Горное предприятие как информационный объект

Объектами математического моделирования при автоматизированном планировании и проектировании, например, открытых горных выработок являются: месторождения полезных ископаемых, представляющие собой совокупность геохимических и геотектонических полей, в пределах которых условно выделены контуры залежей, рудных тел и пластов, пригодных к разработке; рельеф участка местности, в пределах которого располагаются карьерное поле и горный отвод; открытые и подземные горные выработки; отвалы, насыпи и прочие техногенные образования, различные сооружения; транспортные и прочие коммуникации; зоны воздействия на окружающую среду; зоны ограничения и т.д.
Исходной информацией для математического моделирования объектов горных предприятий служат геологические, топографические и гипсометрические планы, вертикальные и горизонтальные сечения, данные опробования геологоразведочных скважин, аэрофотосъемки и т.п. Хотя данные по разведочным скважинам являются первичной неискаженной информацией, математическое моделирование месторождений на их основе иногда чрезвычайно сложно и не всегда достаточно точно. Основная трудность заключается в интерпретации геологических закономерностей, которые не всегда поддаются математическому описанию.
Разрезы и планы позволяют наглядно представить формы залежей месторождения, их мощность, углы падения, глубину залегания, геологическое строение, размещение полезных компонентов, а также являются необходимым традиционным материалом для проектирования технологии разработки месторождения полезного ископаемого.
Графические модели, т.е. геологические профили и планы, легче преобразуются в математические модели, но переносят в них все свои погрешности. Повышение точности моделирования может быть достигнуто в ряде случаев при совместном использовании графических моделей и данных о скважинах. По последним уточняют распределение качественных признаков внутри контуров рудных тел или сортовых блоков, построенных на основе поперечных сечений или погоризонтных планов.
Геометрия рельефа основывается на представлении о земной поверхности как о поле высот, графическим изображением которого служит карта в горизонталях.
В результате производства открытых горных работ в недрах земли образуется выработанное пространство (карьер), заключенное между двумя топографическими поверхностями - естественной топографической поверхностью участка горного отвода и искусственной (результатом производства горных работ). Результаты моделирования месторождений и их открытой разработки могут быть представлены в цифровой, табличной или графической форме различного вида в зависимости, главным образом, от назначения модели, необходимой точности моделирования и вида исходной информации.
В задачах математического моделирования и оптимизации, решаемых в системах автоматизированного проектирования и конструирования, различных природно-технологических несложных технических объектов, таких как горные предприятия, строительные сооружения (газопроводы и прочие транспортные коммуникации, водохранилища, погрузочно-транспортные комплексы и др.), рассматриваются не только геометрические параметры объектов (линейные размеры, площади, объемы), но и их качественные характеристики. Кроме того, многие объекты являются динамическими, изменяющими во времени и пространстве как форму, так и показатели качества.
Трудность создания единого информационного массива для заданного объекта проектирования заключается не только в том, что почти все виды информации горного производства характеризуются сложной структурой с несколькими иерархическими уровнями, но и в значительной неопределенности и изменчивостью во времени. Тем не менее создание единого информационного массива возможно, если информацию различного вида представить в форме единичных показателей, хотя и характеризующихся различными признаками качества, но привязанных в форме точек к единым координатам пространства и времени.
Первичным информационным элементом системы в трехмерных координатах такой базы является точка, принадлежащая любому контуру на вертикальной, горизонтальной или наклонной плоскости, секущей систему трехмерных координат, и имеющая следующие параметры: координаты, определяющие местоположение точки в данной системе; признаки (идентификаторы) качества, определяемые в зависимости от принадлежности точки к тому или иному множеству точек (например, в описании месторождений полезного ископаемого -это сорт руды, содержание того или иного компонента; в описании транспортных коммуникаций - назначение отрезка трассы дороги, ее вид и т.д.); вектор, характеризующий направление и дальность перемещения точки; скорость непрерывного или дискретного перемещения точки; время, характеризующее срок и длительность перемещения точки. Таким образом, каждая точка системы может характеризоваться несколькими параметрами, которые определяют местоположение точки в системе в данный момент времени и характеризует ее свойства.
Моделирование угольных месторождений заключается прежде всего в цифровом представлении разделительных поверхностей между угольными пластами и смещающими породами, т.е. планов изогипс кровли и почвы пластов, планов изомощностей, планов зольности и т.п. Основой математических моделей является точечно-цифровая информация - либо первичная, т.е. данные разведочных скважин, либо вторичная, снимаемая в виде массива координат точек с гипсометрических планов или геологических разрезов.
На этом принципе, по существу геоинформационном, основано большинство математических моделей угольных месторождений. Реализация этих моделей при проектировании и планировании горных разработок и стыковка с геоинформационными картографическими, геологическими, экологическими системами развивается по мере оснащения геологоразведочных организаций и горных предприятий современной вычислительной техникой, включая дигитайзеры, плоттеры, сканеры и др.
При моделировании транспортных коммуникаций их трассу в трехмерном пространстве представляют в виде прямых или криволинейных отрезков, на соединении которых выделяют характерные точки, разделяющие отрезки с разными уклонами, кривизной, различной конструкцией, назначением, т.е. отличающиеся признаками качества. Массив этих точек позволяет характеризовать в трехмерном пространстве сложную конструкцию системы карьерных транспортных коммуникаций как в ее статике, так и в динамике.
При моделировании рельефа, отвалов, хвостохранилищ, различных поверхностных сооружений характерные точки являются базой изолиний рельефа, линий пересечения выемок и насыпей с поверхностью земли, различных ограничивающих зон (взрывоопасной, санитарно-защитной, разноса пыли при сдувании ее с отвалов, осаждения частиц выброса из дымовых труб и т.д.).
При моделировании технологических процессов, например функционирования погрузочно-транспортного комплекса, точечный принцип позволяет описывать процессы погрузки, перемещения, разгрузки и прочие операции. Например, точка, представляющая в математической модели экскаваторный забой, помимо пространственной характеристики дает информацию о направлении и скорости перемещения забоя, качестве горной массы (сорт руды, вид вскрыши) и др.
Таким образом, для горной информатики, в отличие от геофизической и геологической, характерны: сравнительно небольшие размеры объектов (в плане - от сотен метров до нескольких километров, в глубину - от десятков до сотен метров), что обусловливает использование графических материалов, имеющих масштабы от 1/100 до 1/25000; учет в качестве определяющих факторов не только природных (геологические характеристики, параметры ландшафта и т.д.), но и технических факторов, характеризующих горные выработки, транспортные коммуникации, комплексы горнотранспортного оборудования, а также экологических, в частности размеров месторождения и зон воздействия на окружающую среду; необходимость моделирования процессов перемещения горных выработок, движения транспортных средств по железным и автомобильным дорогам и других динамических и временных параметров.
Вычисления объемов, полей структур и других элементов в горной информатике имеют в своей основе математические операции с точками, а применяемые математические модели относятся к различного вида дискретным и дискретно-аналитическим. Математический аппарат, используемый для расчетов линий, площадей, объемов и решения различных практических горногеометрических задач в трехмерном пространстве, представленном массивом точек, несложен и основан на понятиях, формулах и методах аналитической и дифференциальной геометрии.
Однако в приложении к горной информатике возникает необходимость учета того обстоятельства, что любая точка, как исходная, так и искомая, характеризуется не только пространственными координатами, но также индификаторами качественных признаков. Кроме того, математические модели должны быть ориентированы на использование вычислительных средств, электронных банков данных, а также на необходимость и возможность использования графических форм представления информации и оперативного преобразования графической формы в числовую и наоборот. С учетом этих, а также ряда других специфических требований, определяемых условиями конкретных задач, создают различные информационные модели месторождений полезных ископаемых, горных разработок и других объектов. При этом происходит развитие существующих и разработка новых математических методов и приемов, исследование аспектов формирующейся теории горно-информационного математического моделирования.
В 70-80-е годы в ходе интенсивных работ по созданию систем автоматизированного проектирования карьеров для угольной промышленности, черной и цветной металлургии, горно-химической промышленности исследовательскими группами В.М. Аленичева, Д.Г. Букейханова, В.В. Квитки, М.Н. Сивкова, И.Б. Табакмана, А.С. Танайно и других был создан ряд математических моделей, основанных на дискретном представлении информации о месторождениях полезных ископаемых и горных работах. В этих моделях источниками информации являются данные о скважинах, снимаемые путем цифрового кодирования, а также данные планов и геологических профилей.
Геоинформационный подход позволяет использовать совместно как первичную исходную информацию (данные о скважинах и результаты других измерений), так и вторичную, т.е. графические материалы (геологические разрезы, планы и др.), и тем самым создает условия для получения более достоверных решений, а также намного снижает трудоемкость и повышает оперативность подготовки исходных данных для компьютерных систем, что является непременным условием для их широкого практического использования.