Размещено на http://www.allbest.ru/

Белорусский Государственный Университет

АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ЦИФРОВЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

по специальности 05.13.17 - теоретические основы информатики

КОНОВАЛОВ Олег Леонидович

Минск, 2015

Работа выполнена в Белорусском государственном университете.

Научный руководитель Краснопрошин Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационных систем управления факультета прикладной математики и информатики Белорусского государственного университета.

Официальные оппоненты: Тузиков Александр Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, генеральный директор ГНУ «Объединенный институт проблем информатики НАН Беларуси»;

Самаль Дмитрий Иванович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой ЭВМ УО «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники».

Оппонирующая организация ОАО «Белгорхимпром».

Защита состоится 12 июня 2015 г. в 12.00 часов на заседании совета по защите диссертаций Д 02.01.02 при Белорусском государственном университете по адресу: 220030, г. Минск, ул. Ленинградская, 8 (корпус юридического факультета), ауд. 407. Телефон ученого секретаря - (017) 209-57-09.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан « 7 » мая 2015 г.

Ученый секретарь совета

по защите диссертаций

кандидат физ.-мат. наук, доцент Е.С. Чеб

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении последних двадцати лет в практику работы горнодобывающих и нефтегазовых компаний интенсивно внедряются трехмерные компьютерные модели, которые являются средством интерпретации геологических данных путем визуализации и согласования друг с другом различных видов информации. В настоящее время общепризнанным является термин “цифровая геологическая модель” (ЦГМ), который объединяет в себе всю совокупность информации, в том числе трехмерной, необходимой для понимания и качественного анализа геологических процессов. ЦГМ является информационно-аналитическим средством для оценки качества процессов добычи полезных ископаемых, а также экологической и производственной безопасности. Кроме того, такие модели служит исходной информацией для численного моделирования физических явлений, сопровождающих процесс разработки месторождений.

Необходимость в построении и использовании ЦГМ привела к развитию новых математических методов и компьютерных технологий. Теоретические и технологические аспекты решения данной проблемы активно исследуются многими отечественными и зарубежными учеными: Журавков М.А., Кашик А.С., Ковалевский Е.В., J.C. Dulac, A.L. Tertois, T. Frank, F. Lepage, J.L. Mallet и др.

Однако, новые технологии, используемые в настоящее время для получения геофизической информации, значительно усложнили процесс построения ЦГМ. В частности, информация, регистрируемая современными системами сейсмической разведки, стала значительно более объемной и включает сотни структурных поверхностей. Традиционные подходы к построению ЦГМ работают, как правило, в полуавтоматическом режиме и уже не справляются с возросшими объемами входных данных. Поэтому актуальной является проблема дальнейшей автоматизации процессов построения ЦГМ.

В настоящее время в республике Беларусь отсутствуют отечественные программные продукты для построения трехмерных геологических моделей. Горнодобывающие предприятия используют зарубежные пакеты, которые имеют высокую стоимость установки и обслуживания. Поэтому существует необходимость в разработке собственных систем геологического сопровождения горных работ.

В диссертации исследуются проблемы эффективного построения ЦГМ. Предложены новые алгоритмы построения структурной и блочной моделей. Разработана и реализована программная технология построения систем геологического сопровождения, включающая ряд специализированных библиотек.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Связь работы с крупными научными программами и темами

Результаты, изложенные в диссертационной работе, получены в рамках исследований, проводимых в научно-исследовательской лаборатории информационных технологий и компьютерной графики (НИЛ ИТиКГ) кафедры информационных систем управления (ИСУ) факультета прикладной математики и информатики Белорусского государственного университета (БГУ) в соответствии с союзными и республиканскими научно-техническими программами:

1. ГНТП “Информатика”, задание 01.09 на 1999-2002 гг. “Разработать технологию создания систем обработки пространственной информации” (гос. регистр. №1998696), ответственный исполнитель;

2. Научно-техническая программа Союзного государства «Триада», задание ПР2 “Разработать и внедрить на базе суперкомпьютера СКИФ систему моделирования сопряженных геомеханических, геодинамических и гидрогеомеханических процессов, обусловленных воздействием масштабных подземных техногенных нагрузок” (гос. регистр. №20071158), ответственный исполнитель;

3. Государственная программа научных исследований на 2011-2015 гг. «Информатика и космос, научное обеспечение безопасности и защиты от чрезвычайных ситуаций», подпрограмма «Информатика», задание 1.09 «Разработать модели, методы и компьютерную технологию для построения цифровых геологических моделей породных массивов в зонах со сложным тектоническим строением и в условиях интенсивной техногенной нагрузки на породный массив», (гос. регистр. №20141141), ответственный исполнитель.

4. Программа Союзного государства «Разработка космических и наземных средств обеспечения потребителей России и Беларуси информацией дистанционного зондирования Земли» («Мониторинг-СГ»), мероприятие 2.5, задание «Разработать экспериментальные образцы компонент системы мониторинга состояния горного массива в регионах интенсивного крупномасштабного освоения подземного пространства на основе данных спутниковой интерферометрии» (гос. регистр. № 20140074), ответственный исполнитель.

Цель и задачи исследования

Цель диссертационной работы - разработка алгоритмов и программной технологии для построения информационно-аналитических систем сопровождения горных работ на основе трехмерных цифровых геологических моделей. программный алгоритм горный геологический

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Провести анализ современных подходов и методов к решению задачи построения трехмерных цифровых геологических моделей, а также особенностей структурного строения месторождений РБ;

2. Разработать алгоритм согласования поверхностей горизонтов и разломов, учитывающий особенности структурного строения месторождений РБ;

3. Разработать алгоритм построения сеточной блочной модели на основе согласованной структурной модели;

4. Разработать архитектуру и состав компьютерной технологии для построения автоматизированных систем геологического сопровождения процесса добычи полезных ископаемых.

Объект исследования - компьютерные системы для построения цифровых геологических моделей.

Предмет исследования - алгоритмы и методы для построения трехмерных геологических моделей.

Научная новизна

Научная новизна диссертации состоит в разработке оригинального подхода к построению трехмерных цифровых геологических моделей, основанного на представлении структурных элементов модели в виде вертикально ориентируемых триангуляционных поверхностей. Создание ЦГМ рассматривается как последовательный процесс построения трех взаимосвязанных моделей: структурной, блочной и геохронологической. Использование указанного выше представления позволило максимально упростить и автоматизировать процесс формирования модели. Разработаны эффективные алгоритмы для построения структурной и блочной моделей.

Алгоритм построения структурной модели является модификацией классического подхода к согласованию структурных поверхностей. Вертикальная ориентированность структурных элементов модели дала возможность перевести задачу согласования из трехмерной проблемы в двухмерную. Кроме того, в алгоритме используется новая стратегия последовательного учета слабых контрольных точек, которая позволяет заменить неустойчивую процедуру градиентного спуска, используемую в классическом подходе, на более устойчивую в вычислительном плане процедуру двумерной конечно-элементной интерполяции.

Предложен новый тип базового элемента нерегулярного сеточного представления блочной модели (треугольная призма с вертикальными ребрами, названная ВТ-призмой). Использование такого элемента позволило свести проблему построения блочной модели к задаче построения ВТ-покрытия трехмерного полиэдра. Разработан алгоритм построения покрытия и показано, что он является более эффективным по сравнению с традиционными алгоритмами построения блочной модели на основе тетраэдральных элементов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Специальный класс представления структурных поверхностей, учитывающий особенности геологического строения месторождений РБ.

2. Алгоритм согласования геологических горизонтов, основанный на стратегии последовательного учета информации об их строении в окрестностях тектонических нарушений, что позволило свести задачу согласования к эффективной в вычислительном плане процедуре двумерной конечно-элементной интерполяции.

3. Алгоритм построения нерегулярной сеточной блочной модели на основе специального базового элемента (вертикальная треугольная призма), что позволило повысить быстродействие процесса построения ЦГМ в целом.

4. Программная технология для разработки автоматизированных систем геологического сопровождения, включающая специализированные прикладные библиотеки и средства настройки на вычислительную среду.

Личный вклад соискателя

Работа основывается на результатах исследований автора, проводимых на кафедре ИСУ БГУ. Научный руководитель принимал участие в постановке задач и обсуждении подходов к решению. При ссылке на совместные публикации подразумеваются результаты, полученные лично автором диссертации.

Апробация диссертации и информация об использовании ее результатов

Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и отечественных конференциях:

- Fifth International Conference on Pattern Recognition and Information Processing (PRIP'1999), Minsk, Belarus;

- International Conference on Modelling and Simulation in Technical and Social Sciences (MS'2002), Girona, Spain;

- Fifth World Congress on Computational Mechanics (WCCM'2002), Vienna, Austria;

- International mining symposia “Sustainable Development Indicators in the Mineral Industry. SDIMI 2005”, Aachen, Germany;

- 20-th World Mining Congress (2005), Tehran, Iran;

- International Congress of International Society for Mine Surveying (ISM'2007), Budapest, Hungary;

- Международная научная конференция "Интеллектуализация обработки информации" (ИОИ'2008), Алушта, Украина;

- Международная научно-техническая конференция «Геодезия, картография и кадастр - XXI век», 2009, Москва, Россия;

- Третий международный геофизический семинар по вопросам тенденций развития сейсморазведки (Речица'2013), Речица, Беларусь;

- Sixth International Geomechanics Conference (IGC'2014), Varna, Bulgaria.

Применение разработанных алгоритмов и успешная эксплуатация созданной программной технологии подтверждена 3 актами внедрения.

Разработанные алгоритмы и программная технология были использованы при разработке корпоративной автоматизированной компьютерной системы геолого-маркшейдерского сопровождения горных работ в рамках выполнения научно-исследовательских хозяйственных договоров между БГУ и ОАО "Беларуськалий”.

Корпоративная автоматизированная компьютерная система геолого-маркшейдерского сопровождения горных работ внедрена в эксплуатацию в ОАО "Беларуськалий” и эффективно используется в текущей работе в отделах служб главного маркшейдера, главного геолога и главного горняка на рудниках, рудоуправлениях и управлении Объединения.

Опубликованность результатов

Основные результаты диссертации опубликованы в 25 научных работах, из которых:

13 статей в научных изданиях в соответствии с п.18 Положения о присуждении ученых степеней и присвоении ученых званий в Республике Беларусь (общим объемом 3,95 авторских листа);

2 монографии;

8 статей в сборниках материалов научных конференций;

2 тезисов.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из перечня условных обозначений, введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Полный объем диссертации составляет 100 страниц, в том числе 37 рисунков на 32 страницах, 17 таблиц на 13 страницах, 1 приложение на 5 страницах. Библиографический список состоит из 105 наименований, включая собственные публикации соискателя.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены проблемы автоматизации процесса геологического сопровождения добычи полезных ископаемых.

Показано, что в последнее время в практику работы горнодобывающих и нефтегазовых компаний стали активно внедряться технологии трехмерного компьютерного моделирования, которые предоставляют специалистам информацию о пространственном распределении геологических и геофизических свойств породного массива. Построение цифровых геологических моделей является также обязательным условием проведения геологического аудита запасов полезных ископаемых в соответствии с международными стандартами.

В диссертации ЦГМ рассматривается в «узком» смысле, как совокупность структурной (СГМ), блочной (БГМ) и геохронологической (ГХМ) моделей.

Проведен анализ основных подходов к построению ЦГМ. Указано, что подход, базирующийся на неявном представлении поверхностей отражающих горизонтов (volume based - VB), является на сегодняшний момент отраслевым стандартом, но обладает рядом существенных недостатков. Это не позволяет эффективно использовать его для построения цифровых геологических моделей месторождений Республики Беларусь. В свою очередь подход на основе явного представления (surface based - SB) позволяет в значительно большей степени учитывать специфику геологического строения месторождений, однако он требует большого объема ручной работы.

Поставлена задача модифицировать SB-подход таким образом, чтобы максимально автоматизировать наиболее трудоемкий этап - построение СГМ.

Введен специальный класс представления структурных поверхностей - вертикально ориентируемые триангуляционные поверхности и показано что, в целом геологические горизонты месторождений РБ принадлежат указанному классу. Условие вертикальной ориентированности позволяет существенно упростить процесс построения СГМ и перейти от вычислительно неустойчивых алгоритмов пространственного согласования структурных поверхностей к алгоритмам двумерной конечно-элементной интерполяции и триангуляции. Это существенно повышает скорость, устойчивость и точность SB-подхода в целом.

Новый способ построения СГМ требует, в свою очередь, соответствующей модификации остальных этапов: построения блочной и геохронологической моделей. То есть, с теоретической точки зрения, в рамках предлагаемой модификации SB-подхода, предлагается разработать новые алгоритмы построения структурной и блочной моделей.

Для практического использования теоретических результатов необходимо разработать соответствующую программную библиотеку, которая реализует новые алгоритмы построения ЦГМ и легко встраивается в существующие системы автоматизации геологического сопровождения. То есть, с технологической точки зрения, необходимо разработать архитектуру и состав программной библиотеки, которая удовлетворяла бы отмеченным выше требованиям.

Во второй главе рассматриваются проблемы построением согласованной структурной модели. Показано, что теоретически обоснованным решением этой проблемы является метод, предложенный французским математиком Маллетом, который основан на введенном им понятии дискретной модели геологического объекта. В рамках формализации задачи выделены три класса правил, налагаемые: на структурную поверхность (RS); на отношения между структурными поверхностями (RT) и на модель в целом (RM). Анализ дискретной модели основан на минимизации специального квадратичного функционала. Процесс минимизация осуществляется итерационным алгоритмом градиентного спуска, который на практике демонстрирует слабую сходимость и неустойчив в случае разломов с большими углами падения.

Для преодоления указанных недостатков в диссертации предложена модификация метода, которая позволила эффективно решить задачу согласования поверхностей горизонтов для условий геологического строения месторождений полезных ископаемых РБ.

Расматривается последовательность дискретных моделей , функции свойств которых стремятся к искомой согласованной поверхности горизонта H.

Здесь - некоторое подмножество вершин из , отношение соседства между которыми задано триангуляцией . Четвертый параметр моделей представляет собой набор заданных над функцией ограничений, разделенный на три подмножества , первое из которых является жесткими, а два оставшихся - слабыми.

Ограничения модели задаются на подмножестве вершин (жесткие контрольные точки) и обеспечивают согласование внешней границы изменяемой части поверхности горизонта. Подмножество обеспечивает приближение поверхности горизонта к поверхности разлома, в соответствии с заданным параметром . Подмножество связано с наличием информации о расположении поверхности горизонта в окрестности разлома, которая задана в виде набора трехмерных точек , называемых слабыми контрольными точками. Считается, что последовательность функций стремится к искомой согласованной поверхности горизонта если параметр стремится к единице.

В модели Маллета используется способ построения функции , основанный на минимизации квадратичного функционала :

,

где первый элемент обеспечивает выполнение жестких ограничений модели, а второй - приближенное выполнение слабых ограничений

Идея предлагаемой модификации, основана на предположении, что все структурные поверхности принадлежат классу вертикально ориентируемых триангуляционных поверхностей. Строится некоторая базовая вертикально ориентированная поверхность , которая удовлетворяет условиям классов RT и RS. Искомую поверхность согласованного горизонта предлагается строить как некоторый баланс между базовой поверхностью и функцией свойств дискретной модели, задаваемый параметром .

Полученная в результате модель

(1)

названа параметрической моделью топологического согласования.

Полное согласование, учитывающее ограничения слабых контрольных точек, предлагается строить на основе модели 1. Стратегия согласования заключается в том, что условия из добавляются к жестким условиям модели 1 последовательно. В этом случае общая схема алгоритма принимает вид:

Так как жесткие ограничения не гарантируют точного прохождения поверхности горизонта через слабые контрольные точки, то вводится параметр , который задает допустимое отклонение поверхности горизонта от слабых контрольных точек. Подмножество контрольных точек из P, отклонение которых от поверхности превышает величину , названо -остаточным по . Множество -остаточных по вершин множества P обозначено .

Для сходимости описанной выше схемы необходимо монотонное уменьшение мощности множества и величины допустимого отклонения на каждом шаге итерации.

В результате, алгоритм полного согласования поверхности горизонта можно записать следующим образом.

АЛГОРИТМ

Вход:

1) триангуляция и заданная на ней базовая поверхность ;

2) - множество жестких контрольных точек;

3) - множество слабых контрольных точек.

Выход:

1) - согласованная поверхность горизонта.

Описание алгоритма.

Шаг 1. Строим функцию свойств модели

.

Шаг i-ый (общий). На основе вычисляется допустимое отклонение , которое используется для построения . Строим функцию свойств модели

.

Если , и , то переходим к шагу i+1.

Конец алгоритма.

Сходимость описанного выше алгоритма исследовалась экспериментально. В качестве тестовых данных использовался набор геологических моделей, содержащих большое количество слабых контрольных точек. На каждом шаге итерации вычислялась мощность остаточного множества и среднее отклонение искомой поверхности горизонта от множества P. Для удобного отображения процесса сходимости вместо мощности остаточного множества использовалась величина (нормированная мощностью остаточного множества).

Результаты экспериментов подтвердили наличие корреляции между мощностью остаточного множества и величиной среднего отклонения на интервале сходимости (рисунок 1).

Средний интервал сходимости для тестируемых моделей составил 7 итераций, а остаточная мощность для всех горизонтов на момент останова не превышала 10% от общего числа слабых контрольных точек, что подтверждает возможность практического использования предложенного алгоритма.



Рисунок 1 Примеры графиков сходимости и среднего отклонения

В третьей главе рассматриваются алгоритмические проблемы, связанные с построением сеточной блочной модели.

Показано что на сегодняшний день существуют два основных класса сеточных покрытий: структурированные и неструктурированные. Для структурированных покрытий характерны сильные артефакты сглаживания вдоль криволинейных структурных поверхностей и в узлах сопряжений, что может привести к значительным искажениям блочной модели. Неструктурированные сетки лишены указанных недостатков, но требуют значительных вычислительных затрат при их построении и обработке.

На практике наиболее часто используются тетраэдральные сетки. Однако если в качестве сеточного представления блочной модели выбрать такой вид сетки, то для его эффективного построения необходимо, чтобы поверхности горизонтов и дислокаций образовывали симплициальный комплекс. Указанное требование является слишком жестким и существенно усложняет процесс построения СГМ. Поэтому в диссертации при построении блочной модели предлагается воспользоваться введённым свойством вертикальной ориентированности структурных поверхностей. Это позволяет в качестве элементов неструктурированного представления использовать вертикально ориентированные элементы, которые имеют существенное преимущество над тэтраэдральными с точки зрения их хранения и обработки.

В качестве элементов неструктурированного сеточного представления блочной модели предложено использовать треугольные призмы с вертикальными гранями (ВТ-призмы). Формализовано понятие согласованности сеточной блочной и структурной моделей, под которым понимается принадлежность внешних граней элементов сеточного представления структурным поверхностям ( - дислокации, - горизонты).

На основе определения правильного пересечения ВТ-призм введено понятие покрытия полиэдра призмами , а на основе свойств бокового (b) и строгого бокового (sb)-соседства, вводятся соответственно графы связности и .

Показано, что задачу построения блочной модели можно свести к задаче построения сеточного покрытия, так называемого пластового полиэдра. Предложен поэтапный процесс построения такого покрытия.

На первом этапе строится габаритный полиэдр модели , включающий все структурные поверхности модели. Для полиэдра предлагается строить специальное начальное покрытие . Далее элементы покрытие разбиваются структурными поверхностями. Полученное в результате покрытие названо полным покрытием и обозначено . Для покрытия строится граф бокового соседства и выделяются компоненты его связности, образующие искомое покрытие пластового полиэдра.

Этапы построения блочной модели формально могут быть заданны следующей схемой:

SWP(,,)

где SWP - стандартная CAD операции «swiping», а SPL - операция разбиения покрытия структурными поверхностями.

Схема не только описывает процесс построения пластового покрытия, но и позволяет обосновать его корректность. Однако экспериментальные исследования показали, что предложенный подход хорошо работает только для геологических моделей, у которых углы наклонов дислокаций близки к 45 градусам, а для моделей с большим разбросом угла наклонов, алгоритм становится неустойчивым.

Для повышения стабильности работы алгоритма предложено использовать более устойчивое в вычислительном плане свойство строго бокового соседства. Однако в общем случае подобная замена приводит к появлению компонент связности с неопределенной принадлежностью. Для их устранения в схему вводится механизм дополнительной индексации компонент.

Для практического использования предложенный алгоритма должен обладать высоким быстродействием на реальных геологических моделях. В работе проведена оценка его вычислительной сложности и определены этапы, которые является критичными для общей производительности.

В частности, показано, что наиболее критичным является этап построения начального покрытия габаритного полиэдра, вычислительная сложность которого определяется алгоритмом триангуляции и задается оценкой:

,

где количество вершин, а количество ребер структурных поверхностей участвующих в построении i-го пластового полиэдра.

Показано, что сложность этапа можно уменьшить на порядок, если в качестве ограничений использовать не все, а только граничные ребра структурных поверхностей. В этом случае , а соответственно.

Вторым по сложности является этап разбиения начального покрытия структурными поверхностями. Предлагается использовать стандартную процедуру плоской вокселизации, что понижает сложность его реализации до величины , где T количество треугольников базовой триангуляции покрытия .

Таким образом, в главе предложен оригинальный алгоритм, основанный на свойстве строгого бокового соседства ВТ-призм, который позволяется эффективно строить сеточную блочную модель.

Четвертая глава посвящена разработке программной технологии для построения ЦГМ. Показано, что обоснованным подходом к реализации предложенных алгоритмов является разработка высокоуровневой библиотеки, включающей в себя всю функциональность необходимую для построения модели. Для уменьшения трудозатрат и повышения эффективности предложено максимально использовать уже существующие специализированные библиотек. Кроме того, в силу высокой вычислительной сложности решаемых задач, программная технология должна содержать механизм настройки на конкретную вычислительную среду, предоставляемую заказчиком. Поэтому была предложена трехуровневая архитектура организации семейства библиотек (рисунок 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 Архитектура и состав программной технологии

Состав специализированных библиотек определяется математическим аппаратом, используемым при построении модели. Вспомогательные библиотеки вызываются из специализированных библиотек и ориентированы на архитектуру конкретной вычислительной среды пользователя. Предлагаемая архитектура позволяет легко переходить на новые версии специализированных библиотек и максимально гибко настраиваться на конкретную вычислительную среду. Состав специализированных и вспомогательных библиотек так же представлен на рисунке 2.

Головная объектно-ориентированная библиотека TGOB (Template Geology Object Builder) содержит всю функциональность, необходимую для построения ЦГМ. Она инкапсулирована в пяти основных классах: TSurfInterpolator; TGridInterpolator; TMeshTriangulation; TSurfCrosser; TGeoModel.

Класс TGeoModel является основным классом библиотеки. Архитектура его сущностей соответствует структуре ЦГМ и изображена на рисунке 3. Важной особенностью классов TSurfInterpolator, TGridInterpolator и TGridTriangulation является то, что только через их методы осуществляется доступ к специализированным библиотекам интерполяции и триангуляции. В частности, методы класса TGeoModel для вызова функции интерполяции также используют метод класса TSurfInterpolator.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 Архитектура класса TGeoModel

В программной технологии предусмотрено два основных режима использования библиотеки TGOB: «пакетный» - для автоматического построения ЦГМ и «интерактивный» - для создания полнофункциональной системы геологического моделирования. Интерактивный режим определяется сценарием работы системы геологического моделирования. Типовой сценарий, представлен на рисунке 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 Типовой сценарий работы системы геологического моделирования

В рамках практического использования программной технологии решалась задача построения ЦГМ, поставленная специалистами ОАО «Беларуськалий». Была построена модель сложного узла сопряжения Кривичского, Листопадовичского и Рассветовского разломов. Модель содержала поверхности всех тектонических нарушений, фиксируемых по данным сейсморазведки и поверхности основных отражающих горизонтов. Построенная в результате решения поставленной задачи модель представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 Блочная модель участка сопряжения

Программная технология внедрена на ОАО “Беларуськалий” и используется при оценке выбора технологии отработки приразломных зон, рисков техногенных событий и мониторинга состояния подрабатываемого породного массива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные результаты диссертации

В результате выполнения диссертационной работы были получены следующие основные научные результаты:

1. Введен класс представления структурных поверхностей, учитывающий особенности геологического строения месторождений РБ и на его основе предложена модификация подхода к построению трехмерных цифровых геологических моделей. Поставлены задачи на разработку алгоритмов и программной технологии для построения моделей, которые ориентированы на создание отечественных систем геологического сопровождения процессов добычи полезных ископаемых [1-7, 9, 10, 11, 15].

2. Разработан алгоритм полного согласования поверхности горизонта, основанный на стратегии последовательного учета информации об их строении в окрестностях тектонических нарушений, что позволило свести задачу согласования к эффективной в вычислительном плане процедуре двумерной конечно-элементной интерполяции. Проведенные в диссертации эксперименты подтвердили сходимость и устойчивость предложенного алгоритма [12, 13, 20].

3. Разработан алгоритм построения нерегулярной сеточной блочной модели на основе специального базового элемента (вертикальная треугольная призма), что позволило повысить быстродействие процесса построения ЦГМ в целом. Проведена оценка сложности алгоритма, выделены его наиболее трудоемкие этапы и предложены акселерационные схемы для их эффективной реализации [11, 19].

4. Разработана и реализована программная технология, включающая специализированные прикладные библиотеки и средства настройки на вычислительную среду, что позволило эффективно реализовать предложенный подход к построению трехмерных цифровых геологических моделей. Кроме того, разработана оригинальная специализированная программная библиотека для построения и обработки симплициальных комплексов и сеточных покрытий, которая реализует функциональный базис, необходимый для построения структурной и блочной моделей [8, 14, 16-18, 21-25].

Рекомендации по практическому использованию результатов

Программная технология и разработанная методика ее применения могут быть использованы для создания автоматизированных полнофункциональных информационно аналитических систем планирования и сопровождения процесса разработки месторождений полезных ископаемых.

Разработанные алгоритмы и программная технология может быть использована для построения цифровых геологических моделей породного массива в условиях тектонических нарушений при моделировании напряженно-деформированного состояния массива и оценки экологической и производственной безопасности.

Полученные теоретические и практические результаты могут быть также использованы при подготовке студентов высших учебных заведений по специальностям «Прикладная математика» и «Прикладная информатика».

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1. ГИС-технологии при добыче полезных ископаемых. Специализированная корпоративная геоинформационная система “MapManager” / В.В. Видякин, М.А. Журавков, О.Л. Коновалов, А.А. Клевченя, Д.Н. Воронков, В.П. Зенько, С.П.Сасункевич. Мн.: БГУ, 2004. 208 с.

2. Компьютерное моделирование в геомеханике / М.А. Журавков, О.Л. Коновалов О.Л., С.И. Богдан, П.А. Прохоров, А.В. Круподеров. Мн.: БГУ, 2008. 443 с.

Статьи в рецензируемых научных журналах

3. Краснопрошин, В.В. Алгоритмы распознавания с заданной мерой некорректности / В.В. Краснопрошин, О.Л. Коновалов // Известия АН БССР. Сер. физ.-мат. наук. 1985. №3. С. 26-31.

4. Система отображения и редактирования цифровых тематических радиационных и экологических карт на основе ПЭВМ / В.С.Глушенков, А.А. Ковалев, О.Л. Коновалов, С.Б. Костюкевич, В.В. Краснопрошин, Б.А. Юхименко // Весцi АНБ. Сер. фiз.-мат. навук. 1992. № 5. С. 102-107.

5. Методы компьютерного моделирования, изучения и расчета основных характеристик процесса сдвижения породного массива. Часть 2. / М.А. Журавков, И.С. Невельсон, О.Л. Коновалов, С.И. Славашевич, А.В. Брегиневич // Маркшейдерский вестник. 2000. №1. С.36-38.

6. Журавков, М.А. Система геологического сопровождения горных работ проектируемого рудника / М.А. Журавков, О.Л. Коновалов, А. В. Канин // Маркшейдерия и недропользование. 2006. №4. С. 56-59.

7. Журавков, М.А. Технологии компьютерного моделирования сдвижений земной поверхности / М.А. Журавков, О.Л. Коновалов, А.В Круподеров // Маркшейдерский вестник. 2008. №4. С.31-37.

8. Журавков, М.А. Информационные базы данных корпоративной системы геомеханического мониторинга как основа для моделирования геомеханических процессов / М.А. Журавков, О.Л. Коновалов, С.С. Хвесеня // Геоинформатика. 2009. №4. С. 35-42.

9. Журавков, М.А. Прогонозирование сдвижений земной поверхности на основе компьютерного моделирования / М.А.Журавков, О.Л. Коновалов, А.В. Круподеров // Известия тульского государственного университета. Естественные науки. Серия «Науки о Земле». 2009. Вып. 4. С. 60-64.

10. Краснопрошин, В.В. Технология построения баз знаний на основе распределенных когнитивных ресурсов / В.В.Краснопрошин, О.Л. Коновалов, А.Н. Вальвачев // Вестник Национального технического университета ”ХПИ”. Тематический выпуск: Информатика и моделирование. 2010. № 31. С. 112-118.

11. Основные требования к построению цифровой геологической модели породного массива /М.А.Журавков, О.Л. Коновалов, А.В. Круподеров, С.С. Хвесеня // Известия ВУЗов. Горный журнал. 2014. №2. С. 56-62.

12. Основные этапы построения компьютерной модели породной толщи /М.А.Журавков, О.Л. Коновалов, А.В. Круподеров, С.С. Хвесеня //Известия ВУЗов. Горный журнал. 2014. №4. С. 75-81.

13. Примеры цифровых трехмерных геологических моделей породных массивов с нарушениями / М.А.Журавков, О.Л. Коновалов, А.В. Круподеров, С.С. Хвесеня // Известия ВУЗов. Горный журнал. 2014. №5. С. 56-62.

14. Коновалов, О.Л. Итерационный алгоритм решения задачи согласования структурных поверхностей /О.Л. Коновалов // Вестник БГУ. Сер. 1. 2014. № 2. С. 118-121.

15. Zhuravkov, M.A. Study of the stress-strain state in the mined potassium massif with inclined bedding. / M.A. Zhuravkov, A.V. Krupoderov, O.L. Konovalov // Geomaterials. 2014. №4. P. 1-10.

Статьи в сборниках материалов научных конференций

16. Коновалов, О.Л. Эффективное построение топологии трехмерных сцен / О.Л. Коновалов, В.В. Краснопрошин, Д.В. Супонов // PRIP'99: Proceedings of Fifth International Conference, Minsk, Belarus, 18-20 May 1999. Minsk, 1999. P. 397-401.

17. Numerical experience to free boundary problem / O.L. Konovalov, M.A. Zhuravkov, A.N. Kovalenko, V.V. Radostev // MS'2002: Proceedings of International Conference on Modelling and Simulation in Technical and Social Sciences. Girona, Spain, 25-27 June 2002. Girona, 2002. P. 887-893.

18. Zhuravkov, M.A. Modelling of geomechanics and geoecological state of massif in region of large-scale mining work with using of supercomputer technology / M.A. Zhuravkov, O.L. Konovalov // SDIMI 2005: Materials of Aachen international mining symposia “Sustainable Development Indicators in the Mineral Industry.”, Aachen, Germany, 18-20 May 2005. Aachen, 2005. P. 221-235.

19. Scientific-technical support of safety of mining operations in potash mines / M.A. Zhuravkov, V.M. Kirienko, A.D. Smuchnik, V.F. Kucherov, O.L. Konovalov // Mining and Sustainable Development: Materials of 20-th World Mining Congress. Tehran, Iran, 7-11 November 2005. Tehran, 2005. P. 645-652.

20. Corporation computer system of designing and geological-surveying support of mining works and its subsystem of geomechanical supporting and simulation / M.A. Zhuravkov, O.L. Konovalov, V.E. Zeytc, S.I. Slavashevich // ISM 2007: Proceedings of XIII International Congress of ISM. Budapest, Hungary, 24-28 September 2007. Budapest, 2007. P. 13-19.

21. Журавков, М.А. Проблемы численного моделирования сдвижения земной поверхности от влияния крупномасштабных горных работ / М.А. Журавков, О.Л. Коновалов, А.В. Круподеров // Неравновесные процессы в сплошных средах: материалы всероссийской конференции (с международным участием). Пермь, Россия, 5-7 декабря 2007. Пермь, 2007. С. 178-181.

22. Построение трехмерных геологических моделей на основании совокупности исходных геологических данных / М.А. Журавков, А.В. Круподеров, О.Л. Коновалов, С.С. Хвесеня // Scientific and technical union of mining, geology and metallurgy: Proceedings of the VI International Geomechanics Conference. Varna, Bulgaria, 24-28 June 2014. Varna, 2014. P.29-37.

23. Построение трехмерной геомеханической модели по построенной геологической модели горного массива / М.А. Журавков, О.Л. Коновалов, А.В. Круподеров, С.С. Хвесеня, С.И. Богдан, С.И. Славашевич // Scientific and technical union of mining, geology and metallurgy: Proceedings of the VI International Geomechanics Conference. Varna, Bulgaria, 24-28 June 2014. Varna, 2014. P. 38-45.

Тезисы докладов на научных конференциях

24. Коновалов, О.Л. Робастный алгоритм построения конечно-элементных моделей многопластового резервуара в условиях тектонических нарушений / О.Л. Коновалов, В.В. Краснопрошин, М.А. Журавков // Международная научная конференция "Интеллектуализация обработки информации" ИОИ-2008. Алушта, Украина, 9-14 июня 2008. Алушта, 2008. С. 121-123.

25. Журавков, М.А. Разработка и внедрение корпоративных автоматизированных систем сопряженного геомониторинга для регионов разработки месторождений полезных ископаемых Беларуси / М.А. Журавков, О.Л. Коновалов // Международная научно-техническая конференция «Геодезия, картография и кадастр - XXI век». Москва, РФ, 25-27 мая 2009. Москва: МГУ, 2009. С.112-113.

РЕЗЮМЕ

Коновалов Олег Леонидович

АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ЦИФРОВЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Ключевые слова: компьютерная графика, трехмерные цифровые геологические модели, структурное моделирование, системы автоматизации.

Цель работы: разработка алгоритмов и программной технологии построения информационно-аналитических систем для сопровождения горных работ на основе трехмерных цифровых геологических моделей.

Методы исследований: компьютерная графика, вычислительная геометрия и топология, конечноэлементная интерполяция, программные технологии.

Полученные результаты и их новизна. В диссертации предложены новые метод, алгоритмы и программная технология для построения трехмерных цифровых геологических моделей.

Введен специальный класс представления структурных поверхностей, учитывающий особенности геологического строения месторождений Республики Беларусь.

Разработаны оригинальные алгоритмы:

алгоритм полного согласования поверхности горизонта, использующий стратегию последовательного учета информации о строении месторождения;

алгоритм построения нерегулярного сеточного покрытия блочной модели с новым видом базовых элементов (вертикальные треугольные призмы).

Предложенные алгоритмы позволили разработать эффективный и устойчивый в вычислительном плане метод построения трехмерной цифровой геологической модели.

Реализована трехуровневая программная технология, включающая специализированные прикладные библиотеки и средства настройки на вычислительную среду. Разработана оригинальная специализированная программная библиотека для построения и обработки симплициальных комплексов и сеточных покрытий.

Область применения.

Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение может быть использовано для построения систем автоматизации геологического сопровождения процесса при добыче полезных ископаемых

РЭЗЮМЭ

Канавалаў Алег Леанідавіч

АЛГАРЫТМЫ І ПРАГРАМНАЯ ТЭХНАЛОГІЯ ДЛЯ ПАБУДОВЫ ТРОХМЕРНЫХ ЛІЧБАВЫХ ГЕАЛАГІЧНЫХ МАДЭЛЯЎ

Ключавыя словы: камп'ютарная графіка, трохмерныя лічбавыя геалагічныя мадэлі, структурнае мадэляванне, сістэмы аўтаматызацыі.

Мэта працы: распрацоўка алгарытмаў і праграмнай тэхналогіі пабудовы інфармацыйна-аналітычных сістэм для суправаджэння горных работ на аснове трохмерных лічбавых геалагічных мадэляў.

Метады даследаванняў: камп'ютарная графіка, вылічальная геаметрыя і тапалогія, канечнаэлементная інтэрпаляцыя, праграмныя тэхналогіі.

Атрыманыя вынікі і іх навізна. У дысертацыі прапанаваны новыя метады, алгарытмы і праграмная тэхналогія пабудовы трохмерных лічбавых геалагічных мадэляў.

Уведзены клас прадстаўлення структурных паверхняў, які ўлічвае асаблівасці геалагічнай будовы радовішчаў Рэспублікі Беларусь.

Распрацаваны алгарытмы:

поўнага ўзгаднення паверхні гарызонту, заснаваны на стратэгіі паслядоўнага ўліку кантрольных кропак;

пабудовы сетачнай блочнай мадэлі, заснаваны на ўласцівасці строгага бакавога суседства вертыкальных трохвугольных прызмаў.

Гэта дазволіла атрымаць больш эфектыўны і ўстойлівы ў вылічальным плане метад пабудовы трохмернай лічбавай геалагічнай мадэлі.

Распрацавана трохузроўневая праграмная тэхналогія, якая ўключае: карыстальніцкі інтэрфейс, спецыялізаваныя прыкладныя бібліятэкі і сродкі настройкі на вылічальнае асяроддзе, і арыгінальная спецыялізаваная праграмная бібліятэка для пабудовы і апрацоўкі сімпліцыяльных комплексаў і сетачных пакрыццяў.

Галіна прымянення.

Распрацаваныя алгарытмы і праграмнае забеспячэнне могуць прымяняцца для пабудовы інфармацыйна-аналітычных сродкаў ацэнкі якасці працэсаў здабычы карысных выкапняў, а таксама экалагічнай і вытворчай бяспекі.

SUMMARY

Konovalov Oleg ALGORITHMS AND SOFTWARE TECHNOLOGY FOR NUMERICAL GEOLOGICAL MODELS BUILDING

Keywords: computer graphics, three-dimensional geological models, structural restoration, automation systems.

The purpose of the research: development of algorithms and program technology for creation information-analytical systems for mining based on three-dimensional geological models.

Research methods: computer graphics, computational geometry and topology, finite-element interpolation, software technology.

The obtained results and scientific novelty. New methods, algorithms and software technology for three-dimensional geological models building.

A new class of representations of structural surfaces, taking into account the features of the geological structure of the mineral deposits in the Republic of Belarus.

The following algorithms were developed:

- structural restoration of faulted horizons based on the strategy of sequential accounting control points;

- volumetric model creation based on feature of strong connectivity for vertical triangular prism.

Above algorithms give possibility to implement more efficient and numerical stable approach for three-dimensional geological models building.

Three layers software technology includes: user interface, application libraries and computation environment settings, original programming library for gridding and simplicial complex processing.

Sphere of application. The developed algorithms and software can be used to build information-analytical systems to estimate mining quality, ecological and manufacture safety.

Размещено на Allbest.ru

...