К вопросу об использовании свободного программного обеспечения при научных исследованиях в части технологии горного производства Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 622:681.31

© А.Н. Домрачеев, К. Д. Лукин, 2005

А.Н. Домрачеев, К.Д. Лукин

К ВОПРОСУ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СВОБОДНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ В ЧАСТИ ТЕХНОЛОГИИ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

~щу настоящее время при решении за-

Х^дач синтеза и оптимизации технологических схем шахт и разрезов наиболее часто используются следующие методы:

• метод вариантов;

• динамическое моделирование;

• сетевая оптимизация (в том числе сети Петри).

Все более широкое распространение получают нейросетевое моделирование, методы нечеткой логики, эволюционные алгоритмы. Для обработки результатов наблюдений и экспериментов широко используется аппарат математической статистики.

Рост компьютеризации научных исследований (особенно в силу отсутствия условий для натурного эксперимента) сформировал спрос, для обеспечения которого разработаны компьютерные реализации практически всех перечисленных выше математических методов. Вследствие этого проблема выбора конкретной реализации математического метода для решения той или иной задачи приобрела дополнительную актуальность в том числе и в области горных наук (традиционно считающейся весьма консервативной). В настоящее время доступно три основных вида программного обеспечения:

• проприентарное - код и часть алгоритмов закрыты, базовая платформа Windows, стоимость пакетов 500-5000 $;

• проприентарное в виде студенческих и университетских версий - код и

часть алгоритмов закрыты, функциональность ограничена, базовая платформа Windows, стоимость пакетов 100-500 $;

• свободное программное обеспечение, распространяемое под лицензией GPL - код и алгоритмы открыты, базовые операционные системы - Linux и FreeBSD, стоимость сопоставима со стоимостью носителя или стоимостью трафика при закачке из сети Internet.

Необходимо отметить, что создатели проприентарного программного обеспечения идут по пути разработки крупных многофункциональных интегрированных пакетов, таких как Maple, Mathematica, TK Solver, MathCAD, MatLab и др. Разработчики свободного (под лицензией GPL) программного обеспечения, чаще всего создают специализированные пакеты или утилиты под реализацию конкретного метода. Весьма широкое распространение в научной и инженерной среде получил пакет MatLab фирмы MathWorks - в основном благодаря большому числу реализованных методов и широкой представленностью на рынке контрафактной продукции. Среда MatLab состоит из базового ядра и ряда дополнительных компонентов (Тоо1Ьох'ов) реализующих отдельные методы. К числу основных Тоо1Ьох'ов относятся:

• система визуального моделирования Simulink;

• система нейросетевого моделирования Neural Network Тоо1Ьох;

• система нечеткой логики Fuzzy Toolbox;

• гибридный редактор на основе методов нейронных сетей и нечеткой логики ANFIS;

• подсистема сетевого моделирования, реализующая основные методы теории графов (в том числе решения задач на основе сетей Петри).

Стоимость студенческой версии MatLab составляет порядка 100$, коммерческой версии до 3500$. В соответствии с поставленной задачей поиска альтернативы пакету MatLab была проведена работа по решению задач, ранее пройденных с использованием данной среды, на основе свободного программного обеспечения. Рассматривались следующие задачи:

• создание нейросетевых и гибридных моделей участков открытых и подземных горных работ;

• синтез оптимальной технологической схемы шахты на основе математического аппарата теории графов;

• построение поверхности значений чистого приведенного эффекта (NPV) в системе координат мощность-угол падения пласта-NPV;

• создание Simulink-визуальной модели шахты и ее отдельных участков.

Рис. 1. Скриншот построения поверхности в среде octave с использованием редактора gnuplot

В качестве базовой формы была выбрана операционная система AltLinux Master 2.4 с ядром версии 2.424 (стоимостью 1680 руб.).

В качестве альтернативы базовому ядру MatLab были рассмотрены пакеты Octave 1.52 и Scilab. Более удобным в использовании был признан пакет Octave 1.52 (в основном благодаря бинарной со-тимости с MatLab). На рис. 1 приведен скриншот построения поверхности в среде octave с использованием редактора gnuplot

Для решения задач методами теории графов среди пакетов с лицензией GPL наибольший интерес вызвала программа goblin 2.6, разработанная в университете математики Аусбурга. Однако следует отметить, что так и не удалось реализовать все дополнительные возможности, связанные с наличием графического интерфейса (рис. 2).

В качестве альтернативы Neural Network Toolbox рассматривались пакеты neuron и SNNS (рис. 3). Больший эффект при создании нейросетевой модели был получен при использовании разработанной Штуттгартским университетом программы SNNS (доступная версия 4.2).

При анализе программ под лицензией GPL не удалось найти аналогов среды визуального моделирования Simulink и гибридного редактора ANFIS.

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы.

Основные достоинства пакетов-

аналогов MatLab под лицензией GPL.

1. Стоимость всего комплекса грамм-аналогов составила порядка 2000 руб. (включая операционную систему).

2. Код всех программ под лицензией GPL доступен для модификации и использования входящих в него функций и процедур для создания собственных некоммерческих программ.

3. Программы под лицензией GPL

обладают достаточно развитыми средствами для экспорта результатов в редакторы tex/latex, которые де-факто являются стандартом в

университетской среде США и Евросоюз а. Ряд пакетов (goblin,SNNS, neuron) имеют свободные версии для Windows.

5. В среде Linux под лицензией GPL реализованы компиляторы C/C++, fotran

Рис. 2. Скриншот промежуточного этапа поиска кратчайшего пути в среде goblin

Рис. 3. Скриншот модели технико-экономических показателей

участка открытых горных работ на основе сети Элмана

77,pascal,Perl,Phyton, про-

граммы на которых могут быть интегрированы с рассмотренными пакетами.

К недостаткам альтернативных пакетов следует отнести.

1. Неудовлетворительну ную реализацию графического интерфейса пользователя (сбои библиотек Тк и Тс1).

2. Проблемы с

кой при использовании

торых дистрибутивов Ыпих.

3. Отсутствие тации и литературы на русском языке.

4. Отсутствие гибрид-

ных редакторов на основе нейронных сетей и нечеткой логики.

5. Недостаточную поддержку русского языка (особенно в графических подсистемах).

6. Слабость встроенного инструментария для работы с графикой (отсутствие заливок анимации, эффекта освещенности, и т.д.).

В заключении необходимо отметить, что при существующем (и ожидаемом) уровне финансирования науки и образования расширение использования свободного программного обеспечения становится практически безальтернативным.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Домрачев А.Н. Использование метода конгруэнтности оптимальных путей послойных изоморфных графов для синтеза технологических схем отработки запасов угля, неблагоприятных для длинных КМЗ//ГИАБ - 2002. - №7. -М.: Изд-во МГГУ. - С. 108-112.

2. Домрачев А.Н. Использование среды Ма1ЬаЬ при моделировании процессов горного производства/Материалы конференции “Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых”. СибГИУ. - Новокузнецк, 2002. - С.215-219.

3. Домрачев А.Н. Использование математического аппарата нечеткой логики при модели-

ровании процессов горного производст-

ва/Материалы конференции “Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых”. СибГИУ.- Новокузнецк, 2003. - С.63-67.

4. Домрачев А.Н. Моделирование технико-

экономических показателей участков открытых горных работ на основе аппарата нейронных сетей /Материалы конференции “Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых”. СибГИУ. - Новокузнецк, 2004. - С.60-63.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------

Домрачев А.Н. - доктор технических наук, профессор,

Лукин К.Д. - кандидат технических наук, доцент,

кафедра «Разработка месторождений полезных ископаемых», Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк.

---------------------------------------- © А.Н. Домрачеев, К. Д. Лукин,

2005

УДК 622:681.31.001.2

А.Н. Домрачеев, К.Д. Лукин

СОВРЕМЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С КОМБИНИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИЕЙ