CC BY
456
УДК 622:681.3 Е.В. Рубцова
ИГД СО РАН, Новосибирск
О СОЗДАНИИ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ СОПРОВОЖДЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
Понятие «географическая информационная система» (ГИС) появилось в 80-х годах и первоначально употреблялось для определения информационных систем, связанных с автоматизированной обработкой пространственных данных (геодезия, картография и др.). На сегодняшний день геоинформатика - современный научный метод компьютерной обработки пространственно-распределенной информации, применяемый к любым объектам, независимо от их размеров, структуры, назначения [1]. Общим для объектов приложения геоинформатики является то, что все они в информационном плане могут быть представлены на стадии исходных данных массивом точек в трехмерных координатах, при этом каждая точка имеет определенные идентификаторы качества. Это общее свойство самых разнородных объектов позволяет применить к ним одни и те же принципы сбора, хранения, программной обработки и графической интерпретации информации.
Проведенный обзор выявил следующие подходы к использованию геоинформационных технологий в решении задач горного производства:
- Применение готовых зарубежных геоинформационных систем, ориентированных на горнодобывающую отрасль;
- Разработка отечественных специализированных программных средств с использованием универсальных СУБД и графических пакетов двух- и трехмерной интерпретации данных;
- Создание систем на основе инструментария универсальных ГИС.
Рассмотрим наиболее развитые зарубежные геоинформационные
системы для горной промышленности, к которым можно отнести DATAMINE, VULCAN, MINESCAPE, GEMCOM, TECHBASE, SURPAC [1 -4]. Основным назначением предлагаемых систем является обработка геологических данных, планирование и проектирование открытых и подземных горных работ, геолого-маркшейдерское обслуживание. В состав программного обеспечения входят специфические средства для моделирования и графической интерпретации месторождений, основанные на ГИС-технологиях подготовки и обработки исходных данных. Отличия в большинстве случаев заключаются в объеме и назначении сервисных модулей, перечне поддерживаемых устройств ввода-вывода, совместимости с базами данных определенных форматов, требованиях к минимальной конфигурации компьютера. Приведем краткую характеристику перечисленных систем.
DATAMINE - интегрированная модульная система программных продуктов. Основной математический модуль (оболочка) служит для создания базы данных трехмерной математической модели месторождения на основе первичной геологической информации и, в дальнейшем, для оценки
полученных результатов. Встроенный графический редактор GUIDE позволяет получить пространственную графическую модель рудного тела и горных выработок (контур карьера, подземные выработки и т. д.), провести подсчеты запасов и качественных характеристик руд. Средствами DATAMINE достаточно просто получить сечения карьера (горизонтальные планы, продольные и поперечные разрезы).
Программные средства фирмы VULCAN используются в наибольшей степени применительно к пластовым месторождениям. Возможности комплекса VULCAN включают объемное представления сети выработок шахты, разработку планов подготовительных и очистных выработок, проектирование процессов транспортирования и вентиляции.
Система MINESCAPE, ориентированная в основном на использование в угледобывающей отрасли, создает геологическую блочную модель, включающую до 15 показателей качества полезного ископаемого. Для подземных условий добычи MINESCAPE позволяет создавать и проверять проектные схемы фактической и предлагаемой отработки пластовых месторождений.
Отличительной особенностью программного обеспечения системы GEMCOM является наличие модуля, позволяющего выполнять широкий спектр приемов блочного моделирования и интерполирования. Система GEMCOM осуществляет динамическое моделирование производственного процесса, при этом программы анимации позволяют пользователю наблюдать на экране и анализировать эффективность взаимодействия различных единиц техники и других объектов. Модули проектирования подземных работ предоставляют средства для обработки маркшейдерских инструментальных съемок, детального планирования очистных работ, проектирования буровзрывных работ.
Программное обеспечение TECHBASE выполняет технологическое картирование с использованием таких средств интерполяции, как ближайший район, триангуляция, сплайны, обратные расстояния, крайгинг, анализ вариограмм. В систему введены расчет водопритоков и расчет устойчивости откосов и бортов карьера. Система автоматизированного проектирования TECHBASE обеспечивает среднесрочное и долгосрочное планирование горных работ, оптимизацию границ отработки. При оперативном планировании в интерактивном режиме на дисплее отображаются контуры карьера, текущее положение горных работ, блоки геологической модели и т. д.
SURPAC-2000 обладает мощным модулем подземной и поверхностной топографической съемки, интегрированным с модулем графического изображения и редактирования данных. Цифровое моделирование осуществляется методом триангуляции. Модуль «Сплошное моделирование» позволяет из серии разрезов создавать каркасные геологические модели в ручном или автоматическом режимах. На их основе строятся блочные модели, описывающие подземные выработки, карьеры или любую их комбинацию. Процесс проектирования открытой разработки обеспечен
средствами для изменения параметров и оценки устойчивости откосов бортов и уступов. Имеются средства для проектирования сечений подземных выработок, проходческих работ.
Следующая программа — MINESCAPE. Она закуплена четырьмя угледобывающими предприятиями России. Однако она длительное время находится в стадии освоения и введена в эксплуатацию только на шахте «Распадская». Пакет DATAMINE освоен в институте «Уралгипроруда», внедряется в АК «Алроса». Система TECHBASE эксплуатируется на монголо-российском совместном предприятии «Эрдэнэт».
К причинам, сдерживающим применение зарубежных систем, можно отнести высокую стоимость программных средств, недоступную большинству отечественных предприятий; отсутствие достаточно квалифицированного персонала для освоения сложных программных продуктов; необходимость адаптации систем под российские стандарты ведения горных работ.
В отечественной горной науке развитие геоинформационных технологий изначально связано с работами по математическому моделированию месторождений. Простейшая блочная модель месторождения была предложена И. Б. Табакманом в 1964 г.; в 1971 г. А.З. Яшкиным была разработана точечно-цифровая послойная модель месторождения, в которой положение каждого элементарного блока определялось уже не порядковым номером блока, а координатами его центральной точки; в начале 80-х Ю. К. Шкутой и Б. А. Симкиным была предложена гипсометрическая модель месторождения, имеющая уже все признаки геоинформационной [1]. Различные виды моделей были созданы в 80 - 90 гг. в целом ряде научных учреждений горного профиля.
Параллельно велись работы по созданию горно-технологических баз данных. Так в ГоИ КНЦ РАН созданы базы данных по основным месторождениям Кольского полуострова, включающие в себя горногеологические параметры, геомеханические данные и факторы [5]. Созданный в ИУУ СО РАН банк данных «Угли Кузбаса» [6] включает предметные базы данных, ориентированные на описание геологии угленосных отложений Кузбасса, запасов и качественных характеристик углей, производственной деятельности угольных предприятий и т. д. Базы данных о геологическом строении горного массива разрабатывались также в УкрНИМИ, ДонГТУ, ПО «Павлодаруголь» [7].
Отметим, что на сегодняшний день в России и ближнем зарубежье наиболее активно геоинформационные технологии используют в системах проектирования и геолого-маркшейдерского обслуживания при разработке полезных ископаемых открытым способом. Применение геоинформационных технологий при подземной добыче не получило пока широкого практического применения. Работы в этом направлении ведутся в УкрНИМИ, ВНИМИ, ИПКОНе, ГоИ КНЦ РАН, ИУУ СО РАН.
В УкрНИМИ в течение нескольких лет проводились исследования по возможности применения ГИС-технологий для решения задач
угледобывающей отрасли [8]. По мнению специалистов УкрНИМИ, ГИС в угледобывающей отрасли должны обеспечивать: работу с объемными трехмерными моделями природных и техногенных объектов горнодобывающего предприятия; построение типовых изображений, используемых в маркшейдерской документации (карт, геологических планов и разрезов); ориентацию на терминологию и символику, непосредственно связанную с работой геологов и маркшейдеров, решение конкретных задач специалистов отрасли. Кроме того, необходимо обеспечить выполнение основных «стандартных» функций ГИС: моделирование данных и
изображений по слоям; наличие открытой для изменений и дополнений библиотеки условных обозначений; поддержку распределенных баз данных; возможность создания дополнительных приложений для решения специфических задач конкретного пользователя; импорт-экспорт данных в иные ГИС.
Основу разработанной в УкрНИМИ ГИС «ГеоМарк» составляет база данных, отображающая реальные природные и техногенные объекты горного предприятия. Предусмотрено связывание элементов базы данных в иерархическую структуру, описывающую вложенность и подчиненность объектов конкретного горного предприятия. Реализация программ ведения базы данных выполняется как в локальном, так и в сетевом варианте. Составные части ГИС «ГеоМарк» следующие: модуль вычислительных задач, модуль получения графических материалов, администратор производственных объектов и целевых классификаторов, администратор свойств и параметров объектов, модуль связи с внешними базами данных.
Модуль вычислительных задач предназначен для автоматизации расчетов различными производственными службами. Он представляет собой среду, позволяющую выбирать группы природных и техногенных объектов в толще пород в пределах шахтного поля, отображать двумерную и трехмерные схемы их взаимного расположения и производить вычисления. Основные функции модуля: получение данных по скважинам и результатам горных работ в пределах шахтного поля; моделирование поверхностей практически любой конфигурации с учетом зон нарушений, сложных техногенных и иных областей; построение изолиний распределения различных параметров; построение сечений и разрезов; обработка различных маркшейдерских измерений и решение маркшейдерских задач. Другие модули позволяют корректно использовать карты, полученные иными ГИС («Альбея», «Интелвек»), производить импорт объектов в карты разных форматов, объединять карты разных исходных форматов в единое целое, осуществлять импорт объектов и их параметров из баз данных, созданных иными программными средствами.
Работы по созданию основы ГИС «ГеоМарк» завершены. В настоящее время разрабатывается ряд программных модулей, проводятся мероприятия по внедрению ГИС «ГеоМарк» на производственных объединениях.
Разработкой геоинформационных систем, обеспечивающих решение различных эксплуатационных задач при подземной добыче полезных
ископаемых занимаются во ВНИМИ. В основе разрабатываемой маркшейдерско-геологической аналитической информационной системы (МГАИС) для горного предприятия лежат результаты работ различных лабораторий ВНИМИ (геологии, маркшейдерии, геомеханики, геодинамики, гидрогеологии, геофизики и т. д.). Концептуальные основы системы опубликованы в [9].
В [10] описаны структура и принципы построения отдельных модулей МГАИС. В основе структуры - сетевая модель «клиент-сервер». Система включает: программное ядро и объектную трехмерную маркшейдерскую базу данных - маркшейдерский модуль, геологический модуль, графическое программное ядро системы - Microstation, СУБД Access или ORACLE, модули календарного планирования, расчета деформаций земной поверхности, проектирования дорог, рекультивации. Информационная система имеет динамическую объектную структуру данных, что позволяет наращивать ее функциональные возможности в процессе разработки. Используемый в системе трехмерный инженерный геологический редактор ТИГР [35, 36] позволяет автоматизировать труд маркшейдера, обеспечивает трехмерную визуализацию данных и результатов расчетов, отвечает современным отечественным стандартам для горной графической документации.
Во ВНИМИ разрабатывается концепция геодинамического моделирования месторождений [11]. К настоящему времени выполнен большой объем работ по выявлению блочной структуры земной коры и активных разломов территорий горнопромышленных регионов России. Прежде всего, это относится к регионам разработки угольных месторождений (Кузнецкий, Партизанский и Печорский бассейны) и рудных (Североуральские и Южноуральские месторождения бокситов, апатитов на Кольском полуострове, полиметаллов в Норильске и железных руд в Таштаголе). Информационный комплекс включает данные по геологическому и структурно-тектоническому строению месторождения, результаты выделения активных разрывов и блочной структуры, участков локализации тектонически напряженных зон, оценку техногенного воздействия на напряженно-деформированное состояние массива при разработке месторождений. Концепция геодинамического моделирования предполагает последовательную разработку трех типов моделей: геолого-геометрической, геодинамической и горно-геодинамической.
Комплекс программных средств построения компьютерной геологогеометрической модели месторождения описан в [12]. Основой для построения модели служит база данных геологических объектов. Предлагаемая технология предусматривает формирование любого геологического объекта (бассейн, месторождение, шахта, пласт, скважина, нарушение и т. д.) на основе базовых таблиц-справочников. Применяемая технология «клиент-сервер» предусматривает возможность одновременной работы группы пользователей с аккумуляцией информации на сервере базы данных. Серверная часть программы создана с использованием продукта
фирмы Microsoft SQL SERVER, клиентская - DELPHI, компании Borland. Построение базируется на алгоритмическом описании пластов (рудных тел) в объеме вмещающих пород и тектонических нарушений. Исходными данными для моделирования служат точки геологических наблюдений, расположенные по нерегулярной сети. Предлагается следующий путь геометризации залежей.
1. Формируется информационная модель залежи по точкам геологических наблюдений.
2. Используя стандартные методы моделирования, получают первичную модель геологического тела.
3. Исходная модель подвергается трансформации на основе неформализуемых представлений специалиста.
Для автоматизированного построения геологических поверхностей разработаны и программно реализованы алгоритмы: формирование массива исходных данных по точкам геологических наблюдений; выделение отдельного петрографического типа пород и любой произвольной совокупности типов пород; выбор метода интерполяции/экстраполяции исходных данных; построение моделей геологических поверхностей методами наименьших квадратов, сплайн-функции, ближайшего района, триангуляции, поверхностей Шепарда, полиномиальной регрессии, сглаживания по радиусам влияния исходных точек. В системе реализованы: построение диаграмм трещиноватости, расчет параметров разрывного нарушения, выделение однородных участков, построение геологических разрезов.
Во ВНИМИ разработан специальный аппаратурно-программный комплекс «GITS» для контроля геодинамических процессов в массиве горных пород [13]. Комплекс используется в системе мониторинга геомеханических процессов, создаваемой на рудниках Октябрьского месторождения, г. Талнах. В разрабатываемой системе предполагаются ввод и обработка «стационарной» информации (схемы подземных выработок, планы отработки полезного ископаемого, геологические разрезы, схемы установки контрольных точек наблюдения) и текущей информации (ежедневные карты сейсмической активности, суточные графики акустической активности, замеры с деформационных станций, данные буро-взрывных работ и т. д.). В качестве программной оболочки для создания базовой среды ГИС выбрано программное обеспечение фирмы Autodesk: RastrArts - программа работы с растровыми изображениями; Softdesk - программа построения поверхностей; Vtchanical Desktop - программа твердотельного моделирования.
Работы по созданию геоинформационных систем для горной отрасли на основе универсальных ГИС ведутся в Институте проблем комплексного освоения недр, где на основе Arc View 3.0 разработана «Методика автоматизированного расчета деформаций земной поверхности при эксплуатации и ликвидации угольных шахт» [14]. Инструментарий Arc View 3.0 используется также специалистами Национальной горной академии Украины при создании системы комплексного анализа геологогеофизических данных. Они считают, что такой подход имеет преимущества
по сравнению с разработкой «с нуля» или на основе отдельных стандартных блоков [15].
Проведенный обзор позволил сделать следующие выводы:
- Зарубежные геоинформационные системы для горных предприятий обладают достаточно широким спектром функциональных возможностей, однако их применение в отечественной практике сдерживается высокой стоимостью программных средств и отсутствием на большинстве горных предприятий специалистов, способных их освоить;
- Основным подходом при создании отечественных геоинформационных систем для горного производства следует признать разработку специализированных программных средств на базе универсальных СУБД и стандартных графических пакетов;
- Геоинформационные технологии наиболее активно применяются при разработке месторождений открытым способом; аналогичные системы, ориентированные на условия подземных работ, находятся в стадии концептуального проектирования, обоснования структуры, разработки отдельных программных модулей;
- Расширение возможностей универсальных ГИС позволяет использовать их в качестве основы при создании геоинформационных систем для горной промышленности, однако при этом требуется написание дополнительных программных блоков, реализующих решение специфических горных задач.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Введение в геоинформатику горного производства: Учебное пособие / Под ред. В.С. Хохрякова. - Екатеринбург: УГГГА, 2001.
2. Ворошилов Г.А., Примак В.С., Осипов М.В. Построение электронной модели месторождения в программе DATAMINE // Итоги и проблемы производства, науки и образования в сфере добычи полезных ископаемых открытым способом. Матер. междунар. научн.-техн. конф. - Екатеринбург: УГГГА, 2002.
3. Авдеев С.Е., Димант Б.И., Чупров В.А., Юрченко А.В. Информационные технологии и автоматизированные системы в АК «АЛРОСА» // Горный журнал. - 2000. - № 7.
4. Бямбадорж Н., Савчук С.К., Свистунов В.В. Компьютерное решение горногеологических задач на СП «Эрдэнэт» // Горный журнал. - 2001. - № 5.
5. Козырев А.А., Калашник А.И. О применении информационных технологий для решения задач геомеханики при освоении минерально-сырьевых ресурсов Кольского полуострова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд. МГГУ, 1999. -№ 4.
6. Потапов В.П. Математическое и информационное моделирование геосистем угольных предприятий. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999.
7. Анциферов А.В., Глухов А.А. Опыт и перспективы применения ГИС в угольной промышленности // Проблемы геоинформатики при комплексном освоении недр // Докл. III Межд. науч.-практ. конф. - Днепропетровск, 2001.
8. Глухов А.А., Омельченко А.А. Особенности проектирования географических информационных систем для применения в горном производстве // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд. МГГУ, 2001. - № 4.
9. Яковлев Д.В., Михалевич Д.С., Смирнов С.П. и др. Географическая информационная система горного предприятия // Проблемы геодинамической безопасности. II Междунар. рабочее совещание. - СПб.: ВНИМИ, 1997.
10. Михалевич Д.С., Голубков С.Н., Пятницкий К.В. и др. Маркшейдерско-геологическая аналитическая информационная система (МГАИС) для горного предприятия // Горная геомеханика и маркшейдерское дело. - СПб.: ВНИМИ, 1999.
11. Шабаров А.Н. Концепция геодинамического моделирования месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд. МГГУ, 2001. - № 6.
12. Морозов К.В. Комплекс программных средств построения геолого-геометрической модели месторождения // Горная геомеханика и маркшейдерское дело. - СПб.: ВНИМИ, 1999.
13. Мулев С.Н. Геоинформационная система мониторинга геодинамических процессов // Горная геомеханика и маркшейдерское дело. - СПб.: ВНИМИ, 1999.
14. Негурица Д.Л. Применение геоинформационных систем для расчета сдвижений и деформаций земной поверхности // Уголь. - 1998. - № 12.
15. Бусыгин Б.С., Никулин С.Л. Инструментарий ГИС как средство создания систем интегрированного анализа геолого-геофизических данных // Горный информационноаналитический бюллетень. - М.: Изд. МГГУ, 1999. - № 7.
© Е.В. Рубцова, 2005
