Методология создания системы автоматизированного проектирования карьеров с использованием методов объектно-ориентированного анализа
С.С. Букейханова, и.о. заведующего лабораторией «Открытой разработки недр», Институт горного дела им. Д. А. Кунаева, г. Алматы;
А.А. Лисенков, д-р техн. наук, профессор, заведующий лабораторией «Проектирования и осовения недр», Институт горного дела им. Д. А. Кунаева, г. Алматы;
А.А. Куандыков, д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории «Открытой разработки недр», Институт горного дела им. Д. А. Кунаева, г. Алматы;
Д.Г. Букейханов, д-р техн. наук, профессор, академик Академии минеральных ресурсов РК, Международной академии минеральных ресурсов, Академии горных наук Российской Федерации, начальник отдела «Геотехнологии, горной системологии и недроведения», Институт горного дела им. Д. А. Кунаева, г. Алматы
Становление информатики и геоинформатики способствовало появлению и развитию методологий системотехники и интегрированных систем автоматизированного проектирования (САД, САПР), управления (АСУП, АСУТП), геоинформационных графических систем (ГИС) и технологий (ИТ, ААИС), баз данных и СУБД, а также инициировало создание целого ряда интегрированных горно-геологических систем, таких как Datamine, Lynx, МineScape, Surpac, Vulcan, Gemcom, Geostat, Geovariances, Microminе, Minex, Geoblock, Tiger и др., как правило, с неполным набором функций [1, с. 84]. Вместе с тем следует отметить, что применение методов исследования операций и интегрированных горно-геологических систем, натолкнулось на проблему того, что в этих методах при моделировании и решении задач больших и сложных динамических систем с увеличением числа переменных за определенные пределы происходит стремительный рост сложности самих систем. Это не позволяет посредством этих разработок моделировать, анализировать, проектировать и создавать программное обеспечение целостных полнофункциональных сложных систем, таких как, например, карьер, шахта, рудник и т.п. Поэтому на практике такие задачи решаются в следующем порядке: сначала производится декомпозиция системы на отдельные подсистемы, агрегаты и объекты (части системы), в пределах которых выполняются расчеты; далее полученные решения в этих отдельных частях системы без достаточного полного учета всех взаимосвязей и характера взаимовлияния множества параметров и показателей друг на друга, а также взаимовлияния внешних компонентов среды склеиваются в единое целое. Такие технологии решения проблем сложных систем, естественно, не могут привести к удовлетворительным результатам [2, с.7].
Коммерциализация промышленных отраслей требует всё более эффективных и качественных программных продуктов. Для быстрой и качественной разработки программного обеспечения еще не созданы в полной мере автоматизированные процессы, которые можно реализовывать и повторять, и чтобы результаты действия можно было предсказать [3, 4]. В 1997 г. в США Группа управления объектами OMG (Object Management Group) принимает разработанный Гради Бучем, Джеймсом Рамбо и Айваром Якобсоном объектно-ориентированный язык визуального моделирования UML (Unified Modeling Language) и рациональный унифицированный процесс создания программного обеспечения RUP (Rational Unified Process) как стандартный язык визуального моделирования, удовлетворяющий промышленным стандартам [5, 6].
Методология позволяет создать целостную систему сложной динамической системы в виде комплекса взаимосвязанных моделей и перевод их в реальный программный продукт. Унифицированный язык моделирования UML объединил лучшие современные технические приемы разработки программных средств больших и сложных динамических систем. Методология предусматривает: установление основных требований к системе на базе его трех основных положений: строительных блоков языка UML; правил, устанавливающих сочетания строительных блоков и общих для языка механизмов, посредством которых компоненты системы могут сотрудничать друг с другом и осуществлять свое поведение, соответствующее требованиям системы. Процесс RUP обеспечивает возможность разработки программного обеспечения полнофункциональной сложной динамической системы, в том числе и недропользования [7].
Итеративно-инкрементный подход состоит в том, что проект разбивается на несколько последовательных итерационных миникаскадных частей, каждая из которых представляет собой полный миникаскадный цикл. При этом каждая итерация имеет свою конкретную цель и создает базовую версию системы, подсистемы, агрегата, которая используется для внутреннего (или внешнего) анализа и рассмотрения наборов утвержденных артефактов, сгенерированных в каждой конкретной итерации. Результаты достижения конкретных целей на каждой итерации рассматриваются и оцениваются в межитерационных контрольных точках и в межфазовых вехах. Процесс разработки программного обеспечения разбит на серию последовательных шагов, или итераций, каждый из которых является по сравнению с предыдущим приближением к желаемому результату. Конечным результатом каждой итерации должна быть работающая система, которую можно запускать, тестировать и отлаживать.
Таким образом, итерация представляет собой частично завершенную версию целевой системы и (или) документацию проекта. Каждая базовая версия представляет основу для дальнейшего рассмотрения и разработки и может изменяться только через формальные процедуры управления конфигурацией и изменениями. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет создана окончательная и полная версия системы.
Разница между двумя смежными версиями, получаемая в итерационном процессе, называется итеративным инкрементом. Итеративный процесс соотносится (корректируется) со стадиями моделирования и его фазами «исследование», «уточнение плана», «построение» и «развертывание» и включают в себя от одной до нескольких итераций. В каждой итерации в UP (RUP) на жизненном цикле разработки программного обеспечении выполняются шесть рабочих потоков: моделирование производственных и бизнес процессов; сбор, анализ, структурирование и управление требованиями и их реализация в архитектуре системы; анализ и проектирование системы; построения программного обеспечения, их тестирование и реализация, а также распространение разработанной программной продукции с полной документацией.
В целом, такой итеративно-инкрементный процесс приводит к желаемому результату – созданию моделей и программного обеспечения больших и сложных динамических систем. Этот процесс определяет деятельность, направленную на разработку программных продуктов системы, который включает процессы определения функциональных и общесистемных требований (сбор, обработку и формирование), а также уточнение и структурирование требований, и их реализации в процессе разработки программного обеспечения с учетом анализа рисков и их оценки с принятием решений заказчиком и другими заинтересованными субъектами (экторами).
При выполнении «Проектов промышленной разработки месторождений твердых полезных ископаемых (ППР)» план итерации может иметь следующий вид (табл. 1):
| 1-я итерация | Разработка (адаптация) и уточнение математической модели месторождения и карьера |
| 2-я итерация | Построение альтернативных вариантов границ карьерного поля с учетом решений, принятых на предпроектных стадиях |
| 3-я итерация | Определение значений граничного коэффициента вскрыши |
| 4-я итерация | Выделение участков (районирование) прибортовых массивов горных пород по фактору их устойчивости с дифференциацией по секторам, этапам разработки, и в целом по карьерному полю |
| 5-я итерация | Выбор устойчивых конструкций элементов временно нерабочих (при поэтапной разработке) и граничных бортов карьерного поля |
| 6-я итерация | Выбор формы и размеров целиков в карьерном поле при его поэтапной разработке. Параметры и показатели конструкции временно нерабочих бортов (ВНБ), ограничивающих целики со стороны выработанного пространства. Характеристики и параметры формирования ВНБ, определение времени их существования и порядка переноса (частичного или полного). Ликвидации временно нерабочих бортов карьера с учетом вариантов технологии |
| 7-я итерация | Горно-геометрический анализ и предварительный выбор направления развития и режима горных работ |
| 8-я итерация | Анализ фронта горных работ, выбор расположения рабочих блоков в панелях рабочих горизонтов, ориентации экскаваторных заходок относительно положения и протяженности фронта горных работ уступов и расчет альтернативных вариантов производительности карьера по полезному ископаемому и вскрышным породам в соответствии с техническим заданием (ТЗ) и регламентом на его проектирование |
| 9-я итерация | Выбор технологии и комплексной механизации горных работ |
| 10-я итерация | Выбор системы разработки и её параметров |
| 11-я итерация | Горно-геометрический анализ и предварительный выбор направления развития и режима горных работ |
| 12-я итерация | Выбор технологии и комплексной механизации процессов и способов рыхления горных пород взрывом |
| 13-я итерация | Выбор технологии выемочно-погрузочных работ |
| 14-я итерация | Выбор карьерных грузопотоков, системы и схем вскрытия, а также подготовки рабочих горизонтов |
| 15-я итерация | Выбор способа и технологии отвалообразования; расчет устойчивых откосов уступов, конструкций бортов отвалов и несущей способности оснований отвалов. Выбор рациональных транспортных и схем иных коммуникаций на отвальных работах |
| 16-я итерация | Анализ динамики формирования и развития протяженности фронта горных работ в карьере по альтернативным вариантам и этапам разработки месторождения с выделением активных и пассивных участков фронта во времени и пространстве; Уточнение годовой производительности карьера по руде и вскрыше |
| 17-я итерация | Выбор рационального календарного плана горных работ, рекомендуемого и его альтернативных вариантов |
| 18-я итерация | Выбор технологии формирования качества продукции и отгрузки её потребителям |
| 19-я итерация | Определение главных параметров карьерного поля и уточнения режима горных работ и производительности карьера по руде и вскрыше, а также расчет технико-экономических показателей и параметров разработки месторождения |
| 20-я итерация | Установление границ горного и земельного отводов, проектирование генплана и условий примыкания карьерных коммуникационных сетей к существующим сетям |
| 21-я итерация | Выбор и расчет системы осушения карьерного поля, энерго-, водо- и теплообеспечения промышленных и вспомогательных объектов карьера; канализации и отвода промышленных и бытовых отходов с территории помплощадки |
| 22-я итерация | Группа мероприятий по обеспечению комфортных и безопасных условий труда, техники безопасности, пожаробезопасности; разработка декларации промышленной безопасности |
| 23-я итерация | Разработка раздела проекта «Охрана окружающей среды» |
| 24-я итерация | Расчет эффективности альтернативны вариантов промышленной разработки месторождения и технико-экономического обоснования принятых проектных решений |
В процессе разработки потоков жизненного цикла модели развиваются постепенно от одной итерации к другой и от одной фазы к следующей, проходя свои контрольные точки с достижением при этом определенных целей. Язык UML предусматривает иерархию в процессе моделирования, состоящую их четырех уровней: метамодели (МЗ); метамодели (М2); модели (М1) и моделей объектов и (или) экземпляров (МО), в структуре модельных представлений. При этом метамодели (МЗ) образуют формально-логическую основу для всех возможных метамодельных представлений на самом высоком уровне абстракции и являются наиболее компактным его описанием, необходимым для определения языка спецификаций метамоделей. Метамодель является экземпляром и (или) конкретизацией метамодели на более конструктивном уровне и обладает более развитой семантикой базовых понятий (класс, атрибут, операция, компонент, ассоциация и др.). Модель является экземпляром метамодели. Это уровень для описания информации о конкретной предметной области [9, c. 323].
Реализация варианта использования зависит от типа элемента модели, в котором он определен. Например, варианты использования моделируемой программной системы могут быть реализованы посредством операций классов модели. Применительно к бизнес-системам варианты использования могут реализоваться сотрудниками этой системы. Во всех случаях элементы системы должны взаимодействовать друг с другом для совместного обеспечения требуемого поведения и выполнения вариантов использования (рис. 1).
Рис. 1 Диаграмма вариантов использования
Выходная информация результатов проектирования должна содержать проектную документацию, необходимую и достаточную для строительства карьера. В работе [10] авторы обосновывали новый подход при проектировании карьеров, который заключается в выборе рационального решения по разработке месторождения путем моделирования системы и выбора рационального варианта его разработки на основе сочетаний взаимосвязанных показателей, а не наборов последовательного решения задач и оптимизации отдельных параметров разработки. В общем, модель – это семантическая замкнутая абстракция системы или упрощенное представление действительности, помогающее охватить большую, сложную систему, не поддающуюся пониманию во всей своей полноте [11].
В общем смысле моделирование – это метод изучения объектов (предметов, систем, процессов и явлений) путем построения и исследования их моделей, что позволяет абстрагироваться от несущественных характеристик объектов, изменять пространственно-временные и др. масштабы протекающих в них процессов, когда не представляется возможным изучать объекты прямым экспериментом, либо такой эксперимент крайне затруднен или вообще невозможен.
