Введение к работе
Актуальность. Одним из прогрессивны?! направлений в области реструктуризации н деверсификации угольной промышленности крупных промышленных регионов является создание распределенных информационных систем для регионального планирования и управления процессами горного производства.
В связи 'с"этим информационное, программное и техническое обеспечение таких систем претерпевают существенные изменения, заключающиеся в создании распределенной вычислительной среды, которая позволяет оптимально организовать и перераспределить информационные потоки между угледобывающими предприятиями, научно-техническими и управляющими структурами, получающими информацию о деятельности предприятий в оперативном режиме с целью ее анализа и принятия управляющих решений.
Реальным в условиях рыночной экономики становится создание специализированных информационных консалтинговых научных центров, которые, будучи объединенными в региональную вычислительную сеть, дают возможность решения большинства задач по управлению и планированию горных работ на высоком научно-техническом уровне и с экономией значительных средств. Такая сеть позволяет рассредоточить решение крупных, средних и мелких технологических задач, базирующихся на единой концептуальной модели банков данных, использующих математические модели физических процессов горного производства, методы их оптимизации и программное обеспечение на основе распределенных геоинформационных систем.
Разработка таких систем на базе современных телекоммуникационных методов и удаленного доступа обеспечивает создание качественно нового инструмента для обоснования и принятия инженерных решений на базе достижений теории технологии подземной добычи угля, математического аппарата отображения среды и моделей адаптации элементов технологических систем в сложной физико-геомеханической ситуации (ФГС).
Проектирование распределенных информационных систем для автоматизированного регионального управления процессами горного производства прежде всего связано с разработкой автоматизированых систем научных исследований, обеспечивающих разработку базовых элементов информационных распределенных систем на основе общих сетевых моделей, географических информационных систем (ГИС), протоколов передачи данных, специализированных операционных систем для многопользовательской обработки горно-технологических данных в реальном масштабе времени, повышающих достоверность прогноза в оперативном режиме. Такие системы являются одним из основных компонентов интегрированных систем комплексной автоматизации промыш-
ленных предприятий. Процесс регионального управления угольными предприятиями в условиях рыночной экономики можно представить, как процесс его преобразования в ряд автоматизированных подсистем:
Ц = {[ АСНИ ],[САПР],1АСУТП]ЛРАСУП],БД,ГИС,РВС} (1)
где:АСНИ - автоматизированные системы научных исследований; САПР - системы автоматизированного проектирования; РАСУП - региональиые автоматизированные системы управления угольными предприятиями; АСУТП - автоматизированные системы управления технологическими процессами; БД - базы данных (знаний); ГИС- географические информационные системы, РВС-региональные вычислительные сети. Из (1) можно увидеть, что системы автоматизации научных исследований являются одним из основных компонентов распределенной региональной интегрированной автоматизированной системы. Фактически на их основе создается методическое программное и информационное обеспечение остальных подсистем. Решение задачи создания такой системы должно основываться на создании интегрированных распределенных информационных систем и распределенной информационной среды с использованием региональных вычислительных сетей, позволяющих оперативно получать и перераспределять информационные потоки, отражающие как деятельность угольных предприятий, так и процессы управления ими на уровне крупного угледобывающего региона, а также их изменения во времени и пространстве.
Разработка методов построения, анализа, а также синтеза автоматизированных распределенных информационных систем научных исследований как базовой основы для региональных процессов управления угледобывающими предприятиями региона является актуальной научной задачей, решению которой посвящены результаты исследований,' изложенные в диссертации. Работа связана непосредственно.' - с разработкой автоматизированного банка данных "Шахтное поле" (Постановления ГКНТ, Госплана и АН СССР № 492/245 /164 к № 491/244 от 08.12.81 по выполнению целевой комплексной программы О.Ц.027. "Создание и развитие автоматизированных систем АСНИ и САПР" (04.46), и программы 0.80.21. "Разработать и внедрить комплексы типовых прикладных программных средств и автоматизированных систем проектирования АСУ" (06.02.02);
с выполнением Комплексной региональной программы научных исследований и внедрения "Сибирь", раздел "Уголь Кузбасса", и приказами Министерства угольной промышленности СССР от 16.11.79 и № 315 от 24.06.80;
- программой сомпании "Росуголь" по созданию региональной сети передачи данных для угольных предприятий Кузбасса;
программой работ по созданию распределенного кадастра природных ресурсов Семеровской области;
планами фундаментальных и прикладных научных исследований Института угля СО 'АН в 1991-1995 гг.
[елью работы является расширение возможностей анализа, повышение оперативности правления процессами горного производства средствами распределенных интегриро-знных информационных систем
Идея работы заключается в использовании современных систем интерактивной ашинной графики на основе географических информационных систем для простран-гвенно-временного отображения ФГС с последующим перераспределением информа-ионных потоков средствами сетей передачи данных в целях оперативного динамиче-кого управления угледобывающими предприятиями.
Задачи исследований : исследовать принципы создания распределенных информационных систем на основе современных телекоммуникационных технологий и интегрированных графических систем для управления предприятиями угольной промышленности ; обосновать и разработать структуры интегрированных распределенных банков данных на основе современных теорий и моделей горного производства и ФГС; разработать основные положения создания базовой интегрированной распределенной системы научных исследовании для автоматизированного сбора хранения и обработки горно-технологической информации, необходимой для оперативного регионального управления угледобывающими предприятиями в условиях реструктуризации угольной промышленности;
исследовать основные математические модели для описания природных факторов ФГС в целях их использования в распределенных геоинформационных системах; разработать методы распределенной оперативной обработки горно-технологической информации на основе ГИС;
разработать компоненты математического, программного и информационного обеспечения для базовой распределенной автоматизированной системы научных исследований, ориентированной на региональное управление угольной промышленностью.
Методы исследований. Для разработки и исследования распределенной информа-іионной системы решения задач горного производства были использованы комплексы іатематических методов, включающих:
модели и алгоритмы машинной графики, конструктивной и вычислительной геометрии, комбинаторной топологии, общей теории множеств и обработки изображений,
предназначенные для интерактивного анализа и синтеза ФГС, оперативной обработки геомеханической информации;
методы аппроксимации сплайн-функциями, теория цифровой фильтрации, вероятностно-статистические методы, численные методы механики сплошной среды - для идентификации моделей и определения оптимальных параметров пространственно-временного распределения природных факторов ФГС;
теория интегральных сетей и алгоритмы управления передачей данных- для разработки топологии сети и конструирования баз данных;
методы создания географических информационных систем и теоретические основы информационных процессов -для создания распределенной информационной среды на основе систем машинной графики.
Научные положения, защищаемые в диссертации и разработанные лично соискателем, заключаются в следующем:
топология и метрика базовых элементов, состояний и ситуаций ФГС позволяет осуществить декомпозицию сложной горно-технической обстановки с учетом конкретных горно-геологических условий;
синтез ФГС из базовых элементов реализуется на основе принципов суперпозиции и рекуррентности графических образов и сцен, обеспечивающих возможность динамического (послойного) представления основных компонентов горно-технологического комплекса горнодобывающих предприятий;
множество геометрических и физических характеристик, описывающих свойства массива горных пород, позволяет определить динамику их состояния отображением множества формальных графических моделей (карт, схем, сцен, слайдов, геомеханических изображений) в рамках распределенных географических информационных систем;
точность прогноза изменчивости природных факторов и оценки состояния ФГС зависит от условий залегания и сложности горно-технической обстановки;
объединение средств, методов, алгоритмов и моделей автоматизированной обработки горно-технологической информации в распределенной информационной системе позволяет осуществлять интегрированную обработку расчетных и экспериментальных данных в целях повышения оперативности и достоверности их анализа;
перераспределение информационных потоков средствами интегрированных информационных систем позволяет повысить оперативность регионального управления угледобывающими предприятиями;
корпоративные вычислительные сети, формируемые на основе интеграции информационных потоков угольных предприятий, позволяют существенно упростить решение сложных задач горного производства;
создание специализированных консалтинговых центров, формируемых на основе перераспределения информационных потоков, дает возможность улучшения управления процессами горного производства за счет детального анализа ФГС горнодобывающих предприятий.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: значительным (до 700 массивов) объемом проанализированных по данным геомеханических расчетов, разведочных скважин и шахтных замеров;
высокой (до 90%) сходимостью результатов пространственного моделирования природных факторов ФГС с фактическими данными, полученными по шахтам Кузбасса, Донбасса, ПНР и НРБ;
опытно-промышленной проверкой программного обеспечения в составе подсистемы ОАСУуголь банк данных "Шахтное поле" и подсистемы САПРуголь "Горнотехнологический комплекс угольных шахт", а также в отдельных задачах шахтного уровня;
опытно-промышленным внедрением интегрированной системы передачи данных в современной системе угольной связи угольных предприятий Кузбасса; созданием информационной модели распределенного электронного экологического атласа Кемеровской области;
корректным и комплексным использованием алгоритмов и моделей интерактивной машинной графики, вычислительной и конструктивной геометрии, комбинаторной топологии, теории аппроксимации, общей теории систем, методов дискретной математики , географических информационных систем.
Научная новизна. Предложен новый подход к пространственно-временному моделированию ФГС средствами современных телекоммуникационных систем и ГИС, за-лючзющейся:
в методе дискретного цифрового моделирования объектов ФГС на основе единой метрики и топологии, разработанном для отображения конкретных горно-геологических условий и связанных сними во времени процессов горного производства; в исследовании и разработке структуры интегрированных распределенных баз данных на основе технологии корпоративных сетей, позволяющих осуществлять структурированное хранение, регламентированный вызов и интегрированную обработку комплексов природных факторов ФГС;
в разработке структуры распределенной интегрированной информационной системы на основе региональных вычислительных сетей;
в исследовании современных программных средств создания корпоративных сетей передачи данных для угольных предприятий на основе систем телекоммуникаций;
- в разработке методики сбора и получения оперативной информации о пространст
венно-временном распределении горно-технологических показателей, основанной на
распределенных ГИС;
в сформулированном принципе последовательной обработки графической информации для интеграции автоматизированных систем обработки геомеханической информации;
в лбословании методов распределенной региональной обработки данных на основе интеграции корпоративных сетей и ГИС. .
Личный вклад автора состоит:
в установлении закономерности топологического и метрического гомоморфизма стандартных (базовых) элементов ФГС средствами современных распределенных ГИС;
в применении принципов суперпозиции и рекуррентности графических образов и сцен для синтеза моделей ФГС из базовых моделей;
в разработке, обосновании и исследовании методов автоматизированной обработки горно-технологической информации средствами распределенных информационных систем;
в.разработке применён компонент математического обеспечения для распределенных информационных систем на основе глобальных региональных вычислительных сетей и интегрированных баз данных;
в установлении особенностей применения дискретных аппроксимационных моделей для описания пространственного распределения и моделирования природных факторов пластовых месторождений;
в исследовании и разработке методов создания распределенных информационных систем для оперативного регионального управления угледобывающими предприятиями;
в исследовании и разработке структур распределенных баз данных и организации удаленного доступа к ним с помощью современных систем телекоммуникаций;
в обосновании основных методов и принципов создания интегрированных корпоративных сетей передачи данных на угледобывающих предприятиях;
в создании концепции перераспределения информационных потоков за счет формирования специализированных консалтинговых центров, ориентированных на оперативную обработку горно-технологической и другой информации;
в разработке структуры интегрированной системы передачи данных для современной системы угольной связи связи, реализующей региональное перераспределение информационных потоков;
в разработке методов удаленного доступа к базам данных горно-технологической информации на основе современных протоколов передачи данных и корпоративных вычислительных сетей.
Практическая ценность. Результаты проведенных исследований позволяют:
увеличить оперативность и достоверность автоматизированной распределенной системы обработки горно-технологической информации за счет применения ГИС и распределенных систем на основе региональных сетей передачи данных;
создавать новые информационные системы для представления горно-технологической информации, обеспечивающие комплексный анализ ФГС;
разрабатывать средства динамического моделирования физических процессов на основе представления их графическими образами и сценами с последующей интерактивной корректировкой;
создавать средства для автоматизированного хранения и оперативного поиска значительных объемов данных, получаемых на основе точечных замеров различных природных и геомеханических факторов;
разрабатывать специализированные распределенные системы на основе глобальных сетей передачи данных для интеграции автоматизированных систем обработки горнотехнологических данных;
разрабатывать информационные мониторинговые системы, применительно к конкретным горно-техническим условиям угольных шахт;
проводить разработку и исследование практических систем интегрированной обработки геомеханических данных .
Реализация работы. Результаты работы были использованы при оценке горногеологических условий в проектах шахт "Зыряновская", ш. "Ярославского", ш. "Первомайская", ш. "Березовская", ш. "Красногорская", ш. "Распадская", построению полей горно-геологических показателей по ш. "Высокая" п/о "Южкузбассуголь"; оценке результатов замеров смещений поверхности, оценке энергии сейсмических явлений и деформаций по горизонту для железнорудного месторождения Таштагольского рудника, разработке программного обеспечения для решения технологических задач по ш. "Бутовская" и "Северная"; ,
Разработанные модели, алгоритмы, программное и методическое обеспечение получили практическое применение в ряде проектных институтов ("Кузбассгипрошахт" Минуглепрома СССР ."Норильскпроект" Минцветмета СССР), ВУЗах горного профиля и других организациях:
в методике автоматизированного проектирования подсистемы САПРуголъ "Горно-технологический комплекс угольных шахт", утвержденной ВО "Союзшахтопроект" 04.08.87;
в подсистеме ОАСУуголь банк данных "Шахтное поле", сданной в отраслевой фонд алгоритмов и программ Минуглепрома СССР;
в программных средствах графических интерфейсов, сданных в "Центрпрограмм-систем" г. Калинин и используемых в 1988 г. в 62 организациях страны;
в разработке интегрированной системы передачи данных для угольной промышленности Кузбасса;
в методических материалах по созданию распределенного кадастра природных ресурсов Кемеровской области;
при развертывании регионального узла сети Релком и его информационном наполнении;
при создании распределенной автоматизированной системы научных исследований в Кемеровском научном центре СО РАН;
при создании корпоративной сети прнродоресурсных комитетов Кемеровской области.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и были одобрены на IV-VII семинарах по оптимизации горных работ (г. Новосибирск, г. Кемерово 1979-1985 г.г.), III, V и VI Всесоюзных конференциях по машинной графике (г. Новосибирск, Протвино 1981, 1987 г.г., Новосибирск 1989 г.), IV, VI Всесоюзном семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (г. Новосибирск, 1984, 1988 г.г.), на Всесоюзной научной конференции "Актуальные проблемы организации и управления в горном производстве" (г. Москва, 1986 г.), VII международном маркшейдерском конгрессе (г. Ленинград 1988 г.), на семинаре по графическому обеспечению САПР (г. Челябинск, 1980 г.) на I и II Всесоюзных семинарах "Информатика недр" (г. Кемерово, 1987, 1989 г.г.), на научных семинарах в Главном бюро горных проектов (г. Катовице ПНР, 1988 г.), в исследовательском центре горного давления (г. Тайань КНР 1989 г.), на 9 и 10 Всесоюзных конференциях по механике горных пород (г. Фрунзе 1988, 1989), на Всесоюзном совещании по гибким автоматизированным системам, (г. Калинин 1986 г.) , на Всесоюзном совещании по САПР (ВДНХ г. Москва 1986 г.), на Международном симпозиуме по горной механизации и управле-
ию (Швеция 1993 ), на 1-ом региональном симпозиуме АРСОМ (1994 г. Словения), на ісесоюзной конференции по информационным технологиям в горном деле Екатеринбург, 1996 г.), на 26 Международном Симпозиуме по применению ЭВМ мате-іатических методов в горных областях промышленности (АРСОМ) (США , 1996 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе одна монорафия.
Объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка итературы, содержащего 76 наименований и приложений. Общий объем работы траниц , в том числё<(Страниц основного текста;*рйсунков и таблиц.
Автор выражает глубокую признательность за ценные консультации в ходе овместной многолетней работы д. т. я., профессору Вылегжанину В. Н., к. т.н. Витковскому Э.ИТ]
Благодарит член-корр. РАН Гриико Г. И за интерес и поддержку данной работы, а акже сотрудников лаборатории распределенных информационных систем Института тля СО РАН за помощь в оформлении результатов работы.
