Автоматизированная система MineFrame 3.0Комплексное решение горно-геологических задач

С.В.Лукичёв, д.т.н, О.В.Наговицын, к.т.н,?Горный институт КНЦ РАН (г. Апатиты)


Опыт развития и использования на горных предприятиях программных средств, предназначенных для автоматизации решения геологических, маркшейдерских и технологических задач имеет сравнительно небольшую историю, но за этот период произошла серьезная эволюция в понимании возможности компьютерных технологий и их места на современном производстве.

Не касаясь вопросов автоматизации управления материальными и финансовыми ресурсами, для чего предназначены системы класса ERP, остановимся на том, что составляет специфику горного предприятия и является объектом применения компьютерных технологий. Речь идет о месторождении полезных ископаемых и технологии его отработки. И то и другое, как правило, является уникальным, поэтому любое технологическое решение должно приниматься на основе всестороннего анализа горно-геологических условий и возможностей технологии, которые, в свою очередь, носят вероятностный характер. При этом степень неопределенности в их оценке снижается с увеличением объема используемой информации, а, следовательно, не существует другой разумной альтернативы переходу на использование информационных технологий в задачах оценки запасов, проектирования, планирования и управления горными работами.

При общей тенденции все большего применения компьютерных технологий в решении горно-геологических задач существует два основных способа их реализации при создании автоматизированных систем.


Рис. 1    Формирование моделей рудных тел на основе данных опробования из скважин и выработок

Первый способ основан на использовании существующих программных продуктов различных производителей путем их адаптации к решению задач горной технологии за счет добавления функциональности и настройки процедур обмена данными между отдельными приложениями.

Второй – на использовании программных продуктов одного производителя, представляющих собой единый программный комплекс.

Оба подхода имеют множество вариантов реализации, при этом уходит в прошлое практика создания на предприятиях и в проектных организациях автоматизированных систем своими силами. Не вдаваясь в детальный анализ достоинств и недостатков этих способов, хотелось бы отметить лишь следующее. Основными пользователями программных продуктов этого класса являются инженерно-технические работники горных предприятий и проектных организаций.

В условиях рыночной экономики от тех и других требуется высокая производительность труда и эффективность принимаемых решений. Достичь этого можно только за счет системного подхода к организации автоматизированных рабочих мест специалистов (в первую очередь геологов, маркшейдеров и технологов), обеспечивающих инженерное сопровождение горных работ.


Рис. 2    Управление моделями с помощью инспектора объектов

На практике это означает:

-    снятие информационных барьеров между отдельными службами, что достигается переходом на работу с едиными базами данных (БД) горно-геологической информации в локальной вычислительной сети (ЛВС) предприятия;

-    использование специализированных программных средств, предназначенных для решения различных горно-геологических задач на основе единых цифровых моделей объектов горной технологии;

-    применение современных, доступных средств формирования рабочих чертежей и технологической документации, таких, например, как AutoCAD, MS Excel, MS Word.

Реализовать перечисленные требования легче всего в решениях, где использованы узкоспециализированные программные продукты, избавленные от избыточной функциональности и интегрированные между собой уже на момент создания.

Автоматизация решения горно-геологических задач средствами системы MineFrame

Система, реализующая вышеупомянутые требования, создана в Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук (при участии ООО «БВР») и получила название MineFrame. Система предназначена для комплексной автоматизации решения геологических, маркшейдерских и технологических задач на основе компьютерного моделирования объектов горной технологии.


Рис. 3    Каркасные и блочные модели рудных тел

Область ее применения – отработка месторождений твердых полезных ископаемых открытым и подземным способом. Система представляет собой набор взаимоувязанных программных продуктов, обеспечивающих многопользовательский режим работы в ЛВС предприятия с БД геологической, маркшейдерской и технологической информации, представленных соответствующими цифровыми моделями. Для управления режимом доступа к БД в составе системы имеются программные средства, позволяющие администратору MineFrame назначать для каждого пользователя уровень доступа к моделям объектов, вести журнал их изменения, а в случае необходимости восстанавливать удаленные или измененные модели, осуществлять резервное копирование и восстановление БД.

Решение геологических задач и работа с моделями объектов

Для формирования геологической БД используется специализированный редактор GeoTools, который входит в состав системы MineFrame и предоставляет геологу программные средства для создания и редактирования данных опробования из скважин, выработок, а также забоев, борозд и траншей. Кроме данных по химическому опробованию в БД могут быть сохранены любые числовые, текстовые, текстурные, цветовые и вычисляемые характеристики, связанные с пробами, что позволяет гибко настраивать редактор на работу с любыми типами данных, встречающимися в геологической и горной практике.

Редактор предоставляет средства визуализации данных опробования с отображением гистограммы содержаний по длине скважины как по одному компоненту, так и их группе. Ввод и вывод данных может осуществляться в привычной для геологов форме журнала опробования. Инструментальные средства редактора геологической БД позволяют в автоматическом режиме выделять рудные интервалы по заданным кондициям, осуществлять сортировку и поиск скважин, выработок, проб. Ввод координат скважин и проб может выполняться как в геодезических, так и рудничных (шахтных) координатах с быстрым переходом от одних к другим. Редактор содержит средства импорта и экспорта данных, что обеспечивает возможность обмена информацией с другими программами.

Введенные с помощью GeoTools данные опробования визуализируются в среде многооконного графического редактора GeoTech-3D (рис. 1), входящего в состав системы MineFrame. Основное назначение GeoTech-3D заключается в предоставлении средств трехмерной визуализации моделей объектов горной технологии и инструментов для решения широкого спектра геологических, маркшейдерских и технологических задач. В основе инструментальных средств GeoTech-3D лежит работа с цифровыми моделями: проб, маркшейдерских точек, точечных объектов, тел и поверхностей. Для работы с ними имеются развитые средства создания и редактирования моделей, включая их перемещение, поворот, изменение размеров и формы, дублирование. Все эти операции могут быть выполнены с использованием механизма угловых и объектных привязок. Созданные в среде GeoTech-3D модели хранятся в технологической БД. Модели относятся к конкретному проекту, который имеет пространственную, геодезическую привязку. Группы объектов, принадлежащие одному проекту, могут быть включены в другой проект, что позволяет обеспечить совместную работу специалистов разного профиля с группой технологически связанных месторождений.

Для облегчения управления моделями используется инспектор объектов, обеспечивающий их выборку из БД по элементам технологической структуры месторождения. Загруженные из БД модели объектов представлены в инспекторе в форме древовидной структуры, состоящей из групп моделей, количество и состав которых определяет пользователь. Инспектор объектов (рис. 2) обеспечивает удобный и быстрый доступ ко всем свойствам и элементам модели, что избавляет специалиста от необходимости обращения к различным файлам, как это происходит в ряде других систем.

Инструменты GeoTech-3D обеспечивают формирование 9 типов разрезов и работу с ними в многооконном режиме, включая возможность одновременного редактирование модели объекта в разных проекциях. Существует также ряд других инструментов и настроек, созданных с учетом специфики работы с моделями объектов горной технологии.

Инструменты автоматизации решения геологических задач построены на работе с моделями проб, геологических тел и поверхностей. Для формирования или уточнения моделей геологических объектов используются модели проб с выделенными рудными интервалами или литологическими разностями. Каркасные (триангуляционные) модели тел могут быть созданы или путем предварительного формирования контуров их сечений, или непосредственно путем создания моделей поверхностей кровли и почвы пласта по точкам начала/конца выделенных рудных интервалов или пластопересечений. На основе каркасных моделей тел могут быть созданы блочные модели (рис. 3), которые используются для моделирования изменчивости содержания химических элементов или иных характеристик полезного ископаемого.

Для пространственной интерполяции данных опробования GeoTech-3D содержит программные средства, реализующие как простые алгоритмы типа обратных квадратичных расстояний, так и сложные, основанные на геостатистических методах исследования закономерностей изменчивости и применения процедуры кригинга [1, 2]. Созданные таким способом модели рудных тел образованы замкнутыми триангуляционными поверхностями, моделирующими форму тел, и находящимися внутри них блоками заданного размера и формы, моделирующими изменчивость тех или иных его характеристик. Наличие каркасной модели поверхности позволяет с высокой точностью вычислить объем тела или получить его разрез в любой плоскости, а присутствие блочной модели – найти распределение содержания или общий тоннаж полезного компонента, как в выемочной единице, так и во всем рудном теле.

Решение маркшейдерских задач

Инструменты для автоматизации решения маркшейдерских задач построены на работе с каталогом маркшейдерских точек, моделями горных выработок, выемочных единиц, естественных и технологических поверхностей. Основным программным средством специалиста является редактор маркшейдерских точек (рис. 4), являющийся одним из инструментов графического редактора GeoTech-3D. С его помощью можно пополнять каталог маркшейдерских точек, помещая их в соответствующие группы, редактировать параметры точек, удалять их из каталога или перемещать в другие группы. Редактор маркшейдерских точек позволяет обрабатывать файлы электронных тахеометров, добавляя полученные точки съемки в модель корректируемого объекта или в каталог. Маркшейдерские точки, находящиеся в каталоге, отображаются в окнах рабочей области GeoTech-3D и могут использоваться при решении различных геодезических задач.

Средствами редактора осуществляется расчет и уравнивание теодолитных ходов с автоматическим распределением невязок, определяются координаты точки методом прямой и обратной засечки, решается прямая и обратная геодезическая задача. С опорой на фактические и проектные точки в автоматизированном режиме моделируется проходка подземных горных выработок (рис. 5), поверхность карьера и обрушений, границы фронта горных работ, создаются модели выемочных единиц, взрывных скважин, выработок, камер, развалов, складов и штабелей руды (горной массы), отвалов, насыпей, выемок, других наземных и подземных объектов.

Для создания моделей подземных горных выработок, информация по которым хранится только на маркшейдерских планшетах, разработаны инструменты, позволяющие в автоматизированном режиме формировать сечения выработок по векторным подложкам планшетов. При наличии точек, формирующих ось, по той же технологии может быть создана модель наклонной горной выработки, в том числе и с меняющимися высотными отметками кровли и почвы выработки.

Решение технологических задач

Инструменты, предназначенные для автоматизации решения технологических задач (открытые и подземные работы), построены на использовании моделей горно-геологической обстановки, созданных геологами и маркшейдерами, как основы для проектирования и планирования горных работ. GeoTech-3D содержит программные средства параметрического проектирования подземных горных выработок (горизонтальных, наклонных и вертикальных), бортов карьера заданной конструкции с системой транспортных коммуникаций (съезды, траншеи, насыпи, площадки), выемочных единиц (прирезки, блоки, секции), отвалов, складов (штабелей) руды.

Для ускорения процесса проектирования может быть использована БД моделей типовых конструктивных элементов системы разработки, которые создаются в среде конструкторского редактора GeoDesign, также входящего в состав системы MineFrame и являющего четырехоконным (одно трехмерное окно и три проекции) вариантом трансформации графического редактора GeoTech-3D.


Рис. 4    Формирование и работа с базой данных (каталогом) маркшейдерских точек

На платформе GeoTech-3D реализована подсистема автоматизированного проектирования массовых взрывов на карьере (рис. 6), обеспечивающая создание моделей взрывных блоков, размещение в границах блока скважин с учетом фактической геометрии уступа и принятых параметров размещения скважин, формирование схемы инициирования. Итогом применения подсистемы является набор графической, табличной и текстовой документации на проект массового взрыва.

Для оптимизации границ карьера по экономическим критериям разработана программа OptiKor, также входящая в состав MineFrame. Результатом применения программы, в основе которой лежит метод Коробова, является карьер оптимальной формы и глубины, полученный с использованием блочных моделей рудных тел и каркасных моделей дневной поверхности.

Планирование горных работ осуществляется с помощью инструментов вариантной оценки объемных и качественных показателей выемочных единиц, представленных в виде гистограмм подготовленных к добыче объемов с разбивкой на временные периоды и производственные участки. Имеются также программные средства, позволяющие в автоматизированном режиме определить новое положение рабочей зоны на участке борта карьера заданной конструкции.


Рис. 5    Моделирование проходки подземных горных выработок

Модели объектов горной технологии, сформированные в результате коллективной работы специалистов различного профиля, отражают проектные решения и фактическое состояние горных работ. Они являются основой для формирования рабочих чертежей и технологической документации в соответствии со стандартами горной графики.

Для формирования чертежей GeoTech-3D содержит инструменты экспорта графической информации в конструкторские редакторы AutoCAD (широко применяется на горных предприятиях и проектных организациях) или VeCAD (встроен в GeoTech-3D). В случае использования любого другого графического редактора экспорт может быть осуществлен посредством файлов формата DXF. Путем предварительной настройки может быть задана легенда, позволяющая осуществлять экспорт графической информации заданным типом линий в стандартных условных обозначениях, что сокращает время формирования рабочих чертежей.


Рис. 6    Автоматизированное проектирование массовых взрывов для открытых горных работ

Для формирования технологической документации используется экспорт в таблицы MS Exel, что обеспечивает необходимую гибкость и хорошую адаптацию к различной форме отчетности.

Заключение

Таким образом, система MineFrame представляет собой информационную технологию инженерного обеспечения горных работ, позволяющую на основе использования трехмерной компьютерной графики, многопользовательского режима работы с удаленными БД и применения специализированных программных продуктов повысить производительность труда специалистов, исключить дублирование информации и создать условия для повышения эффективности технологических решений. Система создавалась с учетом специфики российских горных предприятий и требований, основанных на отечественных стандартах. Основными преимуществами системы являются высокая функциональная насыщенность специализированных инструментов, возможность создания единой информационной среды на основе клиент-серверной технологии, относительно невысокая стоимость внедрения и сопровождения системы.

В настоящее время система используется на рудниках ОАО «Апатит», ОАО «Оренбургские минералы», ОАО «Бокситы Тимана», ОАО «Севуралбокситруда», в Горном институте КНЦ РАН, ВНИМИ, а также в учебном процессе ряда ВУЗов.

Журнал "Горная Промышленность" №6 2005