CC BY
110
------------------------------------------ © Ю.М. Левкин, 2004
УДК 622.1 Ю.М. Левкин
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МАРКШЕЙДЕРСКОГО МОНИТОРИНГА
Семинар № 1
Согласно В.К. Епишину и В.Т. Трофимову, структурная схема мониторинга геологической среды в общем виде состоит из блока контроля и блока управления. Эти блоки связаны между собой каналами передачи информации. В блок управления входит автоматизированная информационная система и система инженерной защиты (рис. 1).
Сложная макросистема геологического мониторинга состоит из нескольких функций и систем различного назначения (Королев, рис. 2).
В структуре данного мониторинга основными системами являются: функциональная, иерархическая, объектов мониторинга, производственных работ, научно-методических разработок, технического обеспечения мониторинга.
Для решения задач по: хранению и поиску режимной информации о состоянии геологической среды и природно-техни-ческой системой (ПТС); целенаправленной постоянной обработки и оценки информации; выполнению перманентных прогнозов развития и состояния геологической среды; управлению геологической средой, создается автоматизированная информационная система (АИС), которая является основой организационной структуры мониторинга геологической среды.
АИС мониторинга геологической среды по В.К. Епишину и В.Т. Трофимову, состоит из четырех основных взаимосвязанных блоков, каждый из которых направлен на ре-
шение одной из вышеуказанных задач (рис. 3).
Первую задачу решает первый блок АИС, являющийся автоматизированной информационно-поисковой системой (АИПС). Все первичные данные о геологической среде территории из наблюдательной сети поступают в систему АИПС. Накапливаясь в банке данных, они обрабатываются, сортируются и используются в дальнейшем во всех операциях по оценке и прогнозу состояния геологической среды.
Вторая задача целенаправленной обработки и оценки поступающей информации решается вторым блоком АИС, являющимся автоматизированной системой обработки данных (АСОД). Этот блок осуществляет количественную и качественную обработку всей информации по мониторингу геологической среды.
Третья задача по составлению повторяющихся прогнозов в соответствии с функциональной схемой мониторинга геологической среды решается третьим блоком АИС, являющимся автоматизированной прогнознодиагностической системой (АПДС). Составляющей данного блока является постоянно действующая модель (ПДМ).
Четвертым блоком АИС, являющимся автоматизированной системой управления. решаются задачи по разработке рекомендаций и управлению ПТС Данный блок осуществляет конечную цель и функцию геологического мониторинга.
Рис. 1. Структурная схема мониторинга геологической среды (по В.К. Епишину и В. Т. Трофимову)
Методики и программы наблюдений Методики оценки Методики прогнозов
Техническая база
Рис. 2. Общая структура мониторинга окружающей среды
Каждый из блоков реализуется с помощью ЭВМ.
Маркшейдерский мониторинг является одним из частных видов мониторинга за отдельными элементами геологической среды.
Автоматизированная информационная система (АИС), создаваемая на базе вычислительного комплекса, составляет основу организационной структуры маркшейдерского мониторинга подземного пространства многоцелевого освоения в угледобывающих регионах.
АИС реализует набор функциональных процедур. Данная система, обеспечивает полу-
чение определенных результатов, поддержание нужных режимов функционирования, а также сохранение и развитие структуры системы.
Главной целью использования АИС является маркшейдерский мониторинг предприятия многоцелевого использования, учитывающий определение направления многоцелевого использования подземного технологического пространства при его долговременной эксплуатации, захоронении отходов или погашении горных выработок, а также нахождение оптимальных решений для мониторинга эксплуатируемых подземных горных выработок и управления технологическим пространством, включающим их маркшейдерское обеспечение, геоэкологический кон-
/ Блок АИС
/ Автоматизированная I информационная
\ система
троль. При этом необходимо минимизировать затраты на создание или поддержание в рабочем состоянии горных выработок многоцелевого использования. Человеческая деятельность, соответствующая достижению этой цели, определяется как рациональное использование подземного пространства.
В соответствии с этим, конечной целью АИС является нахождение оптимальных решений для маркшейдерского мониторинга и управления подземным технологическим пространством многоцелевого использования, путем регулирования его режима эксплуатации, осуществляемого на базе анализа геологомаркшейдерских наблюдений за состоянием массива пород, горных выработок в период работы угольной шахты и текущей эксплуатации предприятия многоцелевого использования.
Составными частями АИС маркшейдерского мониторинга являются блок автоматизированной системы информации и обработки данных наблюдений (АСИОН), блок автоматизированной оценочно-прогнознаой системы
(АОПС), блок автоматизированной системы мониторинга и управления (АСМУ).
В задачи АИС входит:
- ввод, хранение, поиск информации геоло-го-маркшейдерских наблюдений за массивом горных пород, подземными выработками;
- постоянная обработка и оценка геолого-маркшей-дерских наблюдений, прогнозирование состояния массива горных пород, подземных горных выработок, мульды сдвижения;
- решение задач по управлению подземным технологическим пространством многоцелевого использования.
Автоматизированная информационная сис-
Рис. 4. Схема структуры автоматизированной информационной системы (АИС) маркшейдерского мониторинга предприятия многоцелевого использования
Рис. 3. Принципиальная схема структуры автоматизированной информационной системы (АИС) мониторинга геологической среды
тема маркшейдерского мониторинга предприятия многоцелевого использования состоит из трех основных взаимосвязанных блоков, каждый из которых обязан быть направлен на решение одной из перечисленных выше задач.
Автоматизированная система информации и обработки наблюдений (АСИОН) представляет первый блок АИС, используемый для решения первой задачи.
В систему АСИОН вносятся и постоянно хранятся все первичные данные по многолетним и текущим геолого-маркшейдерским наблюдениям о состоянии массива горных пород, подземных горных выработок, горно-
геологические характеристики шахтного поля, а также другая информация необходимая для мониторинга. В банке данных информация накапливается, предварительно обрабатывается и в дальнейшем используется при прогнозе состояния горных пород, подземных выработок, объектов находящихся на земной поверхности в пределах мульды сдвижения.
По информационным каналам связи первичная информация поступает в АСИОН (рис. 4). Для сбора первичной информации маркшейдерского мониторинга, за породным массивом, горными выработками, земной поверхностью, в каждой точке, маркшейдерских наблюдений, согласно разработанного проекта, устанавливаются датчики различного функционального назначения, которые являются начальным звеном в информационном канале связи.
Автоматизированная оценочно-прогнозная система (АОПС) представляет собой второй блок АИС, используемый для решения второй задачи.
/ Блок АИС
/ Автоматизированная I информационная
\ система
АОПС
Автоматизированная оценочнопрогнозная система
Этот блок реализует функции постоянной обработки и оценки имеющейся информации в первом блоке для прогноза состояния массива пород, поведения подземного пространства многоцелевого использования и земной поверхности, определения направления эксплуатации подземных горных выработок в переходный период от угольной шахты к предприятию многоцелевого использования. Автоматизированная система мониторинга и управления (АСМУ), представляет собой третий блок АИС, используемый для решения третьей задачи. позволяющей разрабатывать рекомендации в соответствии с функциональной схемой маркшейдерского мониторинга и управления предприятием многоцелевого использования. Данные блоки АИС образуют единую функциональную систему и связаны друг с другом.
В связи с интеграцией данных между блоками АИС, происходит изменение состояния системы, которое достигается в результате изменения управляющих взаимодействий. Последнее осуществляется с помощью так называемых сигналов управления. Каждый блок вырабатывает значения управляющих взаимодействий. Эти сигналы вырабатывает управляющее «устройство», а затем они поступают в исполнительное устройство, которое изменяет управляющие взаимодействия в соответствии с сигналами управления. Сами же сигналы управления вырабатываются на основании информации о функционировании АИС. Таким образом, управление какой-либо АИС возможно только в том случае, если существует информация о состоянии системы, а также имеется блок управления (управляющее и исполнительное устройство), позволяющий изменять управляющие решения. Система АИС позволяет получить информацию о состоянии массива пород, подземного пространства, а значит и обеспечить оптимальное управление.
Для целенаправленного управления разнообразными характеристиками угольной шахты и определения развития ее дальнейшего использования в АИС достаточно обеспечить блок АОПС данными характеризующими состояние массива пород и подземных горных выработок. Решение этих задач может основываться на применении экспертизы для оценки текущей ситуации и прогноза недропользования.
При постановке задачи оптимального управления в ходе использования АИС необходимо учитывать следующие формальные требования:
- необходимость исчерпывающего описания объекта управления, т.е. ввод исходных данных;
- наличие, хранение и обработка полной информации в которой функционирует данная АИС: о массиве пород, подземных горных выработках, объектах находящихся в мульде сдвижения;
- определение цели управления АИС;
- систематизация данных по заданным критериям и создание поисковой системы;
- определение ограничений, которые нельзя нарушать в процессе управления.
АИС основана на использовании специальных алгоритмов выбора оптимальной альтернативы в зависимости от параметров АИС, массива пород и подземных горных выработок, их текущего состояния и цели управления. Она служит для автоматизации решения задачи, определения направления многоцелевого использования подземного пространства, что поможет избежать многих ошибок за счет сведения к минимуму человеческого фактора. Широко используется экологическая экспертиза, которая включает учет воздействия на окружающую среду, а также процесс оценки изменений природных условий и ресурсов, прогноз, принятие решения по конкретному объекту. Выполнение геоэкологической экспертизы проекта заключается в сравнении прогнозируемых состояний природной среды и отдельных ее компонентов в зоне воздействия с некоторым эталоном.
Современную геоэкологическую экспертизу должны отличать ряд характерных черт и признаков, часть из которых являются обязательными:
- комплексный подход к экспертизе проектов, оценка и учет не только комплекса природно-экологических вопросов, но и социальноэкономических, демографических, правовых, политических и психологических.
- внимательный анализ проблемных ситуаций.
- региональный подход к экспертизе, подразумевающий учет местных природных, социальных, экономических особенностей территории не только в границах конкретных объектов, но и окружающего их фона.
СХЕМА РЕАЛИЗАЦИИ ФУНКЦИЙ АИС
(Автоматизированной Информационной Системы)
исходных
БЛОКАСОД
(автоматизированная система обработки анных)
Систематизация данных по заданным критериям
(автоматизированная информационнопоисковая система
Экспертиза
БЛОКАПДС
(автоматизированная
прогнозно-
диагностическая
система)
Определение направления многоцелевого использования подземного пространства:
1. 2. 3.
Долговременная эксплуатация Захоронение отходов Выработки, подлежащие погашению
Нахождение оптимальных решений для мониторинга и управления технологическим пространством:
1. 2. 3.
Маркшейдерское Г еоэкологический Управление
обеспечение контроль технологическим
пространством.
РЕАЛИЗУЕМЫЕ ФУНКЦИИ: 1. Хранение информации, 2. Поиск информации по заданным критериям, 3. Оценка текущего состояния подземного пространства угольной шахты, 4. Прогноз состояния горных выработок для их многоцелевого использования, 5. Определение направления многоцелевого использования подземного пространства, 6. Нахождение оптимальных решений для мониторинга и управления технологическим пространством.
Рис. 5
- прогнозирование, подразумевающее чаще всего прогноз развития и изменения природных условий в результате того или иного вида техногенного воздействия.
- оценка устойчивости и изменчивости геосистем, которая чаще всего осуществляется одновременно с прогнозированием.
Очень важный аспект в управлении, процедура принятия управляющего решения. Принятие решения, действие над множеством альтернатив, в результате которого получается подмножество выбранных альтернатив, иногда это только одна альтернатива, но так получается не всегда. Поэтому иногда невозможно автоматизировать этот процесс. Применительно к данной задаче принятие решения означает выбор среди различных альтернативных вариантов такого управляющего воздействия, которое наилучшим образом соответствует выбранным ранее критериям управления подземным пространством (технологическим, экологическим, экономическим и др.) Способ сравнения альтернатив называют критерием предпочтения. Многокритериальные задачи не имеют однозначного общего решения. Поэтому в системном анализе предлагается много разных способов придать многокритериальной задаче частный вид, обладающий единственным решением. Для разных случаев эти решения являются различными, поэтому едва ли не главное в решении многокритериальной задачи - обоснование именно этого вида ее постановки, того, насколько такая постановка соответствует стоящей перед исследователем проблеме.
Правильный выбор решения зависит от правильности анализа действующих факторов, так как управление должно руководствоваться главным фактором, определяющим данный про-
1. Бондарик Г.К., Ярг Л.А. Природнотехнические системы и их мониторинг. Инженерная геология. 1990 № 5. - С. 3-9.
2. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. - Л.: Гидрометеоиздат. 1984. 560 с.
3. Мироненко В.А. О концепции государственного гидроэкологического мониторинга России. Геоэкология. 1993. №1. - С. 19-29.
4. Епишин В.К., Трофимов В.Т. Литомониторинг - система контроля и управления геологической средой.
цесс. В системе приходится иметь дело с многофакторными данными, и появляется задача выявления ведущего фактора. Для этого используется многофакторный корреляционно-регрессивный анализ.
Текущее состояние массива пород, подземных горных выработок, объектов находящихся в мульде сдвижения и другие важные факторы для безопасной эксплуатации предприятия многоцелевого использования при необходимости могут быть отражены графически. Для обеспечения оперативной обработки поступающей информации и своевременного принятия решений составной частью АИС являются компьютерные комплексы с техническими устройствами информационных сетей и периферийными устройствами. В их состав входят: марки, цифровая видеокамера типа Panasonik NV - GS30EN, дигитайзер (планшет для снятия координат), сканер, плоттер, компьютер SONY PcV-RS 420 с процессором Intel Pentium 4 2,8 ГГц с технологией Hyper-Threading, многофункциональное устройство (принтер) с цифровым копиром с масштабированием и цветным планшетным сканером, или портативный компьютер (для полевых условий) Sitronics Oris 3030 в состав которого входит: процессор Pentium Centrino 1,5 Ghz; монитор: 14 XGA TFT; оперативная память:
512 Mb; жесткий диск 60 Gb; привод DVD
- CDRW; Windowsw XP home edition WiFi (беспроводная связь) и другие маркшейдерские, геофизические приборы и инструменты предназначенные для непрерывного слежения за объектами наблюдения, а также датчики, используемые в системе режимных наблюдений.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Теоретические основы инженерной геологии. Социальноэкономические аспекты. Под ред. Акад. Е.М. Сергеева. - М.: Недра. 1985. С. 243-250.
5. Королев В.А. Мониторинг геологической среды. Учебник. Под редакцией В.Т.Трофимова. - М.: Изд-во МГУ, 1995. - 272 с.
6. Израэль Ю.А. Философия мониторинга. Метеорология и гидрология.1990.№ 6. - С. 5-10.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Левкин Ю.М. — доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
