Применение информационно-моделирующего экспертного

ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-МОДЕЛИРУЮЩЕГО
ЭКСПЕРТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ МОНИТОРИНГА
ГЕОТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ
Носкова С.Н., Жиганов А.Н., Истомин А.Д., Носков М.Д.
ФГОУ ВПО «Северская государственная технологическая
академия», г. Северск
При глубинном захоронении радиоактивных и токсичных
отходов предприятий атомного энергопромышленного комплекса,
добычи полезных ископаемых методом подземного выщелачивания
формируются
природно-антропогенные
физико-химические
гидродинамические системы [1, 2]. Для совершенствования,
оптимизации геотехнологических процессов и предотвращения
загрязнения подземных вод необходим мониторинг этих систем. В
процессе геотехнологического мониторинга возникает необходимость
обработки больших объемов разнородной информации вследствие
сложности строения подземных водоносных горизонтов, а также
нелинейной взаимосвязи происходящих там процессов. Поэтому
применение современных информационных технологий для хранения,
обработки и визуализации данных мониторинга становится
актуальным. В связи с технической сложностью и высокой
стоимостью непосредственного наблюдения за состоянием подземных
природно-антропогенных физико-химических гидродинамических
систем, для проведения прогнозных расчетов изменения их состояния
в результате техногенных воздействий становится целесообразным
использование методов математического моделирования [3-5]. Для
анализа результатов мониторинга и моделирования, подготовки
управленческих решений целесообразно применять информационные
экспертные системы, сопряженные с базами знаний и данных. В
настоящей
работе
представлены
структура
и
принципы
функционирования информационно-моделирующего экспертного
комплекса (ИМЭК), позволяющего собирать, хранить, обрабатывать и
использовать информацию о состоянии природно-антропогенных
физико-химических гидродинамических систем, а также проводить
прогнозное моделирование, экспертную оценку и анализ их
эволюции.
ИМЭК состоит из геоинформационной, моделирующей и
экспертно-аналитической систем, обменивающихся между собой
разнородной информацией о состоянии природно-антропогенной
физико-химической гидродинамической системы (рисунок 1).
Геоинформационная система (ГИС) позволяет собирать, хранить и
визуализировать информацию о состоянии природно-антропогенной
системы. Моделирующая система (МС) дает возможность проводить
эпигнозные и прогнозные расчеты изменения состояния системы.
Экспертно-аналитическая система (ЭАС) может применяться для
оценки и анализа результатов мониторинга и моделирования, а также
для поддержки принятия управленческих решений.
Геоинформационная система
Моделирующая система
Блок геологического
моделирования
Блок расчета физикохимических процессов
Блок хранения данных
Блок расчета
фильтрационных
процессов
Блок контроля данных
Блок расчета
термодинамических
процессов
Блок взаимодействия с
пользователем
Эксперт
Пользователь
Отчет о работе
Блок анализа
эконом. эфф-ти
Блок анализа
БД
БЗ
Р
БД
Блок
общения
Модель
экономических
расчетов
Блок идентификации
параметров модели
БЗ
БЗ
Р
Экспертно-аналитическая система
БД – база данных; БЗ – база знаний; Р – решатель
Рисунок – Структура ИМЭК
ГИС состоит из блоков взаимодействия с пользователем,
контроля данных, хранения данных мониторинга и геологического
моделирования. Блок взаимодействия с пользователем позволяет с
помощью системы диалогов вводить, просматривать, редактировать и
визуализировать
разнородные
данные
(геологические,
гидрогеологические, минералогические, геохимические и т.д.). Блок
контроля данных оценивает достоверность введенных данных,
проводит их первичную обработку, подготавливает к сохранению,
осуществляет
резервное копирование. В блоке контроля
осуществляется ведение протокола ввода данных, позволяющего
определить и проконтролировать работу лиц, ответственных за
введенные данные, дифференцирование доступа к данным
(возможность просмотра, добавления и редактирования данных)
посредством пароля пользователя, проверка непротиворечивости
информации. Блок хранения данных предназначен для хранения
данных различного типа, проведения резервного копирования данных
и обеспечения целостности информации. Моделирующий блок ГИС
предназначен для построения на основе первичных данных
трехмерной
цифровой
модели
гидрогеологической
среды.
Моделирующий блок производит экстраполяцию/интерполяцию
геологических,
минералогических,
гидрогеологических,
геохимических и прочих данных. Блок должен содержать несколько
методов
экстраполяции/интерполяции
данных
и
позволять
пользователю выбирать способ расчета и редактировать параметры
метода.
МС основывается на комплексной физико-математической
модели
многофазной
многокомпонентной
неизотермической
фильтрации и состоит из трех взаимосвязанных частей, описывающих
физико-химические, фильтрационные и тепловые процессы. В
физико-химической части модели учитываются следующие процессы:
сорбция и десорбция, гомогенные и гетерогенные химические
реакции, образование минеральных осадков, растворение твердой
фазы и радиоактивный распад. Фильтрационная часть модели
включает в себя описание фильтрации жидкости и связанные с ней
конвективный массоперенос, гидродинамическую дисперсию,
изменение фильтрационных характеристик пористой среды и свойств
жидкости, неоднородности фильтрационных параметров подземного
горизонта.
Термодинамическая
часть
модели
описывает
конвективный теплоперенос, теплопроводность, тепловыделение в
результате физико-химических процессов.
ЭАС состоит из трех блоков. Блок идентификации параметров
моделирования предназначен для определения значений параметров,
необходимых для осуществления компьютерных расчетов эволюции
состояния гидрогеологической системы, и включает в себя решатель и
базы данных и знаний. База данных предназначена для хранения
значений параметров и характеристик гидрогеологической системы.
Содержимое базы знаний представляет собой набор правил,
позволяющих решателю на основе модели геологической среды
определять параметры моделирования. Блок анализа предназначен для
оценки состояния гидрогеологической среды и выработки
рекомендаций для подготовки управляющих воздействий. Он
включает решатель, базы данных и знаний. База данных содержит
критерии оценки состояния и эволюции гидрогеологической системы.
В базе знаний находится набор продукционных правил. Решатель на
основе базы знаний проводит экспертные оценки и анализ состояния и
эволюции природно-антропогенной гидрогеологической системы,
оценку геотехнологических показателей (область загрязнения
токсичными и радиоактивными веществами в подземных горизонтах,
превышение предельно допустимых значений концентраций
загрязняющих
веществ
и
т.д.),
выработку
оптимальных
управленческих решений на основе имеющихся данных. Блок
общения предназначен для управления работой ЭАС, формирования
запросов пользователя, редактирования и заполнения баз данных и
знаний, подготовки отчетной документации.
Применение ИМЭК для мониторинга природно-антропогенных
физико-химических гидродинамических систем осуществляется в
несколько этапов. На первом этапе с помощью ГИС создается
цифровая модель природно-антропогенной системы. Цифровая
модель содержит данные мониторинга рассматриваемой системы,
включающие информацию о строении подземных водоносных
горизонтов, химических свойства вод, минералогическом составе
пород, гидрологические и геологические свойства водоносных
горизонтов. Распределения физическо-химических величин во всей
рассматриваемой области строятся моделирующим блоком ГИС на
основе первичных данных. Результаты моделирования анализируются
специалистами, при необходимости производится пополнение
исходных данных и повторная генерация. Результатом первого этапа
проектирования разработки является цифровая модель природноантропогенной физико-химической гидродинамической системы.
На втором этапе, с помощью МС создается цифровая модель
техногенного воздействия на гидрогеологическую систему и
проводится расчеты изменения состояния системы. Параметры
моделирования определяются по результатам лабораторных
экспериментов и на основе данных наблюдений за состоянием
системы.
На третьем этапе, на основе совокупности данных мониторинга
и проведенных прогнозных расчетов, с помощью ЭАС проводится
анализ текущего и прогнозируемого состояния природноантропогенной физико-химической гидродинамической системы. На
основе
анализа
готовятся
предложения
по
проведению
природоохранных мероприятий и рекомендации по оптимизации
эксплуатации системы.
Таким
образом,
в
работе
предлагается
концепция
информационно-моделирующего экспертного комплекса (ИМЭК),
предназначенного для хранения и анализа результатов мониторинга и
моделирования эволюции состоянии природно-антропогенных
физико-химических гидродинамических систем. ИМЭК может
применяться на предприятиях ядерно-топливного комплекса для
поддержки принятия управленческих решений по эксплуатации
полигонов глубинного захоронения токсичных и радиоактивных
отходов, прогнозирования и предотвращения распространения
загрязнений в подземных водах, повышения эффективности и
экологической безопасности разработки месторождений урана
способом скважинного подземного выщелачивания.
Работа поддержана Сибирским химическим комбинатом,
грантом РФФИ № 06-07-96907-р_офи и грантом президента РФ №
МК-5625.2006.8.
ЛИТЕРАТУРА
1 Лаверов Н.П., Абдульманов И.Г., Бровин К.Г. и др. Подземное
выщелачивание полиэлементных руд. – М.: Издательство академии
горных наук, 1998. – 446 с.
2 Мироненко В.А., Румынин В.Г. Проблемы гидрогеоэкологии.
– Т. 1.: Теоретическое изучение и моделирование геомиграционных
процессов. – М.: Издательство Московского государственного горного
университета, 1998. – 611 с.
3 Носков М.Д., Истомин А.Д., Кеслер А.Г. Применение
программного экспертного комплекса для управления разработкой
месторождения урана и других металлов методом подземного
выщелачивания В кн. Подземное и кучное выщелачивание урана,
золота и других металлов. – Т. 1: Уран. – М.: Руда и металлы, 2005. –
С. 307-316.
4 Носков М.Д., Истомин А.Д., Зубков А.А., Данилов В.В.
Геоинформационно-моделирующий комплекс для управления
режимом работы полигона глубинного захоронения ЖРО на СХК и
мониторинга геологической среды // Материалы отраслевой
конференции «Технология и автоматизация атомной энергетики». –
Северск, 2005. – С. 72.
5 Истомин А.Д., Носков М.Д., Кеслер А.Г. и др. Моделирование
распределения радионуклиджов в пласте-коллекторе при глубинном
захоронении кислых жидких радиоактивных отходов // Радиохимия. –
2007. – Т. 49. – № 2. – С. 182-187.