Разработка геоинформационной экспертно-вычислительной системы для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений

Актуальность работы. Высокая информационная неопределенность системы «горная среда — технология», наличие сложных взаимосвязей внутри ее подсистем, нестабильность условий разработки снижают достоверность и надежность прогноза параметров технологических процессов горного производства на стадии принятия инженерных решений, что иногда приводит к существенным отклонениям фактических горнотехнических показателей от проектных.

В настоящее время существующая на угольных шахтах практика выбора рациональных технологических схем выемочного участка (ТС ВУ) и обоснования их параметров базируется на использовании различных технологических инструкций, методик, атласов и альбомов технологических схем, в основе которых лежат алгоритмы, полученные эмпирическим путем. Недостаточная адекватность результатов работы данных алгоритмов и методов является следствием неопределенности горно — геологических условий, негативного проявления геомеханических процессов, имеющих в основе стохастическую природу. Погрешность применяемых на практике методов прогноза горнотехнических параметров ТС ВУ (на примере работы очистных забоев угольных шахт АО УК «Кузнецкуголь» в течение 24 забое — месяцев) составляет до 35%.

Большинство научных исследований в области геоинформационных технологий, обеспечивающих систематизацию, управление и использование информационных ресурсов о недрах и поверхности Земли в целях освоения месторождений полезных ископаемых, в частности, оптимизации технологических решений ведения очистных работ на стадии проектирования, направлены на развитие, использование и адаптацию существующих в настоящее время информационно — логических, информационно — структурных методов моделирования, автоматизированных информационных систем и банков данных.

Опыт ведения горных работ, экспертные и интуитивные оценки часто служат более качественной и продуктивной основой прогнозирования взаимодействия среды и технологии в практике проектирования. В частности, их можно использовать в различных формах для задач геотехнологии при обосновании параметров и прогноза горнотехнических показателей ТС ВУ угольной шахты, определении рациональных технологических решений. Интеграция геотехнологических и геоинформационных подходов, развитие методов интеллектуальной обработки баз данных, соответствующих математического и компьютерного программного обеспечения, адаптируемого к уникальным горно — геологическим и организационно — производственным условиям конкретного угледобывающего предприятия, позволит существенно повысить достоверность принятия инженерных решений при поиске и прогнозе параметров ТС ВУ угольной шахты и их оперативность.

В связи с вышеизложенным актуальной научной задачей является разработка геоинформационной экспертно — вычислительной системы для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений в условиях стохастической информационной неопределенности в целях выявления качественных закономерностей функционирования сложной системы «горная среда — технология» .

Работа выполнялась в Сибирском государственном индустриальном университете соответствии с программой 26−6 «Разработка компьютерной системы геомониторинга и оперативного прогноза геомеханических параметров выемочных полей и участков угольных шахт» (государственный регистрационный номер 1 200 008 298).

Цель работы. Расширение возможностей инженерного анализа при решении многокритериальных геотехнологических задачах горного производства за счет использования унифицированной геотехнологической базы данных геоинформационной экспертно — вычислительной системы.

Идея работы. Заключается в выявлении многокритериального соответствия класса геотехнологических задач информационному уровню, необходимому и достаточному для реализации геоинформационной экспертно — вычислительной системы.

Задачи исследований:

— разработать обобщенную структуру информационно — логической модели для автоматизированного синтеза вариантов отработки выемочного участка с учетом заданных горно — геологических, горнотехнических параметров и ресурсных ограничений;

— определить структуру унифицированной геотехнологической базы данных и разработать методическое, алгоритмическое, программное обеспечение комплекса сценариев генерирования альтернативных технологических решений, адаптивных к заданным горно — геологическим и горнотехническим условиям;

— разработать методику построения, алгоритмическое и программное обеспечение геоинформационной экспертно — вычислительной системы для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений;

— разработать методику, алгоритмы и комплекс программ для ранжирования и обоснования соответствия класса технологических задач необходимому и достаточному для принятия эффективного инженерного решения информационному уровнюпровести адаптацию геоинформационной экспертновычислительной системы (ЭВС) для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений к производственным условиям функционирования угледобывающих предприятий Кузбасса.

Методы исследований:

— системного анализа, декомпозиции и синтеза сложных системдля создания обобщенной структуры информационно — логической модели автоматизированного синтеза вариантов отработки выемочного участка с учетом заданных горно — геологических, горнотехнических параметров и ресурсных ограничений;

— системной организации и интеграции геотехнологических данных, объектно — ориентированного программирования и теории алгоритмов — для разработки структуры унифицированной геотехнологической базы данных и ее элементов, компьютерного программного обеспечения комплекса сценариев генерирования альтернативных технологических решений, адаптивных к заданным горно — геологическим и горнотехническим условиям;

— формирования вербально — числовых шкал, «Дельфи» (процедуры проведения экспертной оценки), линейных обобщенных критериев для разработки методики построения, алгоритмического и программного обеспечения геоинформационной экспертно — вычислительной системы для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений;

— вероятносто — статистические — для разработки алгоритмов и комплекса программ ранжирования и обоснования соответствия класса технологических задач необходимому и достаточному для принятия эффективного инженерного решения информационному уровню.

Научные положения, выносимые на защиту:

— выбор и обоснование параметров оптимальной технологической схемы отработки угольного пласта обеспечиваются путем реализации информационно — логической модели автоматизированного синтеза вариантов отработки выемочного участка шахты в виде экспертно — вычислительной системы;

— структура информационной базы геотехнологических данных, включающая горно — геологические, горнотехнические параметры и ресурсные ограничения, является достаточной для разработки комплекса сценариев генерирования альтернативных технологических решений, адаптивных к заданным горно — геологическим и горнотехническим условиям;

— реализация процедуры получения экспертной информации в автоматизированном режиме и применение линейного обобщенного критерия сравнительной предпочтительности объектов, представляющего собой систему частных критериев, в соответствии с которой производится процедура многокритериальной экспертной оценки альтернативных вариантов разработки угольного пласта, позволяют выделить оптимальный вариант отработки участка месторождения из имеющихся альтернатив и обосновать его прогнозные критериальные параметры;

— компетентность экспертных групп для решения геотехнологических задач определяется информационным уровнем, соответствующим классу технологических задач и достаточным для эффективного их решения на основе успешной реализации процедуры человеко — машинного синтеза вариантов отработки выемочного участка угольной шахты в виде геоинформационной экспертно — вычислительной системы;

— повышение достоверности прогноза горнотехнических параметров технологических схем шахт достигается адаптацией геоинформационной экспертно — вычислительной системы для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений к производственным условиям функционирования угледобывающих предприятий Кузбасса.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

— результатами анализа и обобщения значительного объема исследований (на примере работы очистных забоев угольных шахт АО УК «Кузнецкуголь» в течение 24 забое — месяцев) геоинформационных потоков, используемых для управления сложными вероятностными системами и подсистемами угледобывающего предприятия;

— корректным и комплексным использованием методов системной организации и интеграции данных, общей теории систем, фундаментальных научных положений дискретной математики и классической статистики, теории алгоритмов и принятия решений, объектноориентированного программирования, эффективность которых доказана и подтверждена в смежных прикладных областях науки и техники;

— адекватностью полученных в ходе тестовых испытаний рейтингов специалистов в области геотехнологии (60 человек), из которых 78% состава с относительной интервальной ошибкой интерполяции в среднем не превышающей 10% с надежностью 95% обладают информационным уровнем компетентности, соответствующим заданному классу технологической задачи и достаточным для ее эффективного решения, и текущей фактической компетентности тестируемых, выявленной в ходе процесса обучения;

— удовлетворительным соответствием прогнозных и фактических горнотехнических параметров вариантов технологических схем разработки угольных пластов (на примере работы очистных забоев АООТ «Шахта Абашевская» АО УК «Кузнецкуголь» в течение 1996 — 2000 г.) с относительной интервальной ошибкой интерполяции в среднем не превышающей 15% с заданным уровнем надежности 95%;

— достаточным уровнем адаптации экспертно — вычислительной системы для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений к производственным условиям функционирования угледобывающих предприятий Кузбасса, обусловленным полнотой учета отраслевой нормативной базы действующих организационных, технологических и технических решений.

Научная новизна заключается в:

— разработке обобщенной структуры информационно — логической модели автоматизированного синтеза вариантов отработки выемочного участка, позволяющего использовать технологии компьютерной обработки большого объема геотехнологических данных, статистической и экспертной информации в виде концентрированного горного опыта квалифицированных специалистов, обобщенной и представленной в количественной форме методами экспертных оценок;

— обосновании структуры унифицированной геотехнологической базы данных, включающей горно — геологические, горнотехнические параметры, ресурсные ограничения, разработке комплекса сценариев генерирования альтернатив по упрощенному критерию адаптивности для получения адекватных качественных вариантов ведения горных работ в выемочном участке угольной шахты;

— разработке методики построения геоинформационной экспертновычислительной системы для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений;

— ранжировании и обосновании соответствия класса технологических задач необходимому и достаточному для принятия эффективного инженерного решения информационному уровню;

— в обосновании уровня адаптивности геоинформационной экспертно — вычислительной системы для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений к производственным условиям функционирования угледобывающих предприятий Кузбасса путем оценки соответствия прогнозных и фактических горнотехнических параметров вариантов технологических схем разработки угольных пластов.

Личный вклад автора состоит в:

— построении обобщенной структуры информационно — логической модели автоматизированного синтеза вариантов отработки выемочного участка с учетом заданных горно — геологических, горнотехнических параметров и ресурсных ограничений и обосновании возможности применения в горном деле интерактивного синтеза вариантов технологических схем ведения очистных работ;

— разработке структуры унифицированной геотехнологической базы данных, включающей горно — геологические, горнотехнические параметры, ресурсные ограничения, а также методического, алгоритмического, программного обеспечения комплекса сценариев генерирования альтернативных вариантов технологических решений, адаптивных к заданным горно — геологическим и горнотехническим условиям;

— разработке методики построения, алгоритмического и программного обеспечения геоинформационной экспертно — вычислительной системы для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений;

— ранжировании и обосновании соответствия класса технологических задач необходимому и достаточному для принятия эффективного инженерного решения информационному уровню, разработке методики, алгоритмов и комплекса программ формирования экспертных групп по комбинированному критерию приоритетности инженерного потенциала, обеспечивающего необходимый качественный квалификационный уровень экспертов для решения заданного класса технологических задач;

— создании и адаптации унифицированного информационного банка технологических решений (параметров технологических схем, вариантов оборудования и механизмов очистного забоя), систем контроля теоретических знаний и тестовых ситуационных задач, информационной базы нормативно — справочных данных для условий угольных шахт Кузбасса.

Практическая ценность. Результаты проведенных исследований позволяют:

— моделировать элементарные технологические операции и процессы, структурные технологические подсистемы угольной шахты и функционирование горно — добывающего предприятия в целом на основе разработанной обобщенной структуры информационно — логической модели автоматизированного синтеза вариантов отработки выемочного участка;

— создавать информационные банки геотехнологических данных не только в целях прогноза и обоснования параметров технологических схем выемочного участка угольных шахт, но и в задачах синтеза трудноформа-лизуемых сложных систем, подсистем и элементарных технологических процессов угледобывающих предприятий;

— использовать экспертно — вычислительную систему после проведения соответствующей адаптации не только в целях прогноза и обоснования оптимальных параметров технологических схем выемочного участка, но и в проектировании других технологических подсистем и элементарных технологических процессов угледобывающего предприятия, а также угольной шахты в целом для условий Кузбасса и других бассейнов России;

— ранжировать и устанавливать необходимые и достаточные для принятия эффективного инженерного решения уровни информации в соответствие классам технологических задач для человеко — машинных, а также работающих в полностью автоматическом режиме систем, не только в горном деле, но и в других прикладных областях человеческой деятельности;

— выбирать и обосновывать на базе геоинформационной эксперт-но — вычислительной системы параметры технологических схем угольных шахт, а также с использованием разработанных методических рекомендаций проводить адаптацию ЭВС к производственным условиям других предприятий угледобывающей отрасли.

Реализация работы. Созданные геоинформационная экспертновычислительная система и методика автоматизированного синтеза вариантов отработки выемочного участка с учетом заданных горногеологических, горнотехнических параметров и ресурсных ограничений рекомендованы для применения при планировании горных работ на шахтах АО УК «Кузнецкуголь» .

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе по направлению подготовки дипломированных специалистов 650 600 «Горное дело» на горном факультете СибГИУ при чтении специальных курсов и проведении самостоятельной научно — исследовательской работы студентов и аспирантов.

Апробация работы. Основные положения настоящей диссертационной работы доложены и обсуждены на 4-й Всероссийской научной конференции «Краевые задачи и математическое моделирование», г. Новокузнецк, 2001 г., VI Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых», г. Новокузнецк, 2001 г., научно-практической конференции «Информационные недра Кузбасса», г. Кемерово, 2001 г., V Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» г. Новокузнецк, 2000 г., Региональной межвузовской научно — практической методической конференции «Новые технологии подготовки специалистов в современных социально — экономических условиях», г. Новокузнецк, 2000 г., Международной научно — практической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки», г. Кемерово, 1998 г., I Всекузбасской выставке-ярмарке «Современное образование: тенденции и перспективы», г. Новокузнецк, 1998 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 96 наименований. Общий объем работы 165 страниц, в том числе 28 рисунков и 46 таблиц.

5.5. Основные выводы.

В пятой главе получены следующие основные результаты:

1. Проведена адаптация к производственным условиям функционирования угледобывающих предприятий региона унифицированной геотехнологической базы данных, включающей в себя формализованное описание 40 типов механизированных комплексов с соответствующими им условиями применения и 52 технологические схемы выемочного участка угольных шахт.

2. Адекватность процедуры генерирования альтернативных вариантов ТС ВУ подтверждается проведенными статистическими исследованиями сходимости результатов генерирования и фактически принятых в процессе проектирования систем разработки угольного пласта, утвержденных в паспорте выемочного участка, на примере угольных шахт АО УК «Кузнецкуголь» за 1998 — 2000 г. Было рассмотрено 25 паспортов выемочного участка и в них определены технологические схемы, утвержденные в данной проектной документации к разработке. В результате процедуры автоматизированного генерирования были получены альтернативные варианты ведения горных работ, адекватные фактическим в 22 случаях. Итоговая погрешность результатов генерирования составила 12%.

3. Определение уровня компетентности специалиста в соответствии с комбинированным критерием приоритетности инженерного потенциала в результате экспертного отбора, проходящего в два этапа, состоит в расчете рейтинга специалиста, характеризующего его знания предметной области и уровня компетентности специалиста, представляющего собой допустимую точность решения геотехнологической задачи заданного класса.

Адекватность полученных рейтингов специалистов— кандидатов в экспертную группу (60 человек), из которых 78% состава обладают необходимым и достаточным для эффективного решения задачи выбора и обоснования параметров технологических схем выемочных участков угольной шахты информационным уровнем компетентности, в сравнении с их фактической компетентностью характеризуется относительной интервальной ошибкой интерполяции в среднем не превышающей 10% с надежностью 95%.

4. Точность решения геотехнологической задачи при определении рейтинга специалиста характеризуется зоной допустимых отклонений его оценок от эталонных в ходе выполнения ситуационных тестовых задач и определяется пороговым значением коэффициента вариации, зависящим от уровня надежности результатов экспертно — вычислительной системы и равным 33% для надежности 95%.

5. Адекватность проведенной адаптации геоинформационной экспертно — вычислительной системы для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений к производственным условиям функционирования угледобывающих предприятий Кузбасса подтверждается удовлетворительным соответствием прогнозных и фактических горнотехнических параметров вариантов технологических схем разработки угольных пластов (на примере работы очистных забоев АООТ «Шахта Абашевская» АО УК «Кузнецкуголь» в течение 1996 — 2000 г.) с относительной интервальной ошибкой интерполяции в среднем не превышающей 15% с заданным уровнем надежности 95%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи разработки геоинформационной экспертно — вычислительной системы для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений на основе соответствия их класса информационному уровню, имеющей существенное значение для геоинформатики.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации, полученные при выполнении исследований, заключаются в следующем:

1. Создана обобщенная структура информационно — логической модели автоматизированного синтеза вариантов отработки выемочного участка с учетом заданных горно — геологических, горнотехнических параметров и ресурсных ограничений и обоснована возможность применения в горном деле человеко — машинного синтеза вариантов технологических схем ведения очистных работ.

2. Сущность информационно — логической модели состоит в реализации линейного алгоритма синтеза технологических схем выемочного участка, заключающегося в последовательной интеграции вычислительных (сценарное генерирование предпочтительных технологических решений), вероят-носто — статистических (расчет информационного уровня, необходимого и достаточного для эффективного решения геотехнологических задач заданного класса) и экспертных методов (выделение оптимального варианта технологической схемы выемочного участка и обоснование его прогнозных параметров).

3. Разработаны структура унифицированной геотехнологической базы данных, а также методическое, алгоритмическое и программное обеспечение комплекса сценариев генерирования предпочтительных по уровню максимальной адаптивности к заданным горно — геологическим и горнотехническим условиям альтернативных вариантов технологических решений (технологических схем выемочных участков угольной шахты).

4. Использование унифицированного информационного банка технологических решений и реализация на его основе процедуры сценарного генерирования альтернативных вариантов технологических схем выемочных участков угольной шахты по упрощенному критерию адаптивности в автоматизированном режиме позволяют оперативно формировать статические поля, описывающие горно — геологические условия, варианты наборов очистного оборудования и механизмов, вектор адекватных прогнозных горнотехнических параметров, погрешность определения которых не превышает 12%.

5. Разработаны методика построения, алгоритмическое и программное обеспечение геоинформационной экспертно — вычислительной системы для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений для задачи экспертного выбора из имеющихся альтернатив по линейному обобщенному критерию сравнительной предпочтительности объектов оптимальной технологической схемы и обоснования ее параметров. Оценка значимости результатов экспертизы производится статистическими методами на основании соответствия полученного коэффициента вариации оценок экспертов и его порогового значения (33%), характеризующего однородную совокупность данных.

6. Выявлены 3 основных класса задач геотехнологии и 3 информационных уровня, достижение которых является необходимым и достаточным условием эффективного решения соответствующей инженерной задачи. Разработана шкала соответствия классов технологических задач информационному уровню (степени компетентности экспертов), необходимому для успешной реализации методики человеко — машинного синтеза вариантов отработки выемочного участка угольной шахты, которая позволяет определить требуемый необходимый информационный уровень (пороговое значение компетентности) для эффективного решения инженерной задачи.

7. Разработаны методика, алгоритмы и комплекс программ для ранжирования и обоснования соответствия класса технологических задач необходимому и достаточному для принятия эффективного инженерного решения информационному уровню, формирования экспертных групп и обоснования их состава с учетом оценки квалификационного уровня специалистов по комбинированному критерию приоритетности инженерного потенциала.

8. Определение уровня компетентности специалиста в соответствии с комбинированным критерием приоритетности инженерного потенциала в результате экспертного отбора, проходящего в два этапа, состоит в расчете рейтинга специалиста, характеризующего его знания предметной области и уровня компетентности специалиста, представляющего собой допустимую точность решения геотехнологической задачи заданного класса. Адекватность полученных рейтингов специалистовкандидатов в экспертную группу (60 человек), из которых 78% состава обладают необходимым и достаточным для эффективного решения задачи выбора и обоснования параметров технологических схем выемочных участков угольной шахты информационным уровнем компетентности, в сравнении с их фактической компетентностью характеризуется относительной интервальной ошибкой интерполяции в среднем не превышающей 10% с надежностью 95%.

9. Точность решения геотехнологической задачи при определении рейтинга специалиста характеризуется зоной допустимых отклонений его оценок от эталонных в ходе выполнения ситуационных тестовых задач и определяется пороговым значением коэффициента вариации, зависящим от уровня надежности результатов экспертно — вычислительной системы и равным 33% для надежности 95%.

10. Проведена адаптация геоинформационной экспертновычислительной системы для многокритериальной оценки альтернативных вариантов геотехнологических решений к производственным условиям функционирования угледобывающих предприятий Кузбасса. Адекватность проведенной адаптации подтверждается удовлетворительным соответствием прогнозных и фактических горнотехнических параметров вариантов технологических схем разработки угольных пластов (на примере работы очистных забоев АООТ «Шахта Абашевская» АО УК «Кузнецкуголь» в течение 1996 — 2000 г.) с относительной интервальной ошибкой интерполяции в среднем не превышающей 15% с заданным уровнем надежности 95%.