана получить интерполированную высоту (Z), необходимый профиль (сечение) по выработке. Построение информационной плоскости модели производится со скоростью приблизительно 3000 точек за 2 секунды, с возможностью в любом месте модели визуализировать не экране построенную систему треугольников и, если необходимо, изменить интерактивно построение треугольников или ввести дополнительную точку и пересчитать модель. Количество построений информационных плоскостей неограниченно.

Вместо координаты Z на электронном маркшейдерском плане может быть выбран для построения информационной модели поля показатель этого поля: мощность пласта, зольность угля, геомеханическая мониторинговая характеристика (напряжение в точке, прочность, деформации) и т.д.

Рассчитанные по моделям информационные поля между изолиниями могут быть исправлены экспертом-специалистом, основываясь на свой опыт познания рассматриваемой модели, внося субъективную информацию в прогнозные алгоритмы. Сравнение информационных слоев на основе сопоставления двух построений, одно из которых выполнено с использованием субъективной информации (авторская трактовка интерполяции), а другое на основе стандартных алгоритмов (триангуляция сплайны и т.д.) позволяет осуществлять планирование развития геометрической сети получения данных.

Программное ядро и динамическая структура маркшейдерской базы данных

Информационная система имеет динамическую объектную структуру данных с неограниченной возможностью наращивания функциональности. Эта база данных в системе выступает в качестве интегрирующей основы корпоративной работы всех эксплуатационных модулей системы. Важнейшим критерием жизнеспособности и эффективности корпоративной системы являются заложенные в нее возможности развития информационной модели силами самих пользователей. Действительно, эксплуатирующий персонал горного предприятия, как правило, работает с реальными объектами. Задачи инженерно-технических работников служб главного маркшейдера, главного геолога, главного технолога и т.п. трудно формализуются и постоянно меняются. Лица, принимающие решения, имеют здесь дело со специфической технической информацией о разнотипных объектах, структура которых нигде заранее не "прописана", а часто известна им одним. Объекты эксплуатации "живут", как например, горные выработки, сначала они проектируются, затем проходятся, образуют сопряжекия, разделяясь на два и более "звена" (ребра), гасятся и т.д. Иначе, одни объекты являются частью других и оказывают влияние на свойства этих объектов — систем более высокого уровня. Информационная поддержка должна сопровождать весь жизненный цикл инженерных объектов и отражать потребности различных служб-участников корпоративной системы. Реализация подобной системы возможна только при постоянном развитии ее структуры, так как единственным "авторитетным" постановщиком задач является Время, точнее — сами пользователи, которые лишь в ходе эксплуатации системы начинают понимать, что от нее можно ожидать и что, — и в какой последовательности — им действительно нужно. И только в ходе развития информационная система способна становиться все более и более адекватной всей сложности объекта. При этом установится необходимая структура, способная эффектно удовлетворить всем требуемым задачам.

Таким образом, возникает необходимость очень гибкого, мощного и, в то же время, доступного пользователю аппарата для самостоятельного создания необходимых структур хранения данных, получения ответов на заранее неизвестные запросы в корпоративном информационном пространстве.

Использование динамической БД, разрабатываемой ВНИМИ, предполагает наличие специального программного обеспечения, наращиваемого и изменяемого адекватно сложившейся ситуации. Фирма Microsoft предоставляет разработчикам программ возможность создания СОМ (Component Object Model)-объектов. Данные объекты пишутся с помощью Visual С++ версии 4.1 и выше, и могут компоноваться как в библиотеки (DLL), так и в исполняемые приложения (ЕХЕ). В отличии от обычных программных модулей СОМ-обьекты регистрируются в реестре операционной системы (ОС) и в дальнейшем рассматриваются как ее неотъемлемая часть. ОС - Windows 98 или NT берет на себя большинство функций по сохранности, отслеживанию модификаций и перемещений СОМ-объектов на жестком диске или в сети.

В нашем случае, каждый СОМ-объект обслуживает некоторый небольшой фрагмент БД и (или) предоставляет набор функций для его обработки. Законченное программное приложение представляет собой набор обращений к независимым друг от друга СОМ-объектам, которые в свою очередь обращаются к другим объектам. Глубина вложенности такой структуры может быть произвольна, и изменение одного из объектов не влечет за собой переделку приложения или всей системы в целом.

Таким образом, появление в динамической БД новых элементов или ссылок, постановка новых практических задач требует лишь написание одного или нескольких СОМ-объектов, не заботясь об изменении всего написанного ранее.

Информационная технология, используемая в предложенной системе, позволяет "на ходу", с помощью СОМ-объектов развивать реализованную в едином хранилище данных информационную модель корпоративной системы и снимает жесткую границу между ее проектированием и использованием. Внедрение системы не требует раз и навсегда завершенного проекта системы. Это качественно отличает ее от обычных подходов к созданию информационных систем, когда разработчики в ходе длительного и дорогостоящего этапа проектирования пытаются собрать максимум сведений от всех предполагаемых пользователей, увязать все существующие и перспективные задачи, и только создав полную и адекватную информационную модель, приступают к программированию. При этом, однако, постоянно обнаруживаются неучтенные потребности, необходимость корректировки возникает еще до начала внедрения, разработка приобретает перманентный характер, а эксплуатация в промышленном объеме так и не начинается. Затратив значительное время и средства и не получив желаемых результатов, заказчик неразвиваемой системы оказывается заложником разработчиков. Потеря их может оказаться фатальной для начатого проекта. Отсутствие же развития внедренной системы очень быстро сделает ее неактуальной.

Возможность развития корпоративной системы ВНИМИ обеспечивается наличием в ней пути представления информации не в статистическом виде (как в обычных реляционных БД), а информации об отношениях между объектами. За счет этого мы можем наращивать сколько угодно новых отношений между объектами, каждые из которых сортируются по информационным слоям, образуя определенную иерархию информации, удобную для извлечения ее из БД по формализованной в ней таблице всего из четырех колонок: идентификатор слоя, начало (верхний по иерархии объект), конец (нижний по иерархии объект), параметр описываемого отношения.

Такая информационная иерархия наглядно может быть представлена графами, в виде стрелок, где начало отображает верхний по иерархии объект, конец отображает нижний по иерархии объект, а от стрелок в виде дроби название информационного слоя и его параметр.

Создав принципиально новую динамичную структуру ядра БД, ее хранение и управление возложено на известные СУБД Acces фирмы Микрософт, имеется готовность к внедрению СУБД Oracle, подчеркивая этим перспективную трехзвенную архитектуру клиент-сервер приложений — СУБД.

Важнейшим слоем графа является "Склад" (хранилище). На нем заканчивается информационная иерархия графа БД и ссылается на таблицу БД, в которой представлена тематическая информация, например, каталог маркшейдерских точек. Каждой стрелке графа соответствует строка формализованной таблицы представления объектов в БД. Например, жирной стрелке соответствует следующая запись в таблице:

Таблица 1. Формализованная таблица представления объектов в БД

Слой	Начало	Конец	Параметр
Ребро (звено)	С1	С2	Зв1

 Представление любого геометрического объекта в БД возможно в 4-х разновидностях: исходной, производной, планируемой (проектной), расчетной (проекция). Исходное — это представление по результатам маркшейдерской съемки. Производное — представление по производной горной графической документации оператором-векторизатором. Планируемая (проектная) — это информация в плоских координатах, например, с плана горных работ. Расчетная (проекция) - это информация в трехмерных координатах, восстановленная по плоским координатам путем проекции на поверхность определяемую цифровой трехмерной моделью, например, почвы пласта. Это позволит увидеть объемное отображение будущего звена по отношению к объемному рудному телу или угленосному слою.

Заполнение БД будет происходить в полуавтоматическом интерактивном режиме. Структура таблиц слоев автоматически закладывается в БД по мере отображения горных выработок на плане, т.к. независимо от количества слоев и их расположения они аккумулируются в БД однозначно таблицами из 4-х столбцов, в которых меняется название слоя и параметр. Склады формируются интерактивно и их содержание зависит от решаемых задач.

На рисунке, где представлена лишь частичная структура картины БД, хорошо читается тот огромный объем информации, который содержит вся база по горным выработкам на шахте. Здесь же совершенно очевидно, что решение той или иной задачи, поставленной на производстве, связано лишь селективно с теми или иными информационными данными по выработкам. Эта селективность выбора данных решается в новой структуре БД наглядно, выбирая из БД лишь те стрелочки (слои, графы) информации, которые необходимы для решения той или иной задачи. Практически достаточно соприкоснуться курсором с графическим объектом на электронном маркшейдерском плане, объект выделится миганием и определенным интерфейсом свяжет клиента с базой данных на выделенный объект, а если необходимо — с АРМ маркшейдера /2/.

Геологический модуль и практическое использование системы в ОАО "Воркутауголь"

Непосредственно к маркшейдерской базе данных в системе ВНИМИ примыкает геологический модуль, разработанный институтом Углеавтоматизации.

Он предназначен для автоматизации на ПЭВМ труда геолога угольного предприятия путем ввода и обработки материалов геологических наблюдений и измерний в горных выработках и разведочных скважинах.

В качестве исходной информации используются дела разведочных скважин и первичные (черновые) данные геологических наблюдений и измерений в горных выработках.

При необходимости исходная информация может вводиться с чистовых геологических разрезов, выполненных ранее на бумажных носителях.

На базе обработки исходной информации осуществляется получение чертежей чистовых геологических разрезов по оси, забою, откосу (стенке) и подошве (площадке) горных выработок:

Формирование базы геологических данных по горным выработкам и разведочным скважинам, необходимой при выполнении прогноза горно-геологических условий разработки угольных пластов, пополнении планов горных выработок, геометрических построениях на планах (изолинии, границы, тектонические нарушения) подсчете, учете и анализе запасов угля.

Использование в модуле графического корпоративного ядра системы Microstation триангуляционного моделирования границ геологических слоев позволили построить для ОАО "Воркутауголь" маркшейдерско-геологическую модель участка месторождения, выбранного на электронном маркшейдерском плане, в районе планирования горных работ. С учетом данных по разведочным скважинам, горным выработкам, данным по геологическим нарушениям построить точные стратиграфические разрезы по выбранным линиям, провести криволинейный разрез по поверхности полезного ископаемого с определенным уклоном, построить изолинии по различным характеристикам (изолинии подошвы, пласта, кровли пласта, изомощности, изолинии плоскости сместителя геологического нарушения, изолинии поверхности, изоглубины).

На основе перечисленных данных, используя объемное моделирование в системе ВНИМИ проектируется календарное планирование работ на определенный объем добычи угля с фиксацией за каждый месяц с учетом перестановки добычного комплекса, если это необходимо.

Для геомеханического обеспечения горных работ оперативно и точно прогнозируется влияние намеченных горных работ на поверхность и объекты, расположенные на ней, поскольку от него зависит безопасность ведения горных работ и условия эксплуатации объектов.

Задача расчета ожидаемых сдвижений и деформаций реализована в системе специальным модулем /З/. Эти расчеты дают возможность применения природноохранных мероприятий для защиты природных объектов от вредного влияния горных разработок.

Список литературы

1. Яковлев Д.В., Михалевич Д.С. и др. "Географическая информационная система горного предприятия" в сб. "Проблемы геодинамической безопасности" II международное рабочее совещание. СПб, Россия, июнь 1997 г. с.60-65

2. Жуков Г.П. "Автоматизированное рабочее место маркшейдера". Межвузовский сб. "Маркшейдерское дело и геодезия " Спб, СПГГИ, 1995 г., с.14-18.

3. Земисев В.Н. и др. "Правила охраны сооружений и природных объектов".

4. Михалевич Д.С и др. Отчет “Внедрить растрово-векторную технологию изготовления и пополнения электронно-цифровых маркшейдерских планов на шахтах ОАО “Гуковуголь” и “Ростовуголь”.

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://masters.donntu.edu.ua