Development of GIS-based Algorithms for Optimizing Haul Road and Wireless Network Transmitter Layouts in Open-pit Mines

Abstract

본 연구에서는 개발 및 생산 단계의 노천광산에서 운반 도로 배치 설계와 무선 통신 시스템 설계를 위해 활용할 수 있는 지리정보시스템(Geographic Information System, GIS) 기반의 알고리즘을 제시하였다. 래스터 기반의 최소 비용 경로 분석 알고리즘을 개발하였으며, 이를 바탕으로 새로운 노천광산 운반 도로 배치 설계 방법을 제시하였다. 또한, Communication viewsheds 분석을 위한 새로운 3D Fresnel zone 분석 방법을 제시하고 이를 기존 방법들과 비교하였으며, 노천광산의 초기 무선 통신 시스템 레이아웃 설계를 위한 새로운 방법을 제안하였다. 본 연구에서 제시한 방법은 채광장 경계 분석 결과를 바탕으로 최소 비용 경로 분석을 통해 광석 운반 시간을 최소화 할 수 있는 운반 경로 설계에 효과적으로 적용될 수 있다. 또한, 새로운 알고리즘을 통해 3D Fresnel index map을 형성하여 노천광산 내 통신 가능 구역을 평가하고 최적 송신기 조합을 선정할 수 있다. 본 연구에서는 제한 경사 조건을 만족하는 최소 비용 경로를 분석하기 위하여 래스터 내 셀의 이동 가능 범위인 moving-window를 확장하였고, 출발 지점과 도착 지점 사이에 존재하는 이상 지형을 절토 및 성토하여 제한 경사를 만족하도록 알고리즘을 설계하였다. 알고리즘은 실제 지형의 높이와 절토 및 성토 작업 이후 수정된 지형 높이의 차이를 고려하는 Cut and fill factor를 반영하여 출발 지점에서부터 도착 지점까지 이동하는데 소요되는 누적 이동 비용을 계산하고 이를 바탕으로 최소 비용 경로를 분석한다. 개발된 알고리즘을 가상 데이터와 실세계 데이터에 적용한 결과, 제한 경사 조건, moving window 크기 조건, 래스터 셀 크기 조건을 고려하여 래스터 내 모든 셀의 최소 누적 이동 비용 계산하고 최소 비용 경로를 분석할 수 있었다. 노천광산 운반 경로 배치 설계 방법은 최소 비용 경로 분석 알고리즘을 통해 트럭 이동 시간을 최소화할 수 있는 운반 경로를 분석하고, Douglas-Peucker 알고리즘을 이용하여 지그재그 형태의 운반 경로를 단순화하는 것이다. 또한, 운반 경로 설계 지침서에 따라 곡률반경을 고려하여 운반 경로를 수정한다. 마지막으로, 운반 경로 배치 설계 결과와 노천광산의 경사, 벤치 디자인 결과를 종합하여 3차원 모델을 형성한다. 본 연구에서 제안한 방법을 금광상 지역에 적용한 결과, 트럭 운반 작업 효율성을 증대시킬 수 있는 운반 경로 배치를 설계할 수 있었고, 더 나아가 설계된 운반 경로 배치를 고려하여 광석 및 폐석 운반에 소요되는 트럭 이동 시간을 산정할 수 있었다. 고해상도 수치표면 모델 (Digital surface model, DSM)을 이용하여 Line-of-sight (LOS), 2D Fresnel zone 분석 방법, 3D Fresnel zone 분석 방법을 통해 통신 가능 구역인 Communication viewsheds를 분석하고, 그 결과를 비교하였다. LOS 분석은 송신기와 수신기 사이에 존재하는 지형의 단면 고도와 LOS 고도를 비교하여 visibility index를 계산한다. 2D Fresnel zone 분석은 지형 단면 고도와 Fresnel zone의 단면 하단 고도를 비교하여 2D Fresnel index를 산정한다. 3D Fesnel zone 분석은 Fresnel zone 영역에 존재하는 모든 지형 cell들의 고도와 Fresnel zone의 횡단면 고도를 비교하여 3D Fresnel index를 산정함으로써 통신 안정도를 정량적으로 분석한다. 3가지 방법을 통해 노천광산의 통신 가능 구역을 평가한 결과, 3D Fresnel zone 분석 방법을 적용했을 때 가장 정확한 결과를 도출할 수 있었으며, 송신기 높이 조건, 신호 주파수 조건, DSM 해상도 조건에 따라 발생하는 통신 가능 구역 분석 결과의 차이를 정량적으로 비교할 수 있었다. 노천광산의 초기 무선 통신 시스템 설계 알고리즘은 향후 광산 개발 가능성과 환경적 요인들을 고려하여 다수의 송신기(무선 액세스 포인트) 설치 후보 지점을 선정하고, 송신기와 수신기 사이의 3D partial Fresnel zone을 설정하여 모든 래스터 셀들에 대한 3D Fresnel index를 산정한다. 형성된 3D Fresnel index map을 바탕으로 최적 송신기 후보 지점을 선정하고, 다수의 3D Fresnel index map을 중첩하여 통신 안정성을 최대화할 수 있는 최적 송신기 조합을 결정한다. 제시된 알고리즘을 노천광산 현장에 적용한 결과, 15개의 송신기 후보 지점에 대한 3D Fresnel index map을 형성하고, 이를 바탕으로 최적 송신기 조합을 선정할 수 있었다. 무선 통신 시스템이 설치된 노천 광산을 대상으로 3D Fresnel index map을 형성하여 통신 가능 구역을 분석함으로써 무선 통신 시스템의 설계 적정성을 평가할 수 있었다.

This study presents Geographic Information Systems (GIS) based algorithms for planning and design of haul road layout and initial transmitter layout in open-pit mines. A raster-based least-cost path analysis (LCPA) algorithm is developed, and a new haul road design method applied the LCPA method is proposed. In addition, a novel 3D Fresnel zone method for deriving communication viewsheds is presented and compared with two conventional methods, and a new algorithm for supporting the initial design of a wireless communications systems is proposed. The methods presented in this study can be applied to design efficient haul road layout to minimize the truck movement time by applying the LCPA method to the final pit analysis and bench design data for open-pit mines. Moreover, a new algorithm can be used to evaluate the coverage area of transmitters and to determine favorable combinations of transmitters by generating a 3D Fresnel index map. A least-cost path analysis algorithm that satisfies a slope threshold condition in hilly terrain is developed. The new algorithm uses an expanding moving-window to explore a combination of cells that satisfy an elevation threshold condition and then supplements this by executing cut and fill operations when there are obstacle cells between source and destination cells. Cut and fill factors regarding the difference in the actual elevation and revised elevation are considered and a least-cost path is analyzed after calculating the accumulated travel cost to the destination point. After applying the developed algorithm to synthetic and real-world data, the least accumulated travel cost from the source point can then be calculated for all cells on the raster surface by considering various slope thresholds, moving-window sizes and raster data resolutions. A new method for haul road design in open-pit mines to support efficient truck haulage operations is proposed. The road layout in open-pit mines was optimized by using raster-based least-cost path analysis, and the resulting zigzag road sections were simplified by applying the Douglas-Peucker algorithm. In addition, the road layout was modified by reflecting the radius of curvature suggested in the road design guides. Finally, a three-dimensional model reflecting the results of the road design was created by combining the road layout modification result with the slope of the open-pit mine and the bench design result. The application of the proposed method to an area containing gold deposits made it possible to design a haul road for open-pit mines such that it supported efficient truck haulage operations. Furthermore, the time required for truck movement along the road could be estimated. Communication viewsheds were analyzed with a novel 3D Fresnel zone method, as well as line-of-sight (LOS) analysis and 2D Fresnel zone analysis, using high-resolution digital surface models (DSM) from a topographical survey. A LOS analysis calculates a visibility index by comparing the profile elevations of terrain between the transmitter and the receiver, using LOS elevations. A 2D Fresnel zone analysis calculates a 2D Fresnel index by comparing the profile elevations of terrain with the section plane elevations of the Fresnel zone. A 3D Fresnel zone analysis quantitatively analyzes communication stability by calculating a 3D Fresnel index, obtained by comparing the elevations of every terrain cell in a Fresnel zone with the total altitude of the Fresnel zone. The latter produced the most accurate results. Indexes derived by applying different transmitter offset heights, signal frequencies, and DSM resolutions for each of the three methods were then quantitatively analyzed. As both the offset height of the transmitter and the signal frequency decreased, the differences between the results derived from each method increased significantly. Moreover, larger DSM cells generated less accurate results. In this paper, a new geographic information systems (GIS)-based algorithm is proposed for supporting the initial design of a wireless communications system in open-pit mines. In this algorithm, multiple candidate transmitter (wireless access point) locations are selected considering the probability of further development and environmental factors in the mine. Then, a three-dimensional (3D) partial Fresnel zone between the transmitter and the receiver is defined and its 3D Fresnel index calculated by communication viewshed analysis of topographic data. The initial design for a transmitter layout is then determined based on the 3D Fresnel indices, which are calculated for all candidate transmitter locations. The proposed algorithm was applied to an open-pit mine located in Samcheok-si, Gangwon-do, South Korea. The 3D Fresnel indices were calculated for 15 candidate transmitter locations, and an initial transmitter layout then designed considering favorable combinations of two, three, and four transmitters. The proposed algorithm provided more precise Fresnel index overlay maps for the favorable transmitter candidate combinations than other algorithms based on line-of-sight and two-dimensional partial Fresnel zone analysis. Application of the algorithm to an open-pit mine where a wireless communications system is already installed revealed that the initial transmitter layout design is acceptable in terms of providing reasonable information on the coverage area of transmitters.