CC BY
187
УДК 549.082.537.553.4
В.Г. Романов, к. г-м. н., профессор, зав. каф. «Прикладная информатика»,
ЗИП СибУПК
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Научные интересы: информатизация общества, горная информатика, автоматизация экспериментальной деятельности
Рассмотрена соподчиненность уровней интегрированной автоматизированной информационной системы управления деятельностью горного предприятия. Показано, что основной задачей прикладной горной информатики является развитие имеющихся и разработка новых горных информационных систем. Построение таких систем целесообразно осуществлять на основе концепции распределенных систем управления, предполагающей создание для каждой предметной области автоматизированных рабочих мест (АРМ) на базе профессиональных персональных ЭВМ. Раскрывается функциональный подход, используемый при разработке АРМ ■
V. Romanov, сandidate of mining and mineralogical science, professor, the head of the applied informatics of ZEI SibUUC department (Zabaykalsky Entrepreneurship Institute of Siberian University of User Cooperation)
PRINCIPLES OF MINING AND GEOLOGICAL AUTOMATION INFORMATION DATA SYSTEM INTEGRATION
The hierarchy of integrated automation information data system of activity of a delf management levels are represented in this article. It is shown that the main aim of applied mining informatics is the development of existing and new mining information systems. It is reasonable to integrate such systems on the basis of control distributed system concepts, including creation of PC-based workstations for every knowledge domains. The article proposes the functional approach used in the workstation development ■
* * *
О современных условиях повыше-^ ние общей эффективности геологического и горного производства невозможно без автоматизации управления мощнейшим информационным потоком предприятия, что обычно реализуется путем создания интегрированной автоматизированной информационной системы (АИС) управления его деятельностью.
В идеале такая система должна со-
стоять из трех соподчиненных уровней. Автоматизированные информационные системы «верхнего» уровня - это системы для управления производством, сбытом, материально-техническим снабжением, финансами, кадрами и т.п., т.е. системы стратегического управления (АСУП). Они интегрируют в себе ИС «среднего» (промежуточного) уровня (геологического моделирования; проектирования и планирования горных ра-
бот; горных диспетчеров; обработки аэрофотосъемки для получения цифровой модели рельефа (горных работ); проектирования буровзрывных работ; рекультивационных мероприятий и др.) и системы «нижнего» уровня (АСУ ТП) для управления технологическими процессами.
Наибольший эффект от внедрения средств автоматизации может быть достигнут лишь за счет организации на предприятии общего взаимоувязанного по «горизонтали» и «вертикали» информационного пространства и создания на этой основе корпоративной интегрированной системы управления.
Решение этой общей задачи в горногеологической отрасли относится к компетенции горной информатики.
Как научная дисциплина горная информатика определяет методологические принципы информационного моделирования реальной действительности как отрасли в целом, так и по отдельным предприятиям и подразделениям предприятия, а также методы применения этих моделей средствами вычислительной техники для решения конкретных задач отрасли.
Предметом горной информатики является вся информация о состоянии среды, геологических, горных и смежных с ними обслуживающих объектов и динамики их развития. Цель горной информатики - построение информационно-вычислительных систем такого уровня и функциональной полноты, которые способны обеспечить детальный анализ и взвешенное принятие решений и достичь этим существенного прогресса в горнодобывающей промышленности без использования интенсивных факторов.
Главной задачей горной информатики является изучение закономерностей горногеологической информации на основе при-
менения современной вычислительной техники. Прикладные задачи горной информатики состоят в развитии имеющихся и разработке новых горных информационных систем.
Используя общие законы и закономерности информатики как науки, можно выделить следующие уровни горно-геологической информатики: представления знаний, представления данных, способов общения, автоматизированных систем обработки информации, информационно-вычислительных сетей и систем программирования [1].
Такая иерархия обусловлена объективными причинами. Знания (геологические о месторождении, маркшейдерские и геодезические, горные технологические и технические, в смежных отраслях) и данные о состоянии и поведении горно-геологических объектов (геологические карты и планы, результаты опробования, планы карьеров, взрывных и добычных блоков, технологические параметры оборудования, обогащения руд и т.п.) представляют собой первооснову информатики. Способы общения позволяют обмениваться знаниями и данными между пользователями информации. Автоматизированные системы (рис. 1) предназначены для повышения эффективности обработки и использования информации. Значительная удаленность горных объектов и отделов руководства ими по территории предприятия нуждается в замене традиционных способов связи более прогрессивными. Ими являются информационно-вычислительные сети, способные на несколько порядков увеличить информационный обмен между подразделениями. Уровень систем программирования для горной информатики имеет обеспечивающее значение. С его помощью создаются и реализуются прикладные информационные системы, ориентированные на применение ЭВМ.
Рис. 1. Классификация горно-геологических автоматизированных систем по содержательно-функциональному критерию
Уровень и количество прикладных информационных систем значительно отличаются по подразделениям предприятия из-за различных средств и методов, положенных в основу их построения. Информационные системы горно-геологической информатики можно разделить на средства ведения первичных данных и средства преобразования информации. Для ведения первичных данных должны использоваться системы управления базами данных. Средства же переработки информации зависят от их функционального назначения и подразделяются по используемым моделям на:
1) модели и методы обработки геологической информации;
2) модели и методы обработки маркшейдерской информации;
3) модели и методы обработки горной технологической информации;
4) модели и методы обработки горной технической информации.
В зависимости от запросов потребителей данных зависит и сложность алгоритмов переработки информации. Над данными можно выполнять расчеты по формулам, накопление и подсчет средних значений по выборке, выполнение прогноза, горно-геометрические расчеты и горно-геометрическое моделирование. Все эти внешне
разные методы обработки данных можно разделить на две группы:
1) методы статистической обработки данных;
2) моделирование.
Моделирование информационных процессов является наиболее сложным и важнейшим методом переработки горной информации. С его помощью изучается возможное поведение информационной системы в будущем. По результатам моделирования специалистами принимаются решения по ведению горных работ. По назначению моделей и их функциональной направленности необходимо выделить:
а) модели горной среды и его текущего положения;
б) модели развития горных работ в карьере;
в) модели технологических процессов;
г) специальные модели анализа горных процессов.
В первую очередь нужно развивать модели, являющиеся обеспечивающими для остальных. Модели горной среды и текущего состояния горных работ воссоздают положение всего предприятия или его отдельных частей на текущее время. Согласно сложившейся практике, распространенной является следующая классификация моделей горной среды:
- геологические модели месторождения;
- маркшейдерские модели карьера;
- модели размещения и состояния горно-транспортного оборудования;
- маркшейдерские модели генплана дневной поверхности.
Функциональным ядром информационно-аналитической системы являются
множественные информационные модели геологической среды и горного пространства. Они зависят от организационной структуры производства, требований документооборота и отчетности. Множественность моделей определяется количеством предметных областей при изучении и освоении недр и способами их получения. В системе обычно выделяют [2] функциональную, методическую, информационную, программную и техническую подсистемы. Функциональная подсистема отражает состав специальных задач геологического обеспечения и характер информационных и управляющих взаимосвязей между службами предприятия.
Работа геологов включает формирование информационных массивов и преобразование данных в результирующие документы. Для накопления исходной информации в качестве оболочки баз данных обычно используются электронные аналоги учетноконтрольной документации. Каждому входному документу соответствует своя специализированная динамическая база данных. Данные накапливаются и хранятся централизованно, позволяя динамически обновлять горно-геологическую модель предприятия. Система обеспечивает максимально возможную независимость прикладных программ от данных, т.е. отделение модели предметной области от физического представления данных в электронной форме. При этом система управления базы данных настраивается на условия конкретного применения, а прикладные программы реализуют алгоритмы получения выходных документов.
Информационную подсистему образует управляемое движение потоков инфор-
мации, содержащейся в документах, унифицированных как по форме, так и по содержанию. Рациональная схема документооборота должна отвечать следующим требованиям:
- необходимость каждого документа должна быть обоснована;
- каждый документ должен содержать минимум информации, достаточной для полного отражения факта (процесса, явления);
- данные не должны дублироваться;
- формы вывода информации должны соответствовать требованиям нормативнометодических документов.
Взаимодействие различных служб по аппаратно-информационной среде, исключающее избыточное копирование и физический перенос информации, возможно при стандартизации правил обращения с системой и интерфейса пользовательской среды, разработки единого информационнопоискового языка. "Диалог" геолога с системой должен вестись на языке предметной области, а не на уровне структур баз данных.
Задачи геологического обеспечения горных работ по степени типизации можно разделить на три группы:
1) полностью унифицированные по постановке, методам и алгоритмам;
2) типовые по постановке, но различающиеся по методам решения и алгоритмам в зависимости от сложности горногеологических условий;
3) уникальные, имеющие специфические особенности в постановке, методах решения и алгоритмах.
Сложные задачи геологического обеспечения не могут быть решены формальными способами в целом. Поэтому должна быть реализована система из динамически взаимодействующих программных модулей, каждый из которых позволяет автоматизировать решение прикладных задач определенным способом. Возможность создания прикладных программ определяется степе-
нью формализации явных и неявных процедур фрагментарных операций, ведущих к получению обобщающего документа, унификацией информации [3].
Для оценки и прогноза горно-геологической обстановки используются количественные, образные, текстовые данные [4]. Различия видов геологической информации состоят в способах получения данных и методах их преобразования в результирующие документы. Каждый тип данных требует специфических приемов архивации и обработки. При этом в зависимости от поставленных целей информация может быть обработана различными методами.
При разработке информационно-аналитической системы следует предусмотреть:
- опережающее создание нормативнометодических документов, ориентированных на компьютерную реализацию;
- создание программного продукта в виде отдельных модулей по принципу от простого к сложному;
- решение частных задач обработки информации, независимо от возможности полной компьютеризации камеральных работ;
- создание модулей общего назначения с доработкой и доведения интерфейса под конкретную предметную область;
- реальное состояние информационной базы горнодобывающих предприятий;
- минимальные требования к начальной подготовке пользователей и уровню технических средств;
- соответствие программ законодательной и нормативно-методической базе;
- обмен информацией между системой и внешними базами данных;
- сертификацию программного продукта.
Формирование системы осуществляется циклически и включает подциклы осмысления и материального воплощения. В процессе осмысления выполняются исследования предметной области, создается
проект и техническое задание на реализацию системы. Материальное воплощение включает этапы: программной реализации, освоения и эксплуатации. В свою очередь каждый этап подразделяется на определенные стадии и фазы [3].
В ходе исследования предметных областей составляются типовые математические модели горно-геологических
объектов, факторов и явлений и создается информационное обеспечение программных модулей. Разработка проблемной части на порядок более трудоемка, нежели программная реализация конкретных решений. Проблемная область - это фундамент системы, ошибки, допущенные при постановке проекта, могут обесценить всю работу.
Ядром системы является геологическая информация. Значительная часть информации о геологическом пространстве основывается на избирательных наблюдениях и интуитивной компоненте представлений геолога. Деятельность геолога определяется нормативно-методическими документами и предшествующим предметным опытом. Представления геолога образуют интегрированную структуру и являются, по сути, моделью компонентов геологической среды.
Типовая модель горно-геологического фактора и явления определяется набором характеризующих его параметров, подлежащих регистрации. Материалы непосредственного изучения дополняют типовую схему и позволяют получить модель конкретного объекта геологического пространства. Основой геологической модели месторождения служит база формализованных горно-геологических объектов, что позволяет отделить процедуры сбора и актуализации информации от процесса ее обработки и интерпретации.
Формирование горно-геологической модели - итерационный процесс. Принципиальная математическая модель на локальных участках в условиях неопределенности
корректируется вводом неформализованной информации, затем происходит пересчет модели и новая ее корректировка.
К моделям предъявляются следующие требования: универсальность; динамич-
ность; представительность, достоверность и точность отображения информации о горногеологической среде в пространстве и во времени; единство и однородность состава показателей и характеристик на всех уровнях объектов; возможность агрегации и детализации данных по различным аспектам и уровням; исключение избыточной информации; оперативность работы с базами данных 5].
Для построения геологической модели могут применяться как собственно геологические, так и математические методы. Основной формой геологических моделей являются графические отображения объектов. На практике чаще всего основу моделей горно-геологических объектов получают с помощью простой или сложной аналогии. Такие модели верны в пределах однородных и однотипных участков, сходство которых в определенном смысле доказывается геологическими методами.
Использование компьютерных технологий позволяет принципиально по-новому решать задачу горно-геологического картирования и на этой основе осуществлять прогноз горно-геологических факторов и явлений. Новым методом изучения геологической среды является объемное горногеологическое картирование месторождений, которое закладывает основы перехода от плоскостного изображения горногеологического пространства к объемному представлению элементов геологической среды [б].
В последние годы все большее распространение получает концепция распределенных систем управления предприятия-
ми и производством, предусматривающая локальную обработку информации. Для реализации идеи распределенного управления необходимо создание для каждой предметной области автоматизированных рабочих мест (АРМ) на базе профессиональных персональных ЭВМ.
Для каждого объекта управления следует предусмотреть автоматизированные рабочие места, соответствующие их функциональному назначению. Однако принципы создания АРМ должны быть общими: системность, устойчивость, гибкость, эффективность.
Согласно принципу системности АРМ следует рассматривать как системы, структура которых определяется функциональным назначением.
Принцип гибкости означает приспособляемость системы к возможным перестройкам благодаря модульности построения всех подсистем и стандартизации их элементов.
Принцип устойчивости заключается в том, что система АРМ должна выполнять основные функции, независимо от воздействия на нее различных внутренних и внешних факторов. Это значит, что неполадки в отдельных ее частях должны быть легко устранимы, а работоспособность системы -быстро восстановима.
Рассмотрим автоматизированное рабочее место (АРМ) специалиста как эффективную организационную форму получения и обработки информации.
АРМ в общем виде представляет собой комплекс аппаратурных средств, размещенных на рабочем месте специалиста, а также специального информационного, математического и программного обеспечения, позволяющих оперативно удовлетворять информационные и вычислительные потребности работника (рис. 2).
Рис. 2. Обобщенная схема автоматизированного рабочего места
Зачастую термин АРМ понимается узко и подразумевает применение персонального компьютера в основном для обработки экспериментальных либо иных данных по каким-либо алгоритмам, создания и распечатки табличных и графических приложений, текстов. Однако это понятие намного шире и, в частности, в нашем изложении включает автоматизацию одного из самых сложных и ответственных этапов работы исследователя - сбора экспериментальных данных и управление экспериментом.
К примеру, при автоматизации мине-ралого-физических исследований разработанный нами АРМ [7] с успехом осуществляет проведение сложных с методической точки зрения измерений, в частности, в начальной стадии быстротекущих нестационарных температурных процессов или периодических измерений какого-либо параметра в течение длительного эксперимента, поддержание в заданных пределах параметров экспериментальной установки и т.п.
В среде АРМ от специалиста не требуется специальных знаний по прикладному и специальному программированию. От него требуется умение ориентироваться в предметной области изучаемого явления. В составе АРМ персональная ЭВМ с ее систем-
ным и проблемным (функциональным) программным обеспечением (ПО) составляет профессионально-ориентированную малую вычислительную систему (с высокой надежностью и низкой стоимостью), предназначенную для автоматизации рабочих мест специалистов определенной профессии и сосредоточенную на их рабочих местах.
Приближение ПЭВМ к непосредственным рабочим местам пользователей является одной из наиболее эффективных организационных форм их использования для автоматизации интеллектуального труда специалистов. Это в определенной мере устраняет психологический барьер во взаимодействии человека и машины.
Накопленный опыт показывает, что АРМ должно отвечать следующим требованиям:
- своевременное удовлетворение информационных и вычислительных потребностей специалиста;
- минимальное время ответа на запросы пользователя;
- адаптация к уровню подготовки пользователя и его профессиональным запросам;
- простота освоения приемов работы на АРМ и легкость общения, надежность и простота обслуживания;
- терпимость по отношению к пользователю;
- возможность быстрого обучения пользователя;
- возможность работы в составе вычислительной сети.
Профессиональная ориентация АРМ определяется функциональной частью ПО (ФПО). Именно здесь закладывается ориентация на конкретного специалиста, обеспечивается решение задач определенных предметных областей [8].
Из известных методов организации диалога пользователя и машины (системы с командным языком, системы, реализующие концепцию «человек в среде объектов», диалог в форме «меню») наиболее рациональной основой для построения проблемно-ориентировочных АРМов является ведение диалога в форме «меню» [9], т.е. система предлагает ряд альтернативных функций, и пользователь выбирает одну из них. С помощью иерархически организованных меню пользователь может эффективно решать сложные задачи и не допускать при этом ошибок, поскольку ему предоставляется возможность сделать только правильный выбор из предложенных альтернатив.
Преимущество данного подхода очевидно: исследователь не загружен лишней, с его точки зрения, информацией о работе системы; для работы необходимо лишь читать выводимое на экран «меню», которое в определенной мере заменяет «руководство оператора», освоение может происходить без описания на основе перехода из одного состояния «меню» в другое.
При разработке АРМ в настоящее время широкое распространение получил функциональный подход, суть которого заключается в том, что сначала анализируются функции, выполняемые работниками выбранной профессии, из них выбираются наиболее типичные, чаще всего встречающиеся. Затем проектируются и создаются технические и программные средства, авто-
матизирующие выполнение этих функций, которые и объединяются понятием АРМ.
Эффективность АРМ следует рассматривать как интегральный показатель уровня реализации приведенных принципов, отнесенный к затратам по созданию и эксплуатации системы.
Функционирование АРМ может дать реально ощутимый эффект только при условии правильного распределения функций и нагрузки между человеком и машинными средствами обработки информации, ядром которых является ПЭВМ. Лишь в этом случае АРМ станет средством повышения не только производительности труда и эффективности управления, но и социальной комфортности специалистов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коробко В.Н. Проблемы классификации и унификации горной информатики на рудных карьерах Украины / В.Н. Коробко // Вестн. КТУ № 27. - Кривой Рог: КТУ, 2001. - С. 141-149.
2. Панфилов А.Л. Разработка информационноаналитической системы геологического обеспечения горных работ / А.Л. Панфилов, М.Г. Го-лендухин // Сборник научных трудов НГА Украины № 9. - Т. 1. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 2000. - С. 125 -130.
3. Дементьев Л.Ф. Математические методы и ЭВМ в нефтегазовой геологии / Л.Ф. Дементьев.
- М.: Недра, 1983. - 189 с.
4. Панфилов А.Л. Характер и структура геологической информации / А.Л. Панфилов // Прогрессивные технологии производства и обработки маркшейдерских и геологических съемок: сб. научн. тр. ВНИМИ. - СПб.: ВНИМИ, 1995. - С. 72-75.
5. Ершов В.В. Основы горнопромышленной геологии / В.В. Ершов. - М.: Недра, 1988. - 328с.
6. Панфилов А.Л. Объемное горно-геологическое картирование (ОГГК). Новый подход к моделированию геологической среды / А.Л. Панфилов // Тезисы докладов Х Всероссийского угольного совещания "Ресурсный потенциал твердых горючих ископаемых на рубеже XXI века". - Ростов/Дон. - 1999. - С. 231-232.
7. Романов В.Г. Автоматизированное рабочее
место экспериментатора / В.Г. Романов. - Чита: ЧитГТУ, 1997. - 220 с.
8. Кантарь И.Л. Автоматизированные рабочие места управленческого аппарата / И.Л. Кантарь.
- М.: Финансы и статистика, 1990.
9. Шураков В.В. Автоматизированное рабочее место для статистической обработки данных /
B.В. Шураков, Д.М. Дайитбегов, С.В. Мизрохи,
C.В. Ясеновский. - М.: Финансы и статистика, 1990. - 190 с.
