Количествен контрол на суровини и материали чрез геодезически методи

Проф. д-р инж. Васил Вълчинов, УАСГ, катедра „Геодезия и геоинформатика“

E-mail: v_valchinov@abv.bg;

Гл.ас. д-р инж. Борислав Александров, УАСГ, катедра „Висша геодезия“

E-mail: alekb_fgs@uacg.bg;

Едно нетрадиционно приложение на геодезията при извършване на периодичен количествен контрол на енергийни суровини и материали на промишлени предприятия и складови бази е обект на статията. Анализира се необходимата точност на работната геодезическа основа и на геодезическите измервания при определяне на обеми на енергийни суровини и материали в закрити халета, производствени цехове и открити площадки. Прави се обосновка на точността на създадените цифрови модели и на точността на определените от тях площи и обеми на базата на опита на авторите в продължение на повече от три години.

Въведение

В стопанската дейност на промишлени предприятия и доставчици на енергийни суровини количествения контрол заема особено важно място. От голямо значение е какво количество суровини се влагат в производството – руда, кокс, въглища, естествен гипс и др. за създаването на нови материали – клинкер, цимент, стъкло, течен метал и др. Това се отразява на себестойността на новата продукция.

Почти всички енергийни материали и суровини се внасят с кораби по море от Индия, САЩ, Бразилия, Русия и др. страни, с кораби по р. Дунав – от Германия, Франция или чрез железопътни композиции от пристанище Бургас и Варна или близки европейски страни. Най-често тези материали се складират на пристанища Варна, Бургас, Лом и др., а след това се складират на открити и закрити площадки в предприятията. Тези суровини се уплътняват със специализирана техника на табани с различна форма и размери (фиг.1). Редица материали като пелети, кокс и др. не подлежат на уплътняване по технологични причини. В закрити складове и халета (фиг.2), те се доставят чрез жп- или автомобилен транспорт и се използва максимално вместимостта на складовете. На периодичен количествен контрол се подлагат и новополучените от съответното предприятие материали, които се съхраняват в промишлени складове в бетонни клетки. Често тези материали са недостъпни и с висока температура (до 60-70оС), вредни са при допир до кожата на човека. Обработват се само с техника или се влагат в ново производство.

Особености

Реализиране на задачи за стоков контрол е нетипична дейност за геодезията. Както е известно, съществуват различен софтуер и ГИС  за създаване на цифрови модели на територията, в които като приложения са заложени определянето на площи и обеми на земни маси в областта на пътното строителство, земно насипни и изкопни работи и други.

Прилагането им в дейността на промишлени предприятия за количествен контрол на енергийни суровини и материали е възможно, но това изисква внимателен анализ на всеки конкретен случай и вземане предвид следните особености:

– Суровините и материалите са разположени на открити площадки (обикновено бетонирани), които следват терена или са наклонени в една или повече посоки (фиг.1);

– Подлежащите на контрол материали се намират в клетки в закрити халета (фиг.2);

– Повърхнината на насипните материали в общия случай е достатъчно сложна (фиг.3,4);

Фиг.3

– Различни видове материали са складирани един до друг и трудно се определя тяхната граница (фиг. 4), а често цената им за 1 тон се различава в пъти;

– Поради различната структура и цвят на повърхността на насипните материали коефициента на отражение достига до нула. От това следва, че използването на безрефлекторни системи за геодезическо заснимане – тотални станции и сканиращи системи не е възможно винаги и навсякъде;

– При някои материали като петрококс, дребнозърнеста руда, пелети и др. заснимането с призма е силно затруднено поради „подвижност“ на насипа;

– В закрити помещения често се налага заснимане на празното пространство на клетката и повърхнината на материала, вместо на складирания в нея материал и чрез геометричните размери на клетката се изчислява обемът на материала;

– В редица случаи, когато за дълъг период се складира материал, е от значение и заетата площ, за която се плаща наем. В такива случай насипите се издигат на максимално възможната височина, а коефициентът на отражение е близък до нула. Тогава трябва да се прилагат „екстремни“ методи за геодезическо заснимане на повърхнината на съответния насип ( фиг. 5 и фиг. 6) , което е много трудо- и времеемко и крие сериозни рискове за работа;

– Най-важната особеност остава точността на изчислените площи и обеми. Преминаването към тонове не е геодезическа задача. Тя може да се реши съвместно с други специалисти на възложителя на базата на специфичното тегло на съответния материал, по данни на доставчика и като се ползва опитът в тази област. Еднозначно решение няма, защото различните материали и суровини имат и различни коефициенти на уплътняване, когато се складират и различни коефициенти на разбухване, когато се превозват до завода-потребител. Поради тези особености ангажирането на геодезията с определяне на количества на енергийни материали и суровини, изразени в тонове не трябва да се прави, защото се поема непрофесионална отговорност.

Точността на установяване на площи и обеми зависи от следните фактори:

• Точността на плановата и височинна геодезическата основа;
• Точността на геодезическото заснимане;
• Способността на геодезиста, с оглед на конкретните условия, да моделира с данни повърхнината на съответния насип, независимо от начина на получаването им – рефлекторно, безрефлекторно заснимане или с лазерни сканиращи системи;
• Създаване на цифров модел на насипа, адекватен на изискванията на възложителя за точност и правдоподобност на реалността. Очевидно тук съществува неписана закономерност: 1. Когато се определя количеството на произведени материали, то не може да е по-голямо или по-малко от наличното, определено чрез вътрешно заводски датчици, които съпътстват конкретното производство, освен когато е злоупотребено с наличността, и 2. Когато се определя количеството на енергийни суровини от разликата между доставените и наличните се определя обемът на вложените материали в производството, които влияят на себестойността на новопроизведените материали. Влагането на повече или по-малки количества, отколкото се изисква по технология, е невъзможно. От това следва, че възложителят също има вътрешен контрол и както в т.1, при условие, че няма злоупотреби в доставката или при складирането на тези суровини, в заводски условия има контрол за качеството на геодезическата работа. Посоченото тук потвърждава отговорността при извършване на стоков контрол на материали и суровини. По тази причина редица големи български и смесени чуждестранни фирми изискват периодичен стоков контрол чрез геодезически измервания.

Точността на плановата и височинна геодезическата основа е особено важна. Препоръчва се РГО да бъде самостоятелна мрежа. При снимката, независимо от използвания метод, най-силно влияние оказва точността на определяне на височината. Лесно може да се види ефектът на точността на височините, ако се разгледа обема на правилна фигура (паралелепипед) с размери 10х10х5 m, обемът на който е 500 m3 . Ако височината е определена с точност 0.05 m, обемът на същата фигура е 505  m3 или точността му е 1%. Когато тази фигура е с по-големи размери, например 50х50х10 m и височината е определена със същата точност грешката в обема е 125 m3 или 0.5%. Този прост пример показва, че при изисквания за точност на обема 0.5%, насипи с по-малки размери трябва да се определят по височина с по-голяма точност при приблизително една и съща точност по положение.

Тъй като повърхнината на всеки насип се дефинира чрез пространствени координати на много точки е необходимо точността на всяка точка по височина да се определя с максимално възможна висока точност. Когато фигурата е определена с координатите   на граничните й точки, площта й, както е известно се изчислява по формулата:

(1)

а точността m_F й може да се определи по формулата

(2)

в която m_P е точността в плановото положение на точката, а  D_i-1,i+1 е  разстоянието между съответните точки от границата. При i=n,  (i+1) точка съвпада с първата точка, а при (i=1), (i-1) точка съвпада с последната точка от фигурата.

Под точност на геодезическото заснимане не следва да се разбира само точността на определяне на надморската височината. Когато основата на насипа е определена (заснета) достатъчно подробно и точно, изборът на точките от повърхнината е по сложната задача. Освен заснемането на „билото“ на насипа, особено важно е заснимане на „склоновете“ му, всички образувани форми по тях от складирането, както и създадените от природните условия – сняг, дъждове, ветрове. Така както се заснимат структурните линии на релефната повърхнина, така се заснимат аналогични линии на насипите. Разликата е, че последните се заснимат много по-точно. При полярно заснимане (рефлекторно и безрефлекторно), котата на заснета точка, както е известно се определя по формулата:

(3)

Във формула 3 означенията са:H_j– надморската височина на станцията;H_i – надморската височина на заснета точка;S_i,j – наклоненото разстояние от станцията до заснетата точка;Z_i,j  -зенитният ъгъл; I_i  – височина на инструмента в станция I,l_j  – височина на сигнала в заснета точка (при безрефлекторно заснимане l_j=0). Последният израз във формула 3 отчита влиянието на кривината на Земята и вертикалната рефракция върху тригонометрично измереното превишение. Очевидно този израз трябва да се има предвид при разстояние от станцията до заснета точка по-голямо от 80-100 m, защото тогава стойността му е около 1 cm. Но тъй като обработката на измерванията се извършват софтуерно, няма никаква причина да се изчислява винаги.

Всички величини във формула 3 могат да бъдат измерени с достатъчна точност. Най-голяма грешка в котата на точката е заложена във височината на сигнала. Обяснението е, че при рефлекторно заснимане щока не стъпва на твърда основа, а на „подвижна, мърдаща“ материя. При някои материали, напр. клинкер, шлака повърхността на насипа е твърда, но във всички други случаи това въобще не е така и щока потъва в материала. Едно решение е да се постави широк накрайник в основата на щока, който винаги лежи върху материала. Второ решение е щокът да се държи на ръка като допира повърхността на материала. Това е доста изморително като се има предвид, че заедно с щока „потъва“ и носачът на щока и най-често се работи с максимална височина на щока, на открито при различни метеорологични условия – вятър, дъжд, прах и др. Сега остава да се отбележи, че при посочените обстоятелства вертикалността на щока е също променлива величина, което се отразява и на зенитния ъгъл и на разстоянието. Съществува и трето решение – за конкретен вид материал да се изследва потъването на щока и да се коригира неговата дължина. Това осигурява вертикалността на щока и с това зенитният ъгъл и разстоянието се отнасят именно за конкретната точка.

В края на тази част от публикацията трябва да се посочи още веднъж, че по-малките по обем насипи трябва да се заснимат по-точно и по-подробно, отколкото по-големите. И още – по-скъпите енергийни суровини и материали трябва да се определят с по-голяма точност, отколкото тези, които са по-евтини, независимо от техния обем.

Технология

Тук се посочва технологията, прилагана от авторите при ежемесечния стоков контрол на „Девня-цимент“ ООД в продължение на 2 години, на „Кремиковци“ ООД и на „Вулкан“ ООД, гр. Димитровград и др. Поради ограниченията на обема на публикацията тази технология няма да се разглежда в детайли:

1.         Работна планова и височинна мрежа при периодичен стоков контрол:

• На открити площадки. Когато се извършва периодичен контрол и определяне на разлики в обеми на суровини и материали за определен интервал от време(месец, полугодие, година) РГО трябва да бъде трайно стабилизирана и реперирана. Координатите на точките на РГО се определят в локална система, а височините в условна височинна система за цялата мрежа. Точките се избират на места без интензивна работа на производствена техника – високи места, покрив на локални бетонни клетки, малки складове и др., където липсва високо напрежение, трансформатори и др. условия, които оказват лошо влияние на използваната техника. Реперирането на точките е по класическия способ и с координиране с точки от бетонни стени и др. съоръжения. Измерванията се извършват в 2 гируса, а обработката на измерванията и изчислението на координати и коти е по МНМК. Точността на точките от плановата мрежа достига до 0.020 m, а на височинната – до 0.015 m.
• На закрити халета и в производствени цехове. Работата в такива помещения е особено тежка, защото се извършва при слабо осветление, голяма запрашеност и шум поради естеството на непрекъснатото производството. Изборът на точките от РГО е силно ограничен и възможен само в ивица от 1 m в страни от порталните кранове (фиг. 7, 8 и 9). РГО-то се развива в две вериги, свързани по-между си и с РГО на земята в двора на завода.

Фиг. 7

Стабилизирането на точките е почти невъзможно поради решетъчния характер на т.н. „пасарелка“ и непрекъснатото натрупване на материали от производството. По тази причина още в нулевия цикъл всяка точка бе трайно стабилизирана към колоните на цеховата конструкция и прецизно координирана. Тези марки се използваха при всеки цикъл за възстановяване на всяка станция и извършване на геодезическата снимка. Почти всички марки бяха включени чрез измервания от точките от срещуположната линия в единна мрежа на цеха за производство на цимент.

2.         Извършване на геодезическата снимка

• На открити площадки. Тази задача не се отличава като последователност от действия от заснимането на релефа. Като реализация тя е особено тежка, когато не може да се приложи безрефлекторния начин. Вече в частта „Особености“ бяха описани всички детайли, с които трябва да се сблъска геодезистът. Най-проблемно е предвижването по „подвижната“ повърхнина, ориентацията, коя част е заснета и коя остава, особено при огромните си по размери насипи с енергийни суровини. Не на последно място безкрайното черно обкръжение на петрококс, въглища и пак петрококс и трудностите с дишането в прахова среда (фиг. 10) в сухите месеци на годината.

Фиг. 10

• На закрити халета и в производствени цехове. Тук се прилага изключително безрефлекторния начин на снимане, поради невъзможност от друг начин. Температурата на въздуха (прах, пепел) е висока и само опитността на операторите помага снимката да премине по-бързо и да се моделира с данни повърхнината. Получаването на ефекта на отражение на материала се извършваше чрез разпръскване с кран на светъл материал, върху материала с черен цвят (доколкото технологично е допустимо). Условията на извършване на геодезическата снимка с голяма условност за представителност могат да се видят от фигури 2, 7 ,8 и 11. Характерно в случая е, че клетките за отделните суровини и материали никога не се изпразват до нула, което свежда задачата за определяне на обема до невъзможна. Единственото решение в такива случаи е използване на документацията от изпълнителната снимка при пускане в експлоатация на завода или котиране съвместно с възложителя и по негови указания на точки от дъното на всяка от клетките по външни строителни белези. В случая за клетки, за които имаше проектна документация, кота нула бе предоставена от възложителя, а на останалите – бе определена такава чрез посредствени измервания.

Фиг.11

Важно е да се отбележи, че данните за обемите на суровини и материали на открити и закрити площадки са валидни към момента на геодезическата снимка – дата и час. Това се обуславя от непрекъсната дейност на заводите и динамиката на получаващите се суровини и произведената с тях продукция. Възложителят по свои критерии следи потреблението и продукцията до следващото месечно, полугодишно и годишно провеждане на стоковия контрол.

Обработка на измерванията и създаване на цифрови модели на повърхнините на материалите

Тази част от стоковия контрол е съвместима с обработката на геодезическа снимка. Особеното обаче е, че за всяка площадка от измерванията на основата й се определя наклона й. В основата на цифровите модели на повърхнини стои нерегулярният модел от непресичащи се триъгълни крайни елементи. Естествено всеки краен елемент трябва да лежи на повърхнината. За всеки насип следва да се извърши редактиране на автоматизирано създадената мрежа от крайни елементи, като страните им се ориентират от основата към „билото“ и вторични „била“, където те съществуват. Някои програми (ГИС ArcView) определят обема от равнината на най-ниската по кота точка до равнината през точката с най-голяма кота. При други (Land Desktop) – обемът се изчислява между две дефинирани повърхнини. Когато се използва ArcView, практически също трябва да се дефинира повърхнина на площадката. В противен случай обемът на материала включва несъществуващ материал заради наклона на площадката или клетката, в която е складиран той. Когато се определят обеми на суровини и материали, складирани в клетки, получените площи и обеми трябва да се редуцират с преградни стени, ако има такива, разположено в нея оборудване и други елементи, които нямат връзка с обема на съответната суровина или произведен материал.

Вече бе отбелязано, че в някои случаи се заснима празното пространство в склада, софтуерно се определя обемът на склада с вътрешните му геометрични размери, а обемът на складирания материал се изчислява посредством обема на склада и празния обем.

Създаването на констативния протокол, който съпътства стоковия контрол, освен данните за заети площи и обеми на суровините и материалите, включва снимков материал и приложения на цифровия модел в мащаб и легенда със скала.

На фиг. 12 и фиг. 13 е даден цифров модел с коти на точки от повърхнината на открита площадка и в цех за производство на цимент. Освен котите, приложенията на цифровия модел могат да съдържат и изолинии.

Заключение

1.         Геодезията като наука, която създава и обработва пространствено разпределени данни, може да оказва решителна помощ при анализ и управление на пространствени явления и процеси и да подпомага вземането на решения. Налице са всички условия – техническо оборудване, софтуер, подготовка на кадри, които да решават много нетрадиционни задачи, с които бизнесът се среща.

2.         В разгледаното в статията приложение на геодезията има редица странни проблеми, за които се изисква увереност, че и екстремни и дори невъзможни задачи могат да се решават с участието на геодезията. Разбира се, в редица случаи трябва да се вземат бързи решения при почти „непоносима“ за геодезиста обстановка. Това се постига с достигнатия професионализъм, дори кураж, анализ на всички източници на грешки при конкретните геодезически измервания и осигуряване и представяне на продукция, която да гарантира вземането на решения и в области, които не са „класически“ за геодезията.

3.         В много случаи, както и  разгледаните в статията, няма разработени технологии, описани в книгите или в интернет. Изпълнителят сам разработва технология, която осигурява изпълнението на конкретна задача от практиката с качество, бързина и точност на крайните резултати, за да е уверен, че може, а бизнесът му вярва. Така се изгражда и визията и престижа на геодезията  в обществото и бизнеса.