PRONET 3D-VISUALISIERUNG MARKSCHEIDERISCHER DATEN IM INTRANET

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1 PRONET 3D-VISUALISIERUNG MARKSCHEIDERISCHER DATEN IM INTRANET Prof. h. c. Dr.-Ing. R. Hünefeld, RWTH Aachen, Institut für Bergwerks- und Hüttenmaschinenkunde Dipl.-Ing. T. Küpper, XGraphic Ingenieurgesellschaft Aachen Dipl.-Ing. J. Stimming, XGraphic Ingenieurgesellschaft Aachen Dipl.-Ing. H. Bramsiepe, Deutsche Steinkohle AG, Abteilung KC 6 IT-Systeme 1. Einleitung Um sich einen umfassenden Überblick über das (Prozess-)Geschehen in einem Bergwerk zu verschaffen, bedarf es vielfältiger Daten und Informationen unterschiedlichster Herkunft. War es früher oftmals ein Problem, relevante Daten adäquat erfassen zu können, kommt heute eine Vielzahl von Systemen zum Einsatz, die eine Fülle von Informationen erzeugen. Die Herausforderung besteht nicht mehr darin, einen Mangel an Daten zu beheben, sondern der stetig steigenden Datenflut Herr zu werden. Hier sind Systeme gefragt, die über eine intuitiv zu bedienende Oberfläche heterogene Datenstrukturen einfach und ohne spezielle Kenntnisse zugänglich machen, anschaulich darstellen sowie Zusammenhänge zwischen ihnen verdeutlichen. Dies trifft insbesondere für Daten und Informationen zu, die von sicherheitlicher Relevanz sind. Der deutsche Steinkohlenbergbau ist hinsichtlich seines Sicherheitsstandards weltweit führend und anerkannt. Dennoch ist es ein stetes Bemühen, kontinuierlich Verbesserungen vorzunehmen und damit diesen Standard weiter zu erhöhen. In diesen Rahmen fällt auch das von der DSK, der XGraphic Ingenieurgesellschaft und dem Institut für Bergwerks- und Hüttenmaschinenkunde der RWTH Aachen gemeinsam bearbeitete Projekt ProNet. ProNet ist ein raumbezogenes Informationssystem, dessen zentrales Element ist die dreidimensionale Darstellung des aktuellen Grubengebäudes, die bei Bedarf durch geplante und/oder abgeworfene Bereiche ergänzt werden kann. Auch Flöz- und Störungsflächen können angezeigt werden. Diese Darstellung kann u. a. beliebig rotiert, verschoben, vergrößert oder verkleinert werden. Über das 3D-Modell des Grubengebäudes ist der einfache Zugriff und die anschauliche Darstellung von Daten unterschiedlichen Ursprungs organisiert. Es dient damit als geometrischer Datennavigator. Durch beliebig aufschaltbare Informationsschichten aus den verschiedenen Bereichen eines Bergwerks können nun erstmals sicherheitsrelevante Informationen mit aktuellen Daten aus den Bereichen Abbau, Vorleistung und Gewinnung in eine gemeinsame Oberfläche migriert werden. 2. Konzeption

2 Die Konzeption des ProNet-Systems beruht auf drei wesentlichen Aspekten: Zentrales Element des ProNet-Systems ist die dreidimensionale Darstellung des aktuellen Grubengebäudes. Mit diesem Grubengebäudemodell verknüpft sind Informationselemente, welche Daten- und Informationsquellen repräsentieren bzw. anzeigen oder zugänglich machen. Das Anklicken mit der Maus ermöglicht das gezielte Abfragen oder Bearbeiten derartiger Elemente. Beispiele für Informationselemente sind Sensoren, maschinelle Einbauten, Fernsprech- und Überwachungseinrichtungen, Ergebnisse von Berechnungsprozessen, Komponenten- und Stücklisten. Diese können sowohl einzeln als auch kombiniert eingeblendet werden. Das Grubengebäudemodell sowie alle Daten, die mit der Positionierung von Informationselementen am Grubengebäude zu tun haben, stammen aus einer zentralen Datenbank. Hierbei handelt es sich um die Geometrisch-Technische Planungsdatenbank (GTP-DB), auf der neben ProNet vornehmlich die Geometrisch-Technischen Planungsarbeitsplätze operieren. Die Aktualisierung des Grubengebäudemodells erfolgt durch die Markscheidereien. ProNet basiert auf Inter-/Intranettechnologie und ist daher leicht in eine firmeninterne Intranetstruktur integrierbar. Die Visualisierungs-Clients laufen in Browsern wie dem Microsoft Internet Explorer ab und sind somit weitestgehend systemunabhängig. Das ProNet- System wird über einen Webserver bereitgestellt. So ist gewährleistet, dass alle vernetzten PC-Arbeitsplätze auf das komplette Informationsangebot zugreifen können. Darüber hinaus kann die ProNet-Visualisierung in zusätzliche, separat ablauffähige Programme integriert werden, die z. B. mittels Borland Delphi oder Microsoft Visual Basic erstellt wurden. Abb. 1 Anbindung des ProNet-Systems an Informations- und Datenquellen im Bergwerk Die Abbildung 1 zeigt schematisch die Anbindung des ProNet-Systems an die übrigen Bereiche der bergwerksinternen EDV-Infrastruktur.

3 Im unteren Bereich sind die Datenquellen dargestellt, welche die verschiedenen logischen EDV-Bereiche eines Bergwerks repräsentieren Auf ihnen bauen die drei grundsätzlich zu unterscheidenden Komponenten des ProNet-Systems auf. Sie liegen im oberen Bereich der Abbildung: 1. Um einen Informationsaustausch zwischen den separaten logischen EDV-Bereichen und dem ProNet-System zu ermöglichen, sind entsprechende, den jeweiligen Bereichen angepasste Datenschnittstellen notwendig. Sie sorgen einerseits für die Übernahme aller relevanten Informationen aus den fachspezifischen Arbeitsbereichen in das ProNet- System. Andererseits können diese Schnittstellen durchaus bidirektionalen Charakter haben. Somit ist auch ein Informationsfluss aus dem ProNet-System zurück in die fachspezifischen EDV-Systeme realisierbar. 2. Ein durch CGI-Prozesse und Datenbankschnittstellen ergänzter herkömmlicher Webserver bildet den eigentlichen ProNet-Server. Er verknüpft die von den Datenschnittstellen bereitgestellten Informationsstränge. Zudem stellt dieser ProNet-Server die zentrale Informationsquelle der im Betrieb verteilten ProNet-Clients zur Datenvisualisierung dar. Zur Sicherstellung der Systemverfügbarkeit oder zur Erhöhung der Systemgeschwindigkeit ist es durchaus möglich, mehrere ProNet-Server parallel im Netzwerk zu betreiben. 3. Der ProNet-Anwender kommuniziert über dezentrale Visualisierungs-Clients mit dem ProNet-Server. Diese Clients können in Form von Webseiten ins innerbetriebliche Intranet integriert und dort per Browser genutzt werden. Alternativ stehen derartige Client- Komponenten aber auch als separat ablauffähige Programme zur Verfügung. 3. Funktionsumfang und Anwendungsbeispiele Im Folgenden sind die wesentlichen Basisfunktionen und die verfügbaren Informationsschichten des ProNet-Systems aufgeführt: Basisfunktionen - Visualisierung der Bergwerksgeometrie - Ein-/Ausblenden von Baufeldern/Sohlen - Ein-/Ausblenden von abgeworfenen Grubenbauen - Ein-/Ausblenden von geplanten Grubenbauen - Ein-/Ausblenden von Flöz-/Störungsflächen - Setzen von Merkern - Abmessen von Entfernungen/Höhenunterschieden - Rotieren des Grubengebäudes - Zoomen (+/-) des Grubengebäudes - Abspeichern und Wiederherstellen von Anwendersichten - Hinzufügen von Nachbarbergwerken (Verbundmaßnahmen) - Drucken von Sichten - Berechnung optimaler Verbindungen (Routenplaner) - Export der Ansicht, z. B. im DXF-Format oder als VRML-Modell Informationsschichten

4 - Anzeige der aktuellen Messwerte mit Farbattribut - Anzeige von Messstelleninformationen (Telefon, Typ usw.) - Verknüpfung von Objekten (z. B. Kurvenbildanwahl) - Ein-/Ausblenden von Grubentelefonen - Direktwahl von Telefonnummern durch Mausklick - Integration der Untertagekameratechnik (Video) - Ein-/Ausblenden von Wettermessstellen (CO, VW, CH 4 ) - Anzeigen von sonstigen Bauteilen bzw. Betriebsmitteln - Wettertüren (auf/zu) - Feuerlöscheinrichtungen - Gefahrenstellen - Gebirgsschläge (DMT-Datenbank), Gasausbrüche - Dämme - Darstellung von Bauhöhen - Anzeige von Flözflächen und Störungsflächen - Hinweise, Sicherheitsempfehlungen usw. - Anzeige von Betriebspunkten (Abbau, Vorleistung) Einen konkreten Eindruck vom Leistungsumfang des ProNet-Systems mögen die folgenden Anwendungsbeispiele vermitteln: Abb. 2 Merkerkette im dreidimensionalen Grubengebäudemodell

5 Geometrische Informationen über das Grubengebäude Abbildung 2 zeigt den Einsatz der ProNet-Visualisierung als reines Geometrie- Informationssystem. Es ist damit möglich, die aktuelle Ansicht des Bergwerks zu drehen, zu verschieben oder die Vergrößerung zu ändern. An allen dargestellten Strecken und auch an beliebigen freien Punkten im Raum können so genannte Merker positioniert werden. Über diese Merker sind detaillierte Informationen zu Planungsdaten des Grubengebäudes abrufbar. Sind mehrere Merkerpositionen eine Merkerkette vorhanden, bieten sich zusätzliche Möglichkeiten zur Abfrage geometrischer Informationen. Die Abbildung zeigt eine solche Merkerkette. Über ProNet sind unter anderem deren Höhen- und Längenmaße sowie Steigungsdaten zugänglich. Bauhöhen, die im Verhieb stehen als auch geplante und abgeworfene, können als Flächen dargestellt werden. Mit einer Verbindung zur Gewinnungsdatenbank kann tagesaktuell der Abbaufortschritt angezeigt werden. Dabei wird ein Strebstand mit der dazugehörigen Beschriftung eingeblendet. Abb. 3 Darstellung einer Bauhöhe mit aktuellem Abbaustand

6 Darüber hinaus ist es möglich die von der Markscheiderei freigegebenen Flächeninformationen anzuzeigen. Unter diesen Flächen befinden sich Flözflächen, Störungsflächen und verschiedene Flächendarstellungen, wie zum Beispiel Einwirkungsbereiche, Schachtschutzbereiche oder Geologische Modelle. Diese Informationen werden als Isolinien, mit den Stützpunkten oder als halbtransparente Flächen zusammen mit dem Grubengebäude angezeigt. Abb. 4 Darstellung einer Flözfläche im Grubengebäudemodell ProGrube bietet die Möglichkeit, alle elektronisch verfügbaren dreidimensionalen Bergwerksgeometrien der Deutschen Steinkohle AG in beliebiger Ansicht zu betrachten. Durch Kombination von Geometrien können abgeworfene Bereiche gemeinsam mit aktuell betriebenen Baufeldern angezeigt werden. Alle Abstände und Dimensionen sind real und können abgemessen werden. Abbildung 5 zeigt eine Ansicht der Emschermulde.

7 Abb. 5 Benutzeroberfläche von ProGrube; Darstellung der Emschermulde Die Applikation ProGrube läuft als eigenständiges Programm, ohne Netzwerkanbindung. So kann auf die Daten unterschiedlicher Bergwerke zugegriffen werden, ohne dass ein Zugriff auf das Intranet des jeweiligen Bergwerks nötig ist. In ähnlicher Weise laufen die Programme ProScape und ProKlima ebenfalls eigenständig auf dem jeweiligen Rechner, und nicht im Browser. ProScape dient zur Ermittlung von Fluchtwegen und aller damit im Zusammenhang interessierenden Daten. Durch Positionieren von Merkern im Grubengebäude werden Fluchtansatz, Fluchtendpunkt und gegebenenfalls Zwischenstationen definiert. Ein Wegverfolgungsalgorithmus ermittelt automatisch den kürzesten Weg. Aufgrund der geometrischen Gegebenheiten wie der Länge einzelner Streckenabschnitte, Einfallen und sonstigen Anwenderangaben wird die Fluchtzeit berechnet. Das Programm ProKlima nutzt die vorhandenen Visualisierungsmöglichkeiten für die Darstellung der Klimazonen. Dort werden mit Hilfe der Klimadateien die Grubengebäudeteile automatisch je nach Klimastufe eingefärbt. Einblenden von Prozessdaten Ein spezieller Vorteil des ProNet-Informationssystems liegt in der Möglichkeit, verschiedene Informationsquellen miteinander zu verknüpfen und gemeinsam am dreidimensionalen Grubengebäude zu visualisieren.

8 Abbildung 6 zeigt eine Reihe von CO-Messstellen mit ihren aktuellen Messwerten und Statusinformationen. Die Sensorstandorte am Grubengebäude, wie sie von den wettertechnischen Planungssystemen in die Geometrisch-Technische Planungsdatenbank geschrieben werden, bilden die Grundlage dieser Darstellung. Hinzu kommen aktuelle Prozessdaten aus der Sicherheitswarte des Bergwerks. Über Hyperlinks (s.u.) können auch Messkurven bzw. Trendlinien und sonstige Diagramme eingeblendet werden. Es sei explizit darauf hingewiesen, dass eine Darstellung wie in Abbildung 6 außer von ProNet durch kein weiteres EDV-System des Bergwerks generiert werden kann: Die wettertechnischen Planungssysteme wären zwar in der Lage, Sensorstandorte zusammen mit deren Planungsdaten am Grubengebäude zu visualisieren. Es fehlt jedoch der aktuelle Prozessbezug. Andererseits finden sich solche Prozessdaten zwar in der Sicherheitswarte und können dort auch als Trendlinien oder Balkendiagramme dargestellt werden. Jedoch existiert an dieser Stelle keine Möglichkeit zur Darstellung der Sensorpositionen am Grubengebäude des Bergwerks. Abb. 6 Darstellung von CO-Messwerten mit Messkurvendiagramm Zudem bietet das ProNet-Informationssystem einen Mechanismus zur aktiven Überwachung von Prozessgrößen an. Vom ProNet-Administrator aber auch von jedem einzelnen Anwender können Überwachungskriterien definiert und in die aktuelle Darstellung eingebracht werden. Die ProNet-Visualisierung sorgt dann automatisch dafür, dass Objekte samt ihrer aktuellen Prozessinformationen eingeblendet werden, sofern sie die festgelegten Überwachungskriterien (z. B. die Überschreitung bestimmter Grenzwerte) erfüllen. Anbindung von weiteren Informationsquellen durch Hyperlinks

9 Abbildung 7 zeigt schließlich die Anbindung weiterer Intranet-Informationsdienste über sogenannte Hyperlinks. Dieses Verfahren ist vergleichbar mit der gegenseitigen Verknüpfung herkömmlicher HTML-Seiten im Internet: In der Grubengebäudeansicht sind verschiedene Kamerasymbole dargestellt. Jedem dieser Symbole ist ein Link auf eine spezielle Webseite zugeordnet, welche wiederum von einem speziellen Videoserver bereitgestellt wird. Dort können aktuelle Videosignale untertägiger Kameras im Intranet eingesehen werden. Abb. 7 ProNet-Visualisierung mit verknüpftem Videobild Über solchermaßen angelegte Verknüpfungen zu Webseiten oder sonstigen Dateien kann freilich nicht nur auf Videosignale zugegriffen werden. Viele handelsübliche Prozessvisualisierungssysteme bieten bereits Fließbilddarstellungen in Form von Webseiten an. Aber auch CAD-Zeichnungen oder Office-Dokumente können den im Grubengebäude verteilten Objekten als Verknüpfungen zugeordnet werden. So kann durch die Verwendung von Hyperlinks das ProNet-Informationsangebot auf einfache Weise durch den Zugriff auf vielfältige Dateien erweitert werden. 4. Aktuelle Entwicklungen Die aktuellen Weiterentwicklungen des ProNet-Systems finden unter anderem im Bereich Transportplanung statt. Mit dem Programm ProTrans können untertägige Transporte von Stückgütern mittels EHB oder Schienentransport simuliert werden. Es erlaubt die grafisch interaktive Ableitung von Transportnetzen am Grubengebäude einschließlich aller notwendigen Angaben zu den Transportmitteln. Die Transportelemente werden als Verknüpfung von Knoten und Kanten ausgebildet. Dabei bilden die Knoten-Elemente zum

10 Beispiel Weichen, Übergabepunkte oder Bahnhöfe ab, die Kanten-Elemente bilden die Transportwege ab, wie zum Beispiel Eingleis oder Doppelgleisstrecken. Die Ermittlung des genauen Zweigverlaufs, wie auch der geometrischen Zweiglänge wird von der ProNet Visualisierungskomponente übernommen. Neben der eigentlichen Definition der Netztopologie sind verschiedene Randbedingungen zu berücksichtigen wie Fahrpläne, verfügbare Transporteinheiten und Startzustände, die den einzelnen Netzelementen zugeordnet werden. Zwischenergebnis ist zunächst eine Eingabedatei für das Simulationsprogramm DOSIMIS, eine Entwicklung des Instituts für Materialfluss und Logistik der Fraunhofer-Gesellschaft in Dortmund. Nach Durchlauf des Programms können nun Simulationsergebnisse, oder ausgewählte Teile davon, wieder am Grubengebäude dargestellt werden. So zum Beispiel die Angaben zu Auslastung der Transportstrecken, Bahnhöfen, Transporteinheiten oder die Dauer von Transporten. Abb. 8 Netzstruktur einer Transportplanung mit ProTrans visualisiert Zur Visualisierung der Standorte von mannlos gesteuerten Einschienenhängebahnen wird ebenfalls im Projekt ProTelemat, ProNet Technik zum Einsatz kommen. Einen hohen Stellenwert nimmt schließlich das Thema Mobile Computing ein. In diesem Zusammenhang wurde ProNet-Funktionalität auf Pocket-Computer portiert. Hier ist das Ziel, vor allem untertägige Anwender direkter in den Kommunikations- und Informationsprozess eines Bergwerks zu integrieren, also Informationen direkt vor Ort abfragen zu können, aber auch Daten direkt systemkonform erfassen zu können. So werden komplette Messtouren in der Wettertechnik am PC übertage geplant, und dann untertage mit dem Pocket-Computer abgearbeitet. Dabei werden die anfallenden Messdaten untertage schon in den Pocket- Computer eingegeben, und aus dem Pocket-Computer übertage in den PC rückübertragen.

11 Abb. 9 ProNet-Visualisierung auf Pocket-Computer Es besteht die Möglichkeit, diese vorhandene Technik auch in anderen Bereichen einzusetzen, in denen Daten untertage erfasst werden, wie zum Beispiel im Störfallmanagement. 5. Zusammenfassung und Ausblick Das Informationssystem ProNet bietet neuartige Möglichkeiten, auf verschiedenste Datenquellen eines Bergwerks zuzugreifen, Informationen miteinander zu verknüpfen und anschaulich darzustellen. Die intensive Nutzung gängiger Internet- bzw. Browser- Technologie bewirkt nicht nur eine Homogenisierung der Systemlandschaft mit den damit einher gehenden Kostenersparnissen, sondern führt im Wesentlichen zu einer Verbesserung der Informationsverfügbarkeit und der innerbetrieblichen Kommunikation. Nicht zuletzt lassen sich neben den Aspekten Kostenreduzierung und Anwenderfreundlichkeit auch durch die jetzt mögliche Kombination von aktuellen Prozess- mit hinterlegten Planungsdaten sicherheitstechnische Fortschritte realisieren. Die flächendeckende Installation des Informationssystems auf allen Bergwerken der DSK zeigt, dass das ProNet-Konzept von den potenziellen Anwendern verstanden und sehr positiv aufgenommen wird. Zukünftige Weiterentwicklungen zielen darauf ab, das vorhandene Potenzial noch intensiver zu nutzen und ProNet in Richtung eines unternehmensweiten Kommunikationsund Informationssystems auszubauen. Die Möglichkeiten, die zur Zeit anhand des Grubengebäudemodells bestehen, sind z. B. auch auf die Tagesanlagen oder andere raumbezogene Modelle übertragbar. Das ProNet-System bietet für die zukünftige

12 Entwicklung nicht nur die weitere Optimierung des Informationsmanagements, sondern berücksichtigt auch Aspekte des Knowledge-Managements. Literatur Hünefeld R., Küpper T., Roßmann M., Bramsiepe H.: ProNet An Intranet Based 3D Information System. In: Proceedings IAMC 2001, Tampere, Finnland: Heim, G., Lorbach, J., Hünefeld, R GTP Information Management. In: Mining Magazine Vol. 182, Nr. 5: Heim, G., Hünefeld, R Data-navigation through planning, monitoring and diagnosis data via a three-dimensional model of underground mines. In: Mechanizacja i Automatyzacja Gornictwa (28th Conference on Automation and Telecommunication in Mines and Processing Plants Coal and Minerals, June 2000) Heim, G., Hünefeld, R A mine planning and information system merging specialized planning data with conventional office-files and process data via a three-dimensional model of underground mines. In: Mine Planning and Equipment Selection 2000, Athens: Rotterdam: Balkema, ISBN Langefeld, O., Guder, R., Heim, G GTP Informationsmanagement. In: Glückauf 137, Nr. 3: Hünefeld R., Küpper T., Kusebauch K-P.(2004): Computer Aided Engineering bei der Planung und Auslegung fördertechnischer Anlagen und Komponenten, Kolloquium Fördertechnik im Bergbau in Clausthal, Tagungsband