Využití 3D modelování při exploataci hlubinných ložisek

Transkript

1 Využití 3D modelování při exploataci hlubinných ložisek OSTREZY, Josef 1 1 Ing., VŠB-TU Ostrava, Institut 542, 17.listopadu 15, Ostrava Poruba, josef.ostrezy.hgf@vsb.cz, URL 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

2 ι ι Vysoká kontrola kvality a selektivnost těžby Zvýšení bezpečnosti práce a tvorba příjemnějšího pracovního prostředí Systém inteligentního dolu Obr. 1 Tento systém bych rád prezentoval pomocí příkladu Inteligentního hlubinného dolu ve Finsku, který je již v provozu od roku 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).

3 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.

4 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

5 - 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 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.

6 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

7 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

8 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

9 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 STRAKOŠ, V., BURÝ, J., BURÝ, A., Automatizace dobývacích prací na hlubinných dolech SNTL ALFA STRAKOŠ, V., Dispečerské řízení dolu. Skripta VŠB KRYL, V., PEROUTKA, P., Příprava výroby a projekce Skripta VŠB TUO 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: Informace o programu Vulcan, Dostupné z <URL: