Мониторинг геотехнических объектов с помощью технологии распределенного реестра (DLT)

ВВЕДЕНИЕ

В горнодобывающей промышленности одной из наиболее рискованных с точки зрения охраны труда задач геотехники является создание соответствующих сооружений и обеспечение безопасных условий их эксплуатации [1]. При горных работах для оценки поведения этих сооружений при воздействии природных процессов и явлений во время строительства и эксплуатации применяется геотехнический мониторинг: измерение смещений, трещин и других признаков развития оползней, уровней воды и т. д. на основе данных от множества датчиков – как поверхностных, так и встроенных в массив грунта (последние измеряют изменения на разной глубине от поверхности в течение более длительных периодов времени) [1].

В наше время цифровизация имеет тенденцию к подключению устройств беспроводных сенсорных сетей (WSN, Wireless Sensor Network) к так называемому Интернету вещей (IoT, Internet of Things – системе взаимосвязанных устройств, которые могут собирать данные, обрабатывать их и обмениваться ими между собой, с человеком и серверами. – Ред.) для реального мониторинга процессов при низком энергопотреблении, высокой рентабельности и стабильности [2].

Системы WSN и IoT основаны на новейших лазерных или ультразвуковых технологиях и могут проводить измерения с точностью до нескольких миллиметров или выше. Однако пренебрежение источниками погрешностей (такими как температурная зависимость датчика, наклон и ориентация используемой призмы, препятствия и отражения измерительного луча и его преломление в зависимости от погодных условий) может привести к накоплению ошибок в несколько миллиметров или даже сантиметров [3]. Интеллектуальные системы передачи данных не имеют функции исправления ошибок или анализа качества восстановительных работ после регистрации нарушений. Необходимо модернизировать такие цифровые системы с помощью технологии неизменяемого обмена и записи измеренных данных, позволяющей исправлять ошибки после анализа. Обсуждение этой темы и является целью данной статьи.

МЕТОДЫ

В статье рассматриваются методы геотехнического обследования бортов и ступеней карьера. Анализируются коммуникации между горнодобывающей компанией, регулирующими органами и пр. (далее – вовлеченными сторонами, сетевыми партнерами) при начале развития оползней и в том числе обвалов в карьере, иногда затрагивающих также объекты региональной или национальной инфраструктуры. Исходя из необходимости неизменяемой и безопасной передачи данных между сетевыми партнерами предлагается использование технологии распределенного реестра (DLT, Distributed Ledger Technology). Дается краткое описание сути этой технологии. Предлагается концептуальная модель, показывающая поток данных геотехнического мониторинга карьера при измеренных параметрах за пределами и в пределах нормативных значений.

ПОСТРОЕНИЕ СЕТИ

В горнодобывающей деятельности объектами геотехнического мониторинга могут быть горные выработки, тоннели, стенки плотин, пилотные конструкции, подпорные стенки, трубопроводы, массивы грунтов, пещеры и др. В рассматриваемом в данной статье случае для выявления деформаций проводился мониторинг бортов и ступеней карьера, вырабатываемого в массиве скальных пород, с помощью соответствующих датчиков.

Геотехнический мониторинг в процессе горных работ

На рисунке 1 представлены фотографии рассматриваемого карьера и скального склона над проходящей в непосредственной близости автомагистралью национальной дорожной сети.

Рис. 1. Фотографии рассматриваемого карьера (а) и скального склона над проходящей в непосредственной близости автомагистралью национальной дорожной сети (б)

Существует ряд методов мониторинга смещений в бортах и ступенях карьеров. Некоторые из этих методов являются низкотехнологичными и основаны на наблюдениях специалистов, прошедших подготовку в области геотехнических опасностей. Если они обнаруживают проблемы, то сразу сообщают о них.

Другие методы являются более современными и включают использование сложных измерительных систем емкостных, омических и пьезометрических датчиков (таких как пьезометрические трубки, датчики уровня воды, расходомеры, тензометры, устройства для измерения вертикальных и горизонтальных смещений, инклинометры, термометры и др.).

Существуют также весьма высокотехнологичные приборы, работа которых основана на использовании лазерных, ультразвуковых излучений и пр., такие как сканирующие лазерные дальномеры (лидары, LiDAR), интерферометрические радары с синтетической апертурой (InSAR), воздушные лазерные сканеры (ALS), наземные лазерные сканеры (TLS) и др. [3]. Эти высокотехнологичные устройства становятся все более популярными и доступными для любого бизнеса.

Недостатком всех датчиков (даже самых современных, например лидаров) является накопление ошибок из-за температурных аномалий, наличия пыли и/или воды.

При сканировании цифровые измерительные системы предоставляют: графики и отчеты в реальном времени о статистических характеристиках (таких как среднее значение, дисперсия, кумулятивное среднее и т. д.), расчеты виртуальных датчиков (сложных математических моделей с использованием статистик датчиков), результаты автоматической регистрации событий, журналы регистрации данных, аварийные и предупреждающие сигналы на основе специальных программных продуктов. Аварийные и предупреждающие сигналы предназначены для передачи сообщений с требуемой скоростью с помощью SMS и электронных писем, для запуска новой записи, для восстановления исходного состояния системы и автоматического переключения управления освещением, клапанами, насосами и т. д. Данные записываются с помощью кодов событий (метаданных). Ошибки исправляются используемым программным обеспечением.

Деятельность геотехнического отдела горнодобывающей компании включает периодическую отправку отчетов об измерениях в регулирующие органы, такие как Управление концессий Министерства энергетики, Министерство регионального развития и благоустройства, Министерство окружающей среды и водных ресурсов (Болгария). Если измеренные значения превышают допустимые, что указывает на начало развития оползней или обрушения бортов, то объявляется чрезвычайная ситуация. Это означает остановку работ, оповещение ремонтных бригад и ответственных государственных учреждений, сбор специалистов, начало принятия мер по усилению бортов и ступеней карьера с последующим контролем выполненных работ. Весь такой процесс измерений, уведомления и запуска принятия мер по усилению связан с процессами передачи информации и обменом конфиденциальными данными между горнодобывающим предприятием и головными учреждениями (такими как Министерство регионального развития и благоустройства, Министерство энергетики, Министерство окружающей среды и водных ресурсов, Агентство дорожной инфраструктуры Болгарии), специалистами компаний или образовательных и научно-исследовательских учреждений и пр. Кроме того, необходимо зарегистрировать накопившуюся погрешность измерений или отрицательные результаты некачественных ремонтно-восстановительных работ, установить их причины и принять адекватные меры по их устранению, но без «сваливания вины» на другое учреждение.

Для обеспечения безопасной, неизменной, прозрачной и своевременной передачи данных между вовлеченными сторонами с возможностью исправления ошибок предлагается технология распределенного реестра (DLT). Недоработанность этой относительно новой технологии не препятствует ее успешному внедрению в бизнес-сектор, приводящему к большим прибылям, но пока еще имеются сомнения в ее применимости в горнодобывающей промышленности [4]. Несмотря на это, доступность конфиденциальных данных и возможность их модификации третьей стороной также удовлетворяют применимости моделей Моргена Пека (Morgen Peck) и А. Льюиса (A. Lewis) [5, 6, 7]. Необходимость использования DLT доказана на примере оползневых процессов, развивающихся на концессионной территории и в то же время воздействующих на объекты региональной инфраструктуры (такие как транспортная инфраструктура, линии электропередачи и др.).

Технология распределенного реестра (DLT)

Технология распределенного реестра (DLT) – это технология обмена данными без участия стороннего посредника [8]. Ее преимущества заключаются в невозможности изменить или запретить получение совместно используемых данных, в информационной безопасности, в отслеживаемости, надежности, прозрачности данных и во многом другом. Благодаря этому каждый участник сети DLT получает совместно используемые идентичные данные. Каждый из них подтверждает право своего участия, используя секретный ключ (private key). Синхронизация данных между узлами DLT осуществляется с помощью механизма консенсуса [9].

(Технология DLT – это относительно новая и еще развивающаяся технология хранения информации в электронной системе баз данных, распределенной между несколькими сетевыми узлами или устройствами при отсутствии единого управляющего узла. Поэтому она позволяет записывать и хранить информацию в сети DLT, которая одновременно является децентрализованной, поскольку данные хранятся на нескольких одноранговых серверах, и распределенной, а также прозрачной, поскольку эти сетевые узлы взаимосвязаны и взаимодействуют между собой. Основные особенности этой технологии: распределение копий цифровых данных по разным точкам, их совместное использование и синхронизация. Для обновления данных применяется автоматический алгоритм консенсуса: данные передаются по узлам, образующим сеть, дублируются на них и синхронизируются. То есть каждый узел самостоятельно обновляется, после чего все узлы «голосуют» за обновление реестра и достигают согласия, или консенсуса, в отношении одной из его копий. Каждое такое обновление защищается уникальной электронной подписью. Это обусловливает защищенность базы данных и при этом ее прозрачность. Подобные сети могут быть как частными, так и публичными, могут использоваться в самых разных сферах. Преимуществами DLT являются: прозрачность и при этом безопасность данных, осуществление контроля сети самими пользователями и распределение его по всей сети, автоматизация и эффективность благодаря отмене необходимости участия посредников, третьих лиц или центрального контролирующего органа (ru.beincrypto.com/learn/chto-takoe-tehnologiya-raspredelennogo-reestra/). – Ред.)

В рассматриваемом в данной статье случае выбор сети зависит от договорных отношений между вовлеченными сторонами. Эти отношения эмулируются так называемым умным контрактом. Сети DLT бывают трех основных типов – открытыми, частными и гибридными. Согласно правовой базе Болгарии и требованиям к хранению данных на уровне корпоративной безопасности сеть должна быть закрытой (частной), то есть использоваться в пределах ряда выбранных учреждений [10].

Чтобы реализовать сеть DLT, передаваемые данные (например, от лидара или портативных устройств) должны поступить в систему DLT в точке ввода. Это делается оператором с электронной подписью, который считывает, проверяет и подтверждает правильность информации. Результаты измерений датчиков передаются с их коммуникационных портов (USB, Bluetooth, RS232, RS485 или др.) на считывающее устройство оператора через дополнительно разработанный конвертер. Для этого требуется реализация «слоя», обеспечивающего интероперабельность (функциональную совместимость, возможность взаимодействия), что позволяет дополнительно включать в систему разные измерительные приборы, в том числе от разных производителей. Недостатком в этом случае является то, что идентификация с помощью цифрового сертификата может привести к утечке персональных данных оператора. Поэтому сетевые организации должны обеспечивать защиту данных в соответствии с серией директив Европейского Союза, называемой «Общим регламентом по защите данных» (GDPR, General Data Protection Regulation) [11]. Таким образом, тип DLT (Blockchain, Ethereum, Waltonchain, Hyperledger Fabric и т. д.) должен соответствовать требованиям этого регламента.

Работа сети

Результаты каждого измерения записываются в системе мониторинга. Когда реализуется уровень функциональной совместимости, оператор считывает, проверяет, и пересылает данные после подтверждения цифровой идентификации. Верифицированные таким образом данные представляют собой отчеты, которые предоставляются в нормативно регламентированные сроки в Министерство окружающей среды и водных ресурсов, Управление концессий Министерства энергетики и Министерство регионального развития и благоустройства (Болгария). На рисунке 2 показана модель коммуникаций между вовлеченными сторонами, построенная с помощью унифицированного языка моделирования (UML, Unified Modeling Language) [12]. (UML – это графический язык моделирования для спецификации, визуализации, проектирования и документирования всех артефактов, создаваемых при разработке компьютерных программ. Но он не является языком программирования, хотя генерация кода и не возбраняется. Для моделей UML не определен способ их выполнения на компьютере. UML является сильно объектно-ориентированным языком. Он используется в основном для рисования схем, обмена информацией, спецификации систем, повторного использования модельных решений, генерации кода, имитационного моделирования систем, верификации моделей. Модель UML – это конечное множество структурных, поведенческих, группирующих, аннотационных «сущностей» и отношений между ними. Знание UML является необходимым, но не достаточным условием построения разумных моделей программных систем. Он используется с учетом особенностей реальных задач и инструментов. Элементы модели группируются в схемы и представления для наилучшего описания моделируемой системы с различных точек зрения (books.ifmo.ru/file/pdf/424.pdf). – Ред.)

Рис. 2. Модель коммуникаций между вовлеченными сторонами, построенная с помощью унифицированного языка моделирования UML (Примечания: SAM – управление программными активами, то есть набор проверенных ИТ-практик, объединяющих людей, процессы и технологии для управления и оптимизации использования в компании программного обеспечения; API – описание способов взаимодействия одной компьютерной программы с другими, то есть программные компоненты в системе взаимодействуют друг с другом посредством API; RO – только для чтения; RW – для чтения и записи. – Ред.)

При регистрации значений выше допустимых, что указывает на начало смещений в массиве грунта, оператор передает, удостоверяет и отправляет ответственным и регулирующим органам измеренные величины с помощью персонального ключа идентификации пользователя, проверенного уполномоченным лицом. Запускается процедура по эвакуации людей из горнодобывающего объекта и прекращению движения автомобильного транспорта в опасной зоне. Оператор электроснабжения должен быть уведомлен о необходимости прекращении подачи электроэнергии, если в этой зоне есть линия электропередачи или оборудование, питаемое электричеством. Обе компании общаются через один и тот же интерфейс, имея право на чтение и запись, и сообщают о том, что предпримут соответствующие действия. Оператор электроснабжения подает сигнал о прекращении подачи электроэнергии в карьер и т. д. За остановку движения отвечает Агентство дорожной инфраструктуры [7].

В рамках собственной деятельности горнодобывающая компания уведомляет ремонтную и аварийную службы о принятии мер по усилению оползневой зоны. Это не показано на рисунке 2, поскольку касается связи между подразделениями внутри компании, для которой требуется отдельный конфиденциальный канал.

После завершения мероприятий по усилению или восстановлению нарушенных частей грунтового массива или инфраструктуры карьера и прилегающих зон, а также по контролю выполненных работ горнодобывающая компания через интерфейс подает запрос оператору электроснабжения на возобновление подачи электроэнергии и запрос в Агентство дорожной инфраструктуры на восстановления движения транспорта по отремонтированной и защищенной дороге.

По мере продвижения горнодобывающих работ и последующих изменений контуров карьера и отвалов соответствующая информация также доводится до сведения соответствующих ведомств.

Заключение

Для предотвращения фатальных несчастных случаев в горнодобывающей промышленности методы геотехнического мониторинга нуждаются в дальнейшем совершенствовании и расширении использования. Каждый карьер имеет уникальные инженерно-геологические условия и поэтому требует комбинаторного подхода к мониторингу. Модернизация системы мониторинга с помощью технологии распределенного реестра (DLT) обеспечивает надежный обмен данными с регулирующими органами не только при инициировании опасных процессов и явлений с предоставлением отчетов о мерах по усилению и контролю бортов и ступеней карьера, но и во время стандартного процесса добычи полезных ископаемых.

Предложенная концептуальная модель доказывает, что независимо от методов измерений применение DLT является в первую очередь мерой контроля опасных ситуаций, с помощью которой данные о критических результатах мониторинга передаются всем участникам процесса и регулирующим органам без изменений, надежно и прослеживаемо. Это эффективный способ накопления данных для анализа с целью предотвращения событий высокого риска.

Преимущества внедрения технологии распределенного реестра в горнодобывающем секторе неоспоримы. Это доверие между участниками сети DLT, прозрачность, синхронизированность, к тому же без привлечения посредника, отслеживающего потоки данных. В горнодобывающих компаниях имеется большое количество объектов, где эта технология может быть применена, но с учетом особых ограничивающих факторов. Глобальная тенденция к внедрению DLT во всех секторах экономики говорит о том, что ее использование и в горнодобывающих компаниях – это вопрос времени и престижа.

Несмотря на ожидаемые административные, технологические и технические неудобства для руководства горнодобывающих компаний, технология распределенного реестра, несомненно, приведет к повышению качества работы и экономической эффективности за счет увеличения инновационного индекса и снижения рисков.

Конкретные преимущества и недостатки DLT для работы рассматриваемого карьера будут проанализированы в дальнейшем дополнительно.

-

Авторы выражают признательность своим коллегам за помощь, техническому персоналу за особую работу и руководству Горно-геологического университета имени св. Ивана Рильского (г. София, Болгария) за финансовую поддержку.

ИСТОЧНИК ДЛЯ ПЕРЕВОДА

Hristova T., Mitev I., Balev V. Monitoring of geotechnical facilities through DLT solution: a report at the 3d International Conference “Essays of Mining Science and Practice”, 06–08 October, 2021, Dnipro. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing Ltd., 2021. Vol. 970. № 012011. DOI: 10.1088/1755-1315/970/1/012011. URL: iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/970/1/012011/meta.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, ИСПОЛЬЗОВАННОЙ АВТОРАМИ ПЕРЕВЕДЕННОЙ СТАТЬИ

1. Aleksandrova E., Trifonova M. Assessment of slopes stability taking the risk into consideration // Scientific researches of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv. 2013. Vol. ХV. P. 107–111. URL: usb-plovdiv.org/2013_estestveni_i_humanitarni_ nauki_tom_XV.
2. Yadav D.K., Jayanthu S., Das S.K., Chinara S., Mishra P. Critical review on slope monitoring systems with a vision of unifying WSN and IoT // IET Wirel. Sens. Syst. 2019. Vol. 9. № 4. P. 167–80. DOI: 10.1049/iet-wss.2018.5197.
3. Lienhart W. Geotechnical monitoring using total stations and laser scanners: critical aspects and solutions // J. Civil Struct. Health Monit. 2017. Vol. 7. P. 315–324. DOI: 10.1007/s13349-017- 0228-5.
4. Brown M., Weller R., Newman J., Caponecchi K. Financial Results First Quarter. 2019. Euronet Worldwide.
5. Lewis A. The basics of bitcoins and blockchains: an introduction to cryptocurrencies and the technology that powers them. Mango Media Inc., 2018.
6. Peck M.E. IEEE Spectrum. 2017. Vol. 54. № 10. P. 38–60.
7. Hristova T., Hristov P. Study of the need for DLT in the mining industry // BulEF. 2020. Vol. 12. № 20368565. DOI: 10.1109/BulEF51036.2020.9326025.
8. Yaga D., Mell P., Roby N., Scarfone K. Blockchain technology overview. NISTIR 8202, 2018.
9. Seibold S., Samman G. Consensus – immutable agreement for the internet of value. KPMG, 2016.
10. European Parliament resolution of 3 October 2018 on distributed ledger technologies and blockchains: building trust with disintermediation (2017/2772(RSP)).
11. Hristov P., Dimitrov W. The blockchain as a backbone of GDPR compliant frameworks // SIMPRO. 2018. Vol. 8. № 6.
12. ISO/IEC 19501:2005. Information technology – Open Distributed Processing – Unified Modeling Language (UML). Version 1.4.2.