Janusz MIREK Rozproszony system pomiarowo

WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie
____________________________________________________________________________
Mat. Symp. Warsztaty 2000
str. 319-324
Janusz MIREK
Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
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
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
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
J. MIREK - Rozproszony system pomiarowo-interpretacyjny drgań gruntu...
____________________________________________________________________________
4. 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
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), 283-292.
[3] Projekt celowy KBN: Minimalizacja negatywnych skutków oddziaływania drgań
powstających w trakcie poszukiwawczych prac sejsmicznych. Polskie Górnictwo Naftowe
i Gazownictwo, Zakład Geofizyka Kraków Nr 9 9423 95 C/2181 Sprawozdanie 1998.
[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,
9.06.1998.
_______________________________________________________________
323
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