Описание проекта

Автор - Беляев С.А.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ “ОДИНЦОВСКИЙ “ДЕСЯТЫЙ” ЛИЦЕЙ”

VR-цифровой двойник месторождения – “умный карьер”

Выполнила:

Поликарпова Мария Алексеевна

10 класс

Научный руководитель проекта:

Беляев Степан Алексеевич

Национальный исследовательский университет

«Московский институт электронной техники»

г. Одинцово

2022 г.

Содержание

1. Список сокращений и обозначений…………………………………………...3

2. Аннотация проекта…………………………………………………..................4

3. Целеполагание………………………………………………………………….5

3.1. Проблема…………………………………………………………………...…5

3.2. Актуальность……………………………………………...…….....................5

3.3. Цель……………………………………………………...……...…………….5

3.4. Задачи…………………………………………………..……………………..5

4. Анализ существующих решений и методов…………………..……………...6

5. План работы………………..…………………………………………………...7

6. Использованные ресурсы и способы привлечения

ресурсов в проект………………………………………………………………....7

7. Достигнутый результат………………………………………………………..7

8. Планы по дальнейшему развитию проекта………………………..................8

9. Методика тестирование…………………………………………...…………..8

9.1. Применение в энергетике………………...…...…………………………….9

10. Личный вклад…………………………………………...…...………………11

11. Выводы.............................................................................................................11

Список использованных источников……………………………...…………...12

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

VR (virtual reality) – искусственная реальность;

БПЛА – беспилотный летательный аппарат;

ГИС – геоинформационная система;

3D (3-dimensional) – 3 измерения;

VGE (Virtual geographic environment) – виртуальная географическая среда;

НИТУ «МИСиС» – национальный исследовательский технологический университет «МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ»;

Стойленский ГОК – Стойленский горно-обогатительный комбинат;

2. Аннотация проекта:

Проект описывает процесс создания VR модели-прототипа карьера для полного отслеживания работы на карьере, наблюдения за сейсмической безопасностью, передвижением транспорта.

В рамках проекта были проведены работы по изучению: типов месторождений полезных ископаемых, методов их разработки, систем мониторинга. Было произведено участие в предварительных полевых работах:

1. Съемка карьера с беспилотного летательного аппарата.

2. Установка сейсмических датчиков в районе карьера.

3.1. Проблема:

Безопасность людей на карьере и на близлежащих территориях стоит под угрозой из-за неправильной эксплуатации техники, или же просто из-за неосторожности. Для успешной работы такие ситуации необходимо предугадать и постараться предотвратить, необходимо оптимизировать работу и обеспечить безопасность. Создание VR цифрового двойника месторождения позволит оперативно отслеживать и анализировать ситуацию, а также предлагать разные варианты решения проблем, если они возникнут.

3.2. Актуальность:

Ошибки в деятельности людей при управлении техникой, нарушение правил безопасности, стихийные бедствия, все это может случиться в реальной жизни. На песчаных карьерах частым явлением могут быть оползни. Всё это ставит под угрозу рабочий процесс и безопасность персонала. Виртуальная модель карьера может стать незаменимым помощником в работе, может оптимизировать всю работу, для правильной разработки карьера. Прототип подойдет для многих карьеров и может быть доступен для многих пользователей.

3.3. Цель:

Создать VR-модель системы разработки месторождения – «умный карьер», который позволяет следить за сейсмической безопасностью, передвижением транспорта. Продукт будет разработан для любых реально работающих карьеров и создаст основу для системы принятия решений для предприятия.

3.4. Задачи:

С помощью БПЛА получить множество изображений карьера;

Воспользоваться программным обеспечением Reality Capture, которое на основе изображений построит 3D модель;

Детализировать и оптимизировать модель c использованием программы Blender;

Получить референсы (изображения объекта) транспортных средств;

1. Смоделировать транспортные средства в программе Blender на основе референсов;
2. Импортировать 3D модели из Blender и добавить их в Unity;
3. Реализовать функционал перемещения по VR пространству в Unity с использованием C# скриптов;
4. Реализовать программную модель объезда сейсмически опасных участков на C#, включая задачу прокладки оптимального и безопасного маршрута;
5. Смоделировать в Unity возможную проблему, которая может произойти на карьере;
6. Доработать и модернизировать модель;

11.Защитить проект, с демонстрацией выполненных работ и достигнутой эффективности, разработанных программных средств.

4. Анализ существующих решений и методов:

Каждый карьер разный и для каждого выдвигаются разные требования к двойникам. Проведем исследование, чтобы выявить и составим сравнительную таблицу.

Известные случаи применения цифровых двойников карьеров на Российском рынке – исследование [2] НИТУ «МИСиС» и находящийся в разработке цифровой двойник [3] Стойленского карьера. Заказчиком второго является Стойленский ГОК, одно из крупнейших предприятий страны в данной области. Оба решения подразумевают мониторинг в режиме реального времени различных показателей, но не предусматривают моделирование отработку различных сценариев ответа на определенные ситуации, например, связанных с безопасностью.

5. План работ:

Начало работы: октябрь 2021 года.

Окончание работы: март 2022 года, с дальнейшим развитием.

1. Тренировочная съемка, с помощью БПЛА на разных объектах (октябрь - середина ноября 2021 года);

1. Работа со снимками в приложении Reality Capture, построение 3D модели (конец ноября -декабрь 2021 года);

1. Детализирование и оптимизация модели в программе Blender (конец декабря 2021 года- середина января 2022 года);

1. Получить снимки и смоделировать транспортные средства в программе Blender (январь - начало февраля 2022 года);

1. Импортировать 3D модели из Blender и добавить их в Unity(2-3 дня);

1. Реализовать функционал перемещения по VR пространству в Unity с использованием C# скриптов (10-27 февраля 2022 года);

1. Смоделировать в Unity возможную проблему, которая может произойти на карьере (27 февраля - 11 марта 2022 года);

1. Доработать и модернизировать модель (11-16 марта 2022 года).

6. Использованные ресурсы:

• Дрон (БПЛА);

• Кадры, полученные в ходе съемки на карьере;

• Персональные Компьютеры;

• Лицензия Reality Capture.

Способы привлечения ресурсов в проект:

1. Поиск заказчика

1. Получение гранта:

Фонд президентских грантов;

Научно-практическая конференция «Старт в инновации»;

Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технический сфере;

Программа “УМНИК”.

7. Достигнутый результат:

1. Смоделирован прототип карьера и транспортных средств (Blender);

1. Имеется тестовая сборка в Unity для отладки.

1. Имеется тестовая сборка для Oculus Quest 2.

1. Проведены тренировочные съемки объектов в городской черте с дрона и их моделирование в Reality Capture (г. Москва, г. Зеленоград, г. Смоленск).

1. Создан прототип карьера в Unity, с текстурами и рельефом.

1. Смоделирована теоретически-возможная опасная ситуация.

8. Планы по дальнейшему развитию проекта:

Чтобы продолжить и развивать работу, необходимо привлечение средств в проект с помощью грантов и фондов, или же поиск заказчиков.

1. Реализовать программную модель объезда сейсмически опасных участков на C#, включая задачу проложения оптимального и безопасного маршрута;

1. Настроить программную среду Unity для установки будущего приложения на выданное VR-оборудование (Пример: Для Oculus Quest 2 – Oculus Integration SDK);

1. Для хранения и анализа данных, полученных с сейсмических датчиков, создать базу данных MySQL;

1. На языке программирования Python разработать сервер для получения и обработки сейсмических данных, а также для их визуализации на web-странице.

1. С использованием JavaScript и WebGL разработать функционал 3D визуализации на сайте с возможностью модернизации функционала.

1. Реализовать алгоритмы для веб-страницы с поиском безопасного и оптимального пути по карьеру и визуализировать его различные зоны.

1. Реализовать алгоритмы прогнозирования на основе полученных данных, визуализировать в VR и на сайте разные сценарии поведения транспортных средств на возникновение сейсмически опасных участков, визуализировать построение маршрута.

9. Методика тестирования:

На этапе моделирования каждого объекта проводится осмотр модели на наличие геометрических дефектов, правильность текстурирования и избыточное количество полигонов. При выявлении любого пункта модель отправляется на доработку.

При компьютерной обработке модели в Unity проводится unit-тестирование скриптов (процесс, позволяющий проверить отдельные модули исходного кода программы), возможность выхода за пределы карты, провал под землю. Создается тестовый проект и устанавливается на Oculus Quest 2 для проверки производительности и корректности работы скриптов.

В проекте реализованы несколько методов, которые были описаны в исследованиях Александра Мяскова, Игоря Темкина, Сергея Дерябина, Ильи Конова, Александра Иванникова (Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС») [5]. В данной работе была описана концепция подхода к моделированию открытых горных работ. Авторы представили результаты построения цифровых моделей карьерных технологических дорог, провели сравнительный анализ полученных моделей. Были подробно рассмотрены принципы интеграции информации при построении динамической 3D-мо дели (цифрового двойника) элементов инфраструктуры и технологических систем с использованием больших массивов телеметрических данных.

Также применялась методика, описанная в работе Дж. Гранжана и Дж. К. Гурри (GPR data processing for 3D fracture mapping in a marble quarry) [4]. В работе описано использование георадаров для 3D-картирования (создание и описание карт местности) трещин в мраморном карьере. Георадары успешно применяются для обнаружения и картирования трещин в мраморных карьерах. В рамках работы была проведена полевая съемка и анализ данных. 3D-представление данных может быть использовано непосредственно для обнаружения участков мрамора высокого или низкого качества.

9.1. Применение в энергетике:

Россия — одна из крупнейших горнодобывающих стран [6]. Наша страна может похвастаться самыми щедрыми месторождениями угля, однако зачастую они находятся в труднодоступных регионах, что осложняет их освоение. Кроме того, не все залежи являются извлекаемыми по геологическим причинам [8].

Уголь – одна из главных частей энергетической стратегии России. Россия является крупной угольной державой, одним из мировых лидеров его добычи. Российская Федерация добывает более 320 млн. тонн в год. Потенциал угольной промышленности – это 91 шахта, 137 разрезов, 49 обогатительных фабрик, и 2 обогатительные установки [7].

Для сравнения возьмем 6 самых крупных в мире угольных бассейнов. Лидерские позиции с 1 по 4 место занимает Россия по объемам бассейнов, но из-за некоторых проблем, связанных с геологией мест и с финансированием, США возглавило список стран с крупнейшими доступными запасами угля, Россия находится на втором месте [12].

[8]

Данные на конец 2019 г. [12]

В России:

В 2009 году - 298 млн.тонн угля [13];

В 2021 году - 439 млн. тонн угля [9].

В отличие от других видов энергоносителей, уголь широко распространен по всей территории страны, хотя основная часть его запасов располагается в Центральной Сибири. Среди энергоносителей уголь конкурирует с газом, хотя для таких регионов как Камчатка и Курилы трудно переоценить его значение. Основными потребителями угля являются ЖКХ, металлургия и население [7].

Сложившаяся в теплоэнергетике РФ структура топливоснабжения отличается преобладанием в ней природного газа. Это негативно влияет на систему топливоснабжения и снижает энергетическую безопасность России в целом. Вследствие чего в России увеличивается использование угля в целях энергоснабжения.

Однако, на этом пути могу возникнуть проблемы. Горно-геологические условия разработки угольных месторождений продолжают постоянно ухудшаться. Абсолютное большинство российский шахт, карьеров, скважин работают в опасных условиях, что связано с риском для людей, все это требует кардинальных мер по разработке и добычи угля [7].

10. Личный вклад: (Поликарпова Мария)

Для начала работы по проекту мной были получены все необходимые знания для дальнейшей работы, после чего я приступила к практической части. Для создания модели карьера было необходимо получить практические навыки по обработке изображений, полученных при помощи БПЛА.

Была проведена съемка разных объектов, после чего фотографии были загружены в приложение Reality Capture. Объем полученных моделей был достаточно велик, в связи было необходимо обработать и упростить (сократить количество полигонов). Съемка успешно была завершена.

Для продолжения создания модели карьера было необходимо изучить структуру и глубину залегания слоев. После чего была произведена обработка модели в программе Unity, для того чтобы модель получилась реалистичной, необходимо правильно указать слои залегания горных пород. Каждый карьер различаются по виду месторождения, но слои у них примерно одинаковые и так как этот проект должен подходить для большинства карьеров, был выбран оптимальный вариант залегания трех слоев:

Оставшаяся работа проводилась в Unity. После построения схемы карьера была детализация и оптимизация модели, с наложением цвета и примерных текстур.

11. Вывод:

В результате работы была достигнута цель по созданию прототипа трехмерной компьютерной модели карьера. Создание подобных моделей является основой почти для любых работ по визуализации карьеров. Была проверена работоспособность созданного прототипа и все его возможности. Для дальнейшего развития проекта необходим набор технических данных реального угольного карьера для создания более точных текстур и слоев. Также будет необходим доступ к серверам, на которых будет размещена информация о созданной модели карьера для использования потенциальными заказчиками.

Список интернет-источников и литературы:

1. https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17538947.2017.1374477

(Volume 11, 2018 - Issue 4: Virtual Geographic Environment for advanced geographic analysis)

2. https://scientificrussia.ru/articles/cifrovoj-dvojnik-karera-mozet-snizit-stoimost-dobyci-poleznyh-iskopaemyh-na-10-15

3. https://up-pro.ru/library/info...

4. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926985196000298#!

(G. Grandjean, J.C. Gourry, GPR data processing for 3D fracture mapping in a marble quarry (Thassos, Greece, Journal of Applied Geophysics, Volume 36, Issue 1, 1996, Pages 19-30, ISSN 0926-9851)

5. https://www.mdpi.com/1424-8220/21/18/6277

6. https://rosmining.ru/?review=%...

7. Ревазов М. А., Бурчаков В. А. Актуальные проблемы развития угольной промышленности России //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2011. – №. 5. – С. 302-305.

8. http://rosmining.ru/?review=%D...

9. https://tass.ru/ekonomika/1282...

10. Пономарев В. П. Экономика инноваций в угольном бизнесе//Уголь. 2008. № 10. С. 31–34.

11. Пономарев В. П. О фундаментальном экономическом противоречии в развитии угольной энергетики//Уголь. 2008. № 8. С. 62–66.

12. http://www.mining-portal.ru/news/all-news/top-10-stran-s-krupneyshimi-zapasami-uglya/

13. http://www.ugolinfo.ru/itogi2010all.html

Презентации

VR цифровой двойник месторождения