Харківський національний університет радіоелектроніки

Омельченко Андрій Анатолійович

УДК 004.04:004.415.2

МОДЕЛІ Й АЛГОРИТМИ ГЕОІНФОРМАЦІЙНОЇ СИСТЕМИ АВТОМАТИЗАЦІЇ БУДУВАННЯ ГЕОЛОГІЧНИХ РОЗРІЗІВ
ШАХТНОГО ПОЛЯ

05.13.06 - автоматизовані системи управління
та прогресивні інформаційні технології

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизованих систем управління Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор
Спорихін Віктор Якович,
Донецький національний технічний
університет, професор кафедри
автоматизованих систем управління

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Левикін Віктор Макарович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри інформаційних управляючих систем ;

- кандидат технічних наук, доцент Губка Сергій Олексійович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, доцент кафедри інформаційних систем.

Провідна установа:

Національний авіаційний університет, кафедра комп’ютерно-інтегрованих комплексів, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “  17  ” грудня 2002 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, тел. (0572) .

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки (61166, м. Харків, пр. Леніна, 14).

Автореферат розісланий “  15  ”  листопада 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 В.І. Саєнко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На всіх етапах розвідки і розробки родовищ корисних копалин постійно виникає необхідність у створенні графічних матеріалів, зокрема геологічних розрізів, на основі яких приймаються рішення технічних, економічних і інших задач. Обсяги інформації, пов’язані зі складанням такої документації, надзвичайно великі і при зростаючих вимогах до її оперативності, кількості і якості обійтися без автоматизації її одержання неможливо. Розвиток робіт по складанню геологічних розрізів вимагає нових підходів, ґрунтованих на комплексній обробці різнопланової інформації, що досяжне тільки на основі прогресивних інформаційних технологій і автоматизації.

Аналіз робіт В.М. Глушкова, В.І. Костюка, А.Г. Маміконова, О.А. Павлова, В.М. Левикіна в області теорії, методології і практики створення інформаційних систем і АСУ загального призначення, А.В. Кошкарєва, А.А. Свєтлічного, Б.С. Бусигіна, В.Ф. Ткаченка по узагальненню і систематизації робіт в області геоінформаційних технологій, а також робіт в області будування геологічних розрізів традиційним способом показав, що перспективним напрямком підвищення ефективності робіт у цій області є створення сучасних геоінформаційних систем (ГІС).

Вивчення існуючої ситуації в Україні в області застосування ГІС виявило, що використовувані на даний час у практиці системи (в основному імпортного виробництва) або недостатньо пристосовані для рішення задач автоматизації будування геологічних розрізів, або практично недоступні для широкого кола вітчизняних споживачів через високу вартість, складність освоєння і відставання виходу локалізованих для ринку України версій. Крім того, закордонні системи не використовують досвід, накопичений вітчизняною наукою. У зв’язку з цим актуальною задачею є розробка геоінформаційних систем автоматизації будування геологічних розрізів на основі сучасної обчислювальної техніки і пов’язані з нею дослідницькі задачі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає цільовій комплексній галузевій програмі ЦКОП-13 у рамках науково-дослідної роботи, виконаної в Українському державному науково-дослідному і проектно-конструкторському інституті гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи (УкрНДМІ) за темою: 0219615220М-Ц13 - Розробка графічної інформаційно-обчислювальної системи ведення геолого-маркшейдерських робіт на вугільних родовищах України (№ держреєстрації 0196U011405), 1996-2002 рр. Автор брав участь у роботі як виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності й якості будування геологічних розрізів шахтного поля за рахунок розробки моделей й алгоритмів процесу будування геологічних розрізів і створення на їх основі спеціалізованої геоінформаційної системи та інформаційної технології їх автоматизованого будування.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні основні задачі:

- виконано аналіз процесу будування геологічних розрізів з метою виявлення “вузьких” місць і можливостей його автоматизації, а також існуючих моделей, алгоритмів і систем, які застосовуються в автоматизації будування геологічних розрізів;

- розроблено інформаційну і математичну моделі родовища корисної копалини в межах шахтного поля, які враховують взаємозв’язок його змістовних характеристик з геометрією залягання а також імітаційну модель процесу будування геологічних розрізів, що складають основу функціонування геоінформаційної системи;

- розроблено структуру геоінформаційної системи автоматизації будування геологічних розрізів;

- створено на основі отриманих моделей алгоритми, програми і методика автоматизації будування геологічних розрізів, що складають математичне й організаційне забезпечення ГІС;

- виконано експериментальні дослідження й апробацію розроблених математичних моделей, алгоритмів і методики автоматизації будування геологічних розрізів на моделях і реальному геологорозвідувальному матеріалі з метою перевірки їхньої адекватності.

Об'єктом дослідження є процес будування геологічного розрізу шахтного поля.

Предметом дослідження є моделі, алгоритми і програми, що їх реалізують, для геоінформаційної системи автоматизації процесу будування геологічного розрізу шахтного поля.

Методи дослідження. Основним методом дослідження є системний підхід. При описуванні концепції проектування ГІС використана теорія категорій. Створення моделей шахтного поля ґрунтується на комплексному використанні методів об’єктно-орієнтованого проектування, математичної статистики, аналітичної й обчислювальної геометрії. При створенні математичної моделі процесу будування геологічного розрізу використовувалися методи теорії імітаційного моделювання і кінцевих автоматів. При розробці структури ГІС і її реалізації використовувалися теорія і методологія створення інформаційних систем і АСУ загального призначення. Оцінка вірогідності розробок здійснювалася на основі обчислювального експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше запропоновано концепцію створення геоінформаційної системи автоматизації будування геологічних розрізів з використанням просторової моделі шахтного поля, яка розвиває концепцію проектування інформаційних систем, що ґрунтується на теорії категорій, дозволяє формалізовано описати всі етапи створення ГІС і за рахунок цього скоротити термін її проектування.

2. Вперше розроблено об’єктно-орієнтовану просторову модель шахтного поля як основу ГІС автоматизації будування геологічних розрізів, котра, на відміну від існуючих подібних моделей, враховує взаємозв’язок і взаємозалежність моделей природних і техногенних об’єктів, які її складають, що дозволяє автоматизувати розрахунок їхніх геометричних і семантичних властивостей, формалізувати процес будування геологічних розрізів і обґрунтувати технологію їх автоматизованого будування.

3. Удосконалено оснований на тріангуляції метод формування моделей пластів, що використовуються в ГІС автоматизації будування геологічних розрізів шахтного поля, застосуванням локального критерію оптимізації будування тріангуляції, який полягає в мінімізації кута між нормаллю до площини формованого трикутника та нормаллю до поверхні тренда, що дозволяє виключити невизначеність вибору апроксимуючих трикутників і за рахунок цього підвищити точність моделювання.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблено і досліджено алгоритми інтерактивного автоматизованого формування і візуалізації просторової моделі шахтного поля та її елементів і створено програмні модулі геоінформаційної системи, які дозволяють вирішувати задачі автоматизації будування геологічних
розрізів.

2. Науково обґрунтовано і створено на основі розроблених моделей й алгоритммів спеціалізовану геоінформаційну систему та інформаційну технологію автоматизованого будування геологічних розрізів шахтного поля, які за рахунок автоматизації дозволяють, на відміну від традиційних способів їх будування, суттєво скоротити термін одержання документації й оперативно вносити до неї зміни і доповнення.

3. В геоінформаційній системі обґрунтовано і реалізовано новий спосіб вирішення задачі автоматизації будування геологічних розрізів на основі просторової моделі шахтного поля шляхом її розтинання площиною розвідувального профілю, що дозволяє не тільки автоматизувати процес будування, але й робити обґрунтоване будування розрізів за довільним напрямком розвідувального профілю.

4. Запропоновано методику автоматизованого будування геологічних розрізів, яка орієнтована на застосування створеної ГІС і відрізняється від існуючих використанням при їх будуванні просторової моделі родовища в межах шахтного поля.

Розроблені в дисертаційній роботі удосконалений метод тріангуляції, моделі, алгоритми, методика і програмне забезпечення ГІС використані науково-дослідним інститутом УкрНДМІ при створенні системи “ГеоМарк” (акт від 03.04.2002 р.), ДХК “Донвугілля” - при моделюванні поля шахти ім. Калініна за даними буріння (акт від 19.04.2002 р.). Система показала високу ефективність, скорочуючи непродуктивну роботу по обробці даних, і витримала приймальні випробування у складі графічної інформаційно-обчислю-вальної системи “ГеоМарк”, що підтверджено відповідними документами. Результати дисертаційної роботи використані у пропозиціях щодо подальшого удосконалення системи “ГеоМарк”, а також у навчальному процесі кафедри автоматизованих систем управління Донецького національного технічного університету (акт від 09.04.2002 р.).

Особистий внесок дисертанта. Особистий внесок дисертанта полягає в наступному: у роботах [1,2,9] – розроблено концепцію створення геоінформаційної системи автоматизації будування геологічних розрізів з використанням просторової моделі шахтного поля, у роботах [3,4] – розроблено нову об’єктно-орієнтовану просторову модель шахтного поля як основу ГІС автоматизації будування геологічних розрізів, в роботі [5] – запропоновано удосконалення основаного на тріангуляції методу формування моделей пластів, що використовуються в ГІС автоматизації будування геологічних розрізів, розроблено і досліджено алгоритм, що його реалізує, у роботі [6] – створено імітаційну модель процесу будування геологічного розрізу, у роботах [7,8] – розроблено алгоритмічне і програмне забезпечення геоінформаційної системи автоматизації будування геологічних розрізів. Всі результати, які винесено на захист, отримані автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися і схвалені на наступних наукових конференціях: IV Міжнародна науково-практична конференція “СІЕТ4-98” (м. Севастополь, 1998 р.); I Міжнародна науково-практична конференція “Проблемы и перспективы исполь-зования геоинформационных технологий в горном деле” (Національна гірнича академія України, м. Дніпропетровськ, 1999 р.); II Міжнародна науково-практична конференція “Проблемы и перспективы использования геоинформационных технологий в горном деле” (Національна гірнича академія України, м. Дніпропетровськ 2000 р.); II і III Національна науково-практична конференція студентів, аспірантів і молодих вчених “Системний аналіз та інформаційні технології” (Національний технічний університет України НТУУ “КПІ”, м. Київ, 2000-2001 рр.); III Міжнародна науково-практична конференція “Кадастр, фотограмметрія, геоінформатика – сучасні технології і перспективи розвитку” (Гірничо-металургійна Академія ім. Ст. Сташика, м. Краків, Польща, 2001 р.).

Робота в цілому і її окремі розділи пройшли апробацію на науково-технічних радах УкрНДМІ, на обласному семінарі “Актуальні проблеми комп’ютерних наук” (Донецький національний університет), на семінарах кафедри автоматизованих систем управління Донецького національного технічного університету і семінарах кафедри інформаційних і управляючих систем Харківського національного університету радіоелектроніки (1997-2002 рр.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи і результати досліджень викладені в 14 друкованих працях, у тому числі в 8 статтях у фахових наукових журналах і збірниках, 1 свідоцтві прав автора й у 5 доповідях на Міжнародних і Національних наукових конференціях.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Структура дисертаційної роботи визначена загальною схемою наукового дослідження, метою досліджень і шляхами її досягнення. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновку, списку використаної літератури і 8 додатків. Загальний обсяг роботи без додатків складає 178 сторінок, у тому числі 141 сторінка основного тексту, 3 таблиці, 67 рисунків і список літератури із 148 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, наведені відомості про зв’язок роботи з науковими темами і планами, обґрунтована вірогідність наукових положень. Наведено коротку анотацію отриманих у дисертації результатів.

У першому розділі “Аналіз автоматизації будування геологічних розрізів із застосуванням ГІС” наведено аналіз: напрямків розробки геоінформаційних систем автоматизації будування геологічних розрізів; процесу будування геологічного розрізу як об’єкта автоматизації; методів і моделей, які використовуються в ГІС автоматизації будування геологічних розрізів і існуючих подібних систем. На підставі аналізу виявлених недоліків обґрунтовані напрямки автоматизації будування геологічних розрізів.

Геологічний розріз – це перетин, на якому позначені природні і техногенні об’єкти. Вхідною інформацією для будувань є завдання на будування (розвідувальний профіль) і значна кількість різноманітної територіально-прив’язаної інформації (дані розвідувального буріння, гірничих робіт і подібн.). Результатом процесу будування є інформація про розміщення корисних копалин у вигляді графічної моделі. Існуючий процес має недоліки ручного способу обробки інформації: значні погрішності, неоперативність пошуку й обробки необхідних графічних матеріалів і т.п., найбільш ефективним напрямком усунення яких є розробка і впровадження спеціалізованих ГІС. Аналіз найбільш часто використовуваних у практиці систем (ArcInfo, MapInfo, AutoCAD) показав, що жодна з них не вирішує в повному обсязі задач автоматизованого будування геологічних
розрізів.

Аналіз робіт в області теорії, методології і практики створення інформаційних систем і АСУ загального призначення, по узагальненню і систематизації робіт в області геоінформаційних технологій, а також робіт в області будування геологічних розрізів традиційним способом дозволив визначити напрямок досліджень, сформулювати їх мету і задачі. Основна ідея роботи полягає у розробці і використанні для автоматизації будування геологічних розрізів ГІС, яка ґрунтується на просторовій моделі родовища, на відміну від традиційного способу, що передбачає використання за вихідні дані безпосередньо даних по свердловинах.

У другому розділі “Розробка моделей геоінформаційної системи автоматиза-ції будування геологічних розрізів” викладена концепція створення ГІС, її узагальнена структура і принцип функціонування. Розроблено необхідні для створення ГІС інформаційні і математичні моделі природних і техногенних об’єктів земної товщі в межах шахтного поля, а також моделі процесів їх
обробки.

Основу проектування ГІС автоматизації будування геологічних розрізів складає системний підхід і концепція спадного проектування. При проектуванні використані загальні принципи побудови інформаційних систем і АСУ. Формалізовано взаємозв’язки між забезпеченнями ГІС на етапі проектування зручно описати категорною моделлю, запропонованою для розподілених інформаційно-управляючих систем:

, (1)

де Ц – множина цілей, які реалізуються системою, що проектується; F – множина функцій, які виконує система; D – множина документів, які є результатом роботи проектованої системи; L – множина інформаційних моделей задач; М – множина математичних моделей задач; А – множина алгоритмів реалізації функцій системи; Р – множина програмних реалізацій функцій системи; К – множина елементів технічних засобів;  - відображення, що описують зв’язки множин Ц,F,D,L,M,A,P,K, які визначаються в процесі проектування.

На основі обраної концепції проектування, аналізу задач предметної області, позитивних якостей і недоліків систем, що застосовуються для автоматизації будування геологічних розрізів на даний час, визначена загальна структура системи. Структура ГІС враховує основні етапи автоматизованого процесу будування геологічних розрізів і складається з функціональної частини і забезпечень системи. Для реалізації функціональних задач користувач формує запити до ГІС на одержання необхідних даних. При цьому існує два випадки одержання даних про об’єкти родовища в межах шахтного поля: необхідні дані є у базі геоданих (БД) і потрібно здійснити їх читання з БД (наприклад, при будуванні геологічного розрізу свердловини); необхідні дані відсутні в БД і треба зробити їх розрахунок (континуалізацію) на основі наявних у БД геоданих. Для цього на етапі впровадження системи створюється БД по свердловинах і гірничих виробках. Потім, з використанням алгоритмів автоматизації моделювання об’єктів (свердловин, виробок, пластів порід і порушень), створюється просторова модель родовища. На етапі функціонування ГІС, при надходженні завдання на будування розрізу, підсистемі формування моделі родовища передаються координати розвідувальної лінії, за якими підсистемою визначається і передається на верхній рівень список об’єктів, які перетинаються площиною розрізу. Потім підсистемою формування геологічного розрізу формується математична основа розрізу і визначаються перетинання кожного з об’єктів з його площиною. В результаті створюється геологічний розріз в електронному вигляді, який може бути використаний для корегування просторової моделі родовища, або виведений як підсумкові графічні матеріали.

Декомпозиція ГІС на підсистеми й уточнення вимог виконані за функціональною ознакою. Множина функцій системи має вид:

F = {f1, f2, f3, f4, f5}, (2)

де f1 – ведення бази вихідних геоданих; f2 – формування й актуалізація просторової моделі родовища і техногенних об’єктів у межах шахтного поля; f3 – візуалізація просторової моделі; f4 – будування графічних документів; f5 – виконання ряду сервісних функцій (організація діалогу з користувачем, конвертування результатів в інші системи і т.п.), і зв’язана з множиною цілей системи відображенням:

, (3)

де 2F – множина усіх підмножин множини функцій F, що реалізують множину цілей Ц, така, що , де FцF – множина функцій, що призначені для реалізації конкретної цілі ц, цЦ. При цьому повинна виконуватися умова , що визначає необхідність розробки конкретної функціональної задачі f з множини F для реалізації цілі ц.

Для реалізації множини функцій системи (2) для кожної функції f, fF, розроблена її інформаційна модель l, lL, що забезпечує представлення параметрів предметної області у вигляді відповідного набору баз даних, що дозволило забезпечити в рамках ГІС надання необхідних даних по запитах користувачів. Проблемне призначення ГІС визначає наступний склад множини інформаційних моделей задач, що складають основу її функціонування і його зв’язок з множиною функцій системи F:

, L = {l1, l2, l3, l4, l5, l6, l7, l8, l9, l10}, (4)

де l1 - модель шахтного поля; l2 - модель графічного документа; l3 - модель плану гірничих виробок; l4 - модель бурових свердловин; l5 - модель гірничих виробок; l6 - модель вугільних пластів; l7 - модель пластів вміщуючих порід, l8 - модель порушень; l9 - класифікатор (словник даних) системи; l10 - інформаційна модель бази вихідних геоданих. Крім цього, як об’єкти моделювання можуть розглядатися інші матеріальні предмети, явища, процеси, а також абстрактні категорії і наукові поняття. Кожна інформаційна модель представлена у вигляді , де - множина класів об’єктів, що складаються з підмножини об’єктів ; - екземпляр класу об’єктів; n – кількість класів об’єктів; m – кількість екземплярів об’єкта i-го класу; c – множина зв’язків між об’єктами.

Об’єкти являють собою метадані структурного типу, що дозволяє зв’язувати їх з вихідними геоданими з використанням мінімального набору атрибутів, що однозначно ідентифікує об’єкт (або зв’язок). Виділені інформаційні моделі є взаємозалежними і взаємозв’язаними, тобто в сукупності створюють систему, всі елементи якої зв’язані комплексами геолого-маркшейдерських розрахунково-графічних задач.

Стосовно до ГІС автоматизації будування геологічних розрізів виділена наступна множина математичних моделей і її зв’язок з множиною інформаційних моделей L:

, М = {m1, m2, m3, m4, m5, m6, m7, m8, m9}, (5)

де m1 – просторова модель шахтного поля; m2 – математична модель бурових свердловин; m3 – математична модель гірничих виробок; m4 – математична модель вугільних пластів; m5 – математична модель пластів вміщуючих порід; m6 - математична модель порушень; m7 – модель розміщення геотехнологічних показників; m8 - модель графічного документа; m9 – імітаційна модель процесу будування графічного документа.

Слід відзначити створення і використання в системі просторової моделі шахтного поля, на відміну від традиційних універсальних ГІС, як правило, орієнтованих на застосування в картографії, основу яких складає поняття тематичного шару. Основу моделі шахтного поля ММ складає математична модель геометричних характеристик природних і техногенних об’єктів у межах шахтного поля . Ця модель взаємодіє з моделлю розподілу технологічних показників родовища в межах шахтного поля шляхом передачі останній координат зазначеної точки об’єкта. Вектор вихідних координат являє собою вектор властивостей об’єкта в зазначеній точці простору. Наприклад, на розглянутому в роботі рівні абстракції вважається достатнім геометричний опис свердловини у виді полілінії, що послідовно з’єднує точки перетинання нею пластів порід від устя до вибою: dl=d(x0,y0,z0,…,xi,yi,zi,…,xk,yk,zk), де x0,y0,z0 – координати початкової точки лінійної характеристики; xi,yi,zi - координати характерної точки лінійної характеристики; xk,yk,zk – координати кінцевої точки лінійної характеристики. Як семантичні ознаки виступає вектор параметрів, визначений для даного об’єкта: , де qi – i-та змістовна ознака об’єкта. Тоді формалізований опис свердловин у поняттєво-змістовному і геометричному аспектах можна представити в такий спосіб: , де Pl – ідентифікуюча ознака свердловини; – вектор параметрів dl, що задають геометричну структуру свердловини; - вектор семантичних параметрів, заданий для свердловини. Узгодження використовуваних математичних моделей забезпечується наявністю зв’язку семантичних і геометричних властивостей:

, (6)

де d - відстань по осі свердловини від устя до місця фіксації властивості геологічного тіла, м.

Гірничі виробки описуються аналогічною моделлю.

Найбільшу складність представляє моделювання пластів порід і порушень. Математично ця задача являє собою задачу інтерполяції невідомої функції двох змінних при відомих значеннях функції в N, у загальному випадку довільним чином розташованих точках Pk(xk,yk). Вирішення цієї задачі в дисертаційній роботі виконано на основі методу тріангуляції. З метою зняття невизначеності вибору апроксимуючих трикутників виконано удосконалення методу тріангуляції, що полягає у застосуванні локального критерію оптимізації будування тріангуляції, відповідно до якого на кожнім кроці до тріангуляції додається трикутник, що не перетинає раніше знайдені, нормаль до площини якого найменш відхилена від нормалі до поверхні тренда:

, при i(доп), (7)

де NТ - нормаль до поверхні тренда; Ni - нормаль до площини i-го трикутника; доп – множина апроксимуючих трикутників, які не перетинаються.

Зв’язок розроблених моделей (М) з алгоритмами (А) і програмним забезпеченням ГІС (Р) описується відповідно відображеннями:

, . (8)

Розроблена структура системи і моделі її елементів дозволили сформулювати задачу моделювання процесу створення геологічних розрізів як розробку імітаційної моделі при наступних умовах: задано множину P програмних модулів P={p1,p2,…,pn} для вирішення кожної з підзадач, отриманих у результаті декомпозиції системи, і необхідно після завершення роботи даного модуля piP ініціювати роботу деякого наступного модуля pkP у порядку, що забезпечує будування геологічного розрізу; розрахункові модулі структурно виділені з комунікаційної частини D. Наведені положення є вихідними для визначення кінцевого автомата, що моделює управління викликами розрахункових модулів. Такий підхід забезпечує розділений на шари чіткий структурований опис управління викликами програмних модулів відповідно до сценарію будування геологічних розрізів. У сукупності розроблені моделі дозволяють обґрунтувати технологію автоматизованого будування геологічних розрізів і створити на їх основі геоінформаційну систему автоматизації будування геологічних розрізів.

У третьому розділі “Алгоритми ГІС автоматизації будування геологічних розрізів” наведена структура алгоритмічного забезпечення ГІС, алгоритми автоматичного й інтерактивного формування моделей природних і техногенних об’єктів, алгоритми візуалізації зазначених моделей; формалізовані топологічні відносини і геометричні операції з моделями об’єктів ГІС.

Алгоритмічне забезпечення ГІС складається з наступних функціональних груп: базові алгоритми вирішення позиційних задач на площині й у просторі; алгоритми формування моделей геологічних і техногенних об’єктів; алгоритми інтерактивного графічного моделювання; алгоритми візуалізації моделей; алгоритми автоматичного будування геологічних розрізів.

До базових алгоритмів вирішення позиційних задач відносяться алгоритми вирішення позиційних задач на площині й у просторі (визначення положення точки відносно відрізка, перетинання відрізків, перетинання зон і т.п.).

Алгоритми автоматизації формування моделей природних і техногенних об’єктів включають наступні основні алгоритми: алгоритми автоматичного формування моделі свердловини (виробки); алгоритми автоматизації формування моделі пласта (порушення). Виробки і свердловини є техногенними об’єктами з визначеною геометричною формою, основу алгоритмів моделювання яких складають алгоритми вибірки з БД, сортування й інтерполяції. Зазначені алгоритми мають особливості реалізації, котрим притаманна новизна, що пов’язана зі структурами даних, які обробляються, і дозволяють, на відміну від існуючих, здійснювати моделювання об’єктів у їх взаємозв’язку і взаємозалежності. Це дозволяє відслідковувати порядок створення моделі об’єкта, виконувати “спадкування” й автоматичний розрахунок його геометричних і семантичних властивостей на основі властивостей моделей об’єктів, використаних при його створенні.

Найбільший інтерес представляє алгоритм автоматизованого формування моделей пластів і порушень. Новизна алгоритму, що пропонується, полягає в реалізації удосконаленого методу тріангуляції, який використовує локальний критерій оптимізації будування тріангуляції. Реалізація алгоритму зводиться до наступної послідовності дій. Спочатку по вихідних точках будується поверхня тренда. Після цього починається процес тріангуляції відповідно до алгоритму, що пропонується (рис. ).

На наборі вихідних точок визначається область будування поверхні і вибирається регулярна сітка. Далі, для кожної точки сітки, що не лежить у вже знайдених трикутниках, чи в області, що виключається з розгляду, у визначеному радіусі пошуку відшукуються трикутники (блоки 1-6). Якщо було знайдено більш одного трикутника, з них вибирається трикутник, плоский кут між нормаллю до площини якого і нормаллю до трендової поверхні найменший. При цьому просліджується, щоб вони не перетиналися і не перетинали контурів, що обмежують області розриву поверхні (блоки 7-15). Для кожної точки регулярної сітки перевіряється, чи попадає вона усередину знайденого трикутника, і, якщо це має місце, для неї розраховуються значення параметрів. Знайдені трикутники формуються в список (блок 16).

Побудування просторової моделі шару по N (N3) точках згідно з даним алгоритмом для найгіршого випадку можливе за час О(N4) з використанням пам’яті O(2N-5).

Рис. . Блок-схема модифікованого алгоритму тріангуляції

Через складність об’єктів, що моделюються, і необхідність корегування моделей фахівцем предметної області необхідне надання можливості візуалізації моделей і взаємодії користувача з ГІС у графічному режимі, для реалізації якої розроблені відповідні алгоритми. Алгоритми візуалізації перетворюють координати об’єктів в екранні координати дисплея ЕОМ і ґрунтуються на алгоритмах афінних перетворень простору, які зручно представити в матричній формі:

[V’]=[V]A], (9)

де V - матриця координат об’єкта, [A] – матриця, що визначається як суперпозиція матриць переносу [T], обертання [RX], [RY], [RZ], масштабування [D] і матриць відображення [MX], [MY] і [MZ].

Для одержання двовимірного зображення об’єкта необхідно здійснити його проектування на екранну площину:

[V”] = [Vr]Тp], (10)

де [V”] – шукана матриця перспективних координат точок об’єкта; [Vr] – матриця однорідних тривимірних координат точок об’єкта; [Тp] – результуюча матриця, що містить повний комплекс перетворення для одержання перспективних координат.

Результуюча матриця визначається як добуток матриць окремих перетворень у порядку їх виконання:

[Тp] = [Т]RY]RX]Q], (11)

де – матриця проектування; k – відстань від центра проектування до екранної площини.

Тривимірні інтерактивні алгоритми є основним робочим інструментом ГІС для виконання графічних побудов з метою моделювання на перспективних і аксонометричних зображеннях. Основними інтерактивними алгоритмами є алгоритми двовимірного і тривимірного указування і позиціювання, що полягають відповідно в ідентифікації і задаванні для системи точки об’єкта указуванням його на наочному зображенні на екрані дисплея ЕОМ.

З урахуванням викладеного задача будування геологічного розрізу на основі просторової моделі шахтного поля зводиться до визначення перетинання останньої площинами розвідувального профілю і вирішується на основі базових алгоритмів вирішення позиційних задач. При цьому отримані в результаті розтинання просторової моделі об’єкти “успадковують” властивості вихідних.

У четвертому розділі “Створення програмного забезпечення ГІС і експери-ментальна перевірка розроблених моделей і алгоритмів” наведено структуру й опис розробленого програмного забезпечення (ПЗ) ГІС, запропонований варіант комплексу технічних засобів системи і виконана експериментальна перевірка функціону-вання розроблених моделей, алгоритмів і ПО на моделях і реальному геолого-розвідувальному матеріалі.

Об’єктний підхід до проектування ГІС визначив використання об’єктно-орієнтованих засобів розробки ПЗ. Як основний засіб розробки обране середовище візуальної розробки Borland Delphi версії 5.0. Обрана концепція створення і засоби розробки визначили узагальнену структуру ПЗ ГІС у вигляді головного модуля і множини динамічних бібліотек, які реалізують функціональні задачі системи, що забезпечує можливість розширення її функціональних можливостей на основі програмних модулів, створених у будь-якому середовищі розробки, яке підтримує створення динамічних бібліотек Windows (DLL).

При експериментальних дослідженнях на моделях за тестові поверхні були обрані поверхні другого порядку й узагальнена поверхня складної форми. Оцінка якості функціонування розроблених алгоритмів на реальному геологорозвідувальному матеріалі виконана на основі даних по 36 розвідувальних свердловинах і 179 виробках по пластах h7, h8, h10 шахти ім. Калініна ДХК “Донвугілля”. Всього було оброблено близько 12 тис. перетинань пластів, за даними яких була побудована просторова модель (рис. 2). Оцінка якості виконувалася на основі порівняння результатів побудов, отриманих на основі просторової моделі в автоматичному режимі (рис. 3), з результатами, отриманими за допомогою традиційної технології. Експериментальні дослідження показали несуперечність результатів побудов. У цілому, проведені експерименти підтвердили коректність теоретичних досліджень і показали ефективність і доцільність практичного використання системи для вирішення задач автоматизації процесу будування геологічних розрізів.

У п'ятому розділі “Узагальнення результатів теоретичних і експерименталь-них досліджень” наведено основні положення методики автоматизованого будування геологічних розрізів із застосуванням ГІС, визначені джерела ефекту від впровадження системи і розглянуті напрямки її подальшого розвитку.

Розроблена методика автоматизованого будування геологічних розрізів орієнтована на застосування створеної ГІС і відрізняється від існуючих використанням просторової моделі шахтного поля. Показано ефективність ГІС при використанні її як інформаційну систему за підтримки прийняття технологічних і управлінських рішень рівня вуглевидобувного підприємства, а також як інформаційну основу АСУ інших організацій. Також показано, що використання розробленої ГІС як інформаційної основи при створенні АСУ дозволяє скоротити термін окупності АСУ з 7,5 років до 1,5 років. Визначено напрямки розвитку створеної ГІС, що пов'язані з удосконалюванням методів моделювання поверхонь пластів і застосуванням для цих цілей засобів штучного інтелекту, а також з розширенням області застосування геоінформаційної системи.

У висновках сформульовані наукові результати і практична значимість виконаних досліджень.

У додатках наведено структуру БД геоданих, параметри розроблених моделей, екранні форми і фрагменти лістингу програмних модулів системи, вихідні дані і проміжні результати експериментальних досліджень розроблених моделей і алгоритмів, розрахунок економічного ефекту, а також акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

Рис. . Просторова модель родовища (фрагмент)

Рис. . Приклад результату побудови розрізу (фрагмент)

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено нове рішення актуальної наукової задачі автоматизації будування геологічних розрізів шахтного поля, яке полягає в розробці моделей й алгоритмів процесу будування геологічних розрізів і створенні на їх основі спеціалізованої геоінформаційної системи та інформаційної технології їх автоматизованого будування, що забезпечує підвищення ефективності і якості будування геологічних розрізів шахтного поля. Виконані теоретичні й експериментальні дослідження дозволяють зробити наступні висновки:

1. Показано, що для автоматизації будування геологічних розрізів найбільш доцільним і перспективним є підхід із застосуванням геоінформаційних систем, які ґрунтуються на просторовій моделі родовища в межах шахтного поля.

2. Запропоновано концепцію створення ГІС, яка розвиває концепцію проектування інформаційних і управляючих систем загального призначення, що ґрунтується на теорії категорій, стосовно до створення спеціалізованої ГІС автоматизації будування геологічних розрізів. Концепція дозволяє формалізовано описати всі етапи створення таких ГІС і за рахунок цього скоротити термін її проектування.

3. Розроблено структуру ГІС автоматизації будування геологічних розрізів, яка відрізняється використанням просторової моделі шахтного поля, що дозволяє оцінювати параметри товщі порід у довільній точці шахтного поля і забезпечувати автоматизоване будування геологічних розрізів за довільним напрямком розвідувального профілю.

4. Розроблено моделі природних і техногенних об’єктів, необхідні для створення ГІС автоматизації будування геологічних розрізів, що враховують геометричні і семантичні властивості об’єктів шахтного поля і відрізняються від існуючих тим, що є взаємозв’язаними, взаємозалежними й утворюють у сукупності об’єктно-орієнтовану просторову модель родовища. Виконано опис геологічного розрізу як графічної моделі і розроблено імітаційну модель процесу будування геологічних розрізів, що дозволяє формалізувати процес будування геологічного розрізу з використанням ГІС і обґрунтувати технологію їх автоматизованого будування.

5. Удосконалено оснований на тріангуляції метод будування моделей вугільних пластів і пластів вміщуючих порід використанням локального критерію оптимізації будування тріангуляції, який враховує статистичні дані про поверхню і полягає в мінімізації плоского кута між нормаллю до площини формованого трикутника і нормаллю до поверхні тренда, побудованої по вихідним даним, що дозволяє виключити невизначеність вибору апроксимуючих трикутників і забезпечити підвищення точності моделювання.

6. На основі удосконаленого методу будування моделей вугільних пластів і пластів вміщуючих порід розроблено і досліджено алгоритм, що його реалізує. Також розроблено алгоритми автоматизації формування моделей інших природних і техногенних об’єктів, які дозволяють, на відміну від існуючих, моделювати зазначені об’єкти у їх взаємозв’язку і взаємозалежності. Зазначені алгоритми забезпечили можливість програмної реалізації ГІС автоматизації будування геологічних розрізів.

7. Науково обґрунтовано і створено на основі розроблених моделей й алгоритмів спеціалізовану геоінформаційну систему та інформаційну технологію автоматизованого будування геологічних розрізів шахтного поля, які за рахунок автоматизації дозволяють, на відміну від традиційних способів їх будування, суттєво скоротити термін одержання документації й оперативно вносити до неї зміни і доповнення; також запропоновано методику автоматизованого будування геологічних розрізів, що відрізняється використанням просторової моделі родовища в межах шахтного поля і дозволяє підвищити обґрунтованість і ефективність будування геологічних розрізів.

8. Експериментальні дослідження розроблених моделей, алгоритмів і програм, а також системи в цілому, на моделях і реальному геологорозвідувальному матеріалі підтвердили працездатність системи і можливість її використання для автоматизації будування геологічних розрізів. Порівняльна оцінка результатів будувань, отриманих традиційним способом і з використанням розробленої геоінформаційної системи, показала їх несуперечність. Показано ефективність ГІС при використанні її інформаційною системою підтримки прийняття технологічних і управлінських рішень рівня вуглевидобувного підприємства, а також як інформаційної основи АСУ інших організацій. Використання розробленої ГІС, як інформаційної основи при створенні АСУ, дозволяє скоротити термін окупності АСУ з 7,5 років до 1,5 років.

9. Результати проведених досліджень використані науково-дослідним інститутом УкрНДМІ при створенні системи “ГеоМарк”, ДХК “Донвугілля” - при моделюванні поля шахти ім. Калініна за даними буріння. Розроблена ГІС показала високу ефективність при скороченні непродуктивної роботи по обробці даних і витримала приймальні випробування у складі графічної інформаційно-обчислювальної системи “ГеоМарк”, що підтверджено відповідними документами. Результати дисертаційної роботи використані у пропозиціях щодо подальшого удосконалення системи “ГеоМарк”, а також у навчальному процесі кафедри автоматизованих систем управління Донецького національного технічного університету.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Омельченко А.А. Система автоматизации построения геологических разрезов для обеспечения технологических процессов горного производства // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 12. - Донецьк: ДонДТУ, ТОВ “Лебідь”, 1999. – С. 179 – 186.

2. Омельченко А.А. Система автоматизации построения геологических разрезов на основе пространственной модели шахтного поля // Сборник научных трудов НГА Украины. - Днепропетровск: РИК НГА Украины. – 2000. - Т.1, №9. - С. 217 – 222.

3. Омельченко А.А. Формализация геометрических характеристик угольного месторождения для ГИС автоматизации построения геологических разрезов // Сборник научных трудов НГА Украины. - Днепропетровск: РИК НГА Украины. – 2001. - Т.1, №12. - С. 205 – 210.

4. Омельченко А.А. Математичні моделі для ГІС автоматизації побудови геологічних розрізів // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 25. - Донецьк: ДонНТУ, ТОВ “Лебідь”, 2001. – С. 116 – 122.

5. Омельченко А.А. Усовершенствованный метод триангуляции для автоматизации построения пространственной модели шахтного поля // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 20. - Донецьк: ДонДТУ, 2000. – С. 193 – 201.

6. Омельченко А.А. Імітаційна модель процесу будування геологічного роз-різу // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: Обчис-лювальна техніка та автоматизація, випуск 38. - Донецьк: ДонДТУ, 2002. – С. 151– 155.

7. Глухов А.А. Омельченко А.А. Алгоритмическое обеспечение геоинформационных систем, ориентированных на использование в угледобывающей отрасли // Сборник научных трудов НГА Украины. - Днепропетровск: РИК НГА Украины. – 2002. - Т.1, №13. - С. 75 – 82.

8. Компьютерная программа Система автоматизации моделирования угленосной толщи и построения геологических разрезов: А.с. ПА №3191 Украина / А.А. Омельченко, А.А. Глухов (Украина). - Заявлено 29.06.2000; Опубл. 04.08.2000. – 1 с.

9. Глухов А.А., Омельченко А.А., Анциферов В.А. Разработка геоинформа-ционной системы, ориентированной на задачи горнодобывающей отрасли // Геологія і геохімія горючих копалин. – 1998. - №4 (105). - С. 79-87.

Список тез доповідей у збірниках праць наукових конференцій, на яких отримали апробацію основні наукові і практичні результати дослідження, наведено в дисертації.

АНОТАЦІЯ

Омельченко А.А. “Моделі й алгоритми геоінформаційної системи автоматизації будування геологічних розрізів шахтного поля”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – “Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології”. – Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків, 2002 р.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної наукової задачі автоматизації будування геологічних розрізів шахтного поля, яка полягає в розробці моделей і алгоритмів процесу будування геологічних розрізів і створенні на їх основі спеціалізованої геоінформаційної системи, яка забезпечує підвищення ефективності і якості будування геологічних розрізів шахтного поля. Основна ідея роботи полягає в розробці і використанні для автоматизації будування геологічних розрізів геоінформаційної системи, котра ґрунтується на просторовій моделі родовища, на відміну від традиційного способу, що передбачає використання як вихідні дані безпосередньо даних по свердловинах і гірничих виробках.

Ключові слова: геоінформаційна система (ГІС), шахтне поле, просторова модель, тріангуляція, геологічний розріз, автоматизація будування.

АННОТАЦИЯ

Омельченко А.А. “Модели и алгоритмы геоинформационной системы автоматизации построения геологических разрезов шахтного поля”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – “Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии”. – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, г. Харьков, 2002 г.

В диссертационной работе для повышения эффективности и качества построения геологических разрезов шахтного поля с использованием системного подхода, теории категорий, объектно-ориентированного проектирования, математической статистики, аналитической и вычислительной геометрии дано новое решение актуальной научной задачи автоматизации построения геологических разрезов шахтного поля, заключающееся в разработке моделей и алгоритмов процесса построения геологических разрезов и создании на их основе специализированной геоинформационной системы (ГИС) и информационной технологии их автоматизированного построения.

Основная идея работы заключается в разработке и использовании для автоматизации построения геологических разрезов специализированной ГИС, основанной на пространственной модели месторождения, в отличие от традиционного способа, который предполагает использование в качестве