CC BY
41
© В.М. Аленичев, В.И Суханов, Р. А. Иманкулов, 2008
УДК 622.271.3.014.2:658.012]:681.3
В.М. Аленичев, В.И. Суханов, Р.А. Иманкулов
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ КАРЬЕРОВ
Сформулированы основные проблемы ГГИС с распределенной системой обработки информации способы их реализации
Семинар № 14
звестную на рынке программную продукцию для горных предприятий условно можно разделить на три больших класса по стоимости и доступности:
- общедоступные программы, которые можно получить бесплатно, например, по сети Интернета;
- недорогие и средней стоимости коммерческие программы, предлагаемые небольшими специализированными компаниями;
- интегрированные системы, выполняющие операции от обработки первичной геологической информации до выдачи готовых чертежей запроектированного карьера или шахты.
Из зарубежных горно-геологичес-ких информационных систем (ГГИС) наибольшее распространение получили интегрированные многофункциональные системы Vulkan (Австралийская компания KJRA Systems), MINCOM (Австралийская компания Mincom Pty Ltd.), MineSight (Американская компания Mintes Inc.), GEMCOM (Канадская компания GEM-COM Software International Inc.), Surpac (Австралийская компания Surpac Software International), Datamine (Английская компания Datamine International) и др.
При использовании импортных горных информационных систем на отечественных предприятиях выяснилось ряд
проблем. Первая наиболее простая проблема - русификация продуктов. Более сложными являются проблемы несоответствия отечественных и зарубежных стандартов и требований на ведение горных работ и их документирование. Из опыта эксплуатации подобных систем установлено, что сокращение расчетной работы при камеральной обработке результатов измерений компенсируется затратами времени на доведение конечного документа до нужного вида. Для некоторых систем, являющихся закрытыми продуктами, приведение в соответствие функций и форматов представления горной документации становится трудноразрешимой задачей, сравнимой по сложности с разработкой новых ГГИС.
Наличие трудно решаемых технических, организационных и финансовых проблем при адаптации зарубежных ГГИС к условиям эксплуатации их на отечественных предприятиях приводит к необходимости разработки полнофункциональных, интегрированных
ГГИС, ориентированных на использование в условиях отечественных карьеров.
Основные проблемы при моделировании месторождения и карьера на современных компьютерах порождаются необходимостью отображения и мани-
пулирования геометрическими трехмерными объектами на плоском экране с использованием средств, обеспечивающих двумерный ввод дан-ных. Точное воспроизведение геометрических параметров, их ввод и редактирование в изометрии на сегодня представляется трудной задачей. Принципиально в двумерной системе невозможно кодировать трехмерные объекты. Поэтому вычислительная геометрия наработала ряд подходов к решению таких задач. Например, в машиностроении широко используются ортогональные проекции тел, хорошо работающие для стандартных фигур: призматические, тела вращения и им подобные, имеющие явно выраженные оси симметрии. В то время как для фасонных поверхностей такие средства явно недостаточны и обычно дополняются множеством разрезов и сечений, что делает трудной компьютерную обработку подобной информации.
Практика документирования состояния горных работ на карьерах выработала технику представления горногеологических и техногенных данных с использованием погоризонтных качественных планов и вертикальных сечений, позволяющих с нужной точностью и детальностью кодировать всю необходимую информацию. Предпосылками для этого является приближенная информация о границах рудных тел, скрытых в толще горного массива, что позволяет на погоризонтных планах считать их обобщенными конусами с произвольными основаниями. В свою очередь карьер образует поверхность топографического порядка, для построения которой достаточно по площадкам уступов задать сеть отметок, обеспечивающих требуемую точность геометрических вычислений. Последние, как правило, основываются на интерполяции поверхности полиномами первой, редко второй
и выше степени. Наиболее часто используемый метод в этом случае является триангуляция - покрытие исследуемой области сетью треугольников.
Наиболее известной и хорошо проработанной в теоретическом и алгоритмическом плане является триангуляция Делоне. Но для решения задач аппроксимации поверхности карьера она не очень подходит, поскольку заложенные в алгоритмы ее построения критерии приводят к нарушениям непрерывности бровок уступов и других технологических выработок. Для этого необходимы триангуляции с дополнительными ограничениями на характер ребер покрытия: линии бровок в виде отдельных участков должны быть обязательными ребрами сети треугольников. Вершины точек смежных бровок и фактические отметки на площадке уступа (подуступа) должны использоваться для построения дополнительных треугольников, обеспечивающих полное покрытие области триангуляционной сетью.
Важным для эффективной работы, как при построении триангуляции, так и при ее использовании для интерполяции поверхности - расчета отметки произвольной точки области является выбор способа кодирования триангуляции. Наиболее эффективный способ кодирования, использованный в триангуляции Делоне, разработан Соп§Нп Ьи (1996 г.) для программирования апплета. Каждое ребро треугольника сети кодируется четырьмя элементами, позволяющими связывать его ссылками с точками области и с соседними ребрами треугольника (рис. 1). При этом элемент Е связан с начальной точкой ребра Т1 и со структурой следующего по часовой стрелке ребра инцидентного той же точке сети, элемент Бут - с конечной точкой Т2 ребра, элемент Яо(3 - со структурой
Рис. 1. Структура данных для треугольника с вершинами Т1, Т2, Т3
следующего ребра треугольника по направлению часовой стрелки.
Предлагаемое представление данных обеспечивает решение следующих задач:
- поиск левого и правого треугольника для заданного ребра;
- поиск следующего треугольника в точке сети и выбор направления обхода его по часовой стрелке;
- определение треугольника (задача навигации) для заданной точки поверхности без перебора остальных треугольников, пользуясь проверками положения искомой точки относительно ребра при переходе на следующее ребро;
- построение горизонталей на плане поверхности карьера (по площадкам и откосам уступов карьера).
Пример фрагмента построенных горизонталей приведен на рис. 2. Как видно из рис. 2, качество изолиний, характеризующих топографию откосов и
площадки уступа, не вызывает нареканий.
Горно-геологическая информационная система карьера должна хранить информацию по зонам временной консервацией участков борта, типовым паспортам ведения буровзрывных работ, остаткам взорванной горной массы и динамики ее изменения и т.п. Для обеспечения полноты решения задач необходимы атрибутивные данные, связанные с объектами модели. К таким объектам относятся скважины, слой горной массы в уступе, капитальные и вскрывающие выработки, постоянные и временные съезды, дороги, инженерные коммуникации, оборудование и т.п.
Разработка ГГИС может производиться в различных инструментальных средах с использованием различных технологий. Разработка с "нуля" полнофункциональных систем требует
Нижняя бровка уступа 270-255 м
Верхняя бровка уступа 255-240 м
Горизонталь на площадке уступа
Горизонтали по откосу уступа 240255 м
Рис. 2. Фрагмент горизонталей поверхности карьера
больших затрат (сотни человеко-лет) на создание инструмента и самой ГГИС. Учитывая достаточно быстрое совершенствование парка компьютеров и технологий программирования, этот путь приводит к постоянным доработкам и адаптациям геометрического и функционального ядра, что отвлекает специалистов и замедляет темп развития системы.
Потребность в трехмерном моделировании геологических и техногенных объектов делает практически неприемлемыми для этих целей географические информационные системы, хорошо работающие в задачах картографии. Поэтому наиболее доступным по стоимости и функциональности графического ядра является программный продукт AutoCAD. Он располагает огромным набором возможностей представления, структурирования и манипулирования геометрическими объектами различной
сложности (точки, линии, полилинии, сети, регионы, тела, блоки и другие примитивы), позволяющими решать задачи геометрического моделирования и управления горно-геологическими и техногенными объектами. Имея встроенные языки программирования AutoLisp и VBA, язык C++ для разработки приложений, AutoCAD может претендовать на роль инструментального средства для разработки прикладных ГГИС различной функциональности. Следует иметь в виду и то, что последние версии продукта поддерживают COM-интерфейсы, позволяющие интегрировать его в сложные взаимодействующие друг с другом системы.
Промышленные ГГИС должны быть ориентированы на совместную работу многих специалистов, а, следовательно, на распределенную обработку информации. Необходимость обращения к единой модели требует централизованного
хранения и управ-ления графической и атрибутивной информацией, а также предоставление ее клиентам, расположенным в различных подразделениях предприятия. К сожалению, сам АШо-САБ не является графическим сервером, способным выдавать по запросам клиентов нужные ему фрагменты графической базы данных и тем более редактировать эти фрагменты. Распределенная обработка информации заключается в возможности удаленного обращения к информации, сохраненной на центральном узле, и возможности ее корректировки определенным пользователем.
Сформируем основные проблемы ГГИС с распределенной системой обработки информации, и способы их реализации.
1) Обработка информации на удаленных узлах с последующей корректной синхронизацией ее на центральном сервере. Это достигается за счет обнаружения и разрешения конфликтов, возникающих вследствие попыток одновременного редактирования одного и того же объекта на разных удаленных узлах. Классический вариант решения данной проблемы предполагает введение транзакций - последовательных операций, представляющих собой логическую единицу работы с объектом. Управление транзакциями осуществляется с использованием блокировок. Оптимальным является реализация вре-менных блокировок, при которых клиентское приложение блокирует объект на определенный (небольшой) временной интервал. По истечении этого интервала приложение должно продлить блокировку, в противном случае объект считается свободным.
2) Безопасное изменение информации с точки зрения ее конфиденциальности и целостности. Подсистема безопасности должна предотвращать не-
санкционированные случайные или умышленные правки.
3) Выбор представления графических и атрибутивных данных при графической передаче их на клиентское приложение и обратный прием измененных. Данные между клиентом и сервером могут передаваться в формате DXF. Экспортирование в DXF сохраняет идентификатор (handle) передаваемого объекта, что позволяет легко решить проблему обновления на стороне сервера объектов, измененных клиентом.
Решение первых двух указанных проблем требует сохранения информации о блокировках и правах доступа к объектам. Информация может сохраняться как в расширенных атрибутах объектов, так и во внешней по отношению к AutoCAD базе данных. Последний вариант, несмотря на кажущуюся избыточность, является предпочтительным, поскольку в этом случае разработчику предоставляется большая гибкость при задании и изменении прав доступа. При этом возможно хранение информации, не связанной напрямую ни с каким объектом AutoCAD, например, информация о праве пользователя создавать новые объекты.
Расширение функциональности в сторону распределенной клиент-
серверной архитектуры может быть реализовано с использованием COM-интерфейсов сервера, выполняющих недостающие функции. Архитектура такой системы приведена на рис. 3.
Роль сервера приложений и сервиса коммуникаций в зависимости от принятой технической политики пред-приятия играют веб-сервер и автономная программа (браузер), общающиеся по протоколу HTTP. Задачей этого звена является поддержание соединения, контроль полномочий клиента, формирование и интерпретация запросов на данные с
Сервер ГГИС Клиент ГГИС
Рис. 3. Архитектура клиент/серверной ГГИС
сервера, отображение фрагмента на стороне клиента, формирование запросов на корректировку модели на стороне сервера по результатам модификации фрагмента уполномоченным пользователем на стороне клиента.
Задача, с которой сталкивается разработчики при построении ГГИС на базе АШоСАБ, связана с нетипичным объемом и специфическим характером обрабатываемых данных. Большой объем информации в сочетании с необходимостью ее интенсивной численной обработки приводит к снижению производительности системы, что сказывается на комфортности работы пользователя. Ситуацию усугубляет невысокое быстро -действие встроенных языков програм-
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Аленичев В.М. - доктор технических наук, профессор, зав. сектором ИГД УрО РАН,
Суханов В.И. - доктор технических наук, доцент, Уральский государственный технический университет-УПИ, зав. кафедрой программных средств и систем,
Иманкулов Р.А. - аспирант кафедры программных средств и систем, Уральский государственный технический университет-УПИ.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 14 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Н.И. Федунец.
мирования. Способ решения проблемы, заключающийся в совершенствовании алгоритмов обработки, имеет естественные пределы, а для дальнейшего повышения производительности единственно возможным становится «экстенсивный» путь развития, который заключается в построении системы распределенной обработки информации с использованием СОМ-технологий. В свете относительно невысокой стоимости современных персональных ЭВМ и локальных вычислительных сетей такой путь развития может оказаться эконо-мически целесообразным даже при наличии некоторых резервов оптимизации программного кода. ИТШ
