Využití 3D modelování při exploataci hlubinných ložisek

Využití 3D modelování při exploataci hlubinných ložisek
OSTREZY, Josef 1
1
Ing.,
VŠB-TU Ostrava, Institut 542, 17.listopadu 15, Ostrava Poruba,
[email protected],
URL http://safir.vsb.cz/~vg99012
Abstrakt
V příspěvku se zabývám studiem možností využití 3D modelování v hlubinném hornictví. Jde
především o vytvoření geologického modelu ložiska v trojrozměrném prostoru. V úvodu
popisuji již v praxi implementovaný projekt Inteligentního dolu ve Finsku a v další části jsem
se zaměřil na rozbor poskytovaných možností sw produktu Vulcan od firmy Maptek.
Klíčová slova: 3D modelování, geologický model, Vulcan, Maptek, Inteligentní důl,
automatizace, hornictví
Úvod
Současný rozvoj veškerých informačních technologií má za následek to, že se začíná využívat
výpočetní technika i v oblastech, kde by ji před několika lety sotva někdo čekal. Žádnou
výjimkou v této oblasti není ani uhelné hornictví v ČR a už vůbec ne v zahraničí, kde tuto
techniku využívají v mnohem větším rozsahu.
V tomto příspěvku se zabývám stavem a možnostmi využití 3D modelování v již zmíněné
oblasti hlubinného dobývání, konkrétněji pak tvorbou 3D počítačového modelu uhelného
ložiska a důlních děl. Co to vlastně je 3D modelování? Obecně je to tvorba počítačového
modelu vybraného objektu v 3D prostoru a konkrétněji by se to dalo definovat jako vědecká
metoda zkoumání, kdy je zkoumaný objekt nebo systém analogicky nahrazen jiným modelem
(počítačovým, grafickým) tak, aby jeho zkoumání umožnilo získat více informací o původním
(reálném) objektu nebo systému. Tvorba takového počítačového modelu je sice jen součástí
podsystému určitého technologického celku, ale z komplexního hlediska je nepostradatelná
pro zavádění vyšších stupňů automatizace do hornictví.
Zavádění automatizace do prostředí hlubinného dolu
Hlavním důvodem, proč se ve všech oborech přistupuje k zavádění automatizace do provozů
je zvýšení produktivity práce, zvýšení bezpečnosti a zajištění lepšího pracovního prostředí což
je patrné z (Obr.1). Stupeň automatizace na dolech v České republice je v porovnání
s některými zahraničními doly rozhodně nižší. Máme zautomatizované skoro všechny
technologické procesy, některé vztahy a návaznosti mezi nimi, ale neexistuje u nás systém
hlubinného dolu, který by byl ve všech podsystémech plně automatizován a řízen. Využití 3D
počítačového modelování a plánování je skoro nulové. Cílem většiny oborů je vytvoření
takového technologického celku, který by byl schopný fungovat s minimální účastí člověka na
řízení, a to obzvlášť v tak nebezpečném prostředí jako je prostředí hlubinného dolu. Nejvyšší
metou, které v oblasti hornictví lze v současné době dosáhnout je „Systém inteligentního
dolu“.
Přínosy pro důl zvýšením stupně automatizace:
•ι Snížení celkových nákladů
•ι Zvýšení produktivity práce
•ι Vysoká kontrola kvality a selektivnost těžby
•ι Zvýšení bezpečnosti práce a tvorba příjemnějšího pracovního prostředí
Obr. 1
Systém inteligentního dolu
Tento systém bych rád prezentoval pomocí příkladu Inteligentního hlubinného dolu ve
Finsku, který je již v provozu od roku 1992. Inteligentní důl můžeme definovat jako vysoce
automatizovaný provoz, který je řízený v reálném čase a zajišťuje nejlepší možnou produkci
v závislosti na vnitřních a vnějších podmínkách.
Hlavní znaky systému Inteligentního dolu:
•ι Automatizované a dálkově ovládané strojní zařízení a další příslušenství napojené na
důlní informační systém.
•ι Počítačové zpracování informací, plánování těžby, projektování a kontrola klíčových
provozů.
•ι Komunikace a monitoring systémů a zařízení v otevřených informačních sítích.
•ι Zpracování širokého spektra výstupních informací z hlubinného dolu a dostatečný sběr
dat přímo z provozu.
•ι Vysoká rychlost obousměrné komunikace (nutné pro sledování a řízení v reálném
čase).
Pro dosažení funkčního systému Inteligentního dolu musí každý provoz projít vývojovými
úrovněmi, které se dají rozčlenit do 3 skupin a žádnou z nich nelze vynechat. Tyto
automatizační úrovně a dílčí úkoly s nimi spojenými jsou znázorněny na (Obr.2).
Obr. 2
Základní vlastností systému Inteligentního dolu je jeho schopnost řízení v reálném čase.
Takovým řízením se dosáhne optimální produkce i při vnitřních a vnějších změnách
v některém z podsystémů nebo celého systému. Pro takový typ řízení je potřeba správné
komunikace systému řízení a sběru dat.
Telekomunikační a informační systémy Inteligentního dolu
Zvyšování stupně automatizace má za následek i to, že se zvyšují požadavky na rychlost a
zpracování informací, což má za následek větší požadavky na přenos digitálních dat a obrazu.
Systém Inteligentního dolu používá nově vytvořený integrovaný informační systém, který byl
nazván IMIS - Net, Integrated Service Communications Network. Tento systém je založen na
novém způsobu přenosu dat – tzv. asynchronním přenosovém módu (Asynchronous Transfer
Mode – ATM technique). Komunikační síť sama o sobě nemá velký význam až do okamžiku,
kdy dojde k celkovému propojení všech systémů sběru, zpracování, vyhodnocování, řízení
apod. Rozvoj důlních informačních systémů probíhá v úzkém propojení s dalšími aplikacemi,
což je především automatizace důlních strojů, komplexní údržby všech důlních systémů a
technologií.
Řízení Inteligentního dolu
Řízení Inteligentního dolu je výsledkem spojení všech předešlých telekomunikačních a
informačních systémů, které jsou zastřešeny nadřazeným centrem zpracování a
vyhodnocování dat. Tento proces můžeme rozdělit na čtyři základní částí (Obr.3), které jsou
vzájemně propojeny s centrem zpracování a vyhodnocování dat a informací získaných přímo
z provozu. Řídící algoritmus sám určuje, které informace kam a kdy půjdou.
Obr. 3
Části řízení Inteligentního dolu
Kontrola produkce
- těžební plán vycházející z geologických podkladů, vypočtených zásob
apod.
Hlavní řídící velín
- Řízení chodu celého komplexu technologií potřebných k zajištění
provozuschopnosti hlubinného dolu
- Monitoring jednotlivých dobývacích sestav a podpůrných technologií
Hlavní servisní středisko
- Každodenní kontrola poruchových hlášení
- Následné odstraňování poruch, servisní a opravárenské centrum
- Údržba komunikačních systémů a datových linek
Hlavní operační velín
-
Samotné řízení dobývacích, dopravních a jiných technologií
Ovládání akčních členů při poruchových hlášení
3D modelování v ČR
Tato vědní disciplína je pouze součástí tak velkého a rozvětvéného systému jako je
Inteligentní důl, ale pro jeho výslednou činnost je zcela nezbytná. Jak jsem již uvedl
v samotném úvodu 3D modelování je tvorba počítačového modelu vybraného objektu v 3D
prostoru. V současné době je jeho využití v praxi českého hlubinného hornictví minimální.
Povrchové hornictví je o něco dál, ale v žádném případě ho nevyužívá pro celkové řízení
všech dobývacích prací a prací s tím souvisejících. Obecně lze pro tvorbu 3D modelů využít
spoustu programů k tomu určených, ale ne všechny jsou navrženy a vyhovují všem
požadavkům, které potřebujeme pro tvorbu geologického modelu a následnou práci s ním.
Přehled několika SW produktu pro modelování:
•ι Vulcan (Maptek)
•ι Surpac
•ι Minescape (Mincom)
•ι Surfer
•ι Kokeš + nadstavby
•ι AutoCAD + nadstavby
•ι Microstation + DulMap, MacroGeo
SW produkt Vulcan
Tento program je produktem australské firmy MAPTEK, která se zabývá uhelným hornictvím
přes 25 let a vývojem softwaru pro hornictví od roku 1981. Vulcan je integrovaný soubor
softwarových programů zahrnující všechny aspekty hornických činností od návrhu dolu přes
exploataci až po zahlazení způsobilých škod rekultivací. Jeho základní možnosti jsou
zobrazeny na (obr.4). Je využitelný jak pro hlubinné hornictví, tak i pro povrchové. Obsahuje
prostředky pro tvorbu a zpracování dat z těchto oblastí hornictví:
•ι Vyhodnocení geologického průzkumu
•ι Tvorbu geologického modelu
•ι Projekce dolu
•ι Plánování, řízení a kontrolu těžby
•ι Výpočet zásob
•ι Určení geostatiky
•ι Modelování podzemní vody
•ι Rekultivace
Program Vulcan je doprovázen i rozšířenou nabídkou pokročilých aplikací pro řešení
záložních zdrojů, enviromentálního řízení a pro 3D geografické informační systémy.Tento
produkt je vhodný pro modelování v oborech geologie, geodézie a projektování. Geologové,
geofyzikové, projektanti a geodeti využívají Vulcan pro každodenní práci a to jak na
krátkodobé úkoly, tak i na dlouhodobé plánování. Vulcan nabízí dynamické, reálné 3D
geologické modely a systém plánování pro důl v přirozeném grafickém prostředí. Vulcan je
navržen pro řízení a sběr geologických a geofyzikálních dat. Nástroje zahrnují struktury a
vlastnosti pro modelování map, plánů produkce, výpočet zásob a pro návrh dolu hlubinného i
povrchového. Plné funkčnosti Vulcanu je využíváno na více než 300 místech na celém světě.
Mimo hornictví lze Vulcan využít i v následujících oblastech: těžba ropy a plynu, životní
prostředí, městské plánování, stavební inženýrství, návrh silnic, 3D GIS.
Obr. 4
Vulcan - hardwarové požadavky a instalace
Až donedávna bylo tento program možno využívat pouze na počítačích s operačním
systémem UNIX. V současné době již existuje verze, kterou lze provozovat na PC řady IBM
pod operačním systémem WindowsNT. Pro instalaci Vulcanu je nutno mít na pevném disku
minimálně 2GB volného prostoru a PC o konfiguraci minimálně Pentium 200 MHz, 64 MB
RAM a grafický akcelerátor. V průběhu instalace se musí upřesnit následující informace:
používaná metrická soustava, typ zakoupené licence (osteval.auth), cílový adresář pro
program (C:\Vulcan) a pracovní adresář pro ukládání projektů (C:\Vulcan_Home). Po
dokončení instalace se v menu programy vytvoří složka, která obsahuje zástupce pro
konfiguraci pracovní stanice, uživatele a na manuál v html formátu. Konfigurace stanice a
uživatele se provede pouhým spuštěním programů Workstation setup a User setup, které
v závislosti na hardwarovém klíči a informacích z průběhu instalace automaticky vytvoří dva
konfigurační soubory (login.csh a startup.csh) a umístí je do pracovní složky Vulcan_Home.
Nakonec se musí vytvořit zástupce pro spuštění programu na pracovní ploše, a to tak, že se
metodou Drag and Drop vyjme ze složky C:\Vulcan\Bin\Exe\dragdrop a přetáhne na plochu.
Nastavení konfiguračních souborů Vulcanu
Samotná instalace softwaru a vytvoření zástupce na ploše ještě neumožňuje žádnou práci
s tímto produktem, protože je nutné vytvořit několik konfiguračních souborů pro běh této
aplikace. Zapříčiněné je to tím, že Vulcan byl původně vytvořen pro prostředí operačního
systému Unix a tvůrci při přechodu pod WindowsNT zachovali programovou strukturu a
datovou provázanost. Po spuštění zástupce se otevře hlavní komunikační okno (obr.5) odkud
se spouští jednotlivé programové části Vulcanu.
Obr. 5
Výběrem položky Vulcan v levém okně a zmáčknutím tlačítka GO se otevře okno pro definici
všech součástí, které se budou v průběhu práce s programem využívat. Zde se také nastavují
úvodní parametry pro spuštění základního grafického editoru Envisage 3D. Všechny soubory,
které se vytvoří během instalace a následného definování programu se ukládají do vybraného
pracovního adresáře, který musí být pro každý nový projekt jiný.
Tvorba 3D geologického počítačového modelu
3D geologický počítačový model lze vytvořit pomocí dvou základních způsobů. První
možnost je, že se v editoru Envisage objekty vytvářejí manuálně (body, čáry, polygony,
vrstvy atd.) s pouhým využitím myši, klávesnice a popř. digitizéru. Druhý způsob spočívá
v tvorbě datového souboru, který obsahuje informace o umístění a vlastnostech jednotlivých
modelovaných objektů. Například pro vytvoření modelu uhelného ložiska se do databáze
umístí informace z jednotlivých vrtů, které se zjistily při geologickém průzkumu a program
Vulcan je pak schopen tyto data vyhodnotit a vykreslit 3D geologický model. Podle množství
údajů uvedených u každého vrtu máme možnost vymodelovat celkem přesný 3Dmodel
geologické situace na dané lokalitě. Lze pak vytvořit nejen model průběhu uhelného ložiska,
ale i horninových vrstev pod a nad ložiskem, jejich vzájemné interakce a reakci na okolní
hornickou činnost. Samozřejmě pokud chceme tak dokonalý model, tak pro jeho tvorbu
nestačí pouze hloubkového umístění jednotlivých vrstev z vrtného schématu, ale je ještě nutné
pro každou obsaženou vrstvu nadefinovat její mechanické vlastnosti a vztahy k vrstvám
jiným. Po vytvoření modelu ložiska lze modelovat a projektovat veškeré činnosti s dobýváním
související (otvírka ložiska, projekce důlních chodeb, větrné schéma, rozdělení ložiska na
bloky atd.).
Envisage 3D editor
Tento 3D grafický editor je základním prostředím pro tvorbu jakéhokoliv modelu. Obsahuje
veškeré nástroje a pomůcky pro tvorbu samotného modelu a také slouží jako komunikační
rozhraní mezi pomocnými programy a mezi rozšiřujícími moduly Vulcanu. Jelikož tento
editor slouží pro práci v třírozměrném prostoru, tak pracovní plocha je vybavena osovým
křížem, který umožňuje uživateli orientaci v prostoru (označuje směry: sever, východ a
úroveň nad nebo pod povrchem). Na levé straně okna je umístěna nástrojová lišta pro základní
kreslení a manipulaci s modelem. Vpravo je hlavní menu tohoto editoru a po stranách
pracovní plochy se zobrazují souřadnice, které se automaticky při pohybu s modelem
přepočítávají. Na obrázku 6 jsou zobrazeny dvě vrstvy v rozmezí 100 m a průmět ložiska v
horní vrstvě pomocí axonometrického zobrazení. Dále je tam možnost vidět orientační osový
kříž a zkušební model důlních chodeb. Vzhledem k tomu, že je tento program zatím pouze
testován, tak se nejedná o žádnou reálnou situaci a zobrazený model je pouze zkušební.
Obr. 6
Závěr
V současné době je více než jasné, že 3D modelování se stalo v různých odvětvích zcela
běžnou a leckde už i nepostradatelnou vědní disciplínou. Jeho všeobecné rozšíření v technické
praxi je i v ČR celkem rozsáhlé. Výjimku ale zatím tvoří naše uhelné hornictví, které takové
silné a užitečné programové nástroje využívá minimálně. Důvodů pro tento stav je hned
několik. Pravděpodobně nejzávažnějším problémem pro implementaci takového systému do
praxe je neznalost možností a kolikrát i existence takových softwarových produktů. Dalším
častým důvodem jsou finanční prostředky, protože pořízení takového programu stojí řádově
stovky tisíc korun. Jelikož máme popisovaný program Vulcan ve funkční verzi pro
WindowsNT k dispozici teprve přes jeden měsíc, tak zatím nemůže být jeho hodnocení
komplexní z důvodů jeho rozsáhlosti a provázanosti s podpůrnými moduly. Prozatímní
zkušenosti ukazují, že by šlo Vulcan využít i pro hornictví u nás, a to pro hlubinné i
povrchové dobývání.
10 Literatura
STRAKOŠ, V., MENŠÍK, J., POLÁK, J., Automatizace důlní dopravy SNTL ALFA 1980.
STRAKOŠ, V., BURÝ, J., BURÝ, A., Automatizace dobývacích prací na hlubinných dolech
SNTL ALFA 1984.
STRAKOŠ, V., Dispečerské řízení dolu. Skripta VŠB 1996.
KRYL, V., PEROUTKA, P., Příprava výroby a projekce Skripta VŠB – TUO 1995.
Propagační materiály LABORATORY OF ROCK ENGINEERING Helsinki University of
Technology „INTELLIGENT MINE - Technology program“.
Propagační materiál firmy MAPTEK – Vulcan 3D Software.
Popis systému inteligentního dolu. Dostupný z <URL: www.el-euip.com/intllgnt_txt.htm>
Informace o programu Vulcan, Dostupné z <URL: www.maptek.com>