Nowoczesne narzędzia informatyczne wspomagające prace projektowe

Wstęp

Kopalnia Węgla Brunatnego "Konin" Spółka Akcyjna jest prekursorem, jeśli chodzi o wprowadzanie nowoczesnych urządzeń tak w sferze produkcyjnej, jak i w procesach planowania i projektowania. Wymogi konkurencyjnego rynku, zaostrzone kryteria i normy z zakresu ochrony środowiska, zmiany w ustawodawstwie wymusiły podjęcie różnorodnych działań w celu udoskonalenia m.in.:

a) procesów produkcyjnych we wszystkich fazach i obszarach (planowania, projektowania technologii, bieżącej obsługi produkcji i rozliczania produkcji),
b) zarządzania majątkiem,
c) procesów inwestycyjnych.

Niezwykle w tym pomocne okazują się współczesne systemy informatyczne wspomagania projektowania (systemy CAD/CAM) oraz systemy informacji geograficznej (systemy GIS).

Na początku lat 90. KWB "Konin" rozpoczęła prace nad wyborem systemu komputerowego wspomagania prac projektowych w podstawowych działach obsługi produkcji:

- technologii górniczej,
- mierniczym,
- geologicznym,
- konstrukcyjnym.

Szerokie grono specjalistów z ww. działów oraz z działu informatyki przygotowało założenia, które powinien spełniać system oraz dokonało przeglądu i oceny kilku najbardziej znanych systemów oferowanych na rynku. Po starannych analizach wybrano system amerykańskiej firmy Intergraph z modułami górniczymi firmy Intertech - obecnie AST GMSI (Południowa Afryka).

Cechy, które zadecydowały o wyborze produktów ww. firm to:

- otwartość, tzn. możliwość tworzenia i dołączania nowych aplikacji dla obecnych i nowych użytkowników,
- niezależność od platformy sprzętowej (od stacji graficznych Intergraph po zwykłe PC-ty),
- dostosowanie możliwości i funkcji do specyficznych potrzeb KWB "Konin",
- niezależność od nowoczesnych baz danych (kopalnia wybrała relacyjną bazę danych Oracle),
- możliwość pracy sieciowej,
- bardzo dobra platforma graficzna MicroStation,
- możliwości rozwojowe systemu,
- możliwość wspierania prac wdrożeniowych oraz serwisu i oprogramowania przez silną firmę Intergraph'a w Polsce, tj. Intergraph Europa (Polska).

Szczególnie ten ostatni argument był istotny ze względu na unikalny charakter wdrożeń systemu wspomagania prac projektowanych w górnictwie odkrywkowym w Polsce.

Pierwszy sprzęt i oprogramowanie do KWB "Konin" dotarły w 1993 roku. Rozpoczął się trudny i długi proces wdrażania poszczególnych modułów systemu.

W dalszych częściach artykułu omówiono zakres wykorzystania modułów systemu przez poszczególne działy funkcjonalne, przedstawiono najważniejsze prace i produkty otrzymywane z systemu oraz opisano rozwiązania sprzętowe i systemowe, na jakich oparto funkcjonowanie aplikacji. W opinii fachowców z KWB "Konin" efekty, jakie osiągnięto w ciągu kilku lat pracy z oprogramowaniem firmy Intergraph pozwalają stwierdzić, że decyzja dotycząca wyboru tej firmy była trafna.

Ogólne informacje o oprogramowaniu stosowanym w KWB "Konin"

Podstawowym środowiskiem pracy służb kopalni jest MicroStation. Jest to silne i wydajne narzędzie do kreślenia zarówno map, jak i rysunków technicznych. Przyjazne środowisko projektowe zapewnia graficzny interfejs MicroStation. Możliwości projektowania są zwiększane przez zastosowanie dodatkowych specjalistycznych modułów. W kopalni zapewniono inżynierom narzędzia potrzebne na każdym etapie projektowania; od możliwości zeskanowania już istniejącej dokumentacji papierowej, poprzez obróbkę otrzymanego rastra przy pomocy oprogramowania I/RasB, wektoryzację, do wyplotowania map lub rysunków technicznych.

Dane graficzne połączone są z danymi przechowywanymi w relacyjnej bazie danych Oracle, która jako jedna z nielicznych potrafi obsługiwać tak duże przedsiębiorstwa z uwzględnieniem dużego rozproszenia terytorialnego przy zachowaniu bardzo dobrych parametrów technicznych. W bazie znajdują się informacje dotyczące m.in. otworów geologicznych, jakości węgla, działek.

Jednym z podstawowych programów, działającym w środowisku MicroStation, jest Modeller. Aplikacja służąca do tworzenia, manipulowania, analizowania, modyfikacji i odwzorowania graficznego danych potrzebnych do komputerowego modelowania powierzchni, np. powierzchni terenu lub stropu węgla. Posiada również funkcje potrzebne do prezentacji modeli przestrzennych w oparciu o dane rozmieszczone w siatce trójkątnej lub kwadratowej. Na podstawie utworzonego modelu można wykonywać różne operacje:

• tworzyć zakodowane kolorami mapy warstwicowe o stałych i regularnych cięciach warstwicowych, nieregularnych cięciach warstwicowych, warstwicach dla zadanej wartości, z równoczesną możliwością zróżnicowania warstwic głównych i pomocniczych,
• wyświetlać trójkąty tworzące model oparty na siatce trójkątów,
• kodować kolorami, wg skali kolorów, model oparty na siatce kwadratów,
• rysować dwu- i trójwymiarowe przekroje modeli,
• dokonywać obliczeń objętościowych pomiędzy warstwami i/lub zadanymi płaszczyznami,
• "próbkować" model, tzn. w sposób dynamiczny odczytywać dane dotyczące warstw przez przesuwanie kursora po ekranie monitora w poprzek modelu,
• za pomocą funkcji slope, przez wskazanie dwóch punktów w modelu, odczytywać nachylenie modelu, np. nachylenie pochylni (1:10),
• wyświetlać dane, które zostały wprowadzone do poszczególnych warstw modelu w postaci dowolnie sformatowanego tekstu lub punktów,
• "przenieść" płaski rysunek na powierzchnię modelu - w ten sposób płaski rysunek przybiera kształt powierzchni.

Każdy dział kopalni posiada swoje własne specjalistyczne oprogramowanie komputerowe przystosowane do specyficznych zadań poszczególnych działów. Jednak końcowy efekt pracy przedstawiany jest na wspólnej platformie graficznej MicroStation oraz modelach przestrzennych tworzonych przy pomocy opisanego wcześniej programu Modeller, który posiada każdy dział. W/w technologia powoduje łatwy i spójny sposób przekazywania informacji pomiędzy współpracującymi ze sobą służbami Kopalni.

Geodezja i geologia

Jednym z głównych zadań działu mierniczego jest ewidencja gruntów w kopalni "Konin". System MGE został zakupiony przez KWB "Konin" dla wspomagania tworzenia projektów, które będą służyły do efektywniejszego zarządzania takimi składnikami majątkowymi jak:

• działki,
• budynki i budowle,
• infrastruktura techniczna (sieci elektryczne, telekomunikacyjne, wodne i c.o.),
• sieci komputerowe itp.,
• infrastruktura komunikacyjna (drogi, trasy kolejowe).

W projektach MGE możliwe się stało powiązanie informacji graficznej zgromadzonej na mapach numerycznych z informacją tekstową umieszczoną w relacyjnej bazie danych Oracle. W KWB "Konin" w końcowej fazie wdrożenia znajdują się dwa projekty MGE: ewidencja gruntów oraz ewidencja budynków i budowli. Kopalnia "Konin" jest właścicielem kilku tysięcy działek, nabytych na przestrzeni kilkudziesięciu lat od różnych właścicieli i rozrzuconych w ponad 70. obrębach ewidencyjnych. W związku z przesuwaniem się frontów eksploatacyjnych działki podlegają licznym zmianom. Zmieniają się ich granice, sposób wykorzystania, jak również podlegają zbyciu. Skuteczna kontrola nad procesami zmian jest niezbędna ze względów prawnych, podatkowych oraz projektowych.

Drugim istotnym zadaniem służb mierniczych jest wykonywanie wszystkich prac i robót geodezyjnych dla istniejących i planowanych odkrywek kopalni, dla prowadzonych w nich robót przygotowawczych i górniczych (na przedpolu odkrywki, a następnie po otwarciu złoża - we wkopie i na zwałowisku).

Na podstawie pomiarów geodezyjnych służby miernicze wykonują modele cyfrowe aktualnego stanu odkrywek. Pomiary takie dokonywane są raz w miesiącu lub w razie potrzeby częściej. Następnie tworzy się obraz informacji o terenie, czyli różnego typu mapy, tj. sytuacyjno-wysokościowe, wyrobisk górniczych, ewidencyjne, rekultywacyjne, sieci obserwacji niwelacyjnych itd.

W skład dokumentacji mierniczo-geologicznej tworzonej w formie cyfrowej wchodzą m.in.:

1. Numeryczne mapy przeglądowe.
2. Numeryczne mapy specjalne.
3. Mapy powierzchni.

W Kopalni Węgla Brunatnego "Konin" SA służba geologiczna, dla usprawnienia wykonywanych prac geologicznych, wykorzystuje system komputerowy bazujący również na oprogramowaniu firm: Intertech, Intergraph i Oracle. Duża liczba danych, zarówno dokumentacyjnych, jak i powstających podczas wykonywania prac geologicznych, powoduje konieczność odpowiedniego, usystematyzowanego przechowywania tych informacji, możliwość łatwego do nich dostępu, a następnie ich analizowania i modelowania oraz wizualizacji otrzymanych wyników.

Rysunek 1. Mapa z ewidencją gruntów.

Dane geologiczne przechowywane są w relacyjnej bazie danych. Przy pracy z oprogramowaniem geologicznym firmy Intertech bardzo duży zakres prac wiąże się z założeniem bazy danych geologicznych, jej uzupełnianiem i weryfikacją, stąd przyjętym założeniem jest archiwizacja tylko tych danych, które są bardzo liczne i podlegają częstemu użyciu. Do informacji tych należą:

1. pełna informacja dotycząca otworów wiertniczych, jak np. lokalizacja (współrzędne) i rodzaj otworu, profil litologiczny, kody chrono- i litostratygraficzne itd.,
2. wyniki pomiarów zwierciadła wód podziemnych,
3. analizy chemiczne węgla,
4. zafiltrowanie studni i piezometrów.

Na podstawie tak zdefiniowanej bazy danych oprogramowanie geologiczne wspomaga zarządzanie danymi i ich przetwarzanie. Umożliwia również połączenie informacji graficznej z informacją przechowywaną w bazie danych geologicznych, wskutek czego wyniki zapytań do bazy danych można od razu przedstawić graficznie, bądź wyniki obliczeń umieścić bezpośrednio w bazie danych. Przykładem może tu być wyznaczanie w otworze rzędnej stropu i spągu węgla, w piezometrach - wyznaczanie wysokości zwierciadła wody gruntowej w zadanym czasie, obliczanie parametrów jakościowych węgla w piętrze eksploatacyjnym czy przedstawienie profili otworów wiertniczych w trójwymiarowej grafice przy pomocy kodów kolorów z jednoczesnym wyświetleniem opisu tekstowego warstw otrzymanym z bazy danych. Uzyskane w ten sposób dane służą do budowy modeli fizycznych, bądź parametrycznych, które w dalszej kolejności stosowane są do różnych obliczeń i analiz.

Wszystkie udostępnione złoża mają założoną i aktualizowaną bazę danych geologicznych. Na podstawie informacji w nich zawartych można automatycznie kreślić raporty wiertnicze. Do tych celów używa się aplikacji Logger. Dla projektowania górniczego tworzone są przede wszystkim modele przestrzenne pokładu węgla i warstw nadkładu, przy czym w praktyce wybrano koncepcję modelowania tylko niektórych ważniejszych powierzchni geologicznych (np. stropu i spągu węgla, stropu iłów, glin zwałowych). Spowodowane jest to faktem, że partia nadkładowa złoża zbudowana jest z dużej ilości warstw wyklinowujących się czy zalegających w formie soczewek, stwierdzanych często pojedynczymi otworami wiertniczymi. Na podstawie stworzonych modeli kreśli się mapy izoliniowe powierzchni warstw geologicznych, generuje przekroje geologiczne dla dowolnie zadanych kierunków, a także wykorzystuje się je do obliczeń, np. zasobów węgla brunatnego.

Dla analizy stanu odwodnienia odkrywkowych wyrobisk górniczych tworzy się mapy hydroizohips zwierciadła wód podziemnych czy mapy rekonstrukcji odbudowy zwierciadła wód podziemnych po przejściu eksploatacji.

Rysunek 2. Przekrój geologiczny przez odkrywkę "Drzewce".

W celu prognozowania dostaw węgla do elektrowni archiwizuje się na bieżąco analizy chemiczne prób węgla brunatnego pobranych z odkrytego stropu pokładu, co umożliwia tworzenie modeli i map parametrów chemicznych eksploatowanego pokładu, a następnie dokonanie obliczeń jakości i ilości węgla w prognozowanych poszczególnych blokach eksploatacyjnych zabierki, na podstawie których dyspozytornia główna steruje ruchem koparek i wielkością wydobycia z poszczególnych odkrywek.

Wszystkie opisane informacje geologiczne udostępniane są w sieci komputerowej innym zainteresowanym działom i pracownikom kopalni, z zastrzeżeniem praw dostępu, podobnie jak to ma miejsce z dokumentacją mierniczo-geologiczną zakładu górniczego.

Wspomaganie prac w dziale technologii górniczej

Podstawą pracy w dziale technologii górniczej są numeryczne dane zgromadzone i opracowane w działach geologicznym i mierniczym oraz numeryczne mapy zasadnicze i ewidencyjne, na bieżąco aktualizowane przez geodetów. W przypadku braku map numerycznych wykorzystuje się tradycyjne mapy na nośnikach papierowych, które można poprzez technikę skanowania zamieniać na postać rastrową. W zależności od potrzeb otrzymane mapy pozostawia się jako obrazy rastrowe albo dalej zostają one przetworzone na obrazy wektorowe, co pozwala w pełni wykorzystywać możliwości modułów systemu. Podstawowym narzędziem pracy technologa górniczego jest aplikacja pod nazwą Modeller.

Rysunek 3. Fragment mapy numerycznej wygenerowanej w dziale technologii górniczej - odkrywka "Drzewce".

Na podstawie danych z pomiarów geodezyjnych dla każdej odkrywki utworzono docelowe modele każdego poziomu nadkładowego, węglowego, zwałowego. Projekty docelowych poziomów są narysowane na mapach będących częścią założeń techniczno-ekonomicznych. Utworzone modele węgla, nadkładu i poziomów roboczych dają nowe możliwości wykorzystania danych i w znacznym stopniu ułatwiają prowadzenie technologiczne odkrywek. Łatwe, szybkie oraz dokładne, jak wykazała praktyka, obliczanie mas nadkładu i węgla dla poszczególnych koparek oraz mas zwałowych daje ogromne możliwości analizowania różnych wariantów technologii eksploatacji. Jednak na obliczaniu mas nie kończy się planowanie technologii wydobycia węgla. W związku z zaostrzonymi wymogami ochrony środowiska, co znalazło swoje odbicie w gwarantowanych parametrach jakości węgla, w długoterminowej umowie z elektrownią, zróżnicowaniem jakości węgla w poszczególnych złożach, a przede wszystkim w związku z wzrostem zawartości siarki, kluczowym problemem stała się optymalizacja dostaw węgla z poszczególnych odkrywek do elektrowni.

W systemie sterowania jakością węgla, do budowy, którego przystąpiła obecnie kopalnia, ważnym elementem jest prognozowanie jakości węgla w planowanych dostawach do elektrowni. Również do tych celów wykorzystuje się moduły systemu Intergraph-Intertech. Dla każdej koparki węglowej określa się zabierkę, dzieli na bloki eksploatacyjne, w których następnie służby geologiczne określają parametry jakościowe. Mając takie dane dyspozytor główny kopalni, wykorzystując inny program komputerowy, na bieżąco steruje wielkością dostaw z poszczególnych odkrywek do elektrowni w taki sposób, aby uzyskać pożądane parametry jakościowe.

Rysunek 4. Algorytm dostaw oraz uśredniania i sterowania jakością węgla z KWB "Konin" SA do ZE PAK SA.

Dzięki sprawnemu funkcjonowaniu sieci komputerowej łączącej poszczególne działy funkcjonalne każdy technolog ze swego komputera ma dostęp do następujących danych:

• aktualnych i archiwalnych sztygarek, czyli map z naniesionymi stanami odkrywek (w postaci numerycznej),
• numerycznych map zasadniczych w skali 1:2000 i 1:5000,
• numerycznych map ewidencyjnych z zaznaczonym aktualnym stanem wykupów gruntów,
• numerycznych map z danymi z otworów,
• schematu odwodnienia odkrywek,
• kart pokładowych, czyli rocznych planów pracy koparek zawierających mapy numeryczne z zaprojektowaną technologią prac górniczych oraz dane liczbowe ilustrujące plany produkcyjne,
• planu ruchu ze wszystkimi załącznikami w postaci numerycznej.

Podsumowanie

Zastosowanie w KWB "Konin" SA wyspecjalizowanych technik komputerowych do celów tworzenia baz danych geologicznych i geodezyjnych, a następnie ich wykorzystanie w procesach projektowania górniczego pozwoliło na zwiększenie efektywności tych procesów. Poniżej przedstawiono podstawowe cechy oprogramowania, funkcje i cechy aplikacji wykorzystywane w pracy poszczególnych działów.

Podstawowe cechy oprogramowania przeznaczonego dla geodetów:

• elastyczne środowisko graficzne,
• typowe obliczenia wykonywane przez mierniczych górniczych,
• biblioteki symboli i szrafuj,
• automatyczna aktualizacja treści graficznej mapy,
• bezpośredni odczyt danych z rejestratorów polowych,
• raporty,
• weryfikacja wprowadzanych informacji i dokonywanych obliczeń,
• wysoki stopień bezpieczeństwa danych,
• technologia GIS.

Podstawowe funkcje aplikacji przeznaczonych dla geologów umożliwiają:

• tworzenie numerycznego modelu złoża i jego wizualizację,
• automatyczne tworzenie map izoliniowych,
• zestawienia tabelaryczne i raporty,
• automatyczne generowanie kart otworowych,
• przekroje przez złoże, panele korelacyjne,
• obliczenia powierzchni i objętości,
• szacowanie parametrów złoża metodami krigingu,
• funkcje statystyki klasycznej,
• możliwość dodawania własnych aplikacji, makr, algorytmów,
• kodowanie kolorami,
• drukowanie i plotowanie,
• integrację geologicznych danych trójwymiarowych z systemami GIS.

Podstawowe cechy aplikacji przeznaczonych dla inżynierów górników i technologów to:

• bezpośrednie wykorzystanie zasobów informacyjnych przygotowanych przez inne działy kopalni,
• zasób przechowywanych informacji zależny od potrzeb kopalni,
• różne algorytmy obliczania zasobów,
• wspomaganie procesu rozcięcia złoża na bloki eksploatacyjne,
• elastyczne środowisko umożliwiające symulację wydobycia kopaliny w czasie,
• sterowanie wydobyciem na bazie jakości kopaliny,
• możliwość dodawania własnych aplikacji, makr, algorytmów,
• sprzężenie informacji opisowej i trójwymiarowej grafiki,
• kodowanie kolorami,
• drukowanie i plotowanie,
• integracja geologicznych danych trójwymiarowych z systemami GIS.

dr hab. inż. Zbigniew Kasztelewicz

mgr inż. Artur Szamałek

mgr inż. Paweł Czaplicki

mgr inż. Jarosław Czyż

Literatura:

1. Kasztelewicz Z., 2003, Interdyscyplinarność górnictwa węgla brunatnego, Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej. Zagadnienia interdyscyplinarne w górnictwie i geologii, Szklarska Poręba.
2. Kasztelewicz Z., Brzeg K., Czaplicki P., Jędrasiak J., Szamałek A., Mazurek S., Angulski L., 1998, Pięć lat firmy Intergraph w kopalni "Konin" Apeks s.c., Kleczew-Konin.