Источник:
  http://http://www.scgis.ru/

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В ГОРНОМ ДЕЛЕ

К.Н. Трубецкой*, А.Ф. Клебанов*, Д.Я. Владимиров**

             В данной статье продемонстрированы возможности применения ГИС-технологий в проектировании и создании автоматизированных картографических информационных систем для решения широкого круга инженерных и научных задач горного производства - горно-технических, экологических и социально-экономических проблем, возникающих при освоении недр. Гибкость и открытость ГИС-технологий позволяют создавать системы для поддержки принятия решений при:

а также во многих других случаях решения сложных многофакторных проблем освоения месторождений полезных ископаемых.

Применение ГИС-технологий в качестве ядра при построении перечисленных систем предопределяет возможность их (систем) создания на единой методологической основе, независимо от уровня использования (регион, отрасль, акционерное общество, горнодобывающее предприятие). Это позволяет в значительной степени унифицировать и систематизировать программные и технические средства, применяемые в горнодобывающих отраслях промышленности, и выработать единую стратегию информатизации и технического перевооружения предприятий.

Кроме этого ГИС-технологии предоставляют возможность интегрировать в единую информационную среду алгоритмы решения многих прикладных задач, что является чрезвычайно важным при создании проблемно-ориентированных автоматизированных систем горного производства на основе программно-алгоритмических средств, разработанных в различных научных коллективах и, как правило, не доведенных до конечного программного продукта.

Все перечисленные преимущества использования ГИС-технологий при проектировании автоматизированных информационных систем позволяют рассматривать их применение как альтернативу приобретению горными предприятиями, научными и проектными организациями специализированных дорогостоящих западных пакетов программ, имеющих, как правило, ограниченный набор функциональных модулей "закрытых" для пользователя.

Ниже иллюстрируются результаты выполненных в 1994-1998 гг. ИПКОН РАН совместно с НВК "ВИСТ" проектов создания информационных картографических систем:


СИСТЕМА ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ  ЭКСПЕРТИЗЫ  ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО  РЕГИОНА

 По базе данных о 600 промышленных предприятий  Кемеровской области проводится анализ  территориального распределения их  экологического воздействия на окружающую  среду по административным районам. Оценивается  и ранжируется вклад отдельных отраслей  промышленности в экологическое загрязнение  региона (Рис.1).

 Картографическая основа - топографическая карта
 Кемеровской области (М 1 : 500 000)

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПО  УГОЛЬНЫМ И СЛАНЦЕВЫМ  БАССЕЙНАМ И МЕСТОРОЖДЕНИЯМ РОССИИ

 В качестве картографической основы используется  административная цифровая карта России (М 1:8 000  000) и обзорная карта угольных и сланцевых  месторождений (М 1: 5 000 000). 

 Отображены контуры бассейнов, месторождений,  угленосных площадей и районов. 

 Атрибутивная информация: запасы, марки углей,  технология добычи (Рис.2)

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА  МОНИТОРИНГА ПЛАНОВ  РАЗВИТИЯ ГОРНЫХ РАБОТ  ПРЕДПРИЯТИЙ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ КОМПАНИИ

 Цифровая карта угольных и сланцевых бассейнов и месторождений России использована для навигации по общей базе данных, интегрирующей цифровые картографические материалы предприятий угольной промышленности. Предлагается трехуровневая система цифровых планов и карт: карта России; карты по каждому из угольных бассейнов (с отображением полей действующих угледобывающих предприятий); планы развития горных работ по каждому из предприятий.

 Иллюстрирован переход от карты России (рис.3) к карте Кузбасса (рис.4) и далее к плану горных работ по выбранной шахте - ш.Октябрьская ОАО “Ленинскуголь” (рис. 5)

РЕГИОНАЛЬНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЫБРОСООПАСНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

 Реализована методика прогноза выбросоопасности угольных пластов по геологоразведочным данным, разработанная в ИПКОН РАН. Использованы данные геологоразведочных испытаний по 300 скважинам в поле ш.Суходольская-Восточная (Донбасс).

 Выбросопасные зоны выделены с помощью интегрированной с ГИС ARCVIEW программы построения изолиний по нерегулярной сети точек опробования (рис.6)

ПРОГНОЗ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

 Задача прогноза деформаций земной поверхности в зоне влияния горных работ реализована как одно из вычислительных приложений системы инженерного обеспечения горных работ на угольных шахтах. В качестве алгоритма прогноза использовалась нормативная методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности. Результаты расчетов деформационных полей от существующих и проектируемых выработок отображаются графически в привязке к планам горных работ в виде набора изолиний и зон, каждой из которых соответствует заданный интервал оседаний поверхности (рис.7, 8), наклонов (рис.9), горизонтальных сдвижений и деформаций.

 Система опробована для условий отработки пласта К2 шахты Обуховская (Российский Донбасс).

СИСТЕМА ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ГЕОЛОГО-МАРКШЕЙДЕРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ И ПЛАНИРОВАНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ

Система реализует информационную модель шахты, построенную как совокупность информационных слоев (покрытий) по объектам шахтного поля:
     здания на поверхности (полигональная топология);
     земельные участки (полигональная топология);
     железные дороги (линейная топология);
     автомобильные дороги (линейная топология);
     земельные отводы (полигональная топология);
     водоемы (полигональная топология);
     линии электропередач (линейная топология);
     технические границы шахтного поля (полигональная топология);
     изогипсы пласта (линейная топология);
     выход пласта под наносы (линейная топология);
     линии геологических нарушений (линейная топология);
     протяженные подземные горные выработки (линейная топология);
     камерные подземные горные выработки (полигональная топология);
     отработанные площади (старые отработанные площади, показываемые на планах 
     без выделения выемочных полей, полигональная топология);
     выемочные поля (полигональная топология);
     положения очистного забоя (линейная топология);
     целики (полигональная топология);
     стволы (точечная топология);
На данном этапе система обеспечивает решение следующих задач:
     автоматизированное изготовление планов горных работ и других графических документов;
     расчеты теодолитных ходов, пополнение планов горных работ;
     ведение базы геологических данных;
     построение гипсометрических планов, карт качества угля, мощности пласта;
     раскройка шахтного поля, планирование горных работ;
     прогноз деформаций земной поверхности при ведении горных работ .
Система (рис.10-12) опробована для ш.Обуховская (Российский Донбасс) и для ш.Октябрьская ОАО “Ленинскуголь” (Кузбасс).

ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИЯ РАБОТЫ МОБИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА РАЗРЕЗАХ (КАРЬЕРАХ)

Система позволяет отображать в реальном времени на фоне цифрового плана горных работ в диспетчерском центре перемещение мобильного оборудования, оперативно выявлять возникновение внештатных ситуаций, накапливать статистику по работе оборудования и т.д. 

Система (рис.13) является основой для поддержки принятия решений при оперативном управлении открытыми горными работами с использованием технологии спутниковой навигации (GPS). 
В проекте использован цифровой план Караканского угольного разреза (Кузбасс).

Описанные выше системы были реализованы с применением программных продуктов ARC/INFO и ArcView фирмы ESRI(США). Выбор пакетов программ семейства ARC/INFO был сделан на основе анализа применяемых в нашей стране и за рубежом геоинформационных систем, а также опыта использования некоторых из них в макетных проектах.

Организация работы с данными

В основе всех разрабатываемых с применением ГИС-технологии систем лежит единая интегрированная реляционная база данных (БД). Структура этой базы данных отвечает информационным потребностям реализуемых в системе задач. Для многих горно-геологических приложений информация, хранимая в БД, может включать в себя не только текстовые и числовые данные(что традиционно для реляционных СУБД), но и первичные, наиболее ответственные пространственные данные - координаты точек маркшейдерской съемки.

Большая часть координатных данных систем хранится в формате покрытий системы ARC/INFO. Связь данных в покрытиях ARC/INFO и таблицах СУБД реализуется на основе использования уникальных идентификаторов объектов. Часть описанных в статье систем проектировались как распределенные: каждый пользователь в системе работает со своим клиентским набором данных, который является подмножеством всех данных системы, отвечающим специфике конкретного рабочего места (маркшейдера, технолога, геолога, диспетчера). Многопользовательский доступ к данным с использованием технологии клиент-сервер обеспечивается базовым программным обеспечением.

Часть пространственных данных, специфических для конкретного рабочего места хранится в файлах формата ArcView (Shape файлы). Расположение и формат данных в системе прозрачны для конечного пользователя.

Реализация прикладных программ в система

Основные базовые функции работы с данными(как пространственными, так и атрибутивными) выполнялись с использованием внутреннего языка ArcView(Avenue). Простые программы расчетов и построений также создавались на Avenue.

Язык Avenue позволил организовать динамическое взаимодействие систем с внешними задачами, используя протокол DDE в среде Microsoft Windows и протокол RPC в среде UNIX. Кроме того, использовались библиотеки динамической компоновки(DLL) в среде Microsoft Windows. Указанные механизмы позволили реализовать в системах сложные расчетные программы, требующие высокопроизводительной обработки числовых данных. Эти программы разрабатывались с использованием универсальных алгоритмических языков программирования (например, СИ++).

Создание библиотеки графических символов

В рамках реализации описанных выше проектов была создана библиотека графических символов и апробированы различные способы их создания.

Прежде всего следует отметить, что создание библиотеки цифровых символов является необходимым условием возможности реального внедрения систем на горных предприятиях, так как выходные графические документы должны в точности удовлетворять требованиям действующего стандарта – Горная графическая документация. ГОСТ 2.850 – 75 ? ГОСТ 2.857 – 75. М., Госстандарт, 1983; однако этот стандарт ориентирован на ручную технологию изготовления карт и на его основе могут быть созданы лишь символы немасштабируемой графики, а также бумажный документ или его точное экранное представление.

Для масштабируемой интерактивной экранной графики должны быть определены некоторые правила визуализации, которые бы включали также следующие необходимые требования:

Как было указано выше, большая часть задач, связанных с графическим представлением информации, выполняется на основе ArcView, обладающего необходимыми возможностями настраиваемой визуализации и позволяющего неограниченно наращивать набор символов в соответствии с требованиями вышеупомянутого стандарта. По нашему мнению, наиболее перспективным путем создания символов является использование языка Avenue и разработка программного обеспечения в среде ArcView, которое позволит пользователю осуществлять редактирование символов.

Реализация описанных проектов показала высокую эффективность применения ГИС-технологий для решения указанного класса задач; результаты проектирования свидетельствуют о возможности создания (на базе ГИС) единой компьютерной технологии сбора, хранения, обработки и использования информации(горно-геологической, технологической, маркшейдерской) при планировании горных работ, прогнозировании условий и экологических последствий отработки месторождений, а также управлении производством на уровне горнодобывающих предприятий(шахт, карьеров, рудников), акционерных обществ, отраслей, регионов. Внедрение компьютерных графических технологий в горном деле несомненно окажет в будущем влияние на содержание нормативных документов, определяющих требования к инженерной документации при ведении горных работ.