CC BY
182
- © O.B. Наговицын, C.B. Лукичев, 2015
УДК 622.012:681.3.01:519.67
О.В. Наговицын, C.B. Лукичев
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПЛАНИРОВАНИЯ
ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
Рассмотрены вопросы применения программных средств горно-геологических информационных систем (ГГИС), приведены примеры программных продуктов для решения задач проектирования и планирования горных работ. Показаны особенности CAD/CAM/CAE и BIM технологий для решения задач горного производства на различных этапах жизненного цикла юрного предприятия. Приведены тенденции развития программных средств для проектирования и планирования горных работ, такие как глубокое обучение, большие данные, порождающее проектирование, дополненная реальность. Ключевые слова: ГГИС, САПР, CAD/CAM/CAE, базы данных.
Средства САПР и ГГИС находят все большее применение в горной промышленности. Среди отраслей народного хозяйства горнодобывающая промышленность имеет ряд особенностей связанных, прежде всего с необычностью объекта производства. В отличие от машиностроения, где обработка сырья и получение готовой продукции ведется в стационарных условиях, исходные материалы и получаемые из него продукты имеют фиксированные свойства, а обрабатывающие механизмы и станки имеют, как правило, большие размеры, чем изготавливаемые детали, в горном деле приходится иметь дело с природными объектами, свойства которых характеризуются большим разнообразием, а инструменты и оборудование значительно меньшими размерами, чем объект их приложения. И если суть машиностроения состоит в том, чтобы производить готовые изделия, состоящие из множества работающих совместно деталей, то в горном деле из массива горных пород необходимо извлечь только то, что представляет экономический интерес.
Эти и многие другие особенности горного производства накладывают свою специфику на применяемые в горной промышленности компьютерные технологии, составляющие отдельные части ГГИС. Воспользуемся устоявшимися определениями разновидностей автоматизированных технологий САО/САЫ/САЕ [1] и рассмотрим, какие виды программных продуктов соответствуют им в горном деле и какие задачи они решают. Представим их последовательно в виде таблицы.
Таблица
Автоматизированная технология Инженерные задачи горной технологии Спениализиро-ванное ПО rrac
CAD Автоматизированное проектирование. Создание геометрических моделей. Генерация чертежей. Обработка первичной графической (геодезической, маркшейдерской и геологоразведочной) документации. Моделирование скважинно-го и иного опробования. Проектирование выработок открытых и подземных горный работ. Проектирование насыпных сооружений. Проектирование специальнык технологически объектов, например - массовый взрывов. Построение разрезов, планов, профилей и иных графических документов в стандартах горной графики. AutoCAD Arcinfo Blastmaker Digimine Mapinfo САМАРА Photomod CAE Mining (Datamine) Carlson Mining Geovia Minescape Mineframe Geomix K-Mine Micromine Minesight Techbase Vulcan
CAM Автоматизированная подготовка производства Планирование горных работ от перспективного до краткосрочного. Mine2-4D NPVSheduler Runge (XPACK, XACT)
Автоматизированное управление технологическими процессами (диспетчеризация). Modular Mining ПО Союзтех-ноком Vist Карьер Wenco
CAE Автоматизированный инженерный анализ Геологическое моделирование — определение закономерностей распределения значимых компонентов в недрах. Гидрогеологическое моделирование. Геомеханическое моделирование. Оптимизация границ карьеров. Горно-геометрический анализ карьерных полей. Определение параметров системы разработки. Моделирование систем вентиляции подземных рудников и расчеты безопасного состояния атмосферы карьеров. ANSYS EcoSSe 3D Galena Genesis GST Leapfrog Modflow Move PLAXIS Rockware RockWorks Runge (Talpack, Haulsim, Dragsim)
Окончание табл.
Автоматизированная технология Инженерные задачи горной технологии Специализированное ПО ГГИС
Моделирование процессов взрывного разрушения горных пород. Моделирование выпуска руды. Имитационное моделирование технологических процессов и их совокупностей. Sigma-GT Surfer SVOffice
Как видно имеется несколько разновидностей программного обеспечения (ПО), которое можно отнести к САПР горных работ. В первую очередь, необходимо отметить наличие многофункционального ПО, специально разработанного для решения задач всего комплекса CAD/CAM/CAE горных работ. Ранее, такое ПО называли интегрированными горными пакетами или системами, а сейчас все больше используется словосочетание горно-геологические информационные системы (ГГИС). И хотя даже самые развитые ГГИС не решают всего набора CAD/CAM/CAE-задач, отличает их, прежде всего, интеграционная составляющая, которая позволяет различным частям ПО работать в едином информационном пространстве на основе унифицированного подхода к хранению и обработке данных. ГГИС являются основой для создания инженерных информационных систем горных предприятий и зачастую реализуют процедуру обмена данными между геологоразведочными, исследовательскими, проектными организациям и горными предприятиями. Можно выделить несколько компаний, разрабатывающих приложения не только для горной промышленности, но и других отраслей и имеющие широкий спектр программных продуктов класса САПР, в котором горные приложения являются частью линейки предлагаемого ПО, например: Dassault System, CAE, Mincom.
Специализированное ПО решает задачи определенной CAD/ CAM/CAE- технологии и, как правило, используется в комплексе с ГГИС или другим вспомогательным ПО. Интеграция осуществляется за счет использования распространенных обменных форматов файлов (dxf, txt, csv, las, dat и пр.), наличием средств импорта/экспорта в форматы CAD, ГИС, ГГИС и доступа к информации, хранимой с помощью систем управления базами данных. Приведенные в таблице названия ПО не составляют исчерпывающий список, можно найти гораздо больше программ различной направленности, функционала и проработанности — от проектов с открытым исходным кодом до коммерческих программ, например [2, 3].
Рис. 1. Этапы и объекты жизненного цикла продукта машиностроения (а) и горного предприятия (б)
В жизненном цикле горного предприятия средства ГГИС применяются на всех этапах. На рис. 1 представлены различия между объектами (моделями) в этапах жизненного цикла машиностроения сырье-обработка-изделие [4, 5] (рис. 1, а) и в горном деле - полезное ископаемое (ПИ) в недрах-добыча-товарный продукт (рис. 1, б).
Можно провести аналогию между гражданским/промышленным строительством и горным предприятием - и то и другое являются сложными техническими сооружениями, их строительство и эксплуатация занимают длительное время, они изменяют ландшафт. Но и здесь имеется существенная разница - объекты строительства практически не изменяются на стадии эксплуатации, собственно процессы строительства и эксплуатации радикально отличаются друг от друга, в отличие от горного предприятия, где эксплуатация фактически ведется теми же технологическими процессами, и можно сказать, что строительство продолжается на протяжении всего жизненного цикла горнодобывающего предприятия. Другим отличием от машиностроения и строительства, является то, что горное производство имеет дело с геопространственными данными, которые непрерывно изменяются в течение всего жизненного цикла (иногда это десятки лет), органически обладая, таким образом, четвертым измерением -временем. Это в свою очередь приводит к тому, что модели, представляющие такие объекты горного предприятия, как горные выра-
ботки, отвалы пустых пород и хранилища отходов обогащения должны создаваться в 4Э пространстве.
В этом контексте можно отметить несколько особенностей жизненного цикла горного предприятия, как объекта проектируемого и эксплуатируемого на всех этапах функционирования с помощью средств ГГИС:
— Применение средств ГГИС может начаться уже на этапе геологоразведки для проектирования разведочных работ, моделирования данных опробования, определения закономерностей распределения ПИ в недрах, его геометризации и создания моделей геологических, стратиграфических и литологических разностей.
— Исходными для этапа проектирования являются данные геологических, геофизических, геодезических изысканий в виде определенных, учтенных и утвержденных государственными органами запасов ПИ, представленных в виде моделей месторождений, топографических поверхностей, закономерностей распределения полезных и вредных компонентов в недрах.
— На этапе проектирования определяется не только конечный вид карьера или подземного рудника, как совокупность горных выработок, но и календарная последовательность их проведения и погашения, последовательность отработки запасов, производительность и скорость развития горных работ в пространстве. Должны быть учтены особенности залегания ПИ, геомеханические, гидрогеологические и экологические факторы. Все это требует предварительного моделирования и вариантного подхода к обоснованию проектных решений на основе экономического сравнения.
— Строительство и эксплуатация горных предприятий зачастую ведется схожими технологиями, а инженерное обеспечение этих этапов производится одними и теми же средствами ГГИС. Таким способом производится проектирование проходки горных выработок и отработки выемочных единиц, проектирование массовых взрывов, транспортных коммуникаций. При составлении плана горных работ используются модели геологической среды, текущего положения горных работ и направления их развития. План горных работ становится руководящим документом для оперативного управления горными работами посредством автоматизированных систем управления технологическими процессами. Средства автоматизированного геомеханического, гидрогеологического мониторинга, наблюдения за состоянием атмосферы карьеров и подземных рудников непосредственно влияют на ведение горных работ,
являясь одним из инструментов обеспечения инженерного сопровождения технологического цикла горного предприятия.
— Автоматизированные системы управления технологическими процессами должны на основе плана горных работ не только выдавать поток ПИ заданного качества и объема, но и контролировать изменение пространственного положения единиц горнотранспортного оборудования в меняющейся во времени геометрической конфигурации выработанного пространства.
— Приняв свой законченный вид (в связи с исчерпанием запроектированного к отработке ПИ или изменением экономических условий) горное предприятие практически сразу прекращает свой жизненный цикл на этапе ликвидации, либо подвергается процедуре реконструкции, которая в той или иной степени повторяет обозначенные выше этапы.
Таким образом, на стадии геологоразведки и утверждения запасов ПИ происходит формирование геологической модели, на стадии проектирования появляются модели проектных горных выработок, на стадии строительства и эксплуатации происходит изменение геологических моделей вследствие изменения их формы по мере извлечения горных пород из недр, уточнения параметров залегания и закономерностей распределения качественных характеристик в ходе постоянной доразведки. Модели проектных горных выработок становятся фактическими по мере реализации проектных решений, а контроль качества реализации требует автоматизированных технологий сбора данных и обработки данных (маркшейдерская съемка и компьютерное моделирование). В результате ведения открытых горных работах, а в большинстве случаев и подземных, происходит изменение рельефа, что также предполагает использование методов сбора и обработки геодезических данных.
Динамично развивающейся технологией в проектировании является «Информационное моделирование здания (сооружения)» — BIM (Building Information Modeling или Building Information Model). Это подход к возведению, оснащению, обеспечению эксплуатации и ремонта сооружения, который предполагает сбор и комплексную обработку в процессе проектирования всей архитектурно-конструкторской, технологической, экономической и иной информации о сооружении со всеми её взаимосвязями и зависимостями, когда здание и все, что имеет к нему отношение, рассматриваются как единый объект [6]. Особенность такого подхода заключается в том, что строительный объект проектируется как единое целое, а изменение какого-либо одного из его пара-
метров влечёт за собой автоматическое изменение остальных связанных с ним параметров и объектов, вплоть до чертежей, спецификаций и календарного графика работ.
Эта концепция, с одной стороны, частично реализована во всех развитых ГГИС в виде геологических моделей и определяемых на их основе моделей карьеров и подземных рудников с множеством атрибутивной информации и превалированием 3Э моделей над чертежами, с другой стороны, она не оформлена как методический подход для обеспечения жизненного цикла именно горного предприятия. Основная проблема заключается в том, что горная часть проекта предприятия включает такие сложные вопросы, как определение производительности и ее развитие во времени, оптимизация границ карьеров и шахтных полей, выбор системы разработки и определение ее параметров, выбор способа вскрытия, структуры комплексной механизации и многих других. Эти задачи находятся в сложной взаимной связи друг с другом, и изменение параметров любой из них в большей или меньшей степени может повлиять на остальные. Основная цель такого подхода в горном деле (Информационное моделирование горных работ — ИМГР) будет заключаться в том, чтобы объект горных работ (карьер, подземный рудник) проектировался как единое целое, а изменение параметров и вариантов проектных решений приводило к автоматическому изменению остальных.
Такой подход можно реализовать в рамках ГГИС, имеющих развитый набор инструментов для геологического моделирования, проектирования и планирования горных работ, единую объектную модель и средства доступа к базам данных. Горный институт Кольского научного цента РАН, являясь одним из немногих разработчиков программного обеспечения класса ГГИС [7, 8, 9], активно работает в направлении создания инструментов инженерного обеспечения процесса планирования и проектирования горных работ, как приоритетной задачи для различных этапов жизненного цикла горного предприятия. Для разработки этих инструментов используются программные средства, входящие в состав ГГИС М1НЕРНЛМЕ (рис. 2) и предоставляющие собой платформу с базовым функционалом, обеспечивающим решение основных задач подземной и открытой геотехнологии.
Особое значение в последнее время приобретают вопросы безопасности, что связано с постоянно ухудшающимися горногеологическими условиями ведения горных работ. Увеличение масштабов подземных и открытых горных работ, переход на большие глубины приводят к необходимости организации средств
Рис. 2. Программные средства ГГИС MINEFRAME
мониторинга состояния природно-технических систем. Автоматизированные технологии сбора первичных данных (например — мониторинг геомеханического состояния массива), их анализа и визуализации, принятия решений должны быть интегрированы со средствами моделирования объектов горной технологии, системами проектирования и планирования горных работ.
Можно отметить несколько перспективных направлений, в которых будут развиваться ГГИС горного производства и сопутствующие им информационные технологии. Например, технологии глубокого обучения (deep learning), относящиеся к области искусственного интеллекта и основанные на нейронных сетях, в последнее время так снизили требования к вычислительным ресурсам компьютера, что их применяют в мобильных устройствах при распознавании голоса, переводов с одного языка на другой и т.д. Основанные на этом технологии интеллектуальных интерфейсов приведут к тому, что взаимодействие пользователей и ГГИС станет более персонифицированным и настроенным на конкретного пользователя, что в совокупности с технологиями порождающего проектирования (generative design) даст возможность принимать решения, основываясь на достаточно общем выражении проект-
ного намерения пользователем, освобождая его от рутинных не творческих операций.
Уже сейчас мы видим примеры использования роботизированных технологий в горном деле и строительстве. Информационная основа ГГИС, технологии больших данных (big data) и облачные технологии, интегрируясь естественным образом в едином автоматизированном производстве, будут реализовывать цепочку от проектного намерения, через технологии порождающего проектирования напрямую к его реализации исполнительными механизмами всей структуры комплексной механизации (рис. 3): подготовка горных пород к выемке, экскавация, транспортирование. Исходные данные о постоянно изменяющейся рабочей зоне, положения забоев, темпов проходки, выпуска, состоянии дорог и выработок, других элементов подземных рудников и карьеров, а также оперативного опробования и контроля качества ПИ, всего разнообразия видов мониторинга технологических, техногенных и природных процессов в зоне ведения горных работ будут обрабатываться с помощью технологии больших данных в среде ГГИС. Облачные технологии предоставят для этого вычислительные ресурсы путём распараллеливания вычислений, хранения собственно исходных данных и возможности для коллективной разработки моделей объектов и процессов горных работ, проектирования, планирования и управления.
Мощным средством визуализации скрытых в недрах объектов и процессов может стать технология дополненной реальности (augmented reality). Она позволит с помощью специальных технических средств (очки виртуальной реальности или даже обычный планшет) реализовать концепцию «рентгеновского» зрения. В результате, человек, находясь на месте ведения горных работ, сможет видеть как реальную обстановку вокруг себя, так и совмещенное с ней модельное представление того, что скрыто и не доступно непосредственному наблюдению. Это могут быть, напри-
Чертеж,
Рис. 3. Перспективные технологии, связанные с ГГИС
мер: соседние подземные выработки и пустоты; особенности геологической обстановки, включая залегание ПИ и тектонические нарушения; результаты геомеханического и гидрогеологического моделирования; распределение качественных характеристик ПИ в развале горных пород; характеристики и состояние горнотранспортного оборудования, рабочего персонала и пр. Реализация такой технологии поможет не только лучше представлять и визуализировать реальные и модельные объекты горной технологии, но и улучшить контроль и безопасность ведения горных работ.
Заключение
Тенденции развития ПО класса ГГИС, способы решения сложных, разнесенных во времени задач горной промышленности показывают необходимость внедрения новых информационных технологий, стандартизованных и унифицированных подходов к управлению проектами для обеспечения всего жизненного цикла горного предприятия от стадии геологоразведки до ликвидационных и ре-культивационных работ. Необходимо ориентироваться в этом на хорошо зарекомендовавшие практики работы передовых машиностроительных производств и строительных технологий.
С другой стороны тенденции развития информационных технологий, такие как облачные технологии, глубокое обучение, нейронные сети, большие данные, порождающее проектирование, роботизированные производства и дополненная реальность найдут свое место в развитии программных средств для проектирования, планирования и управления горными работами.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE) - СПб.: Питер, 2004. - 560 с.
2. Geotechnical & Geoenvironmental Software Directory // Bedrock. [2014—2014]. Дата обновления: 13.08.2014. URL: http://www.ggsd.com/ ggsd/index.cfm (дата обращения: 13.08.2014).
3. Earth science and GIS software // Rockware. [2014—2014]. Дата обновления: 13.08.2014. URL: http://www.ggsd.com/ggsd/index.cfm (дата обращения: 13.08.2014).
4. PLM // Википедия. [2014—2014]. Дата обновления: 03.04.2014. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=62330797 (дата обращения: 29.07.2014).
5. Жизненный цикл изделия // Википедия. [2014—2014]. Дата обновления: 02.06.2014. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=63413495 (дата обращения: 13.08.2014).
6. Building Information Modeling - технологии XXI века // УЦСС. [2014—2014]. Дата обновления: 13.08.2014. URL: http://www.uscc.com.ua/ ru/infocentr/stati-i-intervyu/building — information-modeling-tekhnologii-xxi-veka.html (дата обращения: 13.08.2014).
7. Лукичёв C.B., Наговицын О.В. Современные информационные технологии в горном деле // Мировая горная промышленность: история, достижения, перспективы. Сборник аналитических статей под ред. К.Ю. Анист-ратова. - Т.2. - М.: НПК «Горное дело», 2013, С. 274-315.
8. Наговицын О.В., Лукичёв C.B. Автоматизированные инструменты инженерного обеспечения горных работ в системе MINEFRAME // ГИАБ. -2013. - № 7. - С. 184-192.
9. Лукичёв C.B., Наговицын О.В. Автоматизированное решение задач горного производства в системе MINEFRAME // Горная техника — 2014, — № 2 (14), г. Санкт-Петербург, С. 38-42. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Наговицын Олег Владимирович - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Nagovitsyn@goi.kolasc.net.ru,
Лукичёв Сергей Вячеславович - доктор технических наук, Врио директора института, Lu24@goi.kolasc.net.ru,
UDC 622.012:681.3.01:519.67
COMPUTER TECHNOLOGIES FOR DESIGN AND PLANNING OF OPEN PITS
Nagovitsyn O.V., candidate of technical Sciences, leading researcher, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences Apatity, Russia, Lukichev S.V., doctor of technical Sciences, Acting Director, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences Apatity, Russia.
The questions of applying software tools from mining and geological information systems (MGIS) are observed. Examples of software products for solving the tasks of mine design and planning are shown. The features are defined of CAD/CAM/CAE and BIM technologies intended for meeting the mining industrial challenges at different stages of the life cycle of a mining enterprise. Trends are presented of the development of software for the design and planning of mining operations such as deep learning, big data, generative design, and augmented reality.
Key words: MGIS, mining, CAD/CAM/CAE, database.
ПэИ КНЦ РАН.
REFERENCES
1. Li K. Osnovy SAPR (CAD/SAM/SAE) (Basics of CAD (CAD/CAM/CAE)). SPb.: Piter, 2004. 560 p.
2. Geotechnical & Geoenvironmental Software Directory // Bedrock. [2014— 2014]. Data obnovlenija: 13.08.2014. URL: http://www.ggsd.com/ ggsd/index.cfm (data obrashhenija: 13.08.2014).
3. Earth science and GIS software // Rockware. [2014—2014]. Data obnovlenija: 13.08.2014. URL: http://www.ggsd.com/ggsd/index.cfm (data obrashhenija: 13.08.2014).
4. PLM // Vikipedija. [2014—2014]. Data obnovlenija: 03.04.2014. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=62330797 (data obrashhenija: 29.07.2014).
5. Zhiznennyj cikl izdelija (The life cycle of the product) // Vikipedija. [2014—2014]. Data obnovlenija: 02.06.2014. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=63413495 (data obrashhenija: 13.08.2014).
6. Building Information Modeling. tehnologii XXI veka (Building Information Modeling. technologies of the XXI century) // UCSS. [2014—2014]. Data obnovlenija: 13.08.2014. URL: http://www.uscc.com.ua/ ru/infocentr/stati-i-intervyu/building information-modeling-tekhnologii-xxi-veka.html (data obrashhenija: 13.08.2014).
7. Lukichjov S.V., Nagovicyn O.V. Sovremennye informacionnye tehnologii v gornom dele (Modern information technology in mining // mining World: history, achievements, perspectives) // Mirovaja gornaja promyshlennost': istorija, dostizhenija, perspektivy. Sbornik analiticheskih statej pod red. K.Ju. Anistratova. T.2. Moscow: NPK «Gornoe delo», 2013, pp. 274-315.
8. Nagovicyn O.V., Lukichjov S.V. Avtomatizirovannye instrumenty inzhenernogo obespechenija gornyh rabot v sisteme MINEFRAME (Automated tools engineering support of mining operations in the system MINEFRAME GORN) // GIAB, 2013. No 7. pp. 184-192.
9. Lukichev S.V., Nagovicyn O.V. Avtomatizirovannoe reshenie zadach gornogo proizvodstva v sisteme MINEFRAME (Automated solution of tasks of mining production in the system MINEFRAME) // Gornaja tehnika, 2014, No 2 (14), Sankt-Peterburg, pp. 38-42.
