Актуальность работы. В процессе реструктуризации угольной промышленности Кузбасса определилась группа угольных предприятий в ряде геолого-экономических районов, которые должны быть выведены из эксплуатации. В настоящее время закрыто 37 шахт и в стадии ликвидации находятся б шахт.
Только за 2000 год угольной промышленностью Кузбасса добыто 116 млн. тонн угля, перемещено разрезами в отвалы 300−350 млн. мА горных пород, потреблено шахтами 360 млн. тонн воздуха и откачано 200 млн. тонн воды. при существующих объемах добычи техногенное воздействие на природную среду на горных отводах является стабильным и контролируемым процессом. Закрытие шахты приводит к тому, что нарушается установившийся природный и техногенный баланс и появляются новые процессы и механизмы, влияние которьгх на окружающую природную среду вблизи предприятий трудно предсказать. В такой ситуации необходимо организовать контроль за экологической обстановкой на закрытых шахтах для выявления динамики переходного процесса с целью обеспечения экологической безопасности. Для этого необходимо вести наблюдения за выбросами загрязняюпщх веществ в водные бассейны, атмосферу, контролировать процесс затопления, регистрировать провалоопасные зоны, т. е. организовать систему экологического мониторинга последствий ликвидации угольных шахт с цежю прогнозирования экологической ситуации на горных отводах ликвидируемых угольных предприятий. Эти вопросы были решены путем создания первичных служб мониторинга на всех закрытых шахтах, которые и проводят все необходимые наблюдения за природной средой. Полученные данные обрабатывают с использованием ЭВМ, но данного анализа явно недостаточно для получения прогноза.
Кроме того, задача по обеспечению экологической безопасности усложняется за счет большого количества территориально разбросанных шахт, большого количества контролируемых веществ и нерегулярной сетки замеров проб.
Таким образом возникает потребность в разработке системы обработки геоданных (концентрации вредных газов, загрязняющих веществ в водных бассейнах и т. п.), основанной на процессе мониторинга, проводимого на закрытых шахтах Кузбасса. При этом применение существующих статистических методов анализа данных для последующей выдачи рекомендаций становится недостатотаым из-за невозможности выделения динамики процесса и отсутствия прогноза, в следствии чего целесообразно разработать комплексную геоинформациоинзто систему, ориентированную на регламентированный сбор, хранение и обработку геоинформации, на основе современных средств интеллектуального анализа данных, объектно-ориентированных баз данных и географических информационных систем.
Работа связана непосредственно. с планами научно исследовательских работ Института угля и углехимии СО РАН на 1998;2000, 2001 гг. ХоГР 01.2.00 109 774 и программой «Сибирь» раздел «Уголь Кузбасса» Кемеровского научного центра СО РАН.
Целью работы является разработка комплексной геоинформационной системы для сбора, хранения и обработки пространственно-временных данных экологического «мониторинга и прогнозирования экологической обстановки на закрытых шахтах.
Идея работы заключается в использовании объектно-ориентированных баз и хранилищ данных, как основы для сбора и хранения геоданных и новейших методов обработки информации, интегрированных с графическими информационными системами.
Задачи исследований:
— исследовать структуру экологического мониторинга геотехнологических систем закрытых шахт с позиции геоинформационных систем;
— определить требования к пространственно-временным данным для выявления динамики геотехнологических систем закрытых шахт;
— обосновать регламент сбора информации по объектам мониторинга закрытых шахт;
— синтезировать формальную модель хранения и обработки информации по объектам мониторинга;
— обосновать и разработать требования к методам обработки пространственно-временной информации и программному обеспечению, реализующему эти методы, для получения адекватного представления экологических явлений;
— разработать интерактивное прикладное программное обеспечение, реализующее распределенную обработку информации геотехнологических систем и интегрировать его и методы обработки данных с географическими информационными системами с целью комплексного представления процессов, вызванных закрытием шахт.
Методы исследования. Для разработки геоинформационной системы экологического мониторинга бьши использованы: методы мапшнной графики, общей теории множеств и обработки изображений предназначенные для анализа геоданныхтеория проектирования баз данных, объектно-ориентированный анализ, современные методы и средства проектирования информационных систем для конструирования баз геоданныхтеоретические основы информационных процессов для создания интегрированной информационной среды.
Научные положения, защищаемые в диссертации и разработанные лично соискателем, заключаются в следующем: установленные структура и связи экологического мониторинга геотехнологических систем закрытых шахт являются достаточными для описания исследуемых объектовсоставленная номенклатура обеспечивает полноту анализа факторов экологического влияния геотехнологических системпредложенный регламент сбора пространственно-временной информации здгитьюает динамику геотехнологических систем и направлен на получение достоверных данных по объектам мониторингаформальная модель хранения пространственно-временных данных обеспечивает описание структуры и связей хранилища данных и обладает адаптивными свойствами, что позволяет организовать процесс оперирования геоданными без потери их характеристикприменение онлайновой аналитической обработки использует методы агрегирования геоданных, что является необходимым условием проведения их интеллектуального анализа в рамках стандартных средствсовременные средства интеллектуального анализа данных позволяют оценить общее состояние геотехнологической системы ликвидированных шахт (поиск скрытых правил и закономерностей на множестве пространственно-временных геоданных) — интеграция интерактивного прикладного программного обеспечения, онлайновой аналитической обработки и методов интеллектуального анализа пространственно-временных данных с географическими информационными системами создает качественно новый инструмент автоматизации экологических исследований геотехнологичес1сих систем угольных шахткомплекс программных средств, онлайновой аналитической обработки и методов интеллектуального анализа пространственно-временных данных, обеспечивает адекватное описание экологических явлений.
Достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается: значительным объемом проанализированных данных шахтовых замеров атмосферного воздуха (порядка 290 000 записей 35 шахт, из них по шахте «Северная» — 18 604, шахте «Южная» — 42 625, шахте «Пионерка» — 75 364, шахте «имени Вахрушева» — 25 716, шахте «Капитальная» — 34 178), проб речной воды (порядка 7000 20 шахт из них по шахте «Пионерка» — 986, шахте «Байдаевская» -745, шахте «Центральная» — 322, шахте «Ягуновская» — 540, шахте «Шевякова» — 389) — опытно-промышленной проверкой геоинформационной системы в Кузбасском Центре мониторинга производственной и экологической безопасности;
Научная новизна работы заключается в том, что в ней: обоснована и разработана структура экологического мониторинга геотехнологических систем закрытых шахт, включающая в себя 6 видов мониторинга (газодинамический, геодинамический, гидромониторинг и др.) 12 объектов мониторинга (подработанные массивы горных пород, земная поверхность, атмосфера, подземные и грунтовые воды, биосфера и др.) — разработана система регламентированного сбора геоинформации, учитывающая динамику экологических процессов геотехнологических систем закрытых шахтпредложена оригинальная структура геоинформационной системы мониторинга, состоящая из базы пространственно временных данных, комплекса программных средств и современных методов обработки данных, интерактивного прикладного программного обеспечения интегрированных с географическими информационными системамивпервые реализована модель банка пространственно-временных данных, обеспечивающая поддержку сложных пространственных объектов и связей между ними путем составления логической структуры геотехнологической системы, выраженной в виде диаграммы объектоввпервые на основе объектно-ориентированного подхода созданы оригинальные программные компоненты для проектирования программного обеспечения интерактивной обработки геоданныхотработана технология использования современных программных средств онлайновой аналитической обработки и методов интеллектуального анализа пространственно-временной информации для оценки геоданных путем исследования пакетов анализа и установления их пригодности для задач геоинформационной системыинтегрированы разработанные компоненты хранения и обработки геоданных с графическими информационными системами с целью получения качественно нового инструмента автоматизации экологических исследований геотехнологических систем угольных шахт.
Личный вклад состоит в следующем: исследована структура экологического мониторинга геотехнологических систем закрытых шахтисследованы и обоснованы требованрш к геоданным, средствам и методам их автоматизированной обработкисоставлена номенклатура основных природных факторов и обоснован регламент сбора геоинформации по объектам экологического мониторингасинтезирована формальная модель хранения и обработки информации, которая отразилась в виде банка данных объектов мониторишаисследованы современные программные продукты по обработке пространственно-временных данных в результате чего были выбраны прикладные пакеты анализа геоинформацииреализовано интерактивное прикладное программное обеспечение для редактирования информации по объектам мониторинга, а также схемы взаимодействия между отдельными компонентами внутри геоинформационной системыинтегрированы компоненты геоинформационной системы с географическими информационными системами для получения комплексного представления процессов, связанных с ликвидацией шахт.
Практическая ценность.
Результаты проведенных исследований позволяют: надежно хранить геоданные в разработанной базе данных и пополнять ее в течении всего процесса ликвидации шахтсократить время на анализ геоинформации за счет использования интеллектуального анализа данныхдобавлять дополнительные объекты исследований за счет гибкости формальной модели геотехнологической системыне разрабатывать дополнительного программного обеспечения из-за полноты и универсальности всех компонент геоинформационной системы.
Реализация работы.
Результаты работы были использованы в Кузбасском Центре мониторинга производственной и экологической безопасности для оценки влияния процесса ликвидации шахт Кузбасса (всего 35 шахт) на геоэкологическую обстановку в Кемеровской области (1999;2001 года). Разработанные модели, алгоритмы, программное и методическое обеспечение использовались при проведении исследований в Кемеровском научном центре СО РАН, Институте угля и углехимии СО РАН.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и были одобрены на конференции «Экспо-Уголь-2000» (г. Новок)/знецк), конференция во ВНИМИ «ГИС технологии в угольной промышленности» (г. Санкт-Петербзфг, 2000 год), конференции «Информационные недра Кузбасса» (г. Кемерово, 2001 год), международной конференции в рамках выставки «Экспо-Уголь 2001» (г. Новокузнецк), всероссийском совещании «Геоинформационные системы в горном производстве» (г. Кемерово, 2001 год).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 6 печатных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, включает 10 таблиц, 21 рисунок и список литературы из 70 наименований.
ВЫВОДЫ.
1. Интеграция базы данных и методов их обработки с географической информационной системой создает качественно новый инструмент автоматизации экологических исследований и обеспечивает комплексный анализ информации, который позволяет наглядно интерпретировать результаты обработки в виде электронных карт экологической обстановки путем комбинации слоев карты, акцегггируя внимание на том или ином явлении.
2. Геоинформационная система рекомендуется в качестве базовой для Центров мониторинга экологической безопасности, а также для первичных служб мониторинга на закрытых шахтах для локальной оценки экологических процессов и явлений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертации, являющейся научной квалификационной работой, содержится решение задачи разработки геоинформациднной системы для сбора, хранения и обработки данных экологического мониторинга, имеющей важное значение для исследования геотехнологических систем закрытых шахт как одного из разделов геоинформатики.
Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации, полученные при выполнении исследований заключаются в следующем:
1. Структура экологического мониторинга геотехнологических систем закрытых шахт имеет древовидный тип, состоящий из 3-х уровней, шшейных связей и состоит из объектов «Шахта», «Точка отбора проб», «Контролируемые вещества», связанные между собой отношением «одии-ко-многим».
2. Для формализованного описания экологического мониторинга закрытых шахт Кузбасса автором составлена номенклатура факторов, влияющих на геотехнологические системы и сформирован перечень контролируемых веществ (6 по шахтовому воздуху и 32 по шахтовой воде).
3. Разработан регламент сбора информации, формирующий оптимальный набор данных, режим и обеспечивающий требуемую достоверность обработки, в т. ч. для закрытых шахт, горные отводы которых содержат жилые и административные здания достаточно с частотой замеров 2−3 раза в неделю, для всех остальных 1 раз в неделю по каждому из наблюдаемых объектов. Корректировка регламента периодически осуществляется с учетом анализа динамики процессов контролируемых параметров за предществуюпрш период, но не реже 1 раза в месяц.
4. Формальная модель данных объектов геотехнологических систем закрытых шахт, на основе которой разработана база геоданных, ориентированна на хранение большого количества информации о проведенных наблюдениях (порядка 290 000 записей по шахтовому воздуху 35 шахт и порядка 7000 показателей загрязнения водных бассейнов для 20 шахт). Модель обладает адаптивными свойствами, которые обеспечиваются иерархически организованной структурой и связями, в следствии чего она является устойчивой к реконфигурации геоинформационной системы в целом.
5. Систематизация и автоматизация всех этапов разработки достигается за счет использования современных объектно-ориентированных средств программирования и автоматизированного проектирования (Platinum Technologies ErWin 3.1 и Inprise Delphi 5).
6. Средства онлайновой аналитической обработки (OLAP) позволяют повысить оперативность обработки по сравнению с обычными методами анализа, сократив затраты на разработку собственного программного обеспечения, тем самым высвободив время для более детального исследования предметной области.
7. Использование интеллектуального анализа данных (Data mining) позволяет оперировать достаточно широким спектром методов прогноза, например «деревья решений», «поиск правил», что дает возможность пользователю геоинформационной системы более точно исследовать природные явления геотехнологической системы закрытых шахт. Это подтверждается высоко сходимостью результатов анализа (0Д%-2%). На результаты анализа также оказывает влияние регламент сбора информации, при несоблюдении котороготочность резко уменьшается (1%-20%).
8. В рамках интерактивного прикладного программного обеспечения реализован набор необходимых и достаточных функций и методов манипулирования данными (ввод данных, редактирование, проверка корректности данных, выдача отчетов и т. п.).
9. Интеграция базы данных и методов их обработки с географической информационной системой создает качественно новый инструмент автоматизации экологических исследований и обеспечивает комплексный анализ информации, который позволяет наглядно интерпретировать результаты обработки в виде электронных карт экологической обстановки путем комбинации слоев карты, акцентируя внимание на том или ином явлении.
10. Геоинформационная система рекомендуется в качестве базовой для Центров мониторинга экологической безопасности, а также для первичных служб мониторинга на закрытых шахтах для локальной оценки экологических процессов и явлений.