Цель работы –определение эффективности пространственного моделирования открытых горных работ над существующими способами, а также выявление преимуществ данного способа над аналогичными.
В результате проделанной работы были разработаны структура таблиц баз данных для описания цифровой модели, объекты и методы для работы с ними, динамические объекты самой модели открытых горных работ, взаимосвязь между всеми объектами модели.
Цифровое моделирование открытых горных работ в настоящее время становится основным видом представления информации о горнотехнических объектах, особенно за рубежом. Эффективность их применения определяется комплексностью решения задач:
выбором типа цифровой модели и способа ее формального описания;
средствами сбора и обработки информации об объекте;
эффективностью программных средств сбора и обработки информации;
возможностью решения прикладных задач по цифровой модели.
Кафедра геоинформатики и геодезии ДонГТУ в течение многих лет занимается данными задачами на открытых горных разработках для создания цифровых моделей открытых горных разработок и решению по ним задач планирования и управления горными работами. Использованные при этом принципы и методы могут найти применение и для других видов объектов и их съемок.
Особенности цифрового моделирования открытых горных работ заключаются в следующем:
разнородностью источников информации (стереофотосьемка наземная и воздушная, тахеосьемка и др., геологическая информация…);
модель должна содержать как метрическую, так и семантическую информацию;
повышенные требования к точности координат точек и элементов модели;
динамичность модели, т.е. наличие четвертой координаты.
В основу решения поставленных проблем положено:
применение контекстно - свободных грамматик (КС - грамматик) для описания моделей;
построение экспертных систем (ЭС) для реализации модели;
пространственное представление цифровых моделей для поддержки принятия управляющих решений при решении горно-геологических задач.
Опытная эксплуатация существующих комплексов показала недостатки и ограничения используемой цифровой модели. Для решения геологических, горных и проектно-конструкторских задач на открытых горных работах такая цифровая модель недостаточна, т.к. для решения этих задач необходимо использовать такие конструктивные элементы как поверхность и блок. Это связано с тем, что необходимо выделить объемные фигуры, обладающие общими свойствами (рис. 2.1), которые позволили бы выделить полезное ископаемое, в том числе и по категориям разведаности, вскрышу и т.д. При этом каждый объемный блок должен иметь набор атрибутов, который позволил бы решать горные и проектно-конструкторские задачи.
Поэтому была поставлена задача поиска новой технологии, целью которой являлось построение объёмных моделей, что позволило бы коренным образом изменить цифровое моделирование открытых горных работ.
Формально описать открытые горные работы можно различными способами: в виде графов, семантических сетей КС-грамматик и другими способами. В данной работе принято представление с помощью КС-грамматик, т.к. они позволяют представлять не только состав и структуру модели, но и описывать логические операции над элементами модели. Кроме того, в экспертной системе элементы, определенные в КС-грамматике, легко включаются в продукции при построении цифровых моделей открытых горных работ.
В первом приближении цифровую модель карьера можно представить как совокупность уступов карьера и объектов ситуации. Положение уступа и его технические характеристики определяются верхней и нижней бровками, откосом, бермой и семантической информацией об уступе. Откос и берма представляют собой поверхности и описываются просто совокупностью точек. Верхняя и нижняя бровки уступа представляют собой линии. Линия пересечения бермы и откоса - это верхняя бровка. Нижняя бровка образуется пересечением плоскости откоса и бермой нижележащего уступа. Линия - это однозначно упорядоченная, всегда слева на право, совокупность точек. Порядок точек определяется при сборе информации.
<Объект ситуации> описывается совокупностью точек (метрическая информация) и символов ( семантическая информация).
Понятие <точка> состоит из четырех элементов. Атрибуты точки введены для графических построений.
Понятие <каталог координат опорных точек> не относятся собственно к цифровой модели открытых разработок, однако для эффективной работы при обработке тахеосъемки, засечек, ориентировании стереопары и других операциях необходимо использовать каталог координат опорных точек. Поэтому он для объекта (карьера) хранится также в базе данных цифровых моделей и доступ к нему определяется ключом <имя объекта>.
Приведенная (см. таблица 1) КС-грамматика предполагает интерактивную работу при цифровом моделировании в реальном времени. Программирование обработки входной информации облегчается тем, что разработку программы можно проводить по технологии создания трансляторов языков программирования, рассматривая информацию как предложение (высказывание) на языке с данной КС-грамматикой. Кроме того, описание в виде КС-грамматики позволяет до программирования проверить ее непротиворечивость и избыточность. В этих условиях особенно эффективно применение объектно-ориентированного программирования.
| 1 |
<ЦМ>::=[<групповое имя>]<имя объекта><дата>({<уступ>}п0 {<объект ситуации>}0к); |
| 2 | <уступ>::=<верхняя бровка> <нижняя бровка> <откос ><берма> <семантическая информация уступа>; |
| 3 |
<верхняя бровка>::=<линия>; |
| 4 |
<нижняя бровка>::=<линия>; |
| 5 | <откос>::={<точка>}0k; |
| 6 | <берма>::={<точка>}0k; |
| 7 | <линия>::=<точка>1|<точка>2|...|<точка>k; |
| 8 | <список>::=<точка>к|к+1|...|п; |
| 9 | <список>1..р::=<список>1..а|<список>а+1..в|<список>в+1...р; |
| 10 |
<объект ситуации>::={<точка>}0к<семантическая информация объекта>; |
| 11 |
<точка>::=<признак точки>(<признак уступа>V <признак объекта>)<атрибуты><координаты>; |
| 12 |
<атрибуты>::=<признак пера> <признак линии> <признак цвета>; |
| 13 | <координаты>::=<X><Y><Z>; |
| 14 |
<каталог опорных точек>::=[<групповое имя>]<имя объекта>{<опорная точка>}1n; |
| 15 |
<опорная точка>::=<имя точки><координаты><признак жесткости><высота сигнала><семантическая информация точки>. |
Формальное представление объемных тел невозможно решить без понятия <поверхность>. Поверхность можно описать с помощью КС- грамматики следующим образом:
Где граница определяется следующим образом:
Причем
И стороны, которые образуются этими точками, не должны пересекаться, т.е. понятие <граница> тождественно понятию <полигон> в геоинформационных системах, с тем отличием, что каждая из точек обязательно имеет координату. Однако не всегда границу удобно представлять в виде полигона, иногда ее нужно разделять на части или отрезки.
На рисунке
1.2 приведен пример полигона, состоящего из двух отрезков. Отрезок - это линия,
ограниченная с обеих сторон узловыми точками. Узловая точка отличается от
обычной точки тем, что имеет, по крайней мере, одну ссылку на другой узел. Если
процесс создания полигона не был завершен, то узел может иметь пустую ссылку
(nil), а если полигон формируется из одного отрезка, то узел может ссылаться на самого себя.
(1.2)
Где <ID> - это уникальный идентификатор узла в списке узлов, а <ссылка> - это ссылка на <ID> другого узла.
(1.3)
Понятие <граница>внешн - внешняя граница поверхности введена для возможности моделирования поверхностей, имеющих перфорацию. Внутренних границ может быть несколько и для них должны выполняться следующие условия:
Т.е. все внутренние границы должны принадлежать внешней границе и границы не должны пересекаться.
Для каждого из объектов <поверхность>, если задана внешняя граница, можно выполнить триангулирование, т.е. построить TIN модель, и описать набором каких-то атрибутов, например, каждой поверхности необходимо присвоить цвет, текстуру, определить параметры отражающей способности и т.д. Хотя, необходимо отметить, что алгоритмы автоматизированного построения TIN моделей разработаны только для плоских поверхностей, для объемных фигур построение таких поверхностей сопряжено с большим объемом ручной работы, которая осложняется тем, что на экране компьютера невозможно было представить исходные данные стереоскопически.
(1.4)
Набор этих атрибутов должен позволять наиболее адекватно и реалистично представить открытые горные работы, уступы, полезное ископаемое и вскрышу и другие объекты. После построения триангуляции поверхность может быть представлена в виде совокупности граней.
Грань представляет собой участок поверхности, заданный тремя точками:
(1.5)
Такие, что
Т.е. точки не лежат на одной прямой. На рисунке 1.3 приведен пример рабочего борта карьера "Рыбальский", представленного в виде триангуляционной модели.
Так <блок>1 и <блок>3 на рис. 1.1 - блоки с пустой породой, а <блок>2 - полезное ископаемое.
Уступ карьера можно обобщить похожей формулой:
(1.8)
т.е. уступ можно представить как совокупность блоков с их атрибутами + совокупность атрибутов самого уступа, таких как проектная высота уступа, ширина заходки для конкретного выемочного оборудования и др.
Более высоким уровнем иерархии объектов открытых горных работ является понятие горных работ:
(1.9)
<Горные_работы> - это совокупность уступов с их атрибутами + общие атрибуты для горных работ. Этими атрибутами для горных работ являются общие параметры системы вскрытия и разработки месторождения, характеристики машин и механизмов и т.д.
Кроме объемных тел на открытых горных работах имеются объекты, которые моделируются множеством поверхностей, но не имеют замкнутого объема или имеют его только в отдельные моменты времени в определенных условиях. К таким объектам относятся в основном горные выработки: съезды (рис. 1.7) и различного вида траншеи – вскрышные (рис. 1.8), транспортные, капитальные и др.
Таким образом, выработки можно представить как и блок совокупностью поверхностей:
(1.10)
т.е. каждая из поверхностей имеет свои атрибуты + общие атрибуты выработки, такие как уклон, ширина проезжей части и т.д. При этом не все границы поверхностей или отрезки границы обязательно должны быть общими для двух поверхностей, но границы между смежными поверхностями обязательно должны быть общими - это условие обеспечивает топологическую целостность <Выработки>. Только при соблюдении топологической корректности выработки возможны правильные вычисления с <Выработкой> как цельным самостоятельным объектом.
Кроме этих объектов на открытых горных работах имеется множество технических и технологических объектов, которые в отличие от топографических объектов являются динамическими. Их положение постоянно изменяется вслед за продвиганием уступов и прохождением горных выработок. К таким объектам относятся - "точечные" объекты: экскаваторы, буровые станки, подстанции и другие объекты, положение которых можно определить одной точкой:
(1.11)
атрибутами таких объектов могут быть:
и другие технические характеристики объекта и его состояния на какой-то период времени. Для поддержания автоматизированных транспортных диспетчерских систем необходимо на цифровой модели открытых горных работ показывать местонахождение транспортных средств в режиме реального времени, что возможно при установке на транспортных средствах GPS-приемников и радиомодемов, и их состояния. В некоторых случаях необходимо объединение нескольких простых объектов в один объект, которым можно манипулировать как единым целым, в этом случае один из объектов выбирается главным, а остальные связываются с ним. Связи между объектами могут быть "мягкими" и "жесткими". При жестких связях, при изменении или перемещении главного объекта перемещается и изменяется связанный с ним объект, при мягких - этого не происходит.
(1.12)
На отрытых горных работах имеется множество линейных объектов, имеющих общие характеристики и объединенных в линейно-узловые структуры.
(1.13)
т.е. линейный объект представляет собой совокупность отрезков + общие атрибуты для всего объекта, такими атрибутами могут быть характеристики транспортных путей, или диаметр трубопроводов, или величина напряжения для электрических сетей и т.д. Для моделирования более сложных линейных сетей, в которых кроме линейных участков неотъемлемыми элементами являются и другие объекты, такие как электроподстанции, насосные станции, пускатели, вентили, задвижки и т.д. - которые определяют связи, работоспособность или состояние линейных объектов - вводится понятие композиционного линейного объекта:
(1.14)
На рисунке 1.9 приведен пример композиционного линейного объекта для сети питания экскаваторов, причем связи линии 6Кв с экскаватором является жесткой т.е. она перемещается вслед за продвижением экскаватора по уступу.
Характерным примером сложного линейного композиционного объекта является железнодорожная сеть на открытых горных работах, в которой взаимосвязаны передвижные железнодорожные пути, столбы контактной сети, стрелочные переводы и средства автоматизации и сигнализации.
Представление всех моделей в данной работе сделано с использованием VRML-технологии – весьма развитой декларативной, позволяющей описывать объекты и отношения внутри модели ОГР.
применение данной технологии позволило создать модель ОГР с использованием как статических, так и динамических трёхмерных объектов, обладающих гиперсвязями как с другими моделями, так и со средами, звук, видеозапись и т.д.
для просмотра полученных моделей используются программы, которые встроены во все основные Internet-браузеры. Кроме них также существует ряд VRML-клиентов независимых производителей, которые тоже распространяются бесплатно
при этом полученные модели можно использовать в Интернете, в интранет-сетях и в локальных приложениях, что существенно расширяет круг пользователей этих моделей
возможно создание объектов абсолютно любой формы, наиболее приближённой к реальной, что даёт возможность повышения точности вычислений решаемых задач по модели ОГР
использование текстур (графических файлов с фотографическим изображением реального объекта) позволило создать фотореалистичные модели как непосредственно самого объекта ОГР, так и производственных (таких как «экскаватор», «буровая машина», «драглайн» и т.д.)
применение динамических объектов (объекты, меняющие своё местоположение с течением времени) позволяет производить контроль производственного процесса в целом, а также отдельно взятых конкретных элементов. Наличие GPS-приёмников и радиомодемов на самих объектах даёт возможность передавать их местоположения в каждый момент времени на дисплей основного компьютера станции мониторинга.
В результате проделанной работы были разработаны:
структуры таблиц баз данных для описания пространственной цифровой модели
объекты и методы представления этих данных
созданы динамические модели технологических объектов карьера (таких, как экскаватор, буровая установка, драглайн)
механизм взаимодействия между объектами модели
алгоритм, позволяющий быстро строить модель
удобный интерфейс, позволяющий пользователю без особых проблем овладеть технологией.
Данный модуль позволяет создавать цифровую пространственную модель по растровой подложке, а также в режтме реального времени, просматривать полученные данные в виде плоской или объёмной моделей, редактировать модель, публиковать полученные модели в Интернет, добавлять и управлять динамическими моделями производственных объектов, анализировать их местоположение в любой момент времени.
|
|
|
2001 Dzekanyuk Andrey. All rights reserved.
