CC BY
25
УДК 550.3; 519.688; 62-78; 622.8
© Р.К. Халкечев, 2015
Р.К. Халкечев
КОМПЛЕКС ПРОГРАММ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ГЕОМАТЕРИАЛАХ КАК ОСНОВА ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ СНИЖЕНИЯ РИСКОВ ОПОЛЗНЕЙ И ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ ПОРОД И ГАЗА
Разработана архитектура автоматизированной системы, призванной снизить риски возникновения оползней и внезапных выбросов пород и газа на предприятиях горной промышленности. Полученную архитектуру можно использовать как фреймворк для разработки автоматизированных информационно-управляющих систем прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Ключевые слова: фреймворк, породный массив, геоматериал, деформирование, разрушение, математическая модель, автоматизированная система.
Среди существующих теоретических и практических проблем безопасности жизнедеятельности особое место занимает проблема разработки автоматизированной информационно-управляющей системы, позволяющей снизить риски возникновения чрезвычайных ситуаций в виде оползней и внезапных выбросов пород и газа. Эффективность подобной системы во многом зависит от применения передовых комплексов программ, способных моделировать процессы деформирования и разрушения геоматериалов в породных массивах, и тем самым прогнозировать реализацию рассматриваемых природных и техногенных катастроф. Существующие математические модели, а следовательно, и построенные на их основе комплексы программ - не способны адекватно описать напряженно-деформированное состояние породного массива. Так в частности, в данных моделях не учитывается реальная структура породного массива, наличие газовых и жидкостных включений в геоматериалах и не формализованы механизмы возникновения рассматриваемых динамических проявлений.
По этой причине разработка комплекса программ компьютерного моделирования процессов деформирования и разрушения геоматериалов на основе математических моделей, приведенных в работах [1-5], и лишенных выше обозначенных недостатков, является актуальной.
Согласно решениям отдельных задач о деформировании и разрушении природных мультифрактальных объектов [1-5], предлагаемый комплекс программ компьютерного моделирования процессов деформирования и разрушения геоматериалов должен решать следующие задачи.
Первая задача заключается в определении, обладает ли представительным объемом исследуемый газосодержащий (или жидкостьсодержащий) породный массив и составляющие его геоматериалы. Вторая - состоит в определении деформационных свойств породного массива в целом и составляющих его геоматериалов. Третья - должна определять поле напряжений в зернах и поле давлений в газонаполненных (или наполненных жидкостью) порах в исследуемом породном массиве. И наконец, четвертая задача заключается
в установлении, безопасен ли исследуемый породный массив на предмет динамического проявления. Следует особо отметить, если в результате выполнения первой задачи обнаружится, что в исследуемом газосодержащем (или жидкостьсодержащем) породном массиве хотя бы у одного геоматериала отсутствует представительный объем, то комплекс программ прекращает свою работу. Для разработки этого комплекса воспользуемся объектно-ориентированным подходом [6], центральную роль в котором занимает разработка программной архитектуры. С учетом изложенных задач архитектуру разрабатываемого комплекса программ можно представить в следующем виде (рис. 1).
В представленной архитектуре присутствуют три подсистемы и один пакет. Первая подсистема «1при10а1аРго-сеээтд» является обеспечивающей по
отношению к двум последующим подсистемам («AssessmentOfRepresentative Vol», «AssessmentOfDPASTCM»). Именно в эту подсистему, посредством графического окна «InputDataProcessing Window», использующего интерфейс «IDPInterface», пользователь вводит входные данные о структуре газосодержа-щего (или жидкостьсодержащего) породного массива.
Далее, обработав входные данные, рассматриваемая подсистема передает управление следующей подсистеме -«AssessmentOfRepresentative Vol». Она отвечает за определение представительного объема породного массива в целом и составляющих его геоматериалов. Таким образом, подсистема «AssessmentOfRepresentativeVol» отвечает за выполнение первой задачи разрабатываемого комплекса программ. В терминах предметной области рассматриваемая подсистема устанавли-
Комллеке программ АНУС
э
RVIDPInterface
DPASTIDP Interface
DPASTCMWmdow
' ..«use»
Маш Window
DPASTInterfaci?
Рис. 1
вает, есть ли среди объектов классов «Massif» (Породный массив), «Rock» (Горная порода), «MineralWithlnclusions» (Минерал с включениями), «Mineral WithPoreslnGrains» (Минерал с порами в зернах) и «Mineral» (Минерал) экземпляр, содержащий атрибут «rep-resentativeVolume» (представительный объем), равный «0». Если да, то функционирование комплекса программ завершается и посредством графического окна «Representative Volume Window», использующего интерфейс «RVInterface», пользователь получает сообщение о невозможности осуществления прогноза разрушения геоматериалов породного массива. В противном случае, с помощью этого же окна производится информирование пользователя о величине представительных объемов геоматериалов газосодержа-щего (или жидкостьсодержащего) породного массива и осуществляется переход управления подсистеме «Assess-mentOfDPASTCM».
Третья и последняя подсистема -«AssessmentOfDPASTCM» сначала устанавливает: деформационные свойства геоматериалов породного массива в целом и составляющих его геомате-
риалов; поле напряжений в зернах и поле давлений в газонаполненных (или наполненных жидкостью) порах в выб-росоопасной области (или области растягивающих напряжений оползневого тела). После этого данная подсистема производит компьютерное моделирование процесса перколяции в соответствующих трехмерных решетках, что дает возможность осуществить прогноз возникновения внезапного выброса (или оползня). Над ходом реализации функций подсистемы «Assess-mentOfDPASTCM» пользователь наблюдает посредством графического окна «DPASTCMWindow», использующего интерфейс «DPASTCMInterface».
Все вышеперечисленные графические окна «InputDataProcessingWin-dow», «RepresentativeVolumeWindow», «DPASTCMWindow», а также связывающее их друг с другом окно «MainWindow», составляют пакет - «GUI». Этот пакет соответствует графическому интерфейсу пользователя. Именно с классами из «GUI» взаимодействует пользователь предлагаемого комплекса программ.
Подсистема «InputDataProcessing» с точки зрения детального проектирования заключается в заполнении
Рис. 2
M a ssi fSubsy st e m_Pa rt 1
Grain 1 1 GrainWithPore
identifica! or: siring fi: real teta: real psi: real efelasticConstTensor: tensor fieldStressTensor: tensor identifica! or: string fi:real teta:real psi: real efelasticConstTensor: tensor fieldStxessTensor: tensor
i denti fy Fi el d Stres sTensorO : tensor 1 identifvFieldStressTensorQ: tensor
0- * 1
Pore
identifica! or: string pressure: lensor * - 2
Ldentify_pressureO: real
Рис. 3
файлов grains.txt, grainswithpores.txt, mineralelement.txt, mineralelementwith-pores.txt, mineralelementwithinclusions. txt, rockelement.txt и massifelement.txt.
Произведем детальное проектирование подсистем «AssessmentOfRepre-sentativeVol» и «AssessmentOfDPASTCM».
Согласно [6], детальный проект любой подсистемы при объектно-ориентированной разработке следует представлять с помощью модели классов, содержащей сущности (объекты, компоненты, нижележащие подсистемы и др.) как предметной области, так и чисто программной реализации (управляющие классы, базы данных и др.).
Используя данные о предметной области, детальную структуру «Assess-mentOfRepresentativeVol» можно представить в виде связанных друг с другом подсистем (рис. 2): «MineralSubsystem» (Минеральная подсистема), «MWPores-InGrainsSubsystem» (Минеральная подсистема с порами в зернах), «MWInc-lusionsSubsystem» (Минеральная под-
система с включениями), «RockSubsystem» (Горно-породная подсистема) и «MassifSubsystem» (Породно-массивная подсистема).
Модель классов подсистемы «Assess-mentOfDPASTCM» представлена на рис. 3, 4.
Как видно из этого рисунка, модель классов подсистемы «AssessmentOf DPASTCM» состоит из следующих классов: «Grain», «GrainWithPore», «Pore», «Inclusion», «Mineral», «MineralWith Pores», «MineralWithlnclusions», «Rock» и «Massif» и «ComputerModelMassif».
Для классов, указывающих на геоматериалы, обязательно присутствуют следующие атрибуты: «identificator» (идентификатор), «efelasticConstTensor» (эффективный тензор модулей упругости), «fieldStressTensor» (поле напряжений).
Классы «Pore» и «Inclusion» в предметной области соответствуют порам и включениям, наполненным газом (или жидкостью). «ComputerModelMassif» -
Ма 5и&5 уйе гп_Ра г!2
2
Рис. 4
является управляющим классом, именно он отвечает за выполнение всех функций, возложенных на подсистему «А88ез8тепЮ!ОРА8ТСМ». Экземпляр этого класса посредством метода
«гип()» (Выполнить) осуществляет процесс компьютерного моделирования процессов деформирования и разрушения породного массива, согласно математическим моделям [1-3, 5].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Халкечев Р.К. Мультифрактальная модель с масштабом неоднородности эффективных упругих свойств газосодержащих породных массивов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2012. - № 3. -С. 68-70.
2. Халкечев Р.К. Математическая модель эффективных упругих свойств газосодержа-щих породных массивов мультифрактальной структуры // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельные статьи (специальный выпуск). - 2011. - № 12. -С. 7-12.
3. Халкечев Р.К. Мультифрактальная модель неоднородного поля давлений в газонаполненных порах поликристалла при постоянном внешнем поле // Горный ин-
формационно-аналитический бюллетень. Отдельные статьи (специальный выпуск). -2012. - № 7. - С. 3-7.
4. Халкечев Р.К. Алгоритм определения элементарного объема горной породы // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельные статьи (специальный выпуск). - 2012. - № 7. - С. 12-16.
5. Халкечев Р.К. Теоретические основы мультифрактального моделирования трудно-формализуемых объектов // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельные статьи (специальный выпуск). - 2013. -№ 9. - С. 8-16.
6. Rumbaugh J., Blaha M., Premerlani W., Eddy F. Object-Oriented Modeling and Design. -New York: Prentice Hall, 1990. - 231p. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Халкечев Руслан Кемалович - кандидат физико-математических наук, доцент, e-mail: syrus@list.ru, МГИ НИТУ «МИСиС».
UDC 550.3; 519.688; 62-78; 622.8
PROGRAM COMPLEX OF COMPUTER MODELLING DEFORMATION AND DESTRUCTION PROCESSES IN GEOMATERIALS AS THE BASIS FOR THE AUTOMATED MANAGEMENT INFORMATION SYSTEM OF DECREASE IN RISKS OF LANDSLIDES AND SUDDEN EMISSIONS OF BREEDS AND GAS
Khalkechev R.K., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Assistant Professor, e-mail: syrus@list.ru, Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.
In the presented article the architecture of the automated system urged to reduce risks of emergence of landslides and sudden emissions of breeds and gas at the enterprises of mining industry is developed. The received architecture can be used as a framework for development of the automated management information systems of forecasting of emergency situations of natural and technogenic character.
Key words: framework, rock mass, geomaterial, deformation, destruction, mathematical model, automated system.
REFERENCES
1. Khalkechev R.K. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Severo-Kavkazskii region. Tekhnicheskie nauki. 2012, no 3, pp. 68-70.
2. Khalkechev R.K. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. Special edition. 2011, no 12, pp. 7-12.
3. Khalkechev R.K. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. Special edition. 2012, no 7, pp. 3-7.
4. Khalkechev R.K. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. Special edition. 2012, no 7, pp. 12-16.
5. Khalkechev R.K. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. Special edition. 2013, no 9, pp. 8-16.
6. Rumbaugh J., Blaha M., Premerlani W., Eddy F. Object-Oriented Modeling and Design. New York: Prentice Hall, 1990. 231p.
A
