Автоматизация графического моделирования для проектирования и планирования горных работ

ВТОРЫЕ ЕРШОВСКИЕ ЧТЕНИЯ ПО ГОРНОПРОМЫШЛЕННОЙ ГЕОЛОГИИ К 60-летию со дня рождения профессора В.В. Ершова

В.М. Трость, доц., к.т.н.,

МГГУ

Автоматизация графического моделирования для проектирования и планирования горных работ

Графическая документация, отражающая различные свойства месторождений полезных ископаемых и горнотехнические условия эксплуатации, т.е. системные параметры горно-геологических объектов, используется на всех уровнях производства и стадиях управления. Разнообразная по содержанию и функциональному назначению геолого-маркшейдерс-кая графическая информация является результатом моделирования объектов и составляет основу для принятия горно-технологических решений.

Эффективная и рациональная отработка залежи полезного ископаемого предваряется хорошей изученностью месторождения. Широко используются графические модели, которые отражают форму, условия залегания залежи, а также пространственную закономерность размещения в ней показателей при любых геологических исследованиях, и сохраняют ведущее значение на всех стадиях геологоразведочных работ. Автоматизация графического моделирования связана, в первую очередь, с формализацией традиционных методов геометризации месторождений и разработкой их машинных алгоритмов и программ. Сложные математические методы интерполяции и аппроксимации геометризуемых признаков, а также более полный учет горно-геометрического анализа геологической информации позволяют в процессе вычислений с помощью ЭВМ повысить достоверность моделирования.

Графическое моделирование -это способ обобщения геологоразведочных, маркшейдерских и технологических данных для проектирования и планирования горных работ. Необходимость получения

информации о форме, ориентации и строении объекта в недрах обусловлена практическими целями. Графическое моделирование - это сложный познавательный процесс. В процессе моделирования месторождений и горных работ используется экспертная информация по аналогичным объектам.

Соответствие двумерных и пространственных моделей объекту изменяется в процессе изучения месторождений и ведения горных работ. Поэтому графическое моделирование является, по существу, адаптивным процессом, в котором получаемая документация постоянно пополняется и корректируется. Использование графического моделирования имеет определенные особенности:

♦ объект моделирования является природным, уникальным по своим характеристикам;

♦ данные по этому объекту дискретные, полученные только в определенных точках изучения месторождения;

♦ по мере развития геологоразведочных и горных работ данные изменяются, уточняются и становятся более надежными;

♦ в процессе проектирования и планирования горных работ происходит совмещение геологических и горнотехнических моделей, степень их адекватности полностью определяет надежность горно-технологических решений.

Использование геолого-марк-шейдерской графической информации на горных предприятиях будет эффективным, если получение этой информации ведется в автоматизированном режиме на основе применения математических методов моделирования и ЭВМ. Математическое обеспечение графического моделирования месторождений и горных работ

должно обладать следующими свойствами: системность (преемственность при смене ЭВМ), обобщенность (ориентация на некоторый класс месторождений), адекватность (приложение к конкретным объектам), комплексность (удовлетворительная стыковка алгоритмов и программ). Эти свойства полностью определяют эффективность реализации алгоритмов. Автоматизация решения гео-лого-маркшейдерских графических задач обеспечивает выполнение основных требований, предъявляемых к системе сбора, организации, хранения, обработки и преобразования информации, а именно, оперативность, наглядность и надежность.

К геолого-маркшейдерской графике относятся документы, выполняемые на стадиях детальной разведки, проектирования, строительства и разработки месторождения. Они составляются по результатам натурных измерений и вычислений и отражают рельеф и ситуацию земной поверхности территории экономической заинтересованности горного предприятия, геологические условия месторождения, качественную и количественную характеристику полезного ископаемого, а также пространственное положение и конфигурацию горных выработок, технологию разработки месторождения.

Графическая документация, отражающая различные свойства месторождений полезных ископаемых и горнотехнические условия, используется на всех уровнях производства и стадиях управления, включая этапы проектирования, планирования и ведения горных работ. Разнообразная по содержанию и функциональному назначению она составляет основу

для принятия технико-экономических решений.

Вся геолого-маркшейдерская информация может быть разделена на базовую и производную. Базовый фонд графической информации формируется на стадии проектирования горного предприятия. Основой для ее составления служат результаты детальной разведки месторождения, а также данных геодезических и маркшейдерских съемок. Производный фонд графической документации создается на действующем горном предприятии по данным доразвед-ки и эксплуатационной разведки месторождения, геологической документации и опробования в процессе эксплуатации, по данным маркшейдерских съемок. Основной объем базовой графической документации составляется по данным детальной разведки месторождений.

Состав исходных данных, необходимых для проектирования, зависит от сложности объекта, геологических и технико-экономических условий ведения горных работ. Наибольшее значение имеет графическая информация, характеризующая размещение запасов полезного ископаемого в карьерном или шахтном поле. Геологические данные должны быть в наибольшей степени обоснованными и достоверными, поскольку используются при обосновании способа и схем вскрытия карьерного (шахтного) поля, систем подготовки и отработки месторождения, его отдельных участков и тел полезных ископаемых, при выборе параметров этих систем и средств механизации производственных процессов. Графика должна с определенной достоверностью характеризовать геологическое строение месторождения, размеры, морфологию и внутреннее строение тел, условия их залегания, пространственное соотношение, изменчивость параметров залежей, вещественный состав и технологические свойства полезного ископаемого. Должны быть представлены материалы геолого-

технологического картирования, являющегося методом изучения и графического представления закономерностей пространственного размещения типов и сортов полезного ископаемого, геотехнологи-ческие карты, планы и разрезы. Результаты подсчета запасов отражаются на графической документации, где показываются контуры подсчетных блоков с указанием категорий и величины запасов полезного ископаемого, их балансовой принадлежности.

Специальные виды графической документации - карты, планы, разрезы - отображают результаты наземных и скважинных геофизических исследований, данные изучения газоносности, гидрогеологических, инженерногеологических, геокриологических, геотермических и других природных условий, определяющих технологию добычи при намеченном способе вскрытия и разработки месторождения.

В базовый фонд графической информации входят ситуационный и топографический планы месторождения, планы расположения пунктов маркшейдерской опорной и съемочной сети на земной поверхности, планы горного и земельного отводов и разрезами к ним, а также документы, характеризующие обоснованные при проектировании способы вскрытия, подготовки и разработки месторождения (сводный план горных работ, планы и проекции горных выработок, планы и разрезы охранных целиков и т.д.).

Геолого-маркшейдерские графические материалы, используемые при проектировании горных работ, должны быть в наибольшей степени достоверными. Неточность отображения данных влечет за собой ошибочные проектные решения по многим элементам технологической схемы горного предприятия.

Производный фонд геологомаркшейдерской графической документации формируется на действующем горном предприятии на основе данных доразведки, доэкс-

плуатационной разведки, геологической документации и опробования при эксплуатации.

При эксплуатационной разведке документация направлена на уточнение запасов по мере их вскрытия, подготовки и отработки. В текущие задачи геологомаркшейдерской службы входят детализация сведений о геологическом строении месторождения, составе и запасах полезных ископаемых для контроля за качеством и полнотой отработки запасов, а также для совершенствования технологии разработки месторождения и переработки минерального сырья.

В результате анализа и обобщения материалов разведки и гео-лого-маркшейдерского обслуживания горных работ на предприятиях составляются следующие сводные графические документы:

♦ погоризонтные геологические планы на маркшейдерской основе, соответствующие по абсолютным отметкам почве эксплуатационных уступов или эксплуатационным горизонтам рудника (шахты);

♦ поперечные и продольные геологические разрезы по профилям детальной и эксплуатационной разведки;

♦ планы опробования горизонтов и залежи;

♦ погоризонтные качественные, сортовые или геолого-техноло-гические планы;

♦ планы опорных горизонтов по обогатимости;

♦ сводные геологические планы карьера, сводные планы эксплуатационных подземных горизонтов рудника (шахты);

♦ планы и разрезы с изолиниями структурно-морфологических качественных и геотехнологических показателей;

♦ сводный технологический план месторождения;

♦ паспорт выемочного участка, паспорт взрыва;

♦ планы горных работ и горных выработок.

Геолого-маркшейдерские графические документы существенно отличаются от других видов техниче-

ских чертежей и, прежде всего, следующими особенностями:

♦ горно-геологические объекты и их составные элементы имеют сложную форму, являющуюся по существу уникальной на каждом месторождении; при этом необходимо соблюдать требования к точности и достоверности изображения;

♦ вследствие постоянного развития горных работ и изменения геологических условий горно-геологические объекты являются объектами динамическими, что требует постоянной актуализации графики;

♦ горнотехнические объекты являются не физическими телами, а пустотами в массиве горных работ, что определяет необходимость соблюдения некоторой условности при отображении.

Широкое применение при построении геолого-маркшейдерской графики находят методы прямоугольного проецирования и ортогональных проекций с числовыми отметками, поэтому план является главным видом (проекцией) изображения. Для лучшего восприятия формы и пространственного положения горно-геологических объектов необходимо применение наглядных изображений, из которых наиболее часто используются аффинные соответствия и векторные проекции, не применяемые в других видах технических чертежей. Процесс автоматизации гео-лого-маркшейдерских графических работ включает в себя математическое моделирование свойств геолого-промышленных объектов, математическое моделирование графических документов и моделирование процесса преобразования информации, полученной с помощью первой модели, в графическую информацию.

В первом случае объектом моделирования является природный объект - месторождение полезных ископаемых или его часть, во втором - графический документ. Имитационное моделирование процесса трансформации модели геолого-промышленного объекта в графическую модель обеспечивает согласованный характер исполь-

зуемых математических моделей. Решение проблемы автоматизированного графического моделирования месторождений связано с разработкой системы математических моделей разного уровня, обеспечивающих адекватное отображение закономерностей пространственного размещения показателей месторождения в виде разрезов, профилей, погоризонт-ных планов, блок-диаграмм и т.д.

Информационная сущность моделирования при автоматизированном выполнении геологомаркшейдерских графических работ заключается в последовательном преобразовании информации о системных параметрах горногеологического объекта на основе базовых математических моделей пространственного размещения показателей месторождения, графических объектов (документов) и процессов визуализации. Принципиальной особенностью математико-графической модели горногеологического объекта являются представление ее в виде совокупности согласованных многоуровневых математических моделей, которые являются удобными для их детализации вплоть до уровня подмоделей, каждая из которых при программной реализации образует самостоятельную единицу (графический примитив), которая может быть отображена устройством графического вывода.

Обычно примитивами являются точки, отрезки прямых, дуги, алфавитно-цифровые и специальные символы. Положение графических примитивов определяется путем задания координат. Использование системы координат позволяет однозначно определять графические элементы последовательностями чисел. Таким образом, описание графического объекта может быть представлено упорядоченной последовательностью описаний графических элементов в определенной системе координат, которая определяет порядок вычерчивания изображения объекта.

Использование современных мониторов позволяет создавать

интерактивные графические системы, в которых построение графических объектов осуществляется в процессе непосредственного взаимодействия человека и вычислительной системы. Одной из важнейших характеристик этих систем является интерактивность - совокупность свойств, обеспечивающих эффективных диалог между человеком и ЭВМ, которая характеризуется временем реакции системы на запросы пользователя. Такие системы позволяют создавать, модифицировать и редактировать графические объек-ты.Запросы к интерактивным графическим системам можно разделить на три уровня:

♦ запросы лексического уровня, которые требуют перестройки изображения графического объекта на экране монитора. Для обеспечения интерактивности они должны выполняться мгновенно;

♦ запросы синтаксического уровня, требующие перестройки изображения объекта проектирования на экране монитора. Эти запросы для ведения эффективного диалога, должны выполняться не более чем за 4-5 с.;

♦ запросы семантического уровня, связанные с обращением к прикладным программам проектирования. Время их выполнения может колебаться в широких пределах и зависит от времени решения основных задач САПР. В этом случае важным параметром является время, необходимое для возврата от задачи проектирования, решаемой в автоматическом режиме, к визуализации (преобразование графического объекта для вывода на экран монитора и сама процедура вывода) результатов и последующему редактированию (при необходимости) изображения. Время не должно превышать 2-4 с.

Чем меньше время реакции системы на запросы всех трех уровней, тем выше ее интерактивность и тем лучше она обеспечивает эффективное участие человека в процессе проектирования. Таким образом, обработка графических данных включает:

♦ построение описаний графических объектов в памяти ЭВМ;

♦ преобразование графических данных для их визуализации;

♦ вывод данных на графические устройства вывода с построением образов объектов;

♦ прием запросов пользователя на преобразование графических данных с целью получения новых графических объектов или вывода новых образов уже созданных объектов.

Основные успехи в создании и применении графических систем связаны с разработкой и внедрением технических и программных средств вычислительной техники. В настоящее время темпы оснащения интерактивными графическими системами очень высоки. Рынок этих систем является одним из самых динамичных среди вычислительной техники вообще. Относительно короткий период развития графических систем обязан бурному прогрессу в области микроэлектроники, созданию персональных ЭВМ большой производительности и средств обработки графической информации. Существует много различных типов графических систем, которые можно подразделить на универсальные, многофункциональные и специализированные. Под универсальными понимаются системы, имеющие в своей основе средства двух и трехмерной машинной графики, в которых адаптация к конкретным областям применения осуществляется путем включения в них пакетов прикладных программ. В специализированных системах машинная графика, информационное обеспечение, а иногда и технические средства жестко связаны с объектом проектирования, отражая его специфику. Кроме того, графические системы делятся на закрытые (tumkey systems) и открытые (integrated systems) системы. Открытые системы допускают участие пользователя в развитии технических и программных средств, а закрытые - либо вообще не допускают своего развития пользователем, либо это связано с большими трудностями.

Появление персональных ЭВМ дало толчок дальнейшему развитию специализированных интерактивных графических систем индивидуального назначения. Они обладают большими возможностями и значительно лучшими технико-экономическими характеристиками и поэтому становятся самыми массовыми специализированными средствами индивидуального назначения в системах автоматизированного проектирования.

Совокупность вычислительной системы и устройств графического ввода-вывода называется рабочей станцией. Ядром любой вычислительной системы на базе ПЭВМ являются либо микропроцессоры традиционной архитектуры (фирмы Intel, Motorola, AMD и др.), получившие название CISC и использующие сложные наборы команд, либо RISC - процессоры, имеющие сокращенный до минимума набор команд. При этом предприняты специальные меры для ускоренного исполнения этих немногих команд. Технология разработки таких микропроцессоров, компьютеров на их основе и математического обеспечения для них, стала называться RISC -технология. Особое место как с технической, так и экономической точек зрения, среди последних процессоров занимает семейство микропроцессоров SPARC (масштабируемая архитектура процессора), разработанное фирмой Sun Microsystems. Рабочие станции с архитектурой SPARC занимают сейчас доминирующее положение на рынке графических рабочих станций и стали фактическим стандартом этого типа станций (как IBM PC - стандарт персональных компьютеров).

Результатом возросшего использования систем графического моделирования явились графические информационные системы (ГИС). Эти системы строятся на принципах разработки систем управления базами данных (СУБД) в сочетании с графическими пакетами программ, присущими САПР. Пакет программ такого рода должен содержать как поисковый язык для извлечения графической информации из ин-

формационной базы, так и программы вывода графической информации. Для ГИС можно использовать комбинацию иерархической и реляционной структур базы данных, интерфейс «человек-машина» с возможностью выбора команд из «меню» или с командным языком, близким к естественному, - т.е. компоненты, которые хорошо отработаны для СУБД, управляющих цифровой информацией. В общем случае, графическая информационная система, построенная как настоящая база данных, должна содержать не только графические элементы, но и связи между ними.

В заключении можно сказать, что важным направлением научнотехнического прогресса в прикладной геологии и горном деле является развитие методов и средств автоматизации геолого-маркшейдерских графических работ, значительно повышающей оперативность, достоверность и точность получаемой информации, надежность последующих технологических решений при проектировании горных предприятий и управлении производством. Решение проблемы комплексного освоения недр с помощью системного подхода на разных стадиях управления и уровнях производства достигается созданием интегрированной системы построения графической документации, характеризующей горно-геологические объекты различных уровней иерархии в процессе их развития.

Дальнейшее развитие информационных систем связано с обеспечением интегрированной обработки различных видов информации, хранящихся в логически едином автоматизированном фонде, созданием многоуровневых распределенных баз данных, применением перспективных видов носителей информации, унификацией и стандартизацией интерфейса «человек-машина», а также с разработкой и внедрением прикладных методов и средств взаимодействия «человек-ЭВМ» в русле решения проблемы искусственного интеллекта.

© В.М. Трость