CC BY
159
УДК 004.9
СИТУАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С УЧЕТОМ АСПЕКТОВ БЕЗОПАСНОСТИ
О.В. Фридман, А.Я. Фридман
Институт информатики и математического моделирования технологических процессов КНЦ РАН
Аннотация
На примере хвостохранилища обогатительной фабрики АНОФ-2 ОАО «АПАТИТ» и одной из задач диспетчерской службы энергетической системы региона кратко представлен ситуационный подход к управлению процессом моделирования на основе иерархической концептуальной модели объекта исследования. Разработанная ситуационная система
моделирования включает встроенные специализированные ГИС и экспертную систему.
Моделирование проводится в обобщенном пространстве состояний, включающем как строковые, так и числовые переменные, и позволяет использовать экспертные знания о степени опасности различных состояний объекта моделирования.
Ключевые слова:
динамический пространственный объект, ситуационное управление, концептуальная модель, ситуационное моделирование, принятие решений.
В [1-3] описана ситуационная система моделирования (ССМ), разработанная в рамках технологии структурного анализа и конструирования с целью анализа и прогноза состояния природно-технических комплексов (НТК), которые
рассматриваются как многоуровневые иерархические системы
в стиле общей теории систем [4]. Любая современная система моделирования НТК должна включать в себя ГИС и поддерживать исследование динамики поведения НТК. Более того, принципиальная неполнота знаний об объектах класса
НТК существенно ограничивает применимость аналитических моделей и требует наличия средств
использования экспертных знаний. Но той же причине любая модель НТК должна допускать оперативную модификацию для учета результатов уже проведенных этапов моделирования. Таким образом, необходимо интегрировать упомянутые формы представления знаний о НТК в единую интеллектуализированную систему моделирования, сопровождающую открытую модель предметной области.
Ситуационная система моделирования функционирует на основе интегрированной
концептуальной модели нестационарного природно-технического комплекса, ориентирована на автоматизацию всех этапов моделирования, широкое применение экспертных знаний, использование ГИС-технологии для графического представления составных частей объекта, постановки задачи и представления результатов моделирования, а также для выполнения пространственно-зависимых расчетов. ССМ предоставляет лицу, принимающему решения (ЛНР), алгоритмическую поддержку для обоснования его решений об изменении или сохранении структуры подчиненного ему объекта и в этом смысле является альтернативой экспертному совету.
При концептуальном моделировании ПТК допускается изменение понятий предметной области и связей между ними, что приводит к необходимости реконструкции модели и исключает априорное планирование вычислений. При этом возникают определенные трудности по адекватному преобразованию модели исследуемой системы от декларативного к программно-алгоритмическому представлению. Для решения таких проблем используют технологии типа CASE и CAD. Соответственно, системное наполнение средств поддержки моделирования должно предоставлять возможности оперативной корректировки состава программной системы и хода вычислительного процесса при изменении модели. С технологической точки зрения ССМ должна заполнить имеющийся пробел в средствах моделирования организационных систем в рамках структурного подхода к построению модели предметной области.
Опишем кратко основные части и принципы функционирования ССМ.
Для использования ССМ ПТК необходимо представить в виде иерархически упорядоченного множества объектов (составных частей). Эта иерархия должна отражать организационные взаимоотношения объектов. По положению в дереве объектов и на карте выделяются три категории объектов концептуальной модели предметной области (КМПО): примитивы, структурно неделимые с точки зрения глобальной цели моделирования, элементарные объекты, географически связанные с одним ГИС-элементом (полигоном, дугой или точкой какого-либо покрытия), и составные объекты, состоящие из элементарных и/или составных объектов.
После формирования иерархии объектов необходимо задать ресурсы (данные), которыми обмениваются объекты (сформировать списки входных и выходных ресурсов объектов). Множество ресурсов включает настроечные ресурсы, передаваемые вдоль дуг графа объектов и обеспечивающие корректность иерархии объектов, и "материальные" ресурсы, описывающие другие типы взаимодействий между объектами. Каждый входной ресурс должен либо порождаться другим объектом, либо помечаться как внешний, что означает его реализацию из некоторой базы данных или на выходе некоторой функции, заданной пользователем.
Подлежащие сопоставлению альтернативы реализации ПТК вносятся в модель на этапе ее конструирования либо путем декомпозиции некоторого объекта на подобъекты по типу "или", либо заданием альтернативных наборов ресурсов на входе некоторого объекта или процесса.
Процессы в КМПО отображают преобразования данных и реализуются различными способами в зависимости от типа исполнителя процесса. Исполнитель можно задать либо непосредственно (в виде разностного уравнения), либо косвенно - ссылкой на имя реализующего этот процесс программного модуля или встроенных в ССМ геоинформационной и экспертной систем. Логическая обработка данных реализуется посредством встроенной экспертной системы (ЭС), которую можно назначить исполнителем любого ресурса или процесса. Тогда этот ресурс или все выходные ресурсы этого процесса должны присутствовать в правых частях некоторого набора правил экспертной системы ССМ.
При построении интегрированных систем наиболее часто используется принцип взаимодействия по данным [5], который предполагает объединение двух и более самостоятельных систем в интересах решения одной прикладной задачи. В этом случае каждая подсистема выполняет собственные специфические функции, а взаимодействие между разными подсистемами реализуется путем обмена данными или доступа к одним и тем же информационным ресурсам. Взаимодействие по данным позволяет объединять практически самостоятельные подсистемы в интегрированную прикладную систему путем объединения функциональных возможностей разных подсистем. Однако в рассматриваемой задаче такой подход возможен, только если функции ГИС и ЭС независимы, то есть в процессе функционирования ГИС не задействуется ЭС, а в процессе логического вывода ЭС не задействуется ГИС.
Применения только принципа взаимодействия по данным в ССМ недостаточно, необходимо реализовать более сложный и гибкий принцип интеграции КМ взаимодействие по событиям, которое основывается на наличии управляющего ядра системы. В ССМ функции ядра выполняет КМПО. В таком случае схема функционирования интегрированной системы, которой является ССМ, выглядит следующим образом (рис. 1):
Здесь управляющее ядро системы в зависимости от события, связанного обычно с состоянием сценария функционирования системы в целом, инициирует работу нужной подсистемы.
Теперь рассмотрим разработанные приложения ССМ.
Хвостохранилище обогатительной фабрики АНОФ-2 ОАО «АПАТИТ» - территориально-распределенный НТК, относящийся к классу систем с высокой потенциальной опасностью развития чрезвычайных ситуаций, которые могут вызвать серьезные последствия для природной и социальноэкономической среды региона. На рис. 2 приведена упрощенная схема объекта исследования.
Рис. 1. Схема функционирования интегрированной системы
Хвостохранилище
АНОФ-ІІ
Основными зонами риска хвостохранилища являются такие объекты, как отстойный пруд, окружающая его дамба, пульпопровод, которые находятся под постоянным воздействием природной среды. Неречислим основные характеристики этих объектов и связанных с ними опасностей.
Отстойный пруд имеет форму конусообразной чаши глубиной 170 ми площадью 4.96 км2. Ноступающая в него пульпа подвергается разложению на воду и оседающую часть. Нод воздействием факторов окружающей среды происходит испарение с поверхности пруда, а также увеличение уровня воды за счет атмосферных осадков. Вследствие водопроницаемости пород, образующих дамбы, возникает просачивание воды из пруда. Кроме того, часть воды уходит по водосборным колодцам на повторную обработку. Объект «Отстойный пруд» имеет привязку к ГИС-карте, поэтому вычисление площади поверхности и глубины пруда производится отдельным ГИС-процессом.
Основой дамбы (средняя высота 10-17 м) является крупнообломочный материал. Новерхностная часть ее образована намывными хвостами средней крупностью 0.128 мм. Намывные породы распределяются по дамбам пропорционально их площади. Все необходимые для расчета характеристики считываются с ГИС-карты. В случае превышения уровня воды в пруду над уровнем дамбы и/или вследствие прорыва пульповода, проходящего по ее гребню, происходит повреждение дамбы с возможной потерей ее работоспособности. Объем фильтрованных вод также рассчитывается с использованием ГИС-характеристик (протяженность дамбы, уровень воды в пруду, коэффициент фильтрации).
Пульповод представляет собой металлический трубопровод диаметром 1200-1400 мм, по которому осуществляется гидротранспорт хвостов от АНОФ-2 до хвостохранилища и по территории хвостохранилища. Распределительный пульповод оборудован выпусками диаметром 125 мм и оснащен шланговыми затворами, регулирующими слив пульпы. Вследствие оседания тяжелых частиц со временем внутренние стенки пульповода заиливаются, они также подвергаются коррозии, что приводит к разрушению трубопровода и возникновению аварийных ситуаций.
Климатические и погодные условия оказывают сильное влияние на объект исследования. В частности, в районе хвостохранилища выпадает значительное количество осадков, что создает дополнительную угрозу превышения объема воды в пруду над уровнем дамбы с последующим ее размывом и затоплением окружающей территории. На рис. 3 приведена схема распределения основных факторов, влияющих на изменение объема воды. Чтобы обеспечить безаварийное функционирование объекта, необходимо регулярно отслеживать изменение уровня воды в отстойном пруду.
Для решения этой задачи целесообразно использовать стандартные функции ГИС для работы с геометрией пространственных объектов. Нараметры сооружений (геометрическая форма, глубина и площадь пруда, высота и протяженность дамбы и т.д.) известны и содержатся в базе данных ГИС-приложения. Для определения уровня и площади зеркала воды необходимо получить данные о ее объеме, находящемся в чаше пруда в данный момент времени. Чтобы определить текущий объем воды, находящейся в отстойнике, требуется учесть целый ряд постоянно изменяющихся производственных и климатических факторов. Такая задача для ГИС непосильна, но она вполне разрешима для экспертной системы.
В ЭС ССМ используется продукционное представление знаний. В описываемом приложении применяется детерминированный логический вывод [6, 7].
ГИС-приложение позволяет формировать ответы на запросы экспертной системы, которые используются для проведения экспертного анализа. В качестве ответов выступают значения необходимых географических и геометрических параметров пространственных объектов. Текущую информацию о работоспособности исследуемой системы, данные о плановых объемах поступающей пульпы и оборотной воды, а также об имеющих место атмосферных осадках экспертная система получает из общего справочника ССМ.
Нри проведении экспертизы ЭС определяет, к какой из возможных аварийных ситуаций относится та, которую описывают поступившие данные. Возможны следующие варианты: разрыв пульпопровода, прорыв дамбы и переполнение отстойного пруда. Нри анализе любой из этих ситуаций необходимо учитывать климатические факторы, влияющие на изменение уровня воды в пруду. Ниже приводится пример правила ЭС ССМ.
ЕСЛИ влажность воздуха < 90% И Твозд > 0о
ТО Киспар = к}*Твозд + к2/влажность воздуха +к3* Уветра
ИНАЧЕ Киспар. =0
Это правило вычисляет коэффициент испарения жидкости из водоема (кг/м2), который используется в дальнейшем для вычисления объема испарений: ( Уиспар = Киспар * Язераш воды /Рвсды)-
ГИС-приложение обеспечивает пользовательский интерфейс ССМ, позволяя визуализировать на экране монитора результаты работы других компонентов системы. Из расчетного модуля ГИС получает числовое значение, соответствующее объему воды в отстойнике. Из общего справочника ССМ поступают сведения о текущем состоянии технологических объектов и окружающей среды. Информация экспертной системы может содержать номер/номера участков дамбы (секторов пульпопровода), где имеет место аварийная ситуация или наиболее вероятна угроза ее возникновения.
В условиях штатного режима функционирования объекта исследования ГИС-приложение, используя полученные данные, производит расчет уровня воды в чаше пруда и сравнивает его с допустимым. Если допустимый уровень не превышен, ГИС формирует для пользователя стандартное сообщение, содержащее описание текущих технологических и природных процессов. В случае, когда по результатам расчетов необходимо обновить картографическое отображение хвостохранилища, оно перерисовывается с соответствующими цветовыми обозначениями и текстовыми отметками.
Необходимо отметить, что объекты, являющиеся основными зонами риска хвостохранилища, находятся в непосредственной территориальной близости один относительно другого: отстойный пруд окружен защитной дамбой, по гребню которой проложен пульпопровод. Ноэтому неблагоприятное развитие аварийной ситуации на одном из этих объектов может привести к возникновению аварийной ситуации на других. Например, разрыв пульпопровода и аварийный сброс пульпы в отстойник может явиться причиной переполнения пруда, что, в свою очередь, при определенных погодно-сезонных условиях повлечет за собой повреждение дамбы с возможной потерей ее работоспособности.
К переполнению отстойного пруда может привести единовременное или длительное превышение объема поступающей в него воды над суммарным объемом уходящей воды (рис. 3). Высота и ширина защитных сооружений хвостохранилища на всем их протяжении различны. Состав образующего их материала также неоднороден. Но этой причине в базе данных ГИС соответствующие дамбе графические объекты разбиты на ряд смежных участков, для каждого из которых может быть определен параметр, характеризующий вероятность разрушения.
Как уже отмечалось выше, природный фактор оказывает значительное влияние на функционирование хвостохранилища. Климатические условия данной территории отличаются резкой изменчивостью, вызываемой частой сменой воздушных масс, перемещением циклонов и фронтов, что вызывает распыление пляжной зоны и поверхности дамбы.
ГИС-приложение получает из справочника ССМ данные о преимущественном направлении ветра, которые наносятся на служебный слой карты, содержащий розу ветров, в виде вектора соответствующего направления. Но запросу пользователя ГИС-приложение моделирует на карте аварийную ситуацию с разрушением дамбы на критическом участке/участках и затоплением примыкающей территории. Нлощадь затопления рассчитывается средствами ГИС, исходя из данных о рельефе окружающей местности и наличии в зоне затопления водосборных колодцев и каналов водоотвода. Нри этом скорость разрушения дамбы и прогнозируемый объем вылившейся воды определяется во внешних модулях с учетом технологических и метеоусловий. Ведение наблюдений за природно-климатическими процессами позволяет на базе накопленных фактических данных за ряд лет делать более достоверные прогнозы о дальнейшей безопасной эксплуатации объекта исследования.
В качестве следующего примера применения ССМ рассмотрим одну из подзадач, решаемых диспетчерской службой энергетической системы региона.
Энергетическую систему региона можно определить как сложный природно-технический пространственный динамический комплекс с переменной структурой, множественными внешними и внутренними связями (финансовые, материальные, энергетические потоки и т.д.).
Для каждого административного района средствами ГИС может быть представлена карта соответствующих энергетических объектов.
Рассмотрим ситуацию, когда на вход экспертной системы подан сигнал о наличии в заданном регионе аварийных обрывов ЛЭН, которые произошли, например, в результате стихийного бедствия.
ЭС имеет доступ к справочной базе данных, в которой перечислены объекты заданного региона с приписанными им значениями весов, характеризующих степень важности объекта с точки зрения его функционирования в единой энергетической системе, и соответствующие им идентификаторы, понятные ГИС. ЭС формирует запрос к ГИС на визуальное отображение на карте мест аварий.
Нри этом требуется найти объект(ы), удовлетворяющий(е) одному или нескольким следующим условиям:
• ближайший к данному;
• полностью попадающий внутрь заданной зоны;
• пересекающий границы заданной зоны;
• отстоящий на заданное расстояние;
• имеющий заданную величину или диапазон некоторого графического ресурса.
Общий формат команды применения операции имеет вид:
<логический запрос> = <код_логического запроса><код_ГИС-элемента><код_ГИС-покрытия> <параметры_логического запроса> [<легенда>]. где:
<код_ логического запроса> - код, определяющий имя логического запроса ГИС;
<код_ГИС-покрытия> - код тематического ГИС-слоя, объекты которого будут выбраны в результате выполнения логического запроса;
<код_ГИС-элемента> - код объекта, для которого выполняется условие;
<параметры_ логического запроса> - список кодов ресурсов - параметров операции;
<легенда> - строка, используемая для надписи на ГИС-изображении результата операции.
Обмен информацией между ЭС и ГИС осуществляется через временную базу данных.
На первом этапе ГИС считывает из запроса ЭС код объекта, состоящий из имени покрытия и уникального номера объекта на этом покрытии. Носле проведения внутренней идентификации ГИС распознает линейный графический объект - ЛЭН служебными средствами геокодирования.
Далее ГИС формирует ответ в виде карты, пример которой приведен на рис. 3, и записывает во временную базу данных список идентификаторов объектов, попадающих в заданную зону, или зависимых от ЛЭН, на которой произошел обрыв. ЭС после получения списка объектов производит классификацию имеющихся аварийных ситуаций. На рис. 2 отображен фрагмент карты Кировско-Апатитского района. Ноказаны зоны, внутри которых произошли обрывы ЛЭН, ближайшие к местам обрывов объекты, дороги.
В описываемом приложении различаются три вида аварийных ситуаций [8]:
• пространственно-порожденные;
• время-порожденные;
• функционально-порожденные.
Внутри каждой из категорий существует деление на уровни опасности, которые присваиваются в зависимости от рассчитанного суммарного веса важности и/или опасности объектов, затронутых данной ситуацией и определяемых с помощью ГИС по запросу ЭС.
Для того, чтобы оценить степень опасности той или иной аварийной ситуации и выработать соответствующие рекомендации для ЛНР, применяется описанный в [1, 2] алгоритм расчета обобщенных удельных затрат.
Носле того, как аварийным ситуациям присвоены соответствующие степени опасности, ЭС формирует следующий запрос к ГИС о той ситуации, степень опасности которой выше. На основе информации, предоставленной ГИС, вырабатываются рекомендации для ЛНР. Например, имеется два варианта разрешения аварийной ситуации - переключить связанные с местом обрыва объекты на резервный или временный источник питания, или производить ремонтные работы, оставив объекты временно без энергии. На основе анализа данных, полученных от ГИС, принимается решение о предпочтительном варианте действий. На рис. 4 представлен укрупненный фрагмент карты, приведенной на рис. 3, отображен обрыв ЛЭН, степень опасности которого (по расчетам, проведенным ЭС) выше.
Рис. 3. Карта Кировско-Апатитского района
Рис. 4. Обрыв ЛЭП с высокой степенью опасности
Носкольку в зоне влияния, очерченной вокруг зоны обрыва (рис. 4), не оказалось энергетических объектов, на которые можно временно переключить питание, и имеются удобные подъезды к месту аварии (дороги подходят близко к участку обрыва), ЭС выработала рекомендации по проведению ремонтных работ поврежденного участка.
Выводы:
Разработана технология ситуационного моделирования на базе специализированной концептуальной модели ПТК. К основным преимуществам этой технологии относятся следующие.
1. Автоматизация всех этапов моделирования.
2. Широкое применение экспертных знаний.
3. Использование семантически значимых понятий предметной области для построения ее формального описания.
4. Использование ГИС-технологии не только для графического представления составных частей объекта и результатов моделирования, но также для постановки задачи и выполнения пространственно-зависимых расчетов.
5. Поддержка современных сценарных подходов к моделированию.
6. Наличие средств детального формального анализа модели.
7. Развитый аппарат сопоставительного анализа ситуаций в статике и динамике.
8. Автоматический синтез исполнительной среды моделирования.
9. Использование единой инструментальной среды и методологии для моделирования как нормальных, так и критических режимов функционирования ПТК.
10. Возможность интеграции знаний экспертов по различным аспектам функционирования ПТК для обоснования принятия решений.
Проведенные исследования выявили перспективность изложенного подхода для анализа состояния и прогноза поведения сложных промышленно-природных комплексов. Разработанные методы и алгоритмы использованы при создании проблемно-ориентированных приложений ССМ, практическое применение которых показало, что указанный подход позволяет решать специфические задачи в различных предметных областях, таких, как оценка влияния техногенных воздействий на лесные массивы, оценка удароопасности горного массива, моделирование энергетической системы региона, моделирование задачи комплексного использования минерального сырья, моделирование гидротехнических комплексов и сооружений.
Работа выполнена при поддержке р<^и (проекты № 13-07-00318-а, 12-07-00689-а, 12-
07-000550-а, 12-07-00302-а), Президиума РАН (проект 4.3 Программы № 16), ОНИТ РАН (проект 2.3 текущей Программы фундаментальных научных исследований).
ЛИТЕРАТУРА
1. Фридман А.Я. Ситуационный подход к моделированию состояния пространственного объекта // Системы информационной поддержки регионального развития. Апатиты: КНЦ РАН, 1998. С. 45-49. 2. Фридман А.Я. Классификация ситуаций и сопоставление альтернативных структур модели в ситуационной системе вычислительного эксперимента // Имитационное моделирование в исследованиях проблем регионального развития. Апатиты: КНЦ РАН, 1999. С. 14-24. 3. Фридман А.Я. Ситуационное моделирование природнотехнических комплексов / А.Я. Фридман, О.В. Фридман, А.А. Зуенко. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 436 с. 4. Месарович М. Общая теория систем: математические основы / М. Месарович, Я. Такахара. М.: Мир, 1978. 312 с. 5. Ноженкова Л.Ф. Гибридные информационные технологии: направления развития и применения; Красноярск: Вестник КрасГУ. 2004. С. 99-107. 6. Фридман А.Я. Ситуационный подход к моделированию промышленно-природных комплексов и управлению их структурой. Труды IV Международной конференции "Идентификация систем и задачи управления". Москва, 25-28 января 2005 г. Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова, М.: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова, 2005. 7. Fridman A. Knowledge Integrating in Situative Modelling System for Nature-Technical Complexes / A. Fridman, A. Oleynik, O. Fridman. Proceedings of the 2004 European Simulation and Modelling Conference (ESMc2004), Paris, France, October 25-27. 8. Фридман А.Я. Оценка вариантов структуры сложной промышленно-природной системы по критериям надежности и безопасности функционирования / А.Я. Фридман, С.Ю. Яковлев // Информационные технологии в региональном развитии. Апатиты: КНЦ РАН, 2003. C. 104-110.
Сведения об авторах
Фридман Ольга Владимировна - к.т.н., старший научный сотрудник; e-mail: ofridman@iimm.kolasc.net.ru
Фридман Александр Яковлевич - д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник; e-mail: fridman@iimm.kolasc.net.ru
