graficzna projekcja danych dla celów efektywnego projektowania

Ryszard HEJMANOWSKI
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Katedra Ochrony Terenów Górniczych
GRAFICZNA PROJEKCJA DANYCH
DLA CELÓW EFEKTYWNEGO PROJEKTOWANIA
EKSPLOATACJI GÓRNICZEJ W WARUNKACH
OCHRONY POWIERZCHNI∗
Efektywne planowanie produkcji górniczej wiąże się ściśle z ochroną obiektów własnych zakładu
górniczego jak i powierzchni terenu. Poszukiwanie i udostępnianie najbardziej opłacalnych partii złoża wymaga
analizy szeregu czynników, do których należą przykładowo informacje o charakterze prawnym,
technologicznym, ale również informacje o deformacjach powierzchni terenu i jego aktualnym oraz planowanym
zagospodarowaniu. Nie bez znaczenia jest możliwość szybkiej graficznej prezentacji wyników pomiarów
prowadzonych w rejonach planowanej eksploatacji górniczej. Wszelkie prace projektowe zawsze bazowały na
danych pozyskiwanych z różnych źródeł i obejmujących szerokie spektrum zagadnień. Z uwagi na to problem
stanowiła obróbka takiej masy danych. Współcześnie istnieją możliwości takiego przedstawiania danych, które
pozwala na wygodny i szybki dostęp do istotnych informacji i ułatwia podejmowanie decyzji projektowych
poprzez wykorzystanie atutu jaki stanowi możliwość korzystania z narzędzi informatycznych i grafiki
komputerowej. Niniejszy referat stanowi przyczynek do zasygnalizowania niektórych aspektów omówionego
powyżej zagadnienia poprzez prezentację kilku własnych programów komputerowych oraz jednego pakietu
profesjonalnego.
1. WSTĘP
Problematyka projektowania eksploatacji górniczej obejmuje swym zakresem takie
dziedziny wiedzy inżynierskiej jak geologia, górnictwo, miernictwo górnicze oraz szereg
dziedzin pozornie odległych od nauk górniczych, takich jak ekonomia, budownictwo, prawo.
Jest oczywiste, że działalność tak szeroko zarysowana musi opierać się na jakichś materiałach
będących bazą projektową, zrozumiałych dla wszystkich uczestników procesu projektowania.
Tego typu bazę stanowią materiały graficzne, a w szczególności mapy. Przez okres całej
epoki „przedinformatycznej” wszelkie materiały projektowe przedstawiane były na mapach
górniczych i profilach geologicznych wykonywanych ręcznie. Obecnie przemysł
wydobywczy wprowadza systemy map numerycznych, często połączone z bazami danych
zawierającymi dodatkowe informacje (atrybuty). Również opracowania dla powierzchni
terenu bazują na materiałach numerycznych (GIS). W środowisku mierniczych górniczych
dyskutowane są różne aspekty i konsekwencje wprowadzania numerycznych nośników
dokumentacji górniczo-geologicznej. Obok problemów prawnych, finansowych i bariery
psychologicznej dyskutowane są niezawodność, przydatność i dostępność tego typu
materiałów w praktyce.
Obok numerycznych opracowań kartograficznych istnieje cała gama produktów
informatycznych, które posiadają ogromny aspekt użytkowy dla różnych faz procesu
analityczno-projektowego oraz procesu produkcji. Są to programy pomocnicze, graficzne
programy statystyczne, programy obliczeniowe oraz typowe aplikacje prezentacyjne.
Rozpatrując oprogramowanie komputerowe pod kątem wykorzystania elementów grafiki
można je podzielić na:
!" wykorzystujące grafikę w interfejsie użytkownika (ekran z elementami graficznymi
wspomagającymi obsługę programu: przyciski, suwaki itp.),
∗
Publikacja została przygotowana w ramach badań własnych w oparciu o środki finansowe KBN
wykorzystujące grafikę dla celów prezentacji zjawiska (np. wykresy wyników obliczeń,
przebiegi zmienności jakiejś analizowanej cechy itp.),
!" wykorzystujące
grafikę prezentacyjną do przedstawiania rzeczywistości (rzuty,
prezentacja w zmiennym oświetleniu).
Obecnie niemal wyłącznie korzystamy z programów przyjaznych użytkownikowi, a więc
należących co najmniej do pierwszej z wymienionych powyżej grup. Są to aplikacje pisane
dla systemu MS Windows. Zastosowanie programów operujących na elementach grafiki w
działalności inżyniera w przemyśle górniczym pozwala m.in. na:
#" znaczne przyspieszenie analiz ekonomicznych i technologicznych,
#" uniknięcie pomyłek wynikających z błędnej interpretacji informacji przestrzennych
zawartych na mapach i profilach,
#" optymalizację projektowanej eksploatacji w zakresie wykorzystania złoża i minimalizacji
zagrożenia dla obiektów własnych kopalni i obiektów powierzchniowych,
#" znaczne podniesienie dokładności obliczania postępu robót górniczych i elastyczne
planowanie.
W sferze zarządzania i ekonomiki zastosowanie tego typu oprogramowania pozwala na
znaczne oszczędności materiałów, czasu i pracy ludzkiej.
Należy sobie zdawać sprawę z tego, że przyszłością jest wprowadzenie w zakładach
wydobywczych systemów informacji typu GIS. Jeżeli nawet po ich opracowaniu i wdrożeniu
konieczne będzie w dalszym ciągu korzystanie z profesjonalnych, specjalistycznych aplikacji
wspomagających, które nie zawsze będą z GISem integrowane.
!"
2. AUTORSKIE PROGRAMY WSPOMAGAJĄCE PROCES PROJEKTOWANIA
PRODUKCJI
W zakresie tzw. ochrony powierzchni w przemyśle węglowym od lat wykorzystywane
są specjalistyczne programy komputerowe zarówno do prognozowania deformacji górotworu
i powierzchni, jak i do wyznaczania parametrów teorii wpływów eksploatacji [1, 2, 3, 6].
Kolejne wersje tych programów są przeważnie stopniowo udoskonalane i dzięki
możliwościom graficznym współczesnych systemów operacyjnych stają się coraz łatwiejsze
w obsłudze. Są one przydatne do realizacji wariantowych analiz projektowanych eksploatacji
górniczych w przemyśle węglowym. Dla eksploatacji filarowo-komorowej rud miedzi oraz
eksploatacji soli (kawerny, system filarowo-komorowy), a także złóż ropy naftowej i gazu
ziemnego można stosować oprogramowanie zaprojektowane przez autora.
W przypadku wyżej wymienionych programów istotna jest nie tylko ich warstwa czysto
numeryczna, lecz również sposób w jaki użytkownik komunikuje się z programem i w jaki
prezentowane są wyniki obliczeń. Jeśli bowiem prowadzi się analizę wielowątkową, z punktu
widzenia użytkownika programu istotne są następujące czynniki:
#" nieskomplikowany sposób przygotowania danych (najlepiej w sposób interakcyjny z
zapisem w pliku tekstowym),
#" prosta obsługa programu (każdy może wykonać obliczenia),
#" niezawodność i czytelność realizowanych czynności,
#" możliwość graficznej prezentacji wyników obliczeń, bądź możliwość eksportowania
wyników do profesjonalnych programów graficznych i statystycznych.
Pierwszy z prezentowanych programów był omawiany dokładniej podczas IV Dni
Miernictwa [5], stąd nie ma potrzeby jego szczegółowej prezentacji. Program ten służy do
optymalizacji prędkości eksploatacji górniczej prowadzonej pod czułymi obiektami
powierzchniowymi, bądź ważnymi obiektami własnymi kopalni. W najnowszej wersji
(autorstwa R. Hejmanowski, A. Kwinta) program wykonuje obliczenia dla 20 obiektów
chronionych zadanych punktowo i optymalizuje prędkość postępu frontu biorąc pod uwagę
kryteria związane z prędkością narastania deformacji [4, 7]. Z punktu widzenia tematu
niniejszego artykułu istotne jest spełnianie przez program wymienionych powyżej postulatów.
Prosta obsługa (intuicyjna) w systemie MS Windows 95/NT oraz graficzna prezentacja
wyników pozwalają na wykonanie wielu cykli obliczeniowych w niezwykle krótkim czasie
(rys.1). Pomaga to w sterowaniu procesem eksploatacji na bieżąco, nawet pomimo
zmieniających się warunków technologicznych, bez konieczności opracowywania
skomplikowanych studiów.
Rys. 1. Panel programu do optymalizacji prędkości postępu frontu i długości
przerw eksploatacyjnych z przykładowym wykresem optymalnej
prędkości
Drugim z programów autorskich jest program Sub-Calc 2000 służący do
prognozowania deformacji górotworu i powierzchni terenu w warunkach eksploatacji
zarówno węgla kamiennego jak i rud miedzi. Program ten jest zmodyfikowaną wersją
programu, który funkcjonował poprzednio jako aplikacja systemu DOS. Wymieniono go w
tym artykule ze względu na takie cechy jak przejrzysta struktura i intuicyjna obsługa w
systemie Windows (rys.2). Program może realizować obliczenia prognostyczne bazując na
danych zapisanych w plikach tekstowych. Istnieje zatem możliwość normalnej obróbki
plików danych, charakterystycznej dla aplikacji systemu Windows (kopiowanie, wycinanie,
wklejanie, zapis i odczyt z dowolnego urządzenia (pamięci). Program nie posiada ograniczeń
jeśli chodzi o ilość pól eksploatacyjnych, czy ilość punktów obliczeniowych. Obliczenia
realizowane są z uwzględnieniem czasowego rozwoju procesu deformacji. Wyniki obliczeń są
natomiast zapisywane w takiej formie, która zapewnia możliwość ich dalszej obróbki przy
pomocy dowolnego programu graficznego lub statystycznego (np. arkusza kalkulacyjnego).
Program spełnia zatem wymienione powyżej postulaty dla oprogramowania wspomagającego
- nie poprzez graficzną prezentację wyników - lecz dzięki temu, że pracuje w środowisku
graficznym i udostępnia wyniki innym aplikacjom. Dzięki tym cechom obsługa programu jest
niezwykle ułatwiona w stosunku do poprzednich wersji, natomiast wykonywanie np. map
kategorii zagrożenia terenu można wykonywać na profesjonalnych ploterach w odpowiednich
skalach.
Rys. 2. Główny panel programu Sub-Calc 2000 z podstawowymi opcjami
obliczeniowymi.
3. PROGRAM SURPAC 2000 – PAKIET WSPOMAGAJĄCY PLANOWANIE
I PRODUKCJĘ W GÓRNICTWIE
Wraz z potrzebami przemysłu wydobywczego na całym świecie powstawały i nadal
powstają dziesiątki programów bądź pakietów służących rozwiązywaniu konkretnych
zagadnień, np. z zakresu modelowania złoża, geostatystyki, miernictwa górniczego i in. W
tym segmencie rynku bardzo znanymi pakietami są Datamine 5 ( http://www.datamine.co.uk ),
Surpac 2000 ( http://www.surpac.com.au ) oraz Vulcan ( http://www.maptek.com.au ). Pakiety te
cechują się:
#" modularną budową,
#" bardzo mocno rozbudowanymi funkcjami obliczeniowymi,
#" grafiką trójwymiarową,
#" możliwością podłączenia standardowych baz danych.
Te główne cechy powodują, że pomimo znacznej ceny, pakiety tego typu stosowane są we
wszystkich większych koncernach górniczych i wielu prywatnych firmach geologicznogórniczych na świecie.
Wszystkie wymienione powyżej pakiety mają zbliżone możliwości realizacji zadań. W
niniejszym artykule scharakteryzowany zostanie pokrótce pakiet SURPAC 2000 [8], który
tworzono początkowo z przeznaczeniem dla miernictwa górniczego. Ponadto ten właśnie
pakiet spośród wymienionych powyżej ma stosunkowo najskromniejsze wymagania
sprzętowe.
3.1. Charakterystyka pakietu
Na program SURPAC 2000 obecnie składają się cztery zasadnicze moduły których
funkcje wzajemnie się zazębiają (rys.3).
Najistotniejszym z punktu widzenia funkcjonowania programu i jego obsługi jest moduł
nazwany rdzeniem pakietu. Zawiera on bowiem mechanizmy wprowadzania i przetwarzania
danych na poziomie podstawowym. Ogromną zaletą pakietu jest fakt używania danych w
postaci plików tekstowych, a więc takich w których poszczególne dane zapisane są w sposób
jawny. Mogą zatem być modyfikowane przez użytkownika z poziomu zwykłego edytora
tekstów. Główny moduł pakietu zawiera opcje pozwalające na wczytywanie plików, ich
obróbkę znakową i graficzną oraz wydruk. Zapewnia również szerokie możliwości
generowania tzw. siatek (grid) dla potrzeb interpolacji zadanych cech, bądź generowania
cyfrowego modelu terenu (DTM) w oparciu o wprowadzone dane. Generalnie pakiet może
pracować na trzech rodzajach plików danych wejściowych, są to:
!" pliki danych tekstowych (string),
!" pliki obserwacyjne,
!" pliki cyfrowego modelu terenu (DTM).
SURPAC 2000
GÓRNICTWO
1) Przekroje,
2) Opróbowanie
złoża,
3) Modelowanie
skarp,
4) Profilowanie
wyrobisk
podziemnych
OCHRONA
ŚRODOWISKA
1) Modelowanie
zwierciadła wód
podziemnych,
2) Modelowanie
gosp. odpadami
3) Modelowanie
zanieczyszczeń
powietrza
4) Modelowanie
transportu
zanieczyszczeń w
wodach
gruntowych
5) Optymalizacja
transportu
odpadów
OBLICZENIA
1) Baza danych
otworów
wiertniczych,
2) Modelowanie
blokowe,
3) Obliczenia
geostatystyczne,
4) Miernictwo
górnicze i
geodezja,
5) Plotowanie
wyników
6) Odkrywki i
hałdy
RDZEŃ
PAKIETU
1) Grafika,
2) Operacje na
plikach,
3) Operacje na
numerycznym
modelu terenu,
4) operacje na
siatkach.
Rys. 3. Schemat modułów pakietu SURPAC 2000 z wyszczególnieniem niektórych funkcji
użytkowych
Wszelkie dane dostarczane są zatem w jednej z tych trzech form. Dotyczy to również danych
czytanych z rejestratorów elektronicznych instrumentów geodezyjnych (pliki obserwacyjne).
Poszczególne moduły pakietu SURPAC 2000 wymienione na rysunku 3 mogą być
uruchamiane w czasie realizacji konkretnego zadania w sposób wzajemnie skojarzony.
Oznacza to, że dane pomiarowe mogą zostać np. przeczytane z rejestratora totalstation,
następnie wyrównane i przeliczone na współrzędne punktów, zapisane w pliku typu
łańcuchowego, a w końcu wykorzystane do naniesienia aktualnego stanu frontu
eksploatacyjnego kopalni odkrywkowej. Te same dane mogą posłużyć w następnej kolejności
do wygenerowania aktualnego cyfrowego modelu terenu. Modularna budowa pakietu sprawia
zatem, że zyskuje on na przejrzystości nie tracąc przy tym żadnej z cech użytkowych. Pakiet
oferuje możliwość współpracy z popularnymi bazami danych (Access, Paradox, Oracle,
Informix), a ponadto operacje za pośrednictwem ODBC na danych pozyskiwanych w trakcie
wiercenia otworów poszukiwawczych lub badawczych.
Pakiet został wyposażony w system pomocy on-line, który może być wyświetlany przez
przeglądarkę internetową. Oprócz tego istnieje możliwość skorzystania w czasie pracy z
pomocy tematycznej.
Ciekawostką jest możliwość przełączenia trybu pracy na wybrany język kongresowy
(angielski, niemiecki, francuski, hiszpański, rosyjski).
W ramach pakietu SURPAC 2000 możliwa jest digitalizacja, co pozwala na
wprowadzanie danych wektorowych. Gotowe opracowania można drukować na ploterach,
bądź zapisywać w plikach wyjściowych celem archiwizacji.
3.2. Grafika w pakiecie SURPAC 2000
Najistotniejszą cechą prezentowanego pakietu jest jednak nie tyle jego kompleksowość,
lecz raczej możliwości graficznej obróbki wszelkiego typu danych. Wszystkie elementy
pakietu SURPAC 2000 wymienione w modułach Górnictwo i Ochrona Środowiska (rys.3)
pracują we własnym, jednolitym środowisku obliczeniowym i graficznym. Tak więc wynik
działania ilustrowany jest graficznie. Te możliwości pakietu dotyczą zarówno grafiki
normatywnej (rys.4), jak i prezentacyjnej (np. trójwymiarowej) (rys.5). Do opcji graficznych
pakietu należą m.in.:
!" import plików w formacie np. DXF,
!" możliwość nakładania rysunku wektorowego na rastrowy,
!" możliwość projekcji wybranych elementów z dowolnego punktu obserwacji,
!" możliwość wnikania w obiekt (quasi virtual reality),
!" możliwość rzutowania obiektu i in.
Rys. 4. Profil otworu wiertniczego – wydruk
programu SURPAC2000.
(
)
y
Viewer mode rotate (ortho): L = orbit, M = dolly, R = roll
Viewer mode rotate (ortho): L = orbit, M = dolly, R = roll
ATTRIBUTES
3
1
Edges On
Edges Off
Faces On
Faces Off
Hide On
Hide Off
Light On
Light Off
Orthographic
Perspective
Clr Indx Intrp
Clr Intrp
STYLES
String
Object
Save
1
Recall
3
Function:
point mode=Add
cwd=d:\prace\publikac\1999\v dni miernictwa\surpacsnap mode=off
design string=1
design gradient (%)=
0.000
layer=main graphics layer
Previous
Rys. 5. Rzut oraz projekcja perspektywiczna prognozowanej niecki obniżeniowej w
rejonie eksploatacji rud miedzi – SURPAC 2000
Producent pakietu zapewnia, że zastosowanie nowoczesnych technologii przetwarzania
obrazów trójwymiarowych wyklucza konieczność stosowania specjalnych rozwiązań
sprzętowych (np. stosowania workstations). Dzięki tym rozwiązaniom szybki komputer PC
jest w stanie realizować prace nad wielowariantową symulacją eksploatacji górniczej,
optymalizacją kosztów, czy analizą geostatystyczną złóż rudnych.
Wśród opcji graficznych pakietu znajdują się również takie, które pozwalają definiować
rodzaj, grubość i kolor linii oraz wzory wypełnień, jak również symboli graficznych.
Wzbogacenie możliwości interpretacyjno - projektowych pakietu przy pomocy powyższych
opcji oferowanych przez producenta jest oczywiste.
3.3. Na styku górnictwa i ochrony środowiska
Narastające w ostatnich latach tendencje do likwidacji nierentownych kopalń węgla
wprowadzają nas w sferę całego szeregu zagadnień związanych z zagospodarowaniem
terenów pogórniczych, ich rekultywacją, oceną możliwości występowania tzw. resztkowych
deformacji powierzchni itp. Problematyka ta również, podobnie jak projektowanie
eksploatacji, jest związana z analizowaniem zakończonej działalności górniczej, jej skutkami
zarówno w sensie przestrzennym jak i czasowym. Wspomaganie tego procesu podejmowania
decyzji przez pakiety typu SURPAC 2000 wydaje się nabierać dużego znaczenia, zwłaszcza
jeśli weźmie się pod uwagę konieczność prowadzenia trudnych często negocjacji z
samorządami terytorialnymi. Elementy procedur negocjacyjnych występują również na etapie
procesu inwestycyjnego, co jest wyraźnie uwarunkowane prawnie (plany ruchu zakładów
górniczych, miejscowe plany zagospodarowania). Wykorzystanie dokumentacji
przygotowanej przy pomocy profesjonalnych narzędzi informatycznych o charakterze
graficznym może ten proces znacznie skrócić i uprościć. Dotychczas stosowane tradycyjne
materiały mapowe i dokumentacja tabelaryczna wymagają dużego nakładu pracy, podczas
gdy zawartość informacyjna jest często zbyt wąska, bądź nieadekwatna do stawianych
wymagań.
Biorąc pod uwagę perspektywy budownictwa drogowego należy się spodziewać
wzrostu wydobycia kruszyw drogowych i innych surowców skalnych. Umiejętne połączenie
informacji o złożu z danymi środowiskowymi mogłyby w znacznym zakresie uprościć
i ułatwić proces prawny w zakresie przyznawania koncesji, zatwierdzania planów ruchu i
rekultywacji terenów pogórniczych (rys. 6).
Rys. 6. Odkrywka i zwałowisko w modelu wysokościowym –
SURPAC 2000
4. PODSUMOWANIE
W Polsce podejmowano w przeszłości próby wdrożenia pakietów wspomagających
projektowanie eksploatacji górniczej w zakładach górniczych, jednak bez istotnych efektów.
Problem polegał wówczas na nieprzystawalności stawianych tym pakietom zadań
(dokumentacja robót górniczych) w stosunku do ich rzeczywistego przeznaczenia
(optymalizacja i projektowanie eksploatacji). To z kolei związane było z bardzo tradycyjnym
podejściem górnictwa do graficznych nośników informacji, jakimi wówczas były wyłącznie
mapy opracowywane ręcznie. Obecne przepisy prawa górniczego pozwalają na stosowanie
cyfrowych zasobów mapowych, należy zatem sądzić, że znajdzie się stopniowo miejsce
również dla systemów GIS oraz pakietów wspomagających i uzupełniających.
W artykule zaprezentowano trzy programy, które wykorzystują elementy grafiki celem
ułatwienia operatorowi obsługi, przyspieszenia procesu decyzyjnego w trakcie optymalizacji
eksploatacji górniczej, bądź wzbogacenia treści realizowanych opracowań. Każdy z nich
można zatem nazwać „przedstawicielem” innej grupy aplikacji wykorzystujących elementy
grafiki (interface użytkownika, prezentacje). Wydaje się, że trzeci z omawianych typów,
program wykorzystujący grafikę prezentacyjną będzie znajdował w przyszłości zastosowanie
w nowych obszarach sztuki górniczej.
LITERATURA
1. Białek J.: Algorytm wyznaczania wskaźników deformacji przestrzennej dynamicznej
niecki osiadania. . Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Górnictwo z.87, Gliwice 1978.
2. Białek J., Drzęźla B.: Programy komputerowe do prognozowania deformacji terenu
górniczego oraz zagrożeń tąpaniami i wstrząsami górniczymi opracowane w Politechnice
Śląskiej. Konferencja nauk.-techn. Nt. Informatyka w geodezji górniczej. Kraków. 1996.
3. Drzęźla B., Kot A.: Zastosowanie ETO do wyznaczania parametrów opisujących nieckę
obniżeniową wywołaną eksploatacją pokładów nachylonych. Zeszyty Naukowe
Politechniki Śląskiej, Górnictwo z.87, Gliwice 1978.
4. Dżegniuk B., Hejmanowski R., Sroka A.: 7Evaluation of the damage hazard to building
objects on the mining areas considering the deformation course in time. Proceedings of
Xth International Congress of the International Society for Mine Surveying, 2-6
November 1997, Fremantle, Western Australia, str.759-769.
5. Hejmanowski R.: Optymalizacja prędkości eksploatacji górniczej i przerw
eksploatacyjnych – oprogramowanie komputerowe. Mat. Konferencji nauk.-techn. IV Dni
Miernictwa Górniczego i Ochrony Terenów Górniczych. 24-27.09 1997, Rytro, str. 141145.
6. Jędrzejec E.: Zastosowanie ETO przy projektowaniu eksploatacji w filarach ochronnych.
Konferencja nauk-techn. SITG nt. Wybrane problemy eksploatacji w filarach ochronnych.
Katowice 1974.
7. Sroka A.: Dynamika eksploatacji górniczej z punktu widzenia szkód górniczych. Wyd.
Inst. Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Seria Studia, Rozprawy i
Monografie, z.58, Kraków 1999.
8. Surpac Software International Pty Ltd. Principles of SURPAC 2000. Aplications Manual.
3th Edition. Perth 1999.
Autor: Ryszard Hejmanowski
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska
Katedra Ochrony Terenów Górniczych
Al. Mickiewicza 30
30059 Kraków
Katedra Web: http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~zotg
Web: http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~hejman
E-mail: [email protected]