Rozproszony system pomiarowo-interpretacyjny drgań gruntu wzbudzanych wstrząsami górniczymi - projekt

Transkrypt

1 WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie Janusz MIREK Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Mat. Symp. Warsztaty 2000 str Rozproszony system pomiarowo-interpretacyjny drgań gruntu wzbudzanych wstrząsami górniczymi - projekt Streszczenie Artykuł przedstawia projekt rozproszonego systemu sejsmometrycznego przeznaczonego do zdalnego monitorowania wpływu wstrząsów na budynki i wykorzystującego najnowocześniejsze rozwiązania techniczne dostępne na rynku. Prezentowany system pomiarowy minimalizuje ingerencję ludzka w swe funkcjonowanie może być więc przydatny zarówno dla kopalń jak i dla innych instytucji lub organizacji które zamierzają prowadzić rejestracje sejsmometryczne. Zaprojektowana pełna archiwizacja i ochrona baz danych oraz możliwość zdalnego nadzoru przez upoważnionych ekspertów podnosi wiarygodność obserwacji. Prace nad prototypem systemu zgodnie z przedstawionym projektem zostaną zakończone w połowie bieżącego roku. 1. Wstęp Koniec dwudziestego wieku cechuje gwałtowny rozwój informatyki i telekomunikacji. Komputery, internet, cyfrowa telefonia, itp., to wszystko powoli rewolucjonizuje nie tylko urządzenia nas otaczające, ale również sposób podejścia do problemu i możliwości jego rozwiązania. Jeszcze do niedawna nieprawdopodobny wydawałby się pomysł zdalnego nadzorowania naszej lodówki z drugiej półkuli ziemskiej. Teraz ten pomysł nie jest nierealny lub też niesłychanie drogi, a jedynie ekstrawagancki. W niniejszym opracowaniu przedstawiony jest projekt rozproszonego systemu sejsmometrycznego przeznaczonego do zdalnego monitorowania wpływu wstrząsów na budynki i wykorzystującego najnowocześniejsze rozwiązania techniczne dostępne na rynku. Dotychczas stosowane były dwa typy urządzeń pomiarowych. Pierwszy typ urządzenia, to akcelerometr bezpośrednio połączony ze stacją pomiarową kopalni prowadzący stały pomiar. Drugi, to urządzenia czuwające typu WORS. Wieloletnie doświadczenia z tego typu urządzeniami, jak i z własnymi konstrukcjami (Lasocki i in. 1996, Projekt celowy 1998) oraz szeroki zakres własnego oprogramowania pomiarowo-interpretacyjnego (Mirek i Lasocki 1999, Lasocki i in. 1998) pozwoliły autorom sprecyzować wymagania jakie powinna spełniać nowoczesna, bezobsługowa aparatura sejsmometryczna. Bezobsługowy system pomiarowy zmniejsza konieczność interwencji ludzkiej w swoje funkcjonowanie tylko do sytuacji awaryjnych przez co nie wymaga od swych użytkowników żadnej szczególnej wiedzy technicznej. Może być więc bardzo przydatny zarówno dla kopalń jak i dla innych instytucji lub organizacji które zamierzają prowadzić rejestracje sejsmometryczne. Zaprojektowana pełna archiwizacja i ochrona baz danych oraz możliwość 319

2 J. MIREK - Rozproszony system pomiarowo-interpretacyjny drgań gruntu... zdalnego nadzoru przez upoważnionych ekspertów podnosi wiarygodność obserwacji przy znacznie niższych niż dotychczas kosztach nadzoru. Centralna baza danych pomiarowych daje również możliwość zdalnej interpretacji w ośrodku nie związanym z jednostkami organizacyjnymi, których obiektywizm mógłby być kwestionowany. 2. Założenia Projektowany system pomiarowo-interpretacyjny składa się z dwóch modułów. Pierwszy z nich, to jednostka pomiarowa zainstalowana na obserwowanym obiekcie. Drugi moduł to centralna baza pomiarowa zlokalizowana w zasięgu bezpośredniego dostępu zespołu obsługującego sieć. Rys. 2.1 Schemat funkcjonowania systemu pomiarowego 320

3 WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie Jednostka pomiarowa ma wymagać jak najmniej bezpośredniej ingerencji człowieka w jej pracę. Po zainstalowaniu staje się autonomiczna i wprzęgnięta zdalnie w system akwizycji i oceny danych. Ilość jednostek pomiarowych jest nieograniczona i może być w każdej chwili zwiększona poprzez dodanie nowej lub zmniejszona poprzez wyłączenie z użycia dowolnej jednostki pomiarowej. Autonomia jednostki pomiarowej polega również na tym, że może działać w trybie stand alone (niezależnie od centralnego systemu sterowania), lub też w trybie off-line charakteryzującego się przenoszeniem danych do centrali za pomocą mediów fizycznych takich jak dyskietki, taśmy itd., lub też pocztą elektroniczną. Idea jednostki stand alone może być zrealizowana dzięki wyposażeniu jednostki pomiarowej w pełen zestaw procedur interpretacyjnych oraz możliwość podłączenia zewnętrznej konsoli oraz drukarki. Centralna baza pomiarowa jest sercem całego systemu. Pozwala na wymianę informacji z jednostkami pomiarowymi o zaistniałych zjawiskach sejsmicznych, archiwizację pomiarów przesłanych z jednostek pomiarowych, zdalną konfigurację i instalację nowych wersji oprogramowania w jednostkach pomiarowych. 3. Zdalna komunikacja Centralna baza pomiarowa może odbierać i wysyłać dane do i z jednostek pomiarowych trzema niezależnymi drogami. Pierwsza z nich to wymiana danych za pomocą tradycyjnych nośników takich jak dyskietki, czy taśmy. Jest to bardzo czasochłonne i uciążliwe w obsłudze dlatego też z założenia ma to być metoda awaryjna lub wykorzystywana w specjalnych zadaniach. Dwie następne metody wymiany danych polegają na zdalnej komunikacji bazy z jednostkami pomiarowymi. W tym celu zarówno centralna baza jak i jednostki pomiarowe muszą być wyposażone w modemy telefoniczne, umożliwiające przesyłanie danych przez sieć telekomunikacyjną. Może się to odbywać w dwojaki sposób: Pierwszy z nich to bezpośrednie połączenie modemowe. W takim przypadku jednostka pomiarowa nawiązuje połączenie z centralna bazą (lub odwrotnie) łącząc się z numerem telefonicznym drugiego modemu. Takie połączenie daje dużą gwarancję wysokiej prędkości transmisji danych oraz, co jest ważniejsze, połączenie to może być nawiązane w każdej chwili i zainicjowane zarówno przez jednostkę pomiarową, jak i przez centralna bazę. Umożliwia to błyskawiczną reakcję obsługi w przypadkach awaryjnych lub też np. w przypadku wystąpienia silnego zjawiska, konieczności przestrojenia aparatury, itd. Drugi sposób wymiany danych, to komunikacja poprzez internet. Z założenia centralna baza pomiarowa podłączona jest do sieci internet. Umożliwia to dostęp do niej z dowolnego miejsca, a co za tym idzie zdalny nadzór nad całą siecią pomiarową. W takim przypadku jednostka pomiarowa nawiązuje połączenie nie bezpośrednio z bazą, ale z najbliższym dostępnym dostawcą internetu. Realizowane to może być w dwóch trybach. Pierwszy to opisana już wcześniej bezpośrednia wymiana danych pomiędzy jednostką pomiarową a centralną bazą danych. Drugi sposób, to przekazywanie informacji za pomocą poczty elektronicznej. To drugie rozwiązanie będzie wykorzystane do przesyłania codziennych raportów dokumentujących pracę aparatury. Obniży to znacznie koszty eksploatacyjne, ponieważ połączenie z internetem nawiązywane będzie w godzinach najniższej taryfikacji. 321

4 J. MIREK - Rozproszony system pomiarowo-interpretacyjny drgań gruntu Jednostka pomiarowa Najważniejszą częścią całego systemu jest jednostka pomiarowa. Od niej zależy sprawność i skuteczność działania sieci pomiarowej oraz jakość pomiarów. Opierając się na doświadczeniach zdobytych przy budowie, a także podczas późniejszej eksploatacji, aparatury PAS-PROSEJS (Lasocki i in. 1996) opracowane zostały założenia jakie musi spełniać jednostka pomiarowa przeznaczona do rejestracji danych sejsmometrycznych na stanowisku bezobsługowym. Należą do nich z technicznego punktu widzenia: - wysoka bezawaryjność, - odporność na zanik zasilania, - łatwość montażu, - łatwość instalacji nowego oprogramowania. Jeśli chodzi o wymagania funkcjonalne, to aparatura musi wykonywać następujące zadania: - wykrywanie i rejestracja zjawisk sejsmicznych, - przybliżona ocena szkodliwości wg przyjętych standardów (np. SWD, MSK i inne), - informowanie o wystąpieniu zjawiska sejsmicznego administratora i centralę, - wysyłanie danych dostępnymi mediami do centrali, - zdalne uaktualnianie oprogramowania. Realizacja techniczna jednostki pomiarowej opiera się na bazie podzespołów komputerów klasy PC w standardzie przemysłowym. Rozwiązanie takie pozwala na łatwą rozbudowę i modernizację aparatury, jak też naprawę w razie awarii. Okiem i uchem aparatury jest trójskładowy akcelerometr pojemnościowy przyłączony do komputera poprzez kartę przetworników analogowo-cyfrowych o dynamice minimum 60dB. Aby zapewnić nieprzerwaną pracę aparatura wyposażona jest w zasilacz UPS, który może być zdalnie kontrolowany dając informację o ewentualnych zanikach zasilania i stanie baterii awaryjnych. Do aparatury może być dołączana konsola, co daje możliwość bezpośredniej ingerencji w ustawienia aparatury. Dołączenie konsoli umożliwia również pracę z zarejestrowanymi danymi znajdującymi się w pamięci urządzenia. Można przeglądać pomiary, dokonać punktowej oceny szkodliwości, drukować pomiary i wyniki interpretacji. Ostatnim i najistotniejszym modułem aparatury z punktu widzenia pomiarowej sieci rozproszonej jest moduł komunikacyjny. Może on być realizowany na bazie wielu mediów komunikacyjnych począwszy od stacjonarnej sieci telefonicznej, poprzez ISDN, bezprzewodową telefonię cyfrową, łącze dzierżawione, światłowód itd. Dla celów niniejszego projektu wybrano bezprzewodową telefonię cyfrową w standardzie GSM. Jednostka pomiarowa wyposażona w modem z przyłączonym telefonem GSM jest zdolna do nawiązywania połączeń do i z centralnej bazy, jak również do łączenia się z internetem. 5. Centralna baza pomiarowa Główny węzeł całego systemu pomiarowego stanowi centralna baza pomiarowa. Jej sercem jest komputer klasy PC z dostępem do sieci internet. Zadania stojące przed stacją bazową to: - zarządzanie jednostkami pomiarowymi, - utrzymywanie zdalnej łączności z obsługą i jednostkami pomiarowymi, - uaktualnianie oprogramowania w jednostkach pomiarowych, - archiwizacja pomiarów, 322

5 WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie - interpretacja rejestracji w tym punktowa ocena szkodliwości wg przyjętych standardów, - tworzenie i aktualizacja modelu propagacji drgań poprzez łączną analizę rejestracji zebranych z różnych punktów pomiarowych. 6. Podsumowanie Całość systemu zaprojektowana jest jako architektura otwarta. Oznacza to łatwość rozbudowy i modernizacji poszczególnych jednostek należących do sieci pomiarowej. Centralna baza pomiarowa może obsługiwać jednostki pomiarowe wyposażone w różne wersje oprogramowania i będące na różnym poziomie zaawansowania technicznego. Nie jest wykluczona możliwość dołączenia do sieci innych rodzajów jednostek pomiarowych przekazujące inny rodzaj informacji. Istnieje możliwość dołączenia modułów służących do pozyskiwania danych o lokalizacji i energii wstrząsów rejestrowanych przez podziemną, kopalnianą siecią sejsmologiczną. Dane takie są niezbędne do tworzenia lokalnego modelu propagacji fali sejsmicznej przydatnego przy przewidywaniu wpływów na całym monitorowanym obszarze. Zaprojektowany system ogranicza bezpośrednią ingerencję w pracę aparatury tylko do sytuacji awaryjnych, gdzie np. fizycznie został uszkodzony sprzęt. Konfiguracja, pobieranie danych, ustawienia parametrów pracy są wykonywane zdalnie z centralnej bazy pomiarowej. Jednostka pomiarowa jest autonomiczna i może pracować w oderwaniu od całego systemu wykonując pomiary i archiwizując je, a także wykonywać interpretację zarchiwizowanych danych wg przyjętych standardów. Pełna archiwizacja i ochrona baz danych podnosi wiarygodność prowadzonych pomiarów. Za zgodą właściciela systemu niezależni eksperci mogą uzyskać zdalny dostęp do danych w celu dokonania oceny i interpretacji danych. Prace nad prototypem systemu zgodnie z przedstawionym projektem zostaną zakończone w maju bieżącego roku. Literatura [1] Lasocki S., Matuszyk J., Mirek J., Szybiński M., GEO-LAB, 1996: Instalacja trzech trójskładowych powierzchniowych stacji sejsmometrycznych oraz opracowanie metodyki interpretacji pomiarów sejsmometrycznych dla oceny wpływu drgań wywołanych eksploatacją podziemną na obiekty powierzchniowe znajdujące się na terenie ZG Sieroszowice. Archiwum ZG Sieroszowice. [2] Mirek J., Lasocki S., 1999: Zastosowanie pasmowych relacji tłumienia do określania zasięgu szkodliwych oddziaływań drgań wzbudzanych wstrząsami górniczymi. Publ. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sci., M-22(310), [3] Projekt celowy KBN: Minimalizacja negatywnych skutków oddziaływania drgań powstających w trakcie poszukiwawczych prac sejsmicznych. Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo, Zakład Geofizyka Kraków Nr C/2181 Sprawozdanie [4] Szybiński M., Matuszyk J., Lasocki S., Mirek J., 1998: System oceny i prognozy szkodliwości drgań wywołanych sejsmicznymi pracami poszukiwawczymi. Seminarium nt. Badania naukowe o walorach komercyjnych. Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków,

6 J. MIREK - Rozproszony system pomiarowo-interpretacyjny drgań gruntu... Wide area system for acquisition and interpretation of ground vibrations caused by mine seismicity This article presents an idea of wide area system for remotely monitoring of ground vibrations caused by mine seismicity and estimating damaging effects of the vibrations. The system requires minimum human involvement and training and therefore can be useful not only for mines but also for other institutions interested in carrying on strong ground motion measurements. A particular stress is laid on full waveform filling and database security. This together with an optional remote supervision of data processing and interpretation by independent experts uniquely increases the confidence of monitoring. A prototype of the system based on the presented idea will be released in May of this year. 324