Объектно-ориентированное моделирование горнопромышленных систем

© В.М. Шек, 2002

УДК 65:001.57

В.М. Шек

ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ

С

уществует тесная взаимосвязь между исследуемыми объектами и процессами, которую необходимо учитывать при моделировании.

Любой объект исследований, находясь во взаимосвязи с окружающим миром (другими объектами), изменяет свои свойства и параметры во времени. Эти изменения могут быть «быстры-ми» или «медленными», «больши-ми» или «маленькими», «плавны-ми» или «скачкообразными». Обычно величину изменений определяют относительно некоторых эталонных «неменяющих-ся» объектов в рамках некоторого временного периода. Так, если рассматривать изменения свойств горных пород в период проведения разведочных работ, то в большинстве случаев можно говорить об их незначительности, стационарности. Если же эти же свойства рассматривать на протяжении одного или нескольких геологических периодов, то здесь такие изменения будут чаще всего ощутимыми, значительными. Многие процессы, «текущие в геологическом времени», могут значительно ускоряться при наличии антропогенных факторов. Особенно ощутимо это при добыче полезных ископае-мьпСказанное выше позволяет акцентироваться на разномасштабности временных интервалов, используемых при моделировании разнообразных геологических, горнодобывающих и обрабатывающих процессов. При этом следует отметить необходимость учета этого при совместном рассмотрении нескольких процессов, имеющих различные «скорости течения»,

т.е. резко отличающиеся интенсивности изменения определяющих факторов.

Одни и те же объекты могут претерпевать изменения одновременно в нескольких процессах, причем различных как по своей природе, так и по интенсивности их протекания. Поэтому при моделировании какого-то определенного процесса с объектами одного класса следует учитывать возможность изменения свойств и параметров этих объектов «внутри» другого (вместе с сопряженным) процесса.

Например, при рассмотрении полезных компонентов конкретного элементарного блока рудного тела при его разведке, добыче и обогащении руды из этого блока мы можем построить последовательный ряд моделей для этого объекта (А, Б и В на рис. 1). Если же рассматривать процесс добычи полезных ископаемых из некоторого количества блоков (объектов), то может оказаться, что их параметры (влияющие на характеристики моделируемого процесса) значительно отличаются (объекты Бн, Б и Бс на рисунке). Так, блок Бн может залегать в «спокойном», ненарушенном участке месторождения, блок Б иметь тектонические нарушения, а блок Бс может быть подработан перед его выемкой при ведении горных работ на нижнем горизонте. Поэтому модели процесса добычи для этих объектов будут иметь существенные отличия.

Кроме того, модели одного и того же процесса (например, добычи) для одного и того же объекта могут иметь различную природу и степень адекват-

вительных явлений в зависимости от индивидуальности исследователя (субъекта) и уровня накопленных знаний на момент формирования модели (модели б, Б и Бб на рисунке). Так, сложный процесс механизированной выемки угольного пласта по мере роста степени его формализации (составляющих его процессов) вначале исследовался больше на физических моделях (б), затем использовались эмпирические (статистические) модели (Б), далее началось использование имитационного моделирования на ЭВМ (Бб).

Из вышеизложенного вытекает, что с позиций системного подхода не может быть незыблемых универсальных моделей объектов или процессов: все модели должны строиться для конкретного времени, конкретной совокупности объектов и процессов с использованием накопленного на этот момент уровня знаний об этих объектах и процессах.

Модели должны иметь градацию по уровням иерархии и областям (классам) внутри этих уровней.

Модели определенного класса, как правило, должны легко адаптироваться как по месту приложения (привязка к условиям конкретного месторождения этого класса), так и по рассматриваемой совокупности объектов и процессов (композиция и декомпозиция моделей).

Рис. 1. Взаимосвязь моделируемых объектов и процессов

ности описания дейст-

Горное производство имеет свои особенности работы с объектами. Все месторождения проходят подобные по сути стадии работ по их разведке и эксплуатации, содержат похожие внутри каждого класса добываемые полезные ископаемые. Так, на рис. 2 показаны основные стадии работ по разведке и эксплуатации месторождений полиметаллических (свинцово-медноцинковых) руд, переработке последних и последующему использованию основных металлов. Даже по такой простой схеме можно сделать вывод о большой вариабельности возможных

траекторий реализации совокупности процессов добычи, получения и использования полезных ископаемых из одного месторождения. И в связи с тем, что, как было указано выше, в природе нет двух одинаковых месторождений, моделирование жизни каждого из них является по сути уникальным.

При моделировании же жизни нескольких месторождений (в рамках региона, подотрасли, отрасли и т.д.) «в одном масштабе» времени для всей совокупности стадий производства число вариантов растет в степенной

зависимости. Даже самые высокопроизводительные вычислительные средства не в состоянии обеспечить имитационное моделирование таких систем с использованием «одномасштабных» моделей всех стадий производства. Здесь рационально использовать «разномасштабные» иерархические модели с возможностью подбора необходимого масштаба моделируемых событий на каждом уровне иерархии производства.

Из рис. 2 видно, что процесс добычи является ключевым в работе с месторождением полезных ископае-

Уровень

работ

Размещение элементов

Изменение

Этап

Подэтап

6

4

2

А

В

Сі

С

Сиі1 Сиік сч О о. сч 3 о Сип1 , С и 3

Сиі Си2 О и 3

к і і к і к

РЬі

РЬх

Сиі

I

Си

Сип

РЬ

/ /

Ag, Аи, ... РЬ 7п

\

Р

п-ричные изделия

Вторичные изделия

Первичные изделия

Металлообработка

Метал-

лургия

Катодная

Черновая

Обогащение

Добыча

К

1_

О

с;

о

0

Эксплуатационная

разведка

Детальная разведка

Предварительная

разведка

Поисковооценочные работы

Поисковые работы

Г еологическое изучение, съемка

5

3

1

Рис. 2. Стадии работ с полезными ископаемыми

мых. На этом этапе завершается детальное описание элементов месторождения, окончательно уточняются его запасы. Проверяется и корректируется геологическая модель месторождения в процессе проектирования, строительства и эксплуатации его горного предприятия (для больших месторождений - нескольких предприятий). Горняки и шахтеры непосредственно «прикладывают руку» ко всем элементам месторождения, поэтому знают его досконально.

С другой стороны, обогатители и металлурги имеют дело с извлеченной горной массой или промпродук-тами, а не с элементами месторождения. Зачастую они получают сырье и промпродукты с нескольких месторождений одновременно. Поэтому в моделировании месторождений они прямого участия не принимают. Последующие переделы обработки металлов и других полезных ископаемых, производства из них все более усложняющейся продукции могут и не знать, из каких месторождений они получены.

Описанные ранее исследования позволяют сделать вывод, что на стадии геологических исследований месторождения рационально останавливаться на построении его геологической модели с подсчетом выявленных ресурсов полезных ископаемых. Построение горно-геологической модели месторождения с подсчетом запасов полезных ископаемых следует производить при проектировании для его отработки горного предприятия. Эта модель и, соответственно, запасы будут уточняться и использоваться на всех последующих этапах строительства и эксплуатации этого горного предприятия. С самого первого варианта модели в ней будут использоваться данные последующих стадий обогащения, металлургии и переработки для выявления экономически целесообразных для извлечения участков месторождения и подсчета запасов полезных ископаемых в них.

Составление нескольких вариантов модели и необходимость их многократной корректировки требуют создания универсальных методов их формирования. При этом необходимо обеспечивать возможность быстрого пересчета запасов полезных ископаемых.

Большинство используемых в настоящее время моделей горного производства (в том числе имеющих модульное построение) имеют закрытую архитектуру и не предусматривают объединения с другими моделями (или их модулями) для проведения совместного моделирования. То есть их внешний модуль (оболочка) не имеет интерфейса для объединения с другой моделью (ее внешним модулем), чтобы стать одним из «внутренних» модулей комплексной модели.

Внешний интерфейс этих моделей, как правило, не стандартизован, поэтому результаты, полученные с использованием одной модели, не могут быть использованы в другой. Например, если мы создадим какую-либо модель поверхности в ГИС Атс/ЮТО, то результирующую информацию нельзя будет использовать в ГИС GeoDraw/GeoGraf без значительных ее преобразований и дополнений. Даже при наличии программ-конвертеров не все элементы описания (особенно атрибутивные) будут однозначно переведены в новый формат.

Для моделей же разной природы, еще и реализованных разными методами, эти несовпадения будут гораздо ощутимее, вплоть до полного неприятия передаваемых данных.

Поэтому первой задачей при осуществлении декомпозиции большой горнопромышленной системы на составляющие элементы (подсистемы, объекты) является разработка концепции взаимосогласованного моделирования функционирования этих элементов с целью получения совокупности «объектных» результатов, дающих в комплексе полную оценку функционирования системы в целом.

Концепция взаимосогласованного объектно-ориентированного моделирования горного производства базируется на системном подходе и строится с использованием следующих принципов:

• иерархичность и стадийность моделей;

• масштабируемость среды моделирования;

• единство информационной среды;

• сонаправленность (согласованность) целей;

• пространственное структурирование элементов моделей;

• унификация методов составления (синтеза) моделей.

Количество уровней иерархии (мощность множества I) и стадий производства (мощность множества J) зависит от стратегии рассмотрения (масштаба) большой системы (БС) «Горное производство» (или «Добыча и потребление минеральных ресурсов»). При более скрупулезном рассмотрении функционирования БС принимается более мелкий масштаб (большее число уровней иерархии или стадий производства или того и другого вместе), при укрупненном представлении структуры БС (как правило, согласованно с увеличением размерности этой системы) - более крупный масштаб.

Например, если рассматривать добычу и потребление ресурсов в мире, то наиболее часто используется следующее распределение уровней иерархии:

1. Месторождение ^ 2. Страна ^3. Континент ^ 4. Мир

Возможны также случаи использования «переменного масштаба» при моделировании. Например, часть уровней иерархии принимается «мелкого» масштаба, другая - «крупного» масштаба.

Наличие масштаба ощутимо и при рассмотрении цепочек последовательных стадий - «монопроцессов» при описании сложного (составного) технологического процесса.

В исследованиях и системах управления наиболее распространены «мономодели» М^ , описывающие поведение одного или нескольких взаимосвязанных объектов одного уровня иерархии в рамках одного технологического процесса. Например, перемещение воздушных и газовых потоков в пределах выемочного участка.

Далее по частоте использования идут «составные» модели, объединяющие объекты двух или более стадий одного уровня иерархии или двух и более уровней иерархии одной стадии производства.

Следующую группу составляют сложные модели, объединяющие «мономодели» нескольких уровней иерархии и нескольких стадий производства. При этом следует отметить, что такие модели обязательно «занимают» прямоугольную область в пространственной решетке без пропусков ячеек на границе и внутри нее. Нали-

чие таких пропусков в реальных моделях свидетельствует о наличии системных ошибок при их построении.

И последнюю группу составляют еще более сложные модели, представляющие как бы «склейку» из нескольких моделей предыдущего типа в случае описания ветвящихся и (или) параллельных процессов. «Склейка» производится по месту разветвления или (и) слияния процессов. Здесь также полная модель должна иметь одинаковое количество уровней иерархии в любом своем сечении по оси «Процессы» и одинаковое число стадий производства на любом уровне ее иерархии.

Построение сложных моделей невозможно, если их элементы не будут находиться в единой информационной среде.

В связи с тем, что в сложных моделях составляющие их субмодели порождают и обмениваются информацией, можно говорить об информационной модульности сложных моделей. По общему определению, информационная среда - это информация о предметной области, не зафиксированная явно в информационной системе, но применяемая пользователями. Под информационной системой в данном контексте мы понимаем совокупность информационных моделей-модулей, объединенных информационными связями. Тогда информационный модуль - это элемент логической структуры вычислительной системы (слож-ной модели), описывающий информационно-

вычислительные процессы (в рамках субмодели) и их взаимодействие с информационной средой этой системы.

Информационная модульность характеризует степень зависимости модулей (субмоделей) друг от друга по информации. Каждый модуль имеет поставщиков информации (другие модули или внешняя среда) и одного или нескольких потребителей информации.

Фактически каждая субмодель является информационным процессором, выполняющим функции порождения и потребления информации (сообщения, данные), передаваемой через информационную среду.

Информационная среда обеспечивает межмодульный информацион-

ный интерфейс. Этот интерфейс должен быть прозрачным в целях повышения эффективности функционирования отдельных модулей и системы в целом. Прозрачность интерфейса достигается за счет задания стандартного сопряжения моделей, не требующего использования каких-либо дополнительных управляющих процедур для передачи данных через него другим моделям (пользователям). Другими словами, интерфейс между субмоделями следует организовать с применением единообразных специальных интерфейсных средств по преобразованию передаваемых данных, что делает его логически незаметным для пользователя.

Под единством информационной среды понимается наличие единообразного информационного интерфейса между модулями (субмоделями). Известно, что сложная система строится путем объединения моделей-модулей с помощью информационных связей. В динамических системах, к которым относятся рассматриваемые нами объекты, отдельные информационные связи могут видоизменяться, исчезать, появляться. Но между любыми двумя смежными модулями большой модели всегда должна быть хотя бы одна информационная связь. Это положение является вторым условием единства информационной среды.

В целях повышения эффективности использования сложных моделей рекомендуется третье условие - единство «внеш-него» и «внутреннего» интерфейса модулей. Под внутренним интерфейсом следует понимать совокупность средств и правил, обеспечивающих информационное взаимодействие элементов субмодели. Для однозначного понимания и эффективного использования информации во всех моделях должны использоваться одни и те же правила представления и обработки (формирования, передачи, приема, преобразования и т.п.) информации. Причем эти правила должны соблюдаться как при работе с ней «внутри» модели, так и при межмодельном обмене ею. Это позволяет сделать модели однородными с информационной точки зрения, упростить и сделать безошибочной их «инфор-мационную стыковку».

Принцип единства информационной среды совместно с принципом со-

гласованности (единства) целей являются объединяющим началом, мотивирующим соединение (связывание) отдельных объектов (моделей) в единое целое, в систему. Они также позволяют сформулировать критерии ограничения (установления границ) рассматриваемой системы от окружающего мира.

Из приведенных выше рассуждений следует, что базой для определения согласованности подцелей частей системы является конечная (общая) ее цель. Тогда под сонаправленностью целей любых двух подсистем будем понимать степень соответствия мотивации (целенаправлен-ности) их действий (процесса) при совместном функционировании для достижения наилучшего конечного результата системы в целом.

Для большинства сложных систем важным фактором является взаимное пространственное расположение их элементов. Как уже указывалось ранее, для горных предприятий этот фактор является одним из основополагающих. Начиная с ранних стадий геологоразведочных работ, главное внимание уделяется определению формы и размеров, строения и морфологии тел полезных ископаемых, параметров вмещающих пород, подземных вод и т.д. В основном эти факторы влияют на проектные решения по вскрытию и выбору технологии отработки месторождения при создании горного предприятия. Все работы при его эксплуатации также выполняются с учетом пространственного расположения взаимодействующих элементов систем.

Естественно, что этот фактор учитывается при всех видах моделирования горного производства. Использование иерархических моделей привносит своеобразие в пространственное структурирование элементов. Необходимо одновременно учитывать как взаимное их расположение в пространстве, так и принадлежность к тому или иному уровню иерархии системы.

В «простых» системах (напри-мер, «очистной забой»), где все элементы относятся к одному уровню иерархии, при построении модели пространственные параметры рассматриваются как бы «в одном масштабе», без каких-либо ограничений на использование.

В сложных системах, имеющих несколько уровней иерархии (например, система «добычной участок», включающая несколько очистных забоев), построение модели происходит в несколько этапов.

Вначале строятся субмодели нижнего уровня иерархии («очист-ной забой») с использованием пространственных параметров входящих в них элементов. Эти параметры как бы комплексиру-ются в состав субмоделей.

Затем строятся модели следующего (вышестоящего) уровня иерархии, куда в качестве элементов входят построенные субмодели. Здесь уже учитываются «обобщенные» пространственные параметры этих субмоделей и пространственные характери-

стики элементов данного уровня иерархии, еще не включавшихся до этого в модель, а также взаимное пространственное размещение всех названных элементов.

Если есть еще вышестоящие уровни иерархии, то описанный шаг повторяется до достижения самого верхнего из них.

Согласованное использование описанных принципов позволяет превратить создаваемые иерархические модели в открытые системы. Получаемые модели имеют модульное строение, могут легко наращиваться или усекаться. Для их унификации необходимо лишь разработать соответствующее количество стан-

дартных интерфейсов для использования в конкретных условиях.

Процесс синтеза композитной модели из однотипных элементов-моделей и использованием стандартных интерфейсов должен проходить в унифицированной среде моделирования с применением специального аппарата (механизма) их объединения («конструктора»).

Применение разработанной концепции взаимосогласованного моделирования позволит наиболее полно использовать системный подход при изучении и управлении различными системами горного производства, его взаимодействия со смежными отраслями.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Шек Валерий Михайлович — доцент, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.