Die Erfindung betrifft ein System zur Orientierung im
untertägigen Berg- und Tunnelbau sowie zur Erfassung und Verwaltung
von Streckenquerschnitten. Darüber hinaus betrifft die
Erfindung entsprechende Verfahren unter Verwendung des Systems.
Ein modernes Bergwerk hat eine flächenmäßige Ausdehnung von bis
zu 200 km2, Streckenlängen von weit über 100 km und
Gewinnungstiefen von bis zu 1600 m. Bedingt durch die Dynamik eines
Steinkohlenbergwerks verändert sich täglich das offene
Grubengebäude. Diese Grubengebäude, bestehend aus Strecken, Schächten
und Bunkern, wird durch die Mitarbeiter der Markscheiderei
exakt vermessen und durch manuelle Eingaben in ein Computersystem
digital abgebildet.
Der Verlauf der Strecken im Raum wird durch Gauß-Krüger-
Koordinanten bestimmt. Mit Hilfe der Gauß-Krüger-Koordinaten
wird ein Drahtmodell erstellt, das unter Berücksichtigung der
Streckenbreite zu einer flächenorientierten Darstellung
gebracht wird. Hierzu wurde eine PC-basierende 3D-
Darstellungssoftware entwickelt, welche 3D-Grubengeometrien
aus den vorhandenen Gauß-Krüger-Koordinaten generiert.
Hierdurch gelangt man zu einer 3D-Visualisierung des Bergwerks.
Das System eignet sich zum Messen von Abständen und
Entfernungen sowie zur Planung von Routen (kürzester Weg).
Was dieses System bisher jedoch nicht leistet, ist die
eindeutige Erkennung des Standorts untertage. Satellitengesteuerte
Navigationssysteme entsprechen heute zwar dem Stand der Technik
und sind in allen Bereichen der Logistik bzw. Technik
etabliert. Das gilt jedoch aufgrund von physikalischen Grenzen nur
für alle oberirdischen Aktivitäten. Im Berg-, Tunnel- und
allgemeinem Tiefbau ist das Empfangen von GPS-Signalen nicht
möglich. Somit steht diese Technologie für Aufgaben wie die
Standortverfolgung, Standortbestimmung und Ortung nicht zur
Verfügung.
Infolge dessen ist es auch mit den bisher bekannten Mitteln
nicht möglich, eine Visualisierung des Standorts zu
ermöglichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Probleme
zu lösen und auf der Grundlage dieser Lösung weitere
vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten im angesprochenen Einsatzgebiet
zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird daher ein System zur Orientierung im
untertägigen Berg- und Tunnelbau beschrieben, welches aus im
Grubengebäude in definierten Abständen angebrachten, die
jeweiligen Ortskoordinanten repräsentierenden Informationsträgern
besteht, einem Lesegerät zum Auslesen dieser Informationen und
einem mobilen Computer zur Verarbeitung dieser Informationen
und zur Verknüpfung dieser Informationen mit einer in den
Computer geladenen 3D-Visualisierung des Grubengebäudes sowie
einem Monitor zur Anzeige des ermittelten Standortes.
Die technische Lösung der genannten Probleme beruht somit auf
einer Kombination aus der einzusetzenden Meßtechnologie und der
Computertechnologie.
Die 3D-Beschreibung eines Bergwerks setzt sich aus einer Folge
von verketteten Gauß-Krüger-Koordinaten zusammen, wie oben
bereits dargestellt. Diese Messungen erfolgen zyklisch in den neu
aufgefahrenen Strecken durch Mitarbeiter der Markscheiderei.
Gemäß der Erfindung werden an den Meßorten Informationsträger
angebracht, und zwar durch die Mitarbeiter der Markscheiderei
und nach dem Vermessen mit einer eindeutigen Kennung versehen
und beispielsweise am Streckenausbau angebracht. Beim
Einrichten eines derartigen neuen Vermessungspunktes muß lediglich die
neue Gauß-Krüger-Koordinate der eindeutigen Informationsträger-
Kennung zugeordnet werden. Das geschieht im mobilen Computer.
In diesem PC muß eine Zuordnungstabelle verwaltet werden. Jeder
bekannten Gauß-Krüger-Koordinate wird somit eine eindeutige
Kennung zugeordnet.
Jeder Informationsträger kann nun mittels eines Lesegerätes
abgefragt werden. Das Lesegerät kann sowohl im mobilen Computer
als auch in beweglichen Betriebsmitteln (beispielsweise eine
Einschienenhängebahn) integriert werden.
Die Standorterkennung erfolgt nun folgendermaßen:
Bei der Anmelderin existiert eine auf dem markscheiderischen
System DUDE aufbauende 3D-Visualisierung für alle Bergwerke.
Dieses System hat den Vorteil einer Export-Schnittstelle zum
mobilen PC. Mit Hilfe dieses Exports kann nun "das ganze
Bergwerk" (einschließlich aller Koordinaten) auf den mobilen PC
geladen werden und entsprechend dargestellt werden. Steht der
Mitarbeiter nun untertage in der Nähe eines
Informationsträgers, so wird dessen Kennung eingelesen, über die interne
Zuordnungstabelle die Gauß-Krüger-Koordinate ermittelt und der
Standort durch ein eindeutiges Symbol auf dem Bildschirm
angezeigt.
Die Standortbestimmung bietet viele Vorteile und
Anwendungsmöglichen.
Mit Hilfe des Systems kann auf einfache Weise festgestellt
werden, wie weit es bis zum nächsten Abzweig ist, wo sich das
nächste Telefon befindet bzw. wie lang der Weg dorthin ist, wo
das nächste stationäre Wettermeßgerät ist, wo sich der nächste
Verbandskasten befindet, welches der kürzeste Weg zum
Betriebspunkt xy ist.
Ein weiterer Vorteil für die Navigation untertage ist die
Möglichkeit zur Errechnung von optimalen Routen und Strecken durch
die Angabe eines Zieles. Darüber hinaus können verkettet Routen
vorgegeben werden (suche den Weg über Punkt 1, Punkt 2, Punkt 3
bis zum Ziel).
Eine weitere, erfindungsgemäß wesentliche Anwendung des Systems
und des Verfahrens zur Orientierung ist die Erfassung und
Verwaltung der Streckenquerschnitte.
Bedingt durch die bergbaulichen Aktivitäten sind die Strecken,
Sohlen und Schächte eines Steinkohlenbergwerks schwankenden
Druckverhältnissen ausgesetzt. Diese Druckeinflüsse führen in
der Regel zu Konvergenzen in den Strecken. Diesbezüglich ist es
von großer Bedeutung für ein Bergwerk, über ein reales,
aktualisierungsfähiges 3D-Modell zu verfügen. Insbesondere für die
Beurteilung von logischen oder auch wettertechnischen
Problemstellungen kann solch ein Modell große Hilfestellung leisten.
Weiterhin könnten Druckeinflüsse über definierte Zeiträume
transparent dargestellt werden.
Um dieses Ziel zu erreichen, braucht das erfindungsgemäße
System lediglich durch einen 3D-Scanner ergänzt zu werden, dessen
Meßdaten über eine Schnittstelle in den mobilen Computer
eingelesen werden, der in diesem Fall als Datenrekorder dient.
Das Verfahren zur Erfassung des Querschnitts läuft dann gemäß
Anspruch 11 so ab, daß nach Ermittlung des aktuellen Standortes
gemäß dem Verfahren aus Anspruch 10 mit dem 3D-Scanner eine
Querschnittsaufnahme mit Bezug zur jeweiligen Raumkoordinate
durchgeführt wird, wodurch eine genaue Punktwolke des
aufgenommenen Querschnitts eines Hohlraumelements ermittelt wird, die
Meßpunkte im Computer abgespeichert und weiterverarbeitet
werden.
Dieser 3D-Scanner weist in seinem Meßkopf einen Laserscanner
auf, der nach dem Prinzip der Laufzeitmessung arbeitet. Ein
extrem kurzer Lichtimpuls wird vom Scanner ausgesendet, trifft
auf ein Hindernis (Streckenausbau), wird von diesem reflektiert
und vom Laser wird empfangen. Die aus der Zeitdifferenz
errechnete Laufzeit verhält sich proportional zur Entfernung zwischen
Scanner und Hindernis.
Gemäß Anspruch 12 werden diese Aufnahmen sequentiell
durchgeführt, und die durch die ermittelten Daten visualisierten
einzelnen Scansegmente durch computerunterstützte Bildüberlagerung
zur Streckensegmenten zusammengeführt und als 3D-Ansicht
dargestellt werden.
Durch in zeitlichen Abständen wiederholte
Querschnittsbestimmung auf die erfindungsgemäße Art und Weise können
Veränderungen im Querschnitt erkannt werden.
Somit ergeben sich mit Hilfe dieses Streckenaufnahmesystems
vielfältige Möglichkeiten:
- 1. Rückquerschnittsermittlung in Abbaubetrieben,
- 2. Querschnittsermittlung zur optimierten
Senkkolonneneinsatzplanung,
- 3. Planungshilfen zur Ermittlung der optimalen Bandachsen in
Strecken,
- 4. Planungshilfen zur Ermittlung der optimalen Rohrmontage in
Strecken,
- 5. Planungshilfen zur Ermittlung der optimalen
Rohretagenüberführung in Strecken,
- 6. Querschnittsermittlung der möglichen Montageräume für die
Baustoffbunkermontage,
- 7. realistische, zeitnahe Konvergenzaufnahme mit optimaler
Tendenzanalyse durch computerunterstützte
Bildüberlagerung,
- 8. exakte Erfassung der Streckenverhältnisse für die
wettertechnische Planung,
- 9. exakte Ermittlung der geodätischen Höhen für die
Wasserwirtschaft eines Bergwerks etc.
Als Informationsträger für die Ortung sind gemäß Anspruch 2
Transponder vorgesehen. Transponder sind aktive Signalgeber,
die durch das Lesegerät im unmittelbaren Umfeld ausgelesen
werden können. Ein direkter Kontakt zum Transponder ist dabei
nicht erforderlich.
Als zweite Alternative kann die eindeutige Kennung in einem
Barcode verschlüsselt werden. Der am Bau angebrachte Barcode
kann über einen im mobilen PC integrierten Barcode-Leser
eingescannt werden.
Als mobile Computer bieten sich die bedienungsfreundlichen,
leistungsstarken und handlichen Pocket-PC an. Zum Auslesen der
Transponder verfügt der Pocket-PC über eine integrierte
Transponder-Schnittstelle.
Alternativ kann der Pocket-PC auch über einen integrierten
Barcode-Leser verfügen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen bzw.
Bildern dargestellt und erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 einen Streckenabzweig, repräsentiert durch die
Anordnung der Streckenausbauprofile mit montierten
Informationsträgern,
Fig. 2 Pocket-PC mit 3D-Visualisierung des Grubengebäudes
(Ausschnitt),
Fig. 3 mittels Laserscanner aufgenommene
Streckenquerschnittsegmente und
Fig. 4 3D-Darstellung eines aus mehreren Segmenten
zusammengesetzten Tunnels.
In der Fig. 1 ist im Ausschnitt eine Streckenabzweigung,
repräsentiert durch die Streckenausbauprofile 1, dargestellt. Als
kleine schwarze Quadrate sind an den Profilen 1 befestige
Informationsträger 2 (Transponder oder Barcodes) angebracht und
bezeichnen den Ort, an dem Mitarbeiter der Markscheiderei die
entsprechenden Streckenabschnitte vermessen haben, wobei dieser
Koordinate (Gauß-Krüger-Koordinate) eine eindeutige Kennung des
Informationsträgers 1 zugeordnet wird.
In der Fig. 2 ist ein handelsüblicher Pocket-PC 3 dargestellt,
in dem die ermittelten Gauß-Krüger-Koordinaten und die
entsprechenden Kennungen in einer Zuordnungstabelle abgespeichert
sind.
Zum Einlesen der Informationen aus den Transpondern bzw.
Barcodes dient ein im Pocket-PC 3 integriertes Lesegerät 4, das
alternativ ein Barcode-Leser oder aber eine
Transponderschnittstelle sein kann, über die die Transponderkennung
empfangen werden kann.
Im Pocket-PC 3 ist das gesamte Bergwerk mit allen wesentlichen
Daten und Koordinaten abgespeichert und kann auf dem Monitor
5 als 3D-Visualisierung dargestellt werden.
Befindet sich ein Mitarbeiter nun in der Nähe eines
Informationsträgers 2, liest er über das im Pocket-PC 3 integrierte
Lesegerät 4 die Kennung des Transponders bzw. Barcodes ein. Diese
Daten werden in der Zuordnungstabelle einer Gauß-Krüger-
Koordinate zugeordnet, und auf dem Monitor 5 wird der exakte
Standort 6 des Mitarbeiters angezeigt.
Ist der Ort des Mitarbeiters bestimmt, wird mittels eines nicht
dargestellten 3D-Scanners (beispielsweise Laser-Scanner) ein
Streckenprofil vermessen. Die Meßdaten werden über eine
entsprechende Schnittstelle in den Pocket-PC 3 eingelesen und
abgespeichert.
Sequentiell werden nun weitere Streckenprofile an
entsprechenden Orten aufgenommen und so Segment für Segment im Pocket-PC 3
abgespeichert.
Mittels eines geeigneten Algorithmus werden dann die einzelnen
Segmente zu Streckenabschnitten zusammengefasst (eventuell
Übertage). Auf diese Weise ist es möglich, ein 3D-Bild ganzer
Streckenabschnitte zu erhalten.
Derartige Ergebnisse von Streckenquerschnittsbestimmungen
ergeben sich aus der Fig. 3.
In der Fig. 4 ist das Endergebnis dargestellt, bei dem
Einzelsegmente zu einer vollständigen Tunnelröhre zusammengesetzt
sind.
