Современные проблемы науки и производства в области горного дела

зуемой. Следовательно, результат использования информации зависит, при прочих равных условиях, от личностных качеств лица, принимающего решение, которое в конечном счете и определяет рациональные информационные пределы своей деятельности.

В завершение подчеркнем, что проблемы информации – это проблемы снижения до рациональных пределов уровня неопределенности в любой профессионально ориентированной и системно организованной области деятельности. Факторы, которые обусловливают неопределенность решений в горном деле,

ислагаемые неопределенности связаны здесь со спецификой именно этой сферы научных знаний и производства. Вместе с тем эти факторы и слагаемые указывают на те направления научных исследований, где могут быть получены результаты, превышающие информированность и, следовательно, снижающие неопределенность в деятельности лиц, принимающих решения в области освоения

исохранения недр.

3.4.2. Понятие, предмет и цель горной информатики

Необходимо различать понятия: информатика, геоинформатика и горная информатика.

Понятие «информатика» возникло в середине 70-х годов прошлого века для характеристики области знаний, связанных с разработкой, созданием, использованием и материально–техническим обслуживанием систем обработки информации, включая машины, оборудование, математическое обеспечение, организационные аспекты.

Геоинформатика сформировалась в результате развития математического моделирования природных объектов и процессов, необходимого для решения задач компьютеризации в науках о Земле, а также как область знаний, специфический характер которой обусловлен особенностями информации о природных объектах и процессах. Эти особенности связаны с их представлением массивов точек в трехмерном пространстве.

Геоинформатика получила широкое распространение в географии, картографии, экологии, а также в таких отраслях наук, близких непосредственно к горному производству, как геофизика, геология, геодезия. Основы геоинформатики заложены в работах канадских и шведских ученых по созданию в 60–70-х годах автоматизированных информационных систем для обработки пространственно-временных данных в задачах землеустройства. Становление геоинформатики как науки происходило в 70–80-е годы прежде всего в картографии, геофизике, экологии.

Термин «геоинформатика», до последнего времени малоизвестный, начал широко применяться лишь в последние десятилетия. В англоязычной литературе более распространен термин «GIS technology»: GIS – аббревиатура термина «geographical information sistems» – географическая информационная система (ГИС) или сокращенно – геоинформационная система.

161

ELIB.PSTU.RU

Понятие «географическая информационная система» (ГИС) появилось в США в начале 80-х годов и первоначально употреблялось для определения информационных систем, связанных с автоматизированной обработкой пространственных данных (дистанционное зондирование, геодезия, картография, фотограмметрия и др.) со свойственными им общими признаками (определение места каждого признака в географическом пространстве, представление каждого признака, установление связи одного признака с другими на карте и т.д.). Расширение круга решаемых задач и связанные с этим разработка, совершенствование и широкое использование информационных систем привели в последующие годы к появлению большого числа терминологических синонимов – «системы пространственной информации», «системы географических данных», «информационные системы по природным ресурсам», «информационные системы по землепользованию» и др.

В отечественной горной науке термин «геоинформатика» был применен впервые, по-видимому, в 1985 годах. Затем основные положения горной геоинформатики получили развитие в ряде диссертационных работ, опробованы в приложении к компьютерным технологиям проектирования и планирования открытых разработок, вошли в учебник для вузов. Профессор О.Л. Кузнецов в 1989 году сформулировал проблемы и задачи геоинформатики как науки. В 1992 году вышла в свет монография «Геоинформатика», адресованная геофизикам и геологам. В ней, в частности, были даны основные понятия и определения, сформулированы цель и задачи геоинформатики, определены предметы исследований и условия применения, а также достаточно подробно и широко рассмотрены применительно к условиям геофизических исследований вопросы сбора и регистрации геоинформации, формирования баз данных. Геоинформатика представлена в этой работе как пограничная между науками о Земле (геономией) и собственно информатикой область знаний, изучающая законы и методы геоинформации.

В 1993 году была создана ассоциация содействия развитию рынка геоинформационных технологий и услуг, которая в 1995 году провела 2-й Всероссийский форум «Геоинфармационнше технологии. Управление. Природопользование. Бизнес». В том же году был начат выпуск журнала «Геоинформатика».

Таким образом, геоинформатика, как новое направление в науке о Земле, получившая в последние поды интенсивное развитие, быстро шагнула в сферу практического приложения в различных отраслях. Были созданы научно-исследова- тельские и производственные организации, лаборатории, кафедры, а в структуре Федеральной службы геодезии и картографии – региональные научно-производст- венные центры геоинформации.

Отличительные черты горной информатики обусловлены новым пониманием предмета, цели и содержания горных наук.

Горная информатика представляет собой область знаний о явлениях и поведении объектов при освоении недр, как об информационных процессах,

162

ELIB.PSTU.RU

закономерности которых устанавливают при получении, передаче, обработке, интерпретации и использовании информации.

Кроме того, горная информатика выявляет и объясняет закономерности, в соответствии с которыми формируются и развиваются системы информации как совокупности знаний, уменьшающих неопределенность в выборе возможностей освоения и сохранения недр как ресурса жизнедеятельности – природного средоточия огромного национального богатства.

Информатика в горном деле, ориентированная в этом направлении, раскрывает структуру систем информации, объясняет объективный характер связей информационных элементов в этих системах, изучает факторы эволюции последних и рациональные пределы информационных массивов, необходимых и достаточных для принятия достоверных решений.

Горная информатика показывает, как в специфических для освоения недр условиях создать рациональную систему получения информации необходимых видов и объема с учетом наилучшего сочетания методов изучения, природных и техногенных объектов и явлений. Кроме того, горная информатика указывает на актуальные направления совершенствования, информационного обеспечения развития горного дела, освоения и сохранения недр при ограниченных финансовых средствах, времени и материально-технических ресурсах. Эта горная наука анализирует достижения информатики и обосновывает рекомендации по их эффективному применению для решения задач горной информатики.

Объектами информационного изучения являются: природные явления,

наблюдаемые в недрах; техногенные процессы в горных массивах, сопутствующие освоению недр; горные объекты (природные и искусственные), находящиеся на земной поверхности и ниже ее уровня, а также их взаимное расположение; параметры изменения состояния процессов и объектов; экологические и экономические последствия освоения недр в различных формах их проявления; производственные параметры, а также динамика их изменения при управлении производством.

При этом каждый объект отличается: разнообразием видов информации, обрабатываемой при научных исследованиях и принятии решений в условиях производства (геологическая, геофизическая, технологическая, экономическая, экологическая и т.д.); высокой степенью изменчивости, неопределенностью и закономерной недостаточностью исходной информации; динамичностью горного производства в сочетании с необходимой долговременной сохранностью инженерных сооружений и коммуникаций; сложностью и зачастую практической невозможностью проведения промышленных и лабораторных экспериментов, необходимостью замены их приближенными вычислительными и экономическими экспериментами и экспертизами; пространственно-распределенным взаимодействием с недрами и окружающей средой и необходимостью оптимизации этого взаимодействия на длительный срок и др.

163

ELIB.PSTU.RU

Предметами изучения горной информатики являются: признаки, иден-

тифицирующие указанные объекты; методы регистрации численных значений признаков; методы, программные и технические средства операций с проблемно ориентированными массивами информации.

Цель горной информатики состоит в обеспечении получения научных выводов, а также инженерных решений, уменьшающих в необходимой степени неопределенность в выборе возможностей освоения и сохранения недр.

3.4.3. Структура и технические средства горной информатики

Структура горной информатики включает в себя следующие составные части: экспериментальную, которая реализуется через наблюдения, измерения контроль объекта; вычислительную, которая связана с использованием программноалгоритмических компьютеризированных средств обработки информации, моделей и математических методов анализа банков данных и знаний; аналитическую, обеспечивающую подготовку альтернатив управляющих решений и суждений.

Для каждого горного объекта или явления информация, даже отдельно взятая по любому аспекту его изучения и оценки, представляет значительный массив исходных данных, промежуточных и конечных результатов.

Количество точек и значений параметров, характеризующих форму, структуру и содержание (состояние) объекта, является показателем информационной плотности, которая может быть определена в целом для объекта или в виде удельных величин, т.е. по количеству точек и значений, отнесенных на единицу площади, объема или длины, например на 1 га площади земельного отвода горного предприятия, на 1 млн м3 объема карьера, на 1 км длины транспортных коммуникаций и т.п.

Показатели информационной плотности могут служить для информационной оценки объекта, сравнения способов моделирования, определения степени полезного использования первичной информации на различных стадиях ее переработки. Информационная плотность характеризует во многом трудоемкость подготовки данных, стоимость хранения и переработки информации. Выделены три вида плотности: теоретическая, определяемая расчетом из условия достижения высокой степени приближения математической модели к реальным условиям; фактическая, т.е. исходная, получаемая в результате инструментальных измерений, съемок; практическая, используемая в графических и математических моделях.

В процессе переработки информации один ее вид переходит в другой. Так, первичными данными, характеризующими форму залежей и другие параметры месторождений, являются результаты геологической разведки (в частности, пробы по скважинам), которые представляют в форме списков и таблиц чисел. Затем для практических целей эти данные трансформируют в геоло-

164

ELIB.PSTU.RU

гические разрезы и погоризонтные планы, т.е. в геологические графические модели, в результате чего изменяется значение показателя информационной плотности.

Для автоматизированных расчетов графические модели преобразуются в математические, т.е. вновь приобретают числовую форму. Если плотность первичных данных составляет около 800–500 чисел на 1 млн м3 горного отвода, то в графических и блочных математических моделях, построенных на основе погоризонтных планов и геологических разрезов, она составляет 30–100 чисел, т.е. в 5–10 раз меньше. Поскольку математические модели идентичны графическим (погрешность обычно не более 2–5 %), последние также характеризуются аналогичными показателями геоинформационной плотности.

Таким образом, как геологические разрезы и погоризонтные планы, так

иоснованные на них модели далеко не полностью используют фактическую, т.е. первичную информацию, полученную в результате разведки и, следовательно, представляют формы и качество залежей месторождения в весьма упрощенном виде, внося тем самым в построенные на моделировании выводы и решения задач дополнительную неопределенность, связанную с обработкой первичной информации.

Несмотря на многофакторность и разномасштабный характер получаемых

ииспользуемых данных, структура горной информатики должна отвечать требованиям организованности, адаптивности и эффективности. Организованность здесь – это способность поддерживать целесообразную автономию частей целого в изменяющихся условиях освоения недр и производства работ для сохранения им своей внутренней упорядоченности в обработке информации. Адаптивность – способность поддерживать адекватное отображение реально изменяющихся явлений и поведения различных объектов посредством введения баз данных, классификаторов информации и форм документов. Под эффективностью понимается отображение свойств в части способности оценивать результативность выполнения им поставленных целей управления.

Познание объектов и процессов реализуется путем наблюдений, измерений

иконтроля. При наблюдении объект изучают в условиях, исключающих воздействие на него со стороны исследователя. Измерения и контроль предполагают: выбор системы опознания – отождествление объекта с одной из возможных его моделей; использование определенных методов и средств, позволяющих оперировать исследователю числом, функцией или суждением; передача этой информации от источника сообщения к пользователю.

Процесс получения любой информации базируется на информационной теории измерения, которая рассматривает данный процесс как совокупность ряда последовательных измерительных и других преобразований. При этом величина выходного сигнала (конечного результата) зависит от свойств и параметров его составных элементов, т.е. сигналы от источников сообщения регистрируются в условиях наложения помех. Этот процесс можно представить в виде ин-

165

ELIB.PSTU.RU

формационной модели: параметры геологического или любого другого объекта (явления)–результаты измерений–результаты интерпретации.

Эффективность измерений связана также с числом одновременно регистрируемых показателей, количеством и характером помех. Для качественной оценки эффективности измерений и интерпретации вводят меры оптимальности решений: меры точности, меры надежности, показатели сравнительной эффективности. Важнейшим показателем при измерении и интерпретации является чувствительность результата измерения или интерпретации к вариации какоголибо параметра информационной модели. Отсюда и информативность экспериментального метода познания.

Информацию, собранную по результатам измерений и контроля, а также содержащуюся в литературных источниках, отчетах предыдущих работ и в архивах, относят к накопленной, а информацию, полученную непосредственно при проведении опытных работ, – к оперативной.

Различный характер информации обусловливает различные системы сбора

ирегистрации. Если при разовом оперативном контроле регистрация показаний прибора ведется посредством записи в журнал или на другие бумажные носители, то для непрерывных длительных измерений большую роль играет приборная запись информации аналоговым способом (на бумажные и магнитные носители – перфоленты, перфокарты, магнитные ленты, диски). Компьютеризация измерений привела к цифровому способу записи информации.

Для многих методов изучения горных пород и массивов (геомеханических процессов) широко применяют цифровую регистрацию с аналого-цифровым преобразованием сигнала. При этом используют современный путь преобразования сигналов путем квантования по уровню (кодирование амплитудных значений) и квантование по времени (дискретизация).

Сбор информации о свойствах и состоянии недр представляет собой систему последовательного накопления данных с применением широкого набора методов получения информации: космического, аэрофотофизического, геодезического, собственно геофизического, геологических съемок, бурения, каротажа, документации и анализа керна, скважинной, межскважинной и подземной геофизики, разведочных и эксплуатационных горных выработок.

Каждый из перечисленных методов представляет собой группу способов измерения, сбора, хранения и обработки информации, имеет свою систему понятий и терминологии. Это ведет к возникновению огромных информационных массивов, с которыми может справляться лишь информационно-вычислитель- ный комплекс (ИВК). Так, при проектировании угольных предприятий в состав исходных геоданных входят более 25 показателей о породах, угольном пласте

иуглевмещающем массиве.

Процесс обработки информации включает четыре последовательные стадии: первая (начальная), цель которой – создание в машинной памяти цифровых моделей наблюденных полей с учетом их привязки; вторая – содержательная обработ-

166

ELIB.PSTU.RU

ка с качественным и количественным анализом информации; третья – интерпретация данных (по методу и в комплексе); четвертая – формирование архива с целью многократного использования данных для переработки, возможной новой интерпретации и обобщения.

Организация и оптимизация любых работ с большим объемом многофакторной информации, используемой в различные периоды времени различными пользователями, требуют наличия накопительных баз данных.

ИВК характеризуется возможностями создания базы (банка) данных и базы (банка) знаний, чему способствует развитие информационно-вычислительных сетей, обслуживающих индивидуальных и коллективных пользователей информации. Наличие баз данных и знаний, а также сетей обеспечивает возможность постоянного их функционирования с определенной степенью доступности, непрерывного сбора и хранения, широкого обмена информацией на различных масштабных уровнях.

База данных разрабатывается в интересах конечных пользователей (абонентов подсистемы), поэтому в основу проектирования закладываются представления (концептуальные требования) конечных пользователей.

На основе компонентов баз данных создают цифровые объемные модели изучаемых объектов. Модели являются исходной информацией для геологоэкономической оценки подсчета запасов, геотехнологического картирования, проектирования систем отработки месторождений и т.п. Каждая последующая стадия использования данных порождает свою, более детальную объемную модель. Анализ модели, полученной на заданной стадии проведения работ, обеспечивает основу проектирования и планирования работ последующей стадии.

Содержимое банка знаний не исчерпывается описательными моделями объектов и явлений, хотя они составляют его важнейший компонент. Так, для каждого объекта банк хранит характерные разрезы (планы) и другие материалы в виде традиционных для геологов и горняков изображений, что позволяет преодолеть терминологические и понятийные различия в толковании одних и тех же факторов. Основные принципы организации банка знаний следующие: персонификация моделей и факторов; непрерывность его обновления за счет изучения новых объектов и явлений; расширение описательных моделей графическими образами и содержательными выводами, включая создание для эксперта видеографических средств «рисования».

Информационно-вычислительные сети предназначены для предоставления пользователям возможности обмена сообщениями и передачи файлов. Во втором режиме пользователь осуществляет передачу файлов информации в базу данных, передачу пакета запросов в информационную базу и прием пакета ответов из информационной базы. В режиме обмена сообщениями пользователь оперативно удовлетворяет информационную потребность из соответствующей базы данных с целью принятия обоснованных решений.

167

ELIB.PSTU.RU

Наиболее массовым элементом информационно-вычислительной сети является полностью автономная система обработки данных на персональном компьютере. Нижний уровень в иерархии сетей представлен локальной сетью, которая способна функционировать полностью автономно и поддерживать эффективную связь между элементами сети, как правило, с использованием каналов связи

ипрограммной поддержки. Другими словами, в локальной сети сочетаются преимущества автономного распределения обработки информации с возможностями индивидуального доступа к общим информационным ресурсам горного предприятия и горно-промышленного региона. Коллективное пользование информационными ресурсами позволяет сохранить время и эффективно использовать ресурсы средств вычислительной техники.

Многообразие задач, требующих решения при освоении недр, является причиной значительных трудностей, возникающих при создании автоматизированных и экспертных систем, обслуживающих одновременно несколько предметных областей и имеющих различные масштабные уровни. Такое положение вынуждает специализироваться, как это делают в геологии, либо по объектам, либо по стадиям и задачам, соответствующим профессиональным интересам (картирование, поиск, подсчет запасов и т.д.). Для геофизиков обычно характерна специализация по методам и задачам прогноза, для горняков – по роду деятельности и технологическим процессам.

Укаждого специалиста формируется специальный объем знаний, который при наличии АРМ (автоматизированное рабочее место) позволяет расширить потенциальные возможности пользователя при подготовке альтернативных решений. Совершенствуя формализацию при решении сложных задач, АРМ позволяет повысить эффективность деятельности автоматизированных экспертных систем.

АРМ в зависимости от вида входящих в них программных комплексов подразделяют на проблемно ориентированные и объектно ориентированные. Те

идругие могут работать как независимо (стационарно или с установкой на передвижных средствах), так и с любыми другими более мощными вычислительными комплексами. Как правило, модели АРМ комплектуются ПЭВМ и содержат накопители на магнитном диске, устройство печати, дисплеи и т.д.

Слежение за состоянием и параметрами горного объекта может осуществляться на различных масштабных уровнях: от региона до эксплуатационного забоя. Это определяет использование ИИС и ИВК различной вычислительной мощности и комплектации.

В качестве технических средств передачи данных используют аппаратуру передачи данных (АПД) – модемы в телефонной сети, устройства преобразования сигналов (УПС) в телеграфной сети и сети передачи данных, а также устройства сопряжения аппаратуры передачи данных с ЭВМ (адаптеры, мультиплексоры передачи данных). Эти средства обеспечивают соединение пользователей с удаленными базами данных, обмен информацией между базами данных

имежду собой.

168

ELIB.PSTU.RU

Важнейшим элементом являются программные средства, которые представляют собой совокупность методов, алгоритмов (математических, эвристических, экспериментальных) и программ решения на ЭВМ задач обработки, анализа и интерпретации данных с целью выработки оптимальных решений по управлению процессами, производством и освоением недр в целом. Качество используемых алгоритмов проверяется результатами моделирования и анализа, практическим путем. Любая автоматизированная система обработки данных (АСОД) включает пакеты прикладных программ, которые, в свою очередь, представляют собой комплексы программ, ориентированные на решение конкретного класса задач.

3.4.4. Информационные технологии

Информационную (компьютерную) технологию в общем виде можно определить как последовательность циклов процедур: сбор первичной информации

иее преобразование; комплексная интерпретация результатов; построение модели объекта; обращение (в некоторых случаях) к банку эталонных моделей

ипринятие альтернативных научных, технических или управленческих решений, связанных с освоением недр; переход к следующей стадии исследований, производства или сбора информации. Компьютерная технология обеспечивает непрерывность изучения объекта с помощью программных средств и средств вычислительной техники при реализации итерационной последовательности указанных выше процедур.

Основные задачи собственно компьютерной технологии следующие: сокращение объемов и сроков работ за счет приближения к достоверному описанию объекта по кратчайшему пути; оптимизация комплекса методов наблюдений, измерения и контроля; рациональное размещение мест сбора информации.

Втехническом отношении информационная технология должна быть обеспечена соответствующими средствами – цифровыми регистрирующими системами по сбору информации, вычислительными комплексами и автоматизированными рабочими местами по первичной обработке данных, автоматизированными системами и комплексами, сетью передачи данных.

Первый этап компьютерной технологии включает в себя: сбор информации, зафиксированной на цифровых, аналоговых и бумажных (журналы) носителях; хранение информации, главным образом, на магнитных носителях с первичной обработкой на базе АРМ; обмен информацией через систему сетей при выполнении работ по комплексному изучению недр и производства, контролю за освоением георесурсов на региональном уровне и в пределах локальных объектов изучения и исследования.

Второй этап информационных технологий включает в себя: построение моделей объектов по результатам комплексной интерпретации данных; создание банка эталонных моделей (наиболее близких созданных аналогов), сравнение моделей и эталонов и принятие решения о дальнейших работах (проведение до-

169

ELIB.PSTU.RU

полнительных работ или их прекращение); проектирование следующей стадии на основе моделей объекта, полученных на предыдущей стадии (подстадии); корректировка модели объекта в ходе текущей стадии и адаптивное управление процессом освоения георесурсов.

Комплексный и разнопараметровый характер горной информации обусловливает необходимость использования системного анализа при обработке и интерпретации данных, а сложность и многоуровневость представления информации – необходимость применения интегрированного системного анализа (ИСА), методология которого основана на исследовании операций, теории принятия статистических решений и управления. На их основе создают объемные многофакторные модели и принимают управленческое решение.

Постоянное пополнение информации позволяет корректировать модели изучаемых объектов, дополнять и улучшать выбор альтернативных решений. В горной информатике компьютерные технологии сопровождаются предметно ориентированным контролем, отслеживающим состояние объектов по различным факторам. В связи с этим проводятся: раннее обнаружение и предупреждение опасных горно-геологических явлений; оценка соответствия параметров состояния каждого горного объекта проекту; заблаговременное выявление различных видов геологических неоднородностей в осваиваемом подземном пространстве; поддержание в оптимальном режиме взаимодействия с породным массивом рабочего органа горной техники и т.д.

Вгорной информатике получают все более широкое распространение методы так называемых ГИС-технологий.

Традиционно ГИС состоит из трех элементов: I – программный продукт; II – технические средства, реализующие на ЭВМ высокую информационную технологию; III – базы и банки данных, программное обеспечение для решения конкретных задач и экспертно-консультационной деятельности.

ГИС-технология позволяет проводить комплексный анализ исходной информации, полученной в результате наземных и аэрокосмических исследований и представленной в виде геологических, тектонических, структурно-формацион- ных, металлогенических и других карт.

Впоследние годы появились предпосылки для создания интегральных геоинформационных систем (ИГИС) глобального плана. Среди проектов создания ИГИС особое место занимают разработки НАСА (США) по ряду опытных проблемно ориентированных систем данных о климате, океанах, суше и планетах. Кроме того, в соответствии с программой ООН по окружающей среде создается база данных о глобальных ресурсах. Эти опытные системы являются основой создания Системы научной и прикладной информации НАСА, которая должна объединить функционирующие информационные системы, в том числе систему данных о суше.

Для информационного обеспечения государственных органов создают отраслевые и межотраслевые базы данных по минерально-сырьевым ресурсам

170

ELIB.PSTU.RU