(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/DE03/03854 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (21) Numer zgłoszenia: (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/DE03/03854 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , WO04/ PCT Gazette nr 25/04 (51) Int.Cl. G01C 7/06 ( ) E21D 11/00 ( ) E21F 17/18 ( ) (54) Sposób i system orientacji w podziemnej budowie kopalni i tuneli (30) Pierwszeństwo: ,DE, (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 25/05 (73) Uprawniony z patentu: RAG AKTIENGESELLSCHAFT,Herne,DE (72) Twórca(y) wynalazku: Martin Rossmann,Oberhausen,DE Elmar Wiejack-Symann,Dinslaken,DE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 12/09 (74) Pełnomocnik: Rogozińska Alicja, Rzecznik Patentowy, POLSERVICE, Kancelaria Rzeczników Patentowych sp. z o.o. PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób i system orientacji w podziemnej budowie kopalni i tuneli, który umożliwia wyznaczanie przekrojów chodników i zarządzanie nimi. Nowoczesna kopalnia ma powierzchnię sięgającą 200 km 2, chodniki o długości ponad 100 km i głębokości wydobywcze do 1600 m. Dynamika kopalni węgla kamiennego powoduje codzienne zmiany w otwartych wyrobiskach. Wyrobisko, składające się z chodników, szybów i bunkrów, jest dokładnie mierzone przez pracowników geodezji górniczej i odtwarzane cyfrowo poprzez ręczne wprowadzanie do systemu komputerowego. Przebieg chodników w przestrzeni jest wyznaczony przez współrzędne Gaussa-Krügera. Za pomocą współrzędnych Gaussa-Krügera sporządza się model z drutu, który z uwzględnieniem szerokości chodników jest doprowadzany do modelu zorientowanego powierzchniowo. W tym celu opracowano oparte na komputerach osobistych oprogramowanie do trójwymiarowej wizualizacji, które generuje trójwymiarowe geometrie kopalni na podstawie istniejących współrzędnych Gaussa-Krügera. W ten sposób otrzymuje się trójwymiarową wizualizację kopalni. System nadaje się do pomiarów odstępów i odległości oraz planowania tras (najkrótszej drogi). Dotychczasowy system nie pozwala jednak na jednoznaczne rozpoznawanie miejsca prowadzenia robót podziemnych. Sterowane satelitarnie systemy nawigacyjne odpowiadają wprawdzie dzisiaj stanowi techniki i są obecne we wszystkich dziedzinach logistyki względnie techniki. Z uwagi na ograniczenia fizyczne dotyczy to jednak tylko wszystkich działań naziemnych. W budowie kopalni, tuneli i ogólnie budowach prowadzonych pod ziemią nie jest możliwy odbiór sygnałów GPS. W związku z tym technologia ta nie nadaje się do wykorzystania w takich celach, jak śledzenie pozycji, wyznaczanie pozycji i orientacja. W następstwie tego dotychczas znane środki nie pozwalają na wizualizację pozycji. Celem wynalazku jest rozwiązanie tych problemów i na podstawie tego rozwiązania stworzenie innych korzystnych możliwości zastosowania w omawianej dziedzinie. Sposób orientacji w podziemnej budowie kopalni i tuneli, w którym przy górniczym pomiarze poszczególnych odcinków wyrobiska opatruje się nośniki informacji po dokonaniu pomiaru jednoznaczną charakterystyką i przytwierdza w miejscu pomiaru, według wynalazku charakteryzuje się tym, że nową współrzędną pozycji (współrzędną Gaussa-Krügera) przyporządkowuje się jednoznacznej charakterystyce nośnika informacji w noszonym na człowieku, przenośnym komputerze, w którym w tym celu przechowuje się tabelę zestawieniową, i poprzez wczytanie charakterystyki następnego nośnika informacji do przenośnego komputera wiąże się tę informację z zainstalowaną w przenośnym komputerze trójwymiarową wizualizacją wyrobiska, zaś na monitorze przenośnego komputera wyświetla się aktualną pozycję, przy czym po wyznaczeniu aktualnej pozycji zdejmuje się za pomocą trójwymiarowego skanera przekrój z odniesieniem do danej współrzędnej przestrzennej, wyznaczając w ten sposób dokładny zbiór punktów zdjętego przekroju elementu pustej przestrzeni, punkty pomiarowe zapisuje się w komputerze i poddaje dalszej obróbce, zaś na zakończenie zdejmuje się sekwencyjnie tego rodzaju przekroje, które za pomocą odpowiedniego algorytmu zestawia się w segment chodnika i przedstawia w postaci trójwymiarowego obrazu. Korzystnie jako nośniki informacji stosuje się transpondery i/lub kody kreskowe, przy czym czytnik kodów kreskowych jest wbudowany w przenośny komputer. System orientacji w podziemnej budowie kopalni i tuneli, z umieszczonymi w wyrobisku w określonych odstępach, reprezentujących współrzędne danych pozycji nośników informacji i czytnika do odczytu tych informacji, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera przenośny, noszony przez człowieka komputer do przetwarzania informacji i do ich związania z zainstalowaną w komputerze trójwymiarową wizualizacją wyrobiska, monitor do wyświetlania wyznaczonej pozycji oraz interfejs do łączenia przenośnego komputera z trójwymiarowym skanerem. Korzystnie czytnik jest za pomocą interfejsu transpondera połączony z przenośnym komputerem. Korzystnie przenośny komputer stanowi komputer typu Pocket-PC. Korzystnie trójwymiarowy skaner ma w swej głowicy pomiarowej skaner laserowy. Techniczne rozwiązanie sformułowanego wyżej problemu polega zatem na kombinacji stosowanej techniki pomiarowej i techniki komputerowej. Trójwymiarowy opis kopalni składa się z ciągu powiązanych ze sobą współrzędnych Gaussa- -Krügera, jak przedstawiono powyżej. Pomiary te są prowadzone cyklicznie w nowo drążonych chodnikach przez pracowników geodezji górniczej.

3 PL B1 3 Według wynalazku w miejscach pomiaru umieszczane są nośniki informacji, mianowicie przez pracowników geodezji górniczej, następnie po pomiarze są one zaopatrywane w jednoznaczną charakterystykę i umieszczane przykładowo na obudowie chodnika. Przy sporządzaniu takiego nowego punktu pomiarowego trzeba jedynie przyporządkować nową współrzędną Gaussa-Krügera jednoznacznej charakterystyce nośnika informacji. Odbywa się to w przenośnym komputerze. W tym komputerze osobistym trzeba przechowywać tabelę zestawieniową. Każdej ze znanych współrzędnych Gaussa-Krügera przyporządkowuje się zatem jednoznaczną charakterystykę. Każdy nośnik informacji można teraz odczytać za pomocą czytnika. Czytnik może być wbudowany zarówno w przenośny komputer, jak też w ruchome elementy robocze (na przykład jednoszynowy przenośnik podwieszony). Rozpoznawanie pozycji odbywa się w następujący sposób: Zgłaszający dysponuje opartą na systemie geodezji górniczej DUDE, trójwymiarową wizualizacją dla wszystkich kopalni. System ten ma zaletę w postaci interfejsu eksportowego do przenośnego komputera osobistego. Za pomocą tego eksportu można całą kopalnię" (łącznie ze wszystkimi współrzędnymi) wprowadzić do przenośnego komputera osobistego i odpowiednio zwizualizować. Gdy pracownik znajduje się pod ziemią w pobliżu nośnika informacji, wówczas wczytuje on jego charakterystykę, na podstawie wewnętrznej tabeli zestawieniowej wyznacza współrzędną Gaussa-Krügera, po czym wyświetla pozycję w postaci jednoznacznego symbolu na ekranie. Wyznaczanie pozycji ma wiele zalet i stwarza wiele możliwości zastosowania. Za pomocą tego systemu można w prosty sposób stwierdzić, jak daleko jest do następnego odgałęzienia, gdzie znajduje się następny aparat telefoniczny względnie jak długa droga prowadzi do miejsca, w którym znajduje się następny stacjonarny przyrząd pomiarowy powietrzny, gdzie znajduje się następny punkt sanitarny, jaka jest najkrótsza droga do punktu xy. Kolejną zaletę podziemnej nawigacji stanowi możliwość obliczania optymalnych tras i chodników poprzez wyznaczenie określonego celu. Ponadto można wyznaczać trasy skojarzone (szukaj drogi przez punkt 1, punkt 2, punkt 3 do celu). Następne, istotne z punktu widzenia wynalazku zastosowanie systemu i sposobu orientacji stanowi wyznaczanie przekrojów chodników i zarządzanie nimi. Wskutek działalności górniczej chodniki, spągi i szyby kopalni węgla kamiennego podlegają działaniu zmiennych parametrów ciśnieniowych. Te oddziaływania ciśnienia prowadzą z reguły do zbieżności chodników. Dlatego też istotne znaczenie ma w kopalni dysponowanie rzeczywistym, podlegającym aktualizacji, trójwymiarowym modelem. W szczególności przy ocenie problemów logicznych, a nawet atmosferycznych taki model może stanowić dużą pomoc. Ponadto pozwala on na przejrzyste przedstawienie oddziaływań ciśnienia w określonych przedziałach czasowych. Aby osiągnąć ten cel, system według wynalazku trzeba jedynie uzupełnić o trójwymiarowy skaner, którego dane pomiarowe wczytuje się przez interfejs do przenośnego komputera, który w tym przypadku służy do zapisu danych. Wyznaczanie przekroju przebiega zatem tak, że po wyznaczeniu aktualnej pozycji zdejmuje się za pomocą trójwymiarowego skanera przekrój z odniesieniem do danej współrzędnej przestrzennej, wyznaczając w ten sposób dokładny zbiór punktów zdjętego przekroju elementu pustej przestrzeni, punkty pomiarowej zapisuje się w komputerze i poddaje dalszej obróbce. Ten trójwymiarowy skaner ma w swej głowicy pomiarowej skaner laserowy, pracujący na zasadzie pomiaru czasu przejścia. Wyjątkowo krótki impuls światła jest emitowany ze skanera, pada na przeszkodę (obudowę chodnika), jest od niej odbijany i odbierany przez laser. Czas przejścia, obliczony na podstawie różnicy czasu, jest proporcjonalny do odległości pomiędzy skanerem i przeszkodą. Zdjęcia wykonuje się sekwencyjnie, zaś zwizualizowane za pomocą wyznaczonych danych, poszczególne zeskanowane segmenty zestawia się przy użyciu wspomaganej komputerowo obróbki obrazu w segmenty chodników i przedstawia w postaci trójwymiarowego obrazu. Powtarzane w odstępach czasowych wyznaczanie przekroju sposobem według wynalazku pozwala na wychwycenie zmian przekroju. W ten sposób system wizualizacji chodników stwarza różnorodne możliwości: 1. wyznaczanie przekrojów w tylnych obszarach obudowy, 2. wyznaczanie przekroju w celu optymalnego planowania pracy brygad, 3. ułatwianie planowania przy wyznaczaniu optymalnych osi taśm w chodnikach, 4. ułatwianie planowania przy wyznaczaniu optymalnego montażu rur w chodnikach, 5. ułatwianie planowania przy wyznaczaniu piętrowego prowadzenia rur w chodnikach,

4 4 PL B1 6. wyznaczanie przekrojów możliwych przestrzeni montażowych dla składowania materiałów budowlanych, 7. realne, zbliżone czasowo zdjęcie zbieżności z optymalną analizą tendencji za pomocą wspomaganej komputerowo obróbki obrazu, 8. dokładne wyznaczanie parametrów chodnika na potrzeby dalszego planowania technicznego, 9. dokładne wyznaczanie wysokości geodezyjnych na potrzeby wodnej gospodarki kopalni. Jako nośniki informacji dla wyznaczania pozycji stosuje się korzystnie transpondery. Transpondery są aktywnymi nadajnikami sygnału, które można odczytywać za pomocą czytnika umieszczonego w bezpośrednim otoczeniu. Nie jest przy tym potrzebny bezpośredni kontakt z transponderem. Alternatywne rozwiązanie może polegać na zawarciu jednoznacznej charakterystyki w kodzie kreskowym. Umieszczony na obudowie kod kreskowy można skanować przy użyciu czytnika kodów kreskowych, wbudowanego w przenośny komputer osobisty. Jako przenośne komputery mogą służyć przyjazne w obsłudze, wydajne i poręczne, komputery typu Pocket-PC. Do odczytu transpondera Pocket-PC zawiera wbudowany interfejs transpondera. Alternatywnie przenośny komputer, korzystnie Pocket-PC, może zawierać także wbudowany czytnik kodów kreskowych. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia odgałęzienie chodnika, reprezentowane przez układ profili obudowy chodnika z zamontowanymi nośnikami informacji, fig. 2 - Pocket-PC z trójwymiarową wizualizacją wyrobiska (fragment), fig. 3 - segmenty przekroju chodnika, zdjęte za pomocą skanera laserowego, oraz fig. 4 - trójwymiarową wizualizację tunelu, złożonego z wielu segmentów. Na fig. 1 przedstawiono fragment odgałęzienia chodnika, reprezentowany przez profile 1 obudowy. Małe czarne kwadraty symbolizują zamocowane na profilach 1 nośniki informacji 2 (transpondery lub kody kreskowe) i oznaczają miejsce, w którym pracownicy geodezji górniczej dokonali pomiarów odpowiednich odcinków chodników, przy czym współrzędnym tym (współrzędnym Gaussa-Krügera) przyporządkowane jest jednoznaczna charakterystyka nośnika informacji 2. Na fig. 2 przedstawiony jest dostępny w handlu Pocket-PC 3, w którym w postaci tabeli zestawieniowej zapisane są wyznaczone współrzędne Gaussa-Krügera i odpowiednie charakterystyki. Do wczytywania informacji z transponderów względnie kodów kreskowych służy wbudowany w Pocket-PC 3 czytnik 4, którym może być alternatywnie czytnik kodu kreskowego lub interfejs transpondera, za pomocą którego można odbierać sygnał rozpoznawczy transpondera. W Pocket-PC 3 jest zapisana cała kopalnia z jej wszystkimi istotnymi danymi i współrzędnymi, którą można przedstawić na ekranie 5 w postaci trójwymiarowej wizualizacji. Gdy pracownik znajduje się w pobliżu nośnika informacji 2, wówczas za pomocą wbudowanego w Pocket-PC 3 czytnika 4 wczytuje on charakterystykę transpondera względnie kodu kreskowego. Dane te przyporządkowuje się w tabeli zestawieniowej współrzędnej Gaussa-Krügera, zaś na ekranie wyświetla się dokładna pozycja pracownika o symbolu 6. Gdy pozycja pracownika jest wyznaczona, wówczas za pomocą nie przedstawionego trójwymiarowego skanera (na przykład skanera laserowego) mierzy się profil chodnika. Dane pomiarowe wczytuje się za pomocą odpowiedniego interfejsu do Pocket-PC 3 i zapisuje. Następnie zdejmuje się sekwencyjnie następne profile chodników w odpowiednich miejscach i tak zapisuje się segment po segmencie w Pocket-PC 3. Za pomocą odpowiedniego algorytmu zestawia się następnie pojedyncze segmenty w odcinki chodników (ewentualnie budowli naziemnych). W ten sposób można otrzymać trójwymiarowy obraz całych odcinków chodników. Tego typu wyniki pomiarów przekrojów chodników wynikają z fig. 3. Na fig. 4 przedstawiony jest wynik końcowy, w którym poszczególne segmenty są zestawione w cały tunel. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób orientacji w podziemnej budowie kopalni i tuneli, w którym przy górniczym pomiarze poszczególnych odcinków wyrobiska opatruje się nośniki informacji po dokonaniu pomiaru jednoznaczną charakterystyką i przytwierdza w miejscu pomiaru, znamienny tym, że nową współrzędną pozycji (współrzędną Gaussa-Krügera) przyporządkowuje się jednoznacznej charakterystyce nośnika

5 PL B1 5 informacji w noszonym na człowieku, przenośnym komputerze (3), w którym w tym celu przechowuje się tabelę zestawieniową, i poprzez wczytanie charakterystyki następnego nośnika informacji (2) do przenośnego komputera (3) wiąże się tę informację z zainstalowaną w przenośnym komputerze (3) trójwymiarową wizualizacją wyrobiska, zaś na monitorze (5) przenośnego komputera (3) wyświetla się aktualną pozycję (6), przy czym po wyznaczeniu aktualnej pozycji (6) zdejmuje się za pomocą trójwymiarowego skanera przekrój z odniesieniem do danej współrzędnej przestrzennej, wyznaczając w ten sposób dokładny zbiór punktów zdjętego przekroju elementu pustej przestrzeni, punkty pomiarowe zapisuje się w komputerze i poddaje dalszej obróbce, zaś na zakończenie zdejmuje się sekwencyjnie tego rodzaju przekroje, które za pomocą odpowiedniego algorytmu zestawia się w segment chodnika i przedstawia w postaci trójwymiarowego obrazu. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako nośniki informacji (2) stosuje się transpondery. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako nośniki informacji (2) stosuje się kody kreskowe, przy czym czytnik kodów kreskowych jest wbudowany w przenośny komputer (3). 4. System orientacji w podziemnej budowie kopalni i tuneli, z umieszczonymi w wyrobisku w określonych odstępach, reprezentujących współrzędne danych pozycji nośników informacji i czytnika do odczytu tych informacji, znamienny tym, że zawiera przenośny, noszony przez człowieka komputer (3) do przetwarzania informacji i do ich związania z zainstalowaną w komputerze (3) trójwymiarową wizualizacją wyrobiska, monitor (5) do wyświetlania wyznaczonej pozycji oraz interfejs do łączenia przenośnego komputera (3) z trójwymiarowym skanerem. 5. System według zastrz. 4, znamienny tym, że czytnik (4) jest za pomocą interfejsu transpondera połączony z przenośnym komputerem (3). 6. System według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że przenośny komputer (3) stanowi komputer typu Pocket-PC. 7. System według zastrz. 4, znamienny tym, że trójwymiarowy skaner ma w swej głowicy pomiarowej skaner laserowy.

6 6 PL B1 Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 zł.