Структура и технические средства горной информатики

Структура горной информатики включает в себя следующие составные части: экспериментальную, которая реализуется через наблюдения, измерения контроль объекта; вычислительную, которая связана с использованием программноалгоритмических компьютеризированных средств обработки информации, моделей и математических методов анализа банков данных и знаний; аналитическую, обеспечивающую подготовку альтернатив управляющих решений и суждений.
Для каждого горного объекта или явления информация, даже отдельно взятая по любому аспекту его изучения и оценки, представляет значительный массив исходных данных, промежуточных и конечных результатов.
Количество точек и значений параметров, характеризующих форму, структуру и содержание (состояние) объекта, является показателем информационной плотности, которая может быть определена в целом для объекта или в виде удельных величин, т.е. по количеству точек и значений, отнесенных на единицу площади, объема или длины, например на 1 га площади земельного отвода горного предприятия, на 1 млн м3 объема карьера, на 1 км длины транспортных коммуникаций и т.п.
Показатели информационной плотности могут служить для информационной оценки объекта, сравнения способов моделирования, определения степени полезного использования первичной информации на различных стадиях ее переработки. Информационная плотность характеризует во многом трудоемкость подготовки данных, стоимость хранения и переработки информации. Выделены три вида плотности: теоретическая, определяемая расчетом из условия достижения высокой степени приближения математической модели к реальным условиям; фактическая, т.е. исходная, получаемая в результате инструментальных измерений, съемок; практическая, используемая в графических и математических моделях.
В процессе переработки информации один ее вид переходит в другой. Так, первичными данными, характеризующими форму залежей и другие параметры месторождений, являются результаты геологической разведки (в частности, пробы по скважинам), которые представляют в форме списков и таблиц чисел. Затем для практических целей эти данные трансформируют в геологические разрезы и погоризонтные планы, т.е. в геологические графические модели, в результате чего изменяется значение показателя информационной плотности.
Для автоматизированных расчетов графические модели преобразуются в математические, т.е. вновь приобретают числовую форму. Если плотность первичных данных составляет около 800-500 чисел на 1 млн м3 горного отвода, то в графических и блочных математических моделях, построенных на основе погоризонтных планов и геологических разрезов, она составляет 30-100 чисел, т.е. в 5—10 раз меньше. Поскольку математические модели идентичны графическим (погрешность обычно не более 2—5 %), последние также характеризуются аналогичными показателями геоинформационной плотности.
Таким образом, как геологические разрезы и погоризонтные планы, так и основанные на них модели далеко не полностью используют фактическую, т.е. первичную информацию, полученную в результате разведки и, следовательно, представляют формы и качество залежей месторождения в весьма упрощенном виде, внося тем самым в построенные на моделировании выводы и решения задач дополнительную неопределенность, связанную с обработкой первичной информации.
Несмотря на многофакторность и разномасштабный характер получаемых и используемых данных, структура горной информатики должна отвечать требованиям организованности, адаптивности и эффективности. Организованность здесь - это способность поддерживать целесообразную автономию частей целого в изменяющихся условиях освоения недр и производства работ для сохранения им своей внутренней упорядоченности в обработке информации. Адаптивность - способность поддерживать адекватное отображение реально изменяющихся явлений и поведения различных объектов посредством введения баз данных, классификаторов информации и форм документов. Под эффективностью понимается отображение свойств в части способности оценивать результативность выполнения им поставленных целей управления.
Познание объектов и процессов реализуется путем наблюдений, измерений и контроля. При наблюдении объект изучают в условиях, исключающих воздействие на него со стороны исследователя. Измерения и контроль предполагают: выбор системы опознания - отождествление объекта с одной из возможных его моделей; использование определенных методов и средств, позволяющих оперировать исследователю числом, функцией или суждением; передача этой информации от источника сообщения к пользователю.
Процесс получения любой информации базируется на информационной теории измерения, которая рассматривает данный процесс как совокупность ряда последовательных измерительных и других преобразований. При этом величина выходного сигнала (конечного результата) зависит от свойств и параметров его составных элементов, т.е. сигналы от источников сообщения регистрируются в условиях наложения помех. Этот процесс можно представить в виде информационной модели: параметры геологического или любого другого объекта (явления)-результаты измерений-результаты интерпретации.
Эффективность измерений связана также с числом одновременно регистрируемых показателей, количеством и характером помех. Для качественной оценки эффективности измерений и интерпретации вводят меры оптимальности решений: меры точности, меры надежности, показатели сравнительной эффективности. Важнейшим показателем при измерении и интерпретации является чувствительность результата измерения или интерпретации к вариации какого-либо параметра информационной модели. Отсюда и информативность экспериментального метода познания.
Информацию, собранную по результатам измерений и контроля, а также содержащуюся в литературных источниках, отчетах предыдущих работ и в архивах, относят к накопленной, а информацию, полученную непосредственно при проведении опытных работ, - к оперативной.
Различный характер информации обусловливает различные системы сбора и регистрации. Если при разовом оперативном контроле регистрация показаний прибора ведется посредством записи в журнал или на другие бумажные носители, то для непрерывных длительных измерений большую роль играет приборная запись информации аналоговым способом (на бумажные и магнитные носители - перфоленты, перфокарты, магнитные ленты, диски). Компьютеризация измерений привела к цифровому способу записи информации.
Для многих методов изучения горных пород и массивов (геомеханических процессов) широко применяют цифровую регистрацию с аналого-цифровым преобразованием сигнала. При этом используют современный путь преобразования сигналов путем квантования по уровню (кодирование амплитудных значений) и квантование по времени (дискретизация).
Сбор информации о свойствах и состоянии недр представляет собой систему последовательного накопления данных с применением широкого набора методов получения информации: космического, аэрофотофизического, геодезического, собственно геофизического, геологических съемок, бурения, каротажа, документации и анализа керна, скважинной, межскважинной и подземной геофизики, разведочных и эксплуатационных горных выработок.
Каждый из перечисленных методов представляет собой группу способов измерения, сбора, хранения и обработки информации, имеет свою систему понятий и терминологии. Это ведет к возникновению огромных информационных массивов, с которыми может справляться лишь информационно-вычислительный комплекс (ИВК). Так, при проектировании угольных предприятий в состав исходных геоданных входят более 25 показателей о породах, угольном пласте и углевмещающем массиве.
Процесс обработки информации включает четыре последовательные стадии: первая (начальная), цель которой - создание в машинной памяти цифровых моделей наблюденных полей с учетом их привязки; вторая - содержательная обработка с качественным и количественным анализом информации; третья - интерпретация данных (по методу и в комплексе); четвертая - формирование архива с целью многократного использования данных для переработки, возможной новой интерпретации и обобщения.
Организация и оптимизация любых работ с большим объемом многофакторной информации, используемой в различные периоды времени различными пользователями, требуют наличия накопительных баз данных.
ИВК характеризуется возможностями создания базы (банка) данных и базы (банка) знаний, чему способствует развитие информационно-вычислительных сетей, обслуживающих индивидуальных и коллективных пользователей информации. Наличие баз данных и знаний, а также сетей обеспечивает возможность постоянного их функционирования с определенной степенью доступности, непрерывного сбора и хранения, широкого обмена информацией на различных масштабных уровнях.
База данных разрабатывается в интересах конечных пользователей (абонентов подсистемы), поэтому в основу проектирования закладываются представления (концептуальные требования) конечных пользователей.
На основе компонентов баз данных создают цифровые объемные модели изучаемых объектов. Модели являются исходной информацией для геологоэкономической оценки подсчета запасов, геотехнологического картирования, проектирования систем отработки месторождений и т.п. Каждая последующая стадия использования данных порождает свою, более детальную объемную модель. Анализ модели, полученной на заданной стадии проведения работ, обеспечивает основу проектирования и планирования работ последующей стадии.
Содержимое банка знаний не исчерпывается описательными моделями объектов и явлений, хотя они составляют его важнейший компонент. Так, для каждого объекта банк хранит характерные разрезы (планы) и другие материалы в виде традиционных для геологов и горняков изображений, что позволяет преодолеть терминологические и понятийные различия в толковании одних и тех же факторов. Основные принципы организации банка знаний следующие: персонификация моделей и факторов; непрерывность его обновления за счет изучения новых объектов и явлений; расширение описательных моделей графическими образами и содержательными выводами, включая создание для эксперта видеографических средств «рисования».
Информационно-вычислительные сети предназначены для предоставления пользователям возможности обмена сообщениями и передачи файлов. Во втором режиме пользователь осуществляет передачу файлов информации в базу данных, передачу пакета запросов в информационную базу и прием пакета ответов из информационной базы. В режиме обмена сообщениями пользователь оперативно удовлетворяет информационную потребность из соответствующей базы данных с целью принятия обоснованных решений.
Наиболее массовым элементом информационно-вычислительной сети является полностью автономная система обработки данных на персональном компьютере. Нижний уровень в иерархии сетей представлен локальной сетью, которая способна функционировать полностью автономно и поддерживать эффективную связь между элементами сети, как правило, с использованием каналов связи и программной поддержки. Другими словами, в локальной сети сочетаются преимущества автономного распределения обработки информации с возможностями индивидуального доступа к общим информационным ресурсам горного предприятия и горно-промышленного региона. Коллективное пользование информационными ресурсами позволяет сохранить время и эффективно использовать ресурсы средств вычислительной техники.
Многообразие задач, требующих решения при освоении недр, является причиной значительных трудностей, возникающих при создании автоматизированных и экспертных систем, обслуживающих одновременно несколько предметных областей и имеющих различные масштабные уровни. Такое положение вынуждает специализироваться, как это делают в геологии, либо по объектам, либо по стадиям и задачам, соответствующим профессиональным интересам (картирование, поиск, подсчет запасов и т.д.). Для геофизиков обычно характерна специализация по методам и задачам прогноза, для горняков - по роду деятельности и технологическим процессам.
У каждого специалиста формируется специальный объем знаний, который при наличии АРМ (автоматизированное рабочее место) позволяет расширить потенциальные возможности пользователя при подготовке альтернативных решений. Совершенствуя формализацию при решении сложных задач, АРМ позволяет повысить эффективность деятельности автоматизированных экспертных систем.
АРМ в зависимости от вида входящих в них программных комплексов подразделяют на проблемно ориентированные и объектно ориентированные. Te и другие могут работать как независимо (стационарно или с установкой на передвижных средствах), так и с любыми другими более мощными вычислительными комплексами. Как правило, модели АРМ комплектуются ПЭВМ и содержат накопители на магнитном диске, устройство печати, дисплеи и т.д.
Слежение за состоянием и параметрами горного объекта может осуществляться на различных масштабных уровнях: от региона до эксплуатационного забоя. Это определяет использование ИИС и ИВК различной вычислительной мощности и комплектации.
В качестве технических средств передачи данных используют аппаратуру передачи данных (АПД) — модемы в телефонной сети, устройства преобразования сигналов (УПС) в телеграфной сети и сети передачи данных, а также устройства сопряжения аппаратуры передачи данных с ЭВМ (адаптеры, мультиплексоры передачи данных). Эти средства обеспечивают соединение пользователей с удаленными базами данных, обмен информацией между базами данных и между собой.
Важнейшим элементом являются программные средства, которые представляют собой совокупность методов, алгоритмов (математических, эвристических, экспериментальных) и программ решения на ЭВМ задач обработки, анализа и интерпретации данных с целью выработки оптимальных решений по управлению процессами, производством и освоением недр в целом. Качество используемых алгоритмов проверяется результатами моделирования и анализа, практическим путем. Любая автоматизированная система обработки данных (АСОД) включает пакеты прикладных программ, которые, в свою очередь, представляют собой комплексы программ, ориентированные на решение конкретного класса задач.

---