Современные информационные технологии и системы в горном деле и на производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Кольский филиал Петрозаводского университета

Современные информационные технологии и системы в горном деле и на производстве

Апатиты 2012

Содержание

Введение

1. Определение ЭВМ как объекта конструирования

2. Классификация ЭВМ

3. Вентиляционная сеть

4. Анализ полезных ископаемых

5. Водозаборное сооружение

6. Газовый каротаж

7. Геометризация месторождения

8. Геометрический анализ

9. Вычислительный эксперимент

9.1 Основные этапы вычислительного эксперимента

9.2 Сферы применения вычислительного эксперимента и математического моделировании

10. Результаты расчёта последствий ядерного конфликта

11. Пакеты прикладных программ

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Ни одно техническое достижение не повлияло так на интеллектуальную деятельность человека, как электронно-вычислительные машины. Увеличив в десятки и сотни миллионов раз скорость выполнения арифметических и логических операций, колоссально повысив тем самым производительность интеллектуального труда человека, ЭВМ вызвали коренные изменения в области обработки информации. По существу, мы являемся свидетелями своего рода “информационной революции”, подобной той промышленной революции, которую породило в 18 веке изобретение паровой машины и связанное с ним резкое повышение производительности физического труда. В настоящее время вычислительные машины проникают во все сферы интеллектуальной деятельности человека, становятся одним из решающих факторов ускорения темпов научно-технического прогресса.

К концу 20 века компьютеры стали настолько совершенными, что появилась реальная возможность использовать их в научных исследованиях, не только как большой арифмометр, но обратиться с его помощью к изучению таких разделов математики, которые ранее были практически не доступны для исследований. Это было осознано при решении ещё на несовершенных ЭВМ сложных математических задач ядерной физики, баллистики, прикладной небесной механики.

Классическая математика, как известно, в основном нацелена на изучение явлений, имеющих линейный характер, то есть способна изучать ситуации, где причина приблизительно пропорциональна следствию. Изменение причины приводит к пропорциональному изменению следствия, то есть классические уравнения рассматривают: не градиентные среды (они изучают малые отклонения маятника, мелкие волны и дифференциал и т.д.).

После Второй Мировой Войны наука вплотную приблизилась к изучению явлений, являющихся не линейными, где причина и следствие не соизмеримы, именно благодаря таким явлениям возникли: электронные лампы, транзисторы, компьютеры, лазеры, появились высокоточные приборы способные избирать нужный сигнал, в большинстве случаев такие явления очень плохо поддаются традиционным методам анализа. Описывающие такие ситуации уравнения во многих случаях являются обыкновенными дифференциальными уравнениями, которые, однако, не имеют решения формами записи. Такие уравнения можно изучать и исследовать с помощью компьютера.

В дальнейшем, развиваясь и совершенствуясь при решении разнообразных задач, этот стиль теоретического анализа трансформировался в новую современную технологию и методологию проведения теоретических исследований, которая получила название вычислительного эксперимента. Основой вычислительного эксперимента является математическое моделирование, теоретической базой - прикладная математика, а технической - мощные электронно-вычислительные машины

К началу 70-х годов были обнаружены новые явления, а точнее на них обратили внимание, новые явления, которые ранее не предполагались. Оказалось, например, что возникающая в условиях землетрясения или резкого взрыва уединённая волна, получившая название “Саметон”, обладает удивительной устойчивостью. Это было смоделировано в численном эксперименте и наблюдалось на практике. Математическая теория этого не линейного явления не была известна. Численные исследования позволили уяснить условия возникновения, распространения и свойства этого явления, этой волны. Другое важное открытие, сделанное численным (или вычислительным) экспериментом это хаос в детерминированных (описанных чёткой формулой) системах, и хотя первые наблюдения таких явлений были выполнены ещё в начале 50-х годов, долгое время они рассматривались как несовершенство компьютеров, неспособных правильно вычислять. Изучение таких явлений, в частности связанных с ними фракталов, привело к колоссальным сдвигам в современных научных представлениях. Возникла целая группа нелинейных наук, с которой связаны поистине удивительные открытия последних лет.

вычислительный информационный горный

1. Определение ЭВМ как объекта конструирования

Под ЭВМ понимают совокупность электронно-вычислительных средств, соединённых необходимым образом, способных получать, запоминать, преобразовывать и выдавать информацию с помощью вычислительных и логических операций по определённому алгоритму или программе.

Исторически наибольшее распространение (в силу своих преимуществ) получили цифровые ЭВМ, оперирующие с дискретной (цифровой) информацией. Поэтому при использовании термина «ЭВМ» обычно подразумевают класс цифровых ЭВМ как наиболее важный.

Основу ЭВМ составляют их технические средства (ТС), под которыми понимается физическое оборудование, участвующее в автоматизированной обработке данных.

Известно, что для выполнения автоматизированной обработки данных в состав ЭВМ включают ряд центральных и периферийных устройств, каждое из которых выполняет вполне законченные функции, т.е. является функционально законченной частью технического средства.

К центральным относят, как правило, следующие основные устройства: арифметико-логическое (АЛУ), центрального управления (ЦУУ) и пульт управления и сигнализации (ПУиС), образующие в совокупности процессор, а также основную (оперативную) память, реализуемую в виде оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Схемотехнически центральные устройства обычно представляют собой более или менее однородные повторяющиеся структуры и реализуются в основном на электронных элементах (микросхемах, транзисторах и т.п.) в виде определённых конструктивов (электронных узлов).

К периферийным относятся внешние запоминающие устройства (ВЗУ), представляющие собой накопители информации, работающие на различных физических принципах, например с использованием магнитных, оптических, бумажных и других носителей информации, а также устройства ввода (УВв) и вывода (УВ) информации. Номенклатура периферийных устройств, используемых в составе современных ЭВМ, достаточно широка: накопители, дисплеи, печатающие устройства, клавиатуры, сканеры, графопостроители и т.д. Значительная часть периферийных устройств наряду с электронными схемами содержит электромеханические и механические узлы, достаточно сложные в конструктивном отношении.

В совокупности с программным обеспечением, процедурами, документацией, обслуживающим персоналом и другими компонентами современные технические средства ЭВМ позволяют создавать мощные вычислительные системы различного назначения: автоматизированной обработки данных, управления, автоматизации проектирования и производства, обучения и др.

В настоящее время развиваются два основных направления повышения производительности вычислений. Первое направление - создание многомашинных вычислительных комплексов, в основе которых лежит либо использование ЭВМ с одинаковыми характеристиками, либо ЭВМ, имеющих различные быстродействие, структуру и состав, но технически и программно совместимых друг с другом. Второе направление - создание многопроцессорных вычислительных систем, основу которых составляет единая ЭВМ с расширенной сетью центральных и периферийных процессоров.

2. Классификация ЭВМ

Сферы применения ЭВМ непрерывно расширяются. Современные ЭВМ используются практически во всех отраслях народного хозяйства.

Многообразие сфер применения и видов ЭВМ порождает и большое количество признаков, по которым осуществляется классификация ЭВМ. К таким признакам можно отнести: принцип действия; назначение ЭВМ; технические характеристики; объект установки; условия эксплуатации и обслуживания; применяемую элементную и конструктивную базу; экономические факторы и др. Возможное влияние этих факторов должно учитываться при проектировании и производстве ЭВМ.

Наиболее целесообразны укрупнённая классификация по ограниченному числу признаков, поскольку только такая классификация позволяет выделять основные отличительные признаки ЭВМ различных классов, групп, видов и категорий.

По принципу действия различают цифровые, аналоговые, аналогово-цифровые ЭВМ. Цифровые ЭВМ оперируют с сигналами, представленными в цифровой форме, аналоговые используют аналоговые сигналы, аналогово-цифровые - комбинацию этих принципов. Естественно, что основным отличительным признаком данных ЭВМ является вид элементной базы.

По назначению подразделяют ЭВМ общего назначения, специализированные, персональные, управляющие и контрольные.

ЭВМ общего назначения (универсальные) ориентированы на выполнение широкого круга задач (математических, инженерных и экономических), выполняемых по любому алгоритму. В связи с этим ЭВМ общего назначения имеют, как правило, архитектуру, позволяющую подключать разнообразные периферийные устройства. Изменяя их количество и технические параметры, можно обеспечить разнообразие видов систем обработки данных и режимов взаимодействия с пользователем. В силу указанных обстоятельств такие ЭВМ должны иметь высокую производительность вычислений при низкой стоимости. Обеспечение минимальных габаритных размеров, массы и энергопотребления при проектировании является особенно критичным.

Специализированные ЭВМ предназначены для решения узкого круга специальных задач наиболее эффективным способом. Как правило, такие ЭВМ имеют меньше электронного оборудования, содержат определённые ограничения на обработку информации, а значит, в большинстве случаев проще и дешевле универсальных.

Персональные ЭВМ предназначены для эксплуатации их пользователем самостоятельно, без помощи профессионального программиста. К ним в настоящее время относят ЭВМ, обладающие полным набором соответствующих признаков:

· развитым человеко-машинным интерфейсом, обеспечивающим простое управление ЭВМ непрофессиональным пользователем;

· большим числом готовых программных средств прикладного характера, избавляющих пользователя от необходимости разрабатывать программы самостоятельно;

· наличием малогабаритных накопителей информации значительной ёмкости на сменных носителях, обеспечивающих взаимозаменяемость и эксплуатацию новых программных средств;

· малыми габаритными размерами и массой, позволяющими устанавливать ЭВМ на любом рабочем месте, а также малым энергопотреблением;

· низкой стоимостью и широкой доступностью;

· эргономичностью конструкции, привлекательностью формы, цвета и т.д.

Управляющие ЭВМ используются для управления различными объектами и технологическими процессами. Характерная особенность этих ЭВМ состоит в получении информации о действительном состоянии управляемого объекта от датчиков, установленных непосредственно на объекте. При этом важное значение для управляющих ЭВМ имеют высокая надёжность функционирования.

Контрольные ЭВМ применяются при построении контрольно-измерительной аппаратуры.

По области применения различают общетехнические, профессиональные, бытовые и другие ЭВМ.

Если общетехнические ЭВМ применяются для решения общетехнических, научных, инженерных и экономических задач, то профессиональные ЭВМ ориентированны на применение специалистами в конкретных областях и научными сотрудниками. Профессиональные ЭВМ обычно отличаются большой вычислительной мощностью и оснащается комплектом производительного периферийного оборудования.

Бытовые ЭВМ используются в повседневной жизни людей, например для управления бытовой техникой, для игр и т.д.

По совокупности технических характеристик (производительности, объёму памяти, принципу реализации, характеру применения, стоимости, габаритным размерам, и др.) различают высокопроизводительные, сверхвысокопроизводительные, средние, малые (мини-) и микро-ЭВМ.

Высокопроизводительные ЭВМ предназначены для решения задач комплексного проектирования и использования в системах управления высшего звена. Они условно характеризуются производительностью свыше 1 млн. оп/с, имеют предельный объём оперативной памяти и расширенную конфигурацию подсистемы ввода-вывода. Взаимодействие пользователей с ЭВМ осуществляется, как правило, с помощью индивидуальных средств общения человека с машиной (терминалов). Высокопроизводительные ЭВМ имеют обычно значительные габаритные размеры составляющих их технических средств, в силу чего их иногда называют большими.

Сверхвысокопроизводительные модели ЭВМ получили за рубежом название суперЭВМ, что в первую очередь означает широкие возможности, предоставляемые пользователю, а также способность системы проводить по сложности обработку данных. Такие ЭВМ, имеющие высокие технические характеристики (производительность сотни миллионов и даже миллиардов операций в секунду), применяются при решении теоретических задач, требующих значительных вычислительных ресурсов (например, при трёхмерной обработке данных геофизической разведки нефти, моделировании процессов атомной и молекулярной физики и др.). При создании таких ЭВМ применяется особо быстродействующая элементная база (заказные и матричные БИС и СБИС), а также достаточно сложные в техническом отношении конструкции.

Средние ЭВМ имеют производительность ниже 1 млн. оп/с, развитую конфигурацию ввода-вывода и служат для применения в системах обработки информации коллективного пользования, отраслевых системах автоматизированного проектирования и системах управления.

К малым (мини-ЭВМ) относят ЭВМ с производительностью процессора порядка сотен тысяч операций в секунду, ограниченным объёмом оперативной памяти, упрощённой организацией ввода-вывода. Такие ЭВМ применяются для обслуживания небольшого числа абонентов, решения информационных и вычислительных задач в системах проектирования и управления нижнего звена, в частности для включения в состав управляющего либо контрольно-измерительного комплекса.

Микро-ЭВМ - это обычно ЭВМ с малой ёмкостью оперативной памяти, низкой разрядностью и познаковым вводом-выводом. Они используются в составе управляющего или измерительного комплекса (встроенные микро-ЭВМ). Данные ЭВМ имеют относительно простые конструкции (типичны многоплатные, одноплатные и реже однокристальные микро-ЭВМ) и низкую стоимость. На основе микро-ЭВМ иногда реализуются и персональные ЭВМ.

По объекту установки ЭВМ делятся на стационарные и подвижные (транспортируемые, переносимые, носимые). Стационарные ЭВМ предназначены для эксплуатации в стационарных помещениях или на открытом воздухе, а подвижные (главным образом транспортируемые) - на автомобильном, железнодорожном, гусеничном или другом транспорте. К группе переносных ЭВМ относятся ЭВМ, обычно устанавливаемые на поверхность стола (настольные ЭВМ) либо пол и имеющие малые габаритные размеры и массу. Переносные ЭВМ всегда работают в комнатных условиях и не предназначены для работы во время переноски с места на место. Носимые ЭВМ могут работать и при переноске.

По трём глобальным зонам эксплуатации на объектах установки различают следующие классы ЭВМ: наземные (использование на суше), морские (использование на воде), бортовые (использование в воздушном и космическом пространстве). Наземные ЭВМ могут эксплуатироваться как стационарно, так и на подвижных (транспортируемых) объектах. Морские (судовые) ЭВМ эксплуатируются на всех видах судов, а бортовые - на всех видах летательных аппаратов, совершающих полёты в пределах тропосферы (до 17 км над уровнем моря) и стратосферы (до 85 км над уровнем моря). Разновидностью бортовых являются и космические ЭВМ, эксплуатируемые в условиях ионосферы на искусственных спутниках Земли, космических кораблях и станциях.

По используемой элементной базе (вернее, её основной части) современные ЭВМ подразделяются на ЭВМ на ИМС и БИС широкого применения, на матричных БИС, на заказных специализированных БИС, на микропроцессорных БИС и т.п.

Приведённая классификация является достаточно условной, однако она позволяет сделать сообщение и уделить внимание тем классификационным признакам, которые оказывают существенное влияние на конструирование и технологии производства ЭВМ. Среди таких признаков прежде всего необходимо отметить условия эксплуатации, объект размещения, элементную и, как следствие, конструктивную базу.

3. Вентиляционная сеть

Вентиляционная сеть шахты -- система соединённых между собой подземных выработок шахты, обеспечивающая направленное движение воздуха для проветривания; включает также источники тяги (вентиляторы шахтные), вентиляционные регуляторы и сооружения, пути утечек воздуха. Движение воздуха в вентиляционной сети поддерживается при помощи напора (или разрежения), создаваемого одним или несколькими вентиляторами. Схема вентиляционной сети включает вентиляционные ветви, узлы и контуры.

В современных угольных шахтах вентиляционная сеть содержит до 300-500 ветвей, в рудных -- до 1000. Основные параметры вентиляционной сети (аэродинамическое сопротивление ri, расходы воздуха qi и потери давления hi, в каждой ветви) связаны между собой соотношениями вида h_i = r_i * q_i²(ветви с турбулентным движением воздуха), h_i = r_iq_i (ветви с ламинарным движением воздуха) или h_i = r_i * q_iⁿ(1n2). Вентиляционная сеть в целом характеризуется параметрами (в случае одного вентилятора главного проветривания): суммарный расход воздуха Q, суммарная потеря давления Н, общее сопротивление R, которые связаны уравнением Н=R*Q², называемым характеристикой вентиляционной системы.

При проектировании вентиляции шахт и расчёте вентиляционной системы обычно решаются задачи двух видов: по заданному общему расходу воздуха Q и известным сопротивлениям отдельных ветвей ri определить расходы воздуха в каждой ветви q_i, общее сопротивление вентиляционной системы R и выбрать один или несколько вентиляторов главного проветривания для данной шахты; по q_i и r_i устанавливают параметры вентиляционных регуляторов и сооружений, обеспечивающих требуемое распределение воздуха в вентиляционной системе.

Простейший вид вентиляционной системы -- вентиляционные соединения, к которым применим точный аналитический расчёт: последовательное, параллельное, диагональное и параллельно-последовательное. Сложные вентиляционные системы рассчитываются при помощи аналоговых (электрических) моделей или ЭВМ, методом последовательных приближений.

4. Анализ полезных ископаемых

АНАЛИЗ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ -- комплекс минералого-петрографических, физико-химических и технологических исследований с целью определения элементного или вещественного состава и обогатимости минерального сырья.

Анализ полезных ископаемых производится на пробах, отбираемых на месторождении (в процессе разведки или добычи и рудоподготовки) таким образом, чтобы по изучаемому свойству они были представительными, т.е. характерными для полезных ископаемых данного месторождения. Элементный состав пробы определяется методами химического(для основных компонентов), спектрального анализов и другими способами (для микропримесей). Для определения видов химических соединений, которые образуют основные компоненты, применяют фазовый анализ полезных ископаемых, основанный на избирательном растворении пробы в различных растворителях. Для карбонатных и водосодержащих минералов используют термический анализ. Он является составной частью минералогического анализа, включающего также определение минералов под микроскопом, иногда с дополнительной обработкой их поверхности. Идентификация минералов при микроскопическом анализе может производиться на шлифах в отражённом свете (в некоторых случаях поляризованном), иногда в проходящем. Основные диагностические признаки -- цвет, яркость (отражательная способность поверхности), оттенок (дисперсия), твёрдость (уровень рельефа на шлифе), анизотропность в поляризованном свете, внутренние рефлексы (для прозрачных и полупрозрачных минералов).

Воздействие ультрафиолетовых лучей или потока электронов на некоторые минералы вызывает их специфическое свечение -- люминесценцию. Люминесцентный анализ, основанный на этом явлении, позволяет определять разновидности минералов, структурные особенности и дефекты кристаллической решётки. Эти же вопросы решают рентгено-структурный анализ и электронография. Для диагностики микровключений минералов применяют методы микрофазового анализа под микроскопом -- травление, капельные и плёночные реакции с реагентами, избирательно взаимодействующими с определёнными минералами. Распределение минералов в шлифе фиксируют на фотобумаге или описывают по результатам визуальных наблюдений формы частиц, их взаимосвязи и прорастания. При этом также измеряют размеры включений, определяют количественное содержание отдельных минералов. Для этих целей используют автоматические и полуавтоматические установки (для подсчёта содержания минералов в пробе), окулярные сетки, микрометры или производят сопоставление со стандартным препаратом. Расширяется применение современных инструментальных методов анализа полезных ископаемых. Рентгенометрический фазовый анализ, основанный на дифракции лучей с определённой длиной волны от кристаллической решётки, позволяет идентифицировать минералы в малых пробах (менее 300 мг) при размере частиц до 0,1 мкм. При этом определяются минералогические разновидности, имеющие одинаковый состав, но различную кристаллическую решётку. Электронно-зондовый рентгено-спектральный микроанализ позволяет выявить состав образца на участках площадью несколько мкм² и глубиной около 1 мкм по всем элементам от Be до U. Информацию о структуре распределения элементов, их взаимосвязи, размерах вкраплений и т.д. можно получить с помощью электронногозондирования, осуществляя при этом обработку материалов исследований на ЭВМ. Получение данных такого типа -- предмет петрографического или структурно-текстурного анализа, рассматривающего строение минеральных агрегатов и позволяющего определять условия образования минералов, генетический тип месторождения. Для россыпных месторождений проводят минералогический анализ только тяжёлой фракции минералов (шлиха), отмытых от пустой породы. Относительная оценка содержания тяжёлых минералов в шлихе и исходной пробе выполняется в процессе Шлихового анализа.

Важнейшая характеристика руды, поступающей на обогащение после дробления и измельчения, -- Гранулометрический состав -- характеристика крупности частиц. Для материала крупнее 40-70 мкм применяют ситовый анализ, заключающийся в просеивании пробы через стандартный набор сит и определении весового выхода каждой фракции. Точность ситового анализа обеспечивается тщательным высушиванием материала, автоматическим встряхиванием и вибрацией сит. Через сита размером отверстий 74 и 44 мкм материал промывается водой. Более тонкие частицы подвергаются седиментационному анализу.

Для проведения гранулометрического анализа применяют автоматизированные установки, действие которых основано на фотометрическом измерении мутности суспензии или изменении электрического сопротивления при прохождении частиц между электродами. При необходимости количественной оценки распределения свободных минеральных зёрен и сростков по фракциям различной плотности и крупности выполняется фракционный анализ. При этом гравитационный фракционный анализ полезных ископаемых производится в тяжёлых жидкостях и растворах, плотность которых подбирается в зависимости от состава полезных ископаемых. Тонкие классы (20 мкм) разделяют в тяжёлой жидкости и центрифуге. Аналогичным образом проводят фракционный анализ полезных ископаемых по магнитной восприимчивости.

По результатам данного анализа строят кривые обогатимости в координатах выход -- плотность (состав) фракций.

Для радиоактивных руд соответствующие измерения радиоактивности фракций позволяют построить кривые контрастности, характеризующие обогатимость руды методом радиометрические сепарации (см. Радиометрический анализ).

При исследовании обогатимости иногда определяют электропроводность, электрохимический потенциал частиц, насыпную массу и т.д. Для угля и некоторых других полезных ископаемых, обогащаемых флотацией, измеряют удельную поверхность.

5. Водозаборное сооружение

ВОДОЗАБОРНОЕ СООРУЖЕНИЕ, водозабор, -- гидротехническое сооружение для отбора воды из водоёма, водотока или подземного водоисточника в целях промышленного и хозяйственно-бытового водоснабжения.

Различают водозаборные сооружения поверхностных и подземных вод. Водозаборные сооружения поверхностных вод делятся на водоприёмники берегового типа, которые располагаются на склоне и откачивают воду насосами через всасывающие трубы непосредственно из русла, и водоприёмники руслового типа, которые состоят из приёмного оголовка в русле реки, откуда вода по самотёчным линиям поступает в береговой колодец и далее откачивается насосом. Для отбора подземных вод используются вертикальные (скважины, шахтные колодцы), горизонтальные (траншейные и трубчатые водозаборные сооружения, галереи, штольни, кяризы -- комбинации штолен и шахтных колодцев), лучевые водозаборные сооружения и каптажи родников. Наиболее распространённые водозаборные сооружения -- буровые скважины, которые применяются для забора подземных вод в разнообразных условиях и характеризуются наилучшей санитарной обстановкой.

Водоприёмная часть скважины при вскрытии рыхлых водовмещающих пород оборудуется специальным фильтром. В тех случаях, когда водовмещающие рыхлые породы перекрыты устойчивой кровлей, оборудуются т.н. бесфильтровые скважины, в водоприёмной части которых искусственно создаётся каверна. В устойчивых скальных породах вместо специальных фильтров устанавливают дырчатые трубы. Глубина водозаборных скважин изменяется от первых десятков м до 1000 м и более; диаметр водоприёмной части от 100 до 600 мм; производительность достигает нескольких тысяч м³/сут. Скважинные водозаборные сооружения применяются во всех случаях, когда целесообразно эксплуатировать несколько водоносных горизонтов. Обычно для централизованных систем водоснабжения создаются групповые водозаборные сооружения, состоящие из большого количества скважин (десятки, иногда сотни). Воду из скважины откачивают поверхностными (при глубине уровня до 7-10 м) или погружными насосами, а также эрлифтными установками. Шахтные колодцы применяются, как правило, при водозаборе из первых от поверхности безнапорных водоносных горизонтов, сложенных рыхлыми породами сравнительно ограниченной мощности (до 10-20 м).

В слабоводообильных пластах, когда нельзя осуществить водозабор из скважин, шахтные колодцы сооружают и в напорных водоносных пластах при глубине залегания их до 30-40 м от поверхности. Горизонтальные водозаборные сооружения устраиваются для забора воды из безнапорных горизонтов небольшой мощности. Лучевые водозаборные сооружения представляют собой водосборные шахтные колодцы с непроницаемыми стенками, куда собирается вода по расходящимся горизонтальным лучам-скважинам (дренам). Лучевые водозаборные сооружения используют при неглубоко залегающих (до 15-20 м) водоносных горизонтах небольшой мощности (5-10 м); наиболее целесообразно их применение в долинах рек с постоянным стоком, где скважины проходят непосредственно под руслом реки.

Особый вид водозабора -- каптаж родников, который устраивается в условиях концентрированного выхода вод на поверхность в виде камер или неглубоких колодцев.

Водозаборы подземных вод, расположенные в районах разработки месторождений полезных ископаемых, кроме водоснабжения, выполняют роль дренажных и водопонизительных сооружений, уменьшающих притоки воды в горные выработки. Расчёты производительности водозаборные сооружения для добычи подземных вод являются основном элементом оценки эксплуатационных запасов подземных вод и проводятся по формулам динамики подземных вод, выбор которых зависит от гидрогеологических условий и типа сооружения. В сложных гидрогеологических условиях для этих целей используется математическое моделирование с применением ЭВМ.

6. Газовый каротаж

ГАЗОВЫЙ КАРОТАЖ -- метод исследования скважин, основанный на определении содержания и состава углеводородных газов и битумов в промывочной жидкости. Впервые предложен советскими учёными В. А. Соколовым и М. В. Абрамовичем в 1933 и опробован Соколовым и М. Н. Бальзамовым в районе г. Грозный в 1934. Промышленное применение в CCCP и за рубежом газовый каротаж получил с начала 40-х гг.

Газовый каротаж применяется для оперативного выделения перспективных на нефть и газ участков в разрезе скважины и прогнозной оценки характера их насыщения; интервалов притока пластового флюида в скважину или поглощения фильтрата промывочной жидкости в пласт с целью предотвращения аварийных ситуаций; измерения параметров режима бурения. Значительно реже газовый каротаж используется при бурении разведочных скважин на уголь, где используется в основном для определения содержания метана в единице горючей массы. При газовом каротаже изучаются суммарный объем и состав углеводородных газов, попадающих в промывочную жидкость в процессе бурения пластов и перемещаемых потоком от забоя к устью скважины. На устье скважины промывочная жидкость дегазируется с извлечением из неё газовоздушной смеси. Затем эта смесь анализируется, в результате чего определяют суммарное объёмное содержание углеводородных газов и состав по содержанию компонентов углеводородных газов. Одновременно измеряются параметры, характеризующие режим бурения, -- продолжительность бурения 1 м скважины, расход промывочной жидкости на устье, коэффициент разбавления раствора. Все параметры регистрируются в цифровой или аналоговой форме с учётом углубления забоя за время перемещения жидкости от забоя к устью скважины.

Газовый каротаж проводится с помощью автоматических газокаротажных станций, включающих датчики на устье скважины (дегазатор, датчик глубин, датчик объёмов промывочной жидкости), и комплекса аналитической (суммарный газоанализатор, хроматограф), измерительной и регистрирующей аппаратуры, блока питания и вспомогательного оборудования, смонтированных в автомобиле.

Перспектива развития газового каротажа связана с переходом к комплексным исследованиям за счёт создания автоматизированных геолого-геохимических информационных систем с бортовой мини-ЭВМ, позволяющей изучать геологический разрез, оптимизировать процесс бурения, прогнозировать нефтегазоносные пласты и зоны аномально высоких пластовых давлений до их вскрытия скважиной и др.

7. Геометризация месторождения

ГЕОМЕТРИЗАЦИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ -- совокупность полевых наблюдений, измерений, вычислений и графических построений, проводимых с целью геометрического изображения форм залежей месторождений полезных ископаемых, условий их залегания, пространственного распределения свойств полезных ископаемых и процессов, происходящих в недрах.

Геометризация месторождения осуществляется по данным бурения, геофизических исследований, опробования, геолого-маркшейдерской документации, изучения обнажений вгорных выработках и т.п. на каждой стадии разведки и разработки месторождения, отражая процесс его непрерывного изучения. Графическая документация геометризации месторождения включает структурные и качественные горно-геометрические графики. Структурные графики состоят из системы вертикальных и горизонтальных разрезов, гипсометрических планов, планов изомощностей и изоглубин, объёмных графиков и моделей. Разрезы характеризуют структуру месторождения в данном сечении (вертикальном или горизонтальном); гипсометрические планы -- поверхность залежи, условия залегания водоносных и водоупорных горизонтов, тектонические нарушения и т.д. Планы изомощностей дают представление об изменении мощности, а планы изоглубин -- о глубине залегания залежи в любой точке. Объёмные графики и модели используют для характеристики наиболее сложных геологических структур и составляются по вертикальным и горизонтальным разрезам. Количественная характеристика свойств полезных ископаемых даётся с помощью качественных горно-геометрических графиков главным образом в виде планов изолиний содержания полезных (вредных) компонентов в рудах, производительности залежи, линейных запасов полезных ископаемых и др.

Применение ЭВМ для геометризации месторождения вызвало необходимость разработки новых математических методов моделирования (аналитические и цифровые модели). Математические модели позволяют хранить в ЭВМ обширную информацию, накапливаемую в процессе разведки и разработки месторождений. Данные геометризации месторождений используются при разведке, подсчёте запасов, проектировании, строительстве горных предприятий, разработке месторождений и способствуют повышению эффективности использования недр.

8. Геометрический анализ

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ карьерного поля -- графическое или графо-аналитическое исследование развития горных работ в карьере.

Цель геометрического анализа -- определение зависимости извлекаемых объёмов горной массы, вскрышных пород, полезных ископаемых, а также текущий коэффициент вскрыши от положений рабочей зоны карьера и времени. Установленные закономерности позволяют оценить изменение затрат, прибыли и других технико-экономических показателей в процессе разработки месторождения при различных вариантах проектируемого развития горных работ. С помощью геометрического анализа решаются вопросы проектирования: установление границ карьера и его конфигурации, выбора направления развития горных работ, схемы вскрытия, производственные мощности карьера, календарного плана горных работ.

В CCCP разработан метод геометрического анализа, основанный на теории векторных приращений сложных топографических поверхностей (В. В. Ржевский, 1953). Сущность метода заключается в построении и анализе графиков режима горных работ, соответствующих исследуемым вариантам развития рабочей зоны карьера. По оси абсцисс графика режима откладываются этапы горных работ, а по оси ординат -- приращения объёмов при единичном перемещении рабочей зоны карьера. Вычисление объёмов сводится к измерению площадей и длин отрезков. С помощью графиков режима оценивается возможная по горнотехническим условиям производительность карьера, объёмы горно-капитальных работ, производится регулирование текущего коэффициента вскрыши, составляется календарный график горных работ (рис.). В 1956 разработан метод, позволяющий устанавливать пределы регулирования текущих коэффициентов вскрыши и усреднять текущие объёмы вскрышных работ (А. И. Арсентьев).

Метод заключается в построении графиков нарастающих объёмов вскрыши как функции нарастающих по мере углубления карьера объёмов полезных ископаемых (для минимальных и максимальных углов откоса бортов карьера). С помощью этих графиков можно усреднять по периодам разработки текущий коэффициент вскрыши и устанавливать необходимые объёмы горно-капитальных работ.

Упрощённый метод геометрического анализа заключается в нанесении положений бровок уступов (соответствующих последовательным положениям горных работ) на погоризонтные и гипсометрические планы или геологические профили. Эти положения, ограничивающие этапы горных работ, обычно выбираются кратными углублению горных работ на один уступ, подвиганию фронта на ширину экскаваторной заходки или соответствуют некоторым временным периодам. С помощью планиметра или палеток измеряются площади и вертикальные мощности, вычисляются объёмы и показатели качества полезных ископаемых, вскрышных пород, горной массы, извлекаемых на каждом этапе.

Для геометрического анализа используются ЭВМ. В этом случае можно в несколько раз снизить трудоёмкость горно-геометрических расчётов при проведении геометрического анализа.

9. Вычислительный эксперимент

Научное исследование реального процесса можно проводить теоретически или экспериментально, которые проводятся независимо друг от друга. Такой путь познания истины носит односторонний характер. В современных условиях развития науки и техники стараются проводить комплексное исследование объекта. Этого можно добиться на основе новой, удовлетворяющей требованиям времени, методологии и технологии научных исследований.

Широкое применение ЭВМ в математическом моделировании, достаточно мощная теоретическая и экспериментальная база позволяют говорить о вычислительном эксперименте как о новой технологии и методологии в научных и прикладных исследованиях.

Вычислительный эксперимент - это эксперимент над математической моделью объекта на ЭВМ, который состоит в том, что по одним параметрам модели вычисляются другие её параметры и на этой основе делаются выводы о свойствах явления, описываемого математической моделью.

В проведении вычислительного эксперимента участвует коллектив исследователей - специалисты с конкретной предметной области, математики теоретики, вычислители, прикладники, программисты. Это связано с тем, что моделирование реальных объектов на ЭВМ включает в себя большой объём работ по исследованию их физической и математической моделей, вычислительных алгоритмов, программированию и обработке результатов. Здесь можно заметить аналогию с работами по проведению натурных экспериментов: составление программы экспериментов, создание экспериментальной установки, выполнение контрольных экспериментов, проведение серийных опытов, обработки экспериментальных данных и их интерпретация и т.д. Таким образом, проведение крупных комплексных расчётов следует рассматривать как эксперимент, проводимый на ЭВМ или вычислительный эксперимент.

Вычислительный эксперимент играет ту же роль, что и обыкновенный эксперимент при исследованиях новых гипотез. Современная гипотеза почти всегда имеет математическое описание, над которым можно выполнять эксперименты.

При введении этого понятия следует особо выделить способность компьютера выполнять большой объем вычислений, реализующих математические исследования. Иначе говоря, компьютер позволяет произвести замену физического, химического и т. д. эксперимента экспериментом вычислительным.

При проведении вычислительного эксперимента можно убедиться в необходимости и полезности последнего, особенно в случаях, когда провести натуральный эксперимент затруднительно или невозможно. Вычислительный эксперимент, по сравнению с натурным, значительно дешевле и доступнее, его подготовка и проведение требует меньшего времени, его легко переделывать, он даёт более подробную информацию. Кроме того, в ходе вычислительного эксперимента выявляются границы применимости математической модели, которые позволяют прогнозировать эксперимент в естественных условиях. Поэтому использование вычислительного эксперимента ограничивается теми математическими моделями, которые участвуют в проведении исследования. По этой причине вычислительный эксперимент не может заменить полностью эксперимент натурный и выход из этого положения состоит в их разумном сочетании. В это случае в проведении сложного эксперимента используется широкий спектр математических моделей: прямые задачи, обратные задачи, оптимизированные задачи, задачи идентификации.

Использование вычислительного эксперимента как средства решения сложных прикладных проблем имеет в случае каждой конкретной задачи и каждого конкретного научного коллектива свои специфические особенности. И тем не менее всегда чётко просматриваются общие характерные основные черты, позволяющие говорить о единой структуре этого процесса. В настоящее время технологический цикл вычислительного эксперимента принято подразделять на ряд технологических этапов. И хотя такое деление в значительной степени условно, тем не менее, оно позволяет лучше понять существо этого метода проведения теоретических исследований. Теперь давайте рассмотрим основные этапы вычислительного эксперимента.

9.1 Основные этапы вычислительного эксперимента

В общем случае, основные этапы решения задачи с применением ЭВМ можно рассматривать как один технологический цикл вычислительного эксперимента. А вообще, вычислительный эксперимент как новая методика исследования "состоялся" после того, как удалось на каждом из этапов традиционной цепочки эффективно использовать вычислительную машину.

Все этапы технологического цикла вычислительного эксперимента тесно связаны между собой и служат единой цели - получению с заданной точностью за короткое время адекватного количественного описания поведения изучаемого реального объекта в тех или иных условиях. Поэтому все этапы технологического цикла должны быть одинаково прочными. Слабость в одном звене влечёт за собой слабость в остальных звеньях технологии.

Теперь основные этапы вычислительного эксперимента:

- проведение натурного эксперимента;

- построение математической модели;

- выбор и применение численного метода для нахождения решения;

- обработка результатов вычислений;

- сравнение с результатами натурного эксперимента;

- принятие решения о продолжении натурных экспериментов;

- продолжение натурного эксперимента для получения данных, необходимых для уточнения модели;

- накопление экспериментальных данных;

- построение математической модели;

- автоматическое построение программной реализации математической модели;

- автоматизированное нахождение численного решения;

- автоматизированное преобразование результатов вычислительных в форму, удобную для анализа;

- принятие решения о продолжении натурных экспериментов;

- видоизмененная цепочка, реализованная в виде единого программного комплекса и составляет "технологию" вычислительного эксперимента.

В наиболее общем виде этапы вычислительного эксперимента можно представить в виде последовательности технологических операций (они реализованы в соответствующих блоках программного комплекса):

- построение математической модели;

- преобразование математической модели;

- планирование вычислительного эксперимента;

- построение программной реализации математической модели;

- отладка и тестирование программной реализации;

- проведение вычислительного эксперимента;

- документирование эксперимента[2].

Для проведения крупномасштабных научных исследований используется модульная технология, основанная на модульном представлении: математических моделей; вычислительных алгоритмов; программ для ЭВМ; технических средств. Сборка программ из модулей проводится автоматически, с помощью специальной программы. Создаются программные комплексы и проблемно-ориентированные пакеты прикладных программ многоцелевого назначения. Характерная особенность пакетов состоит в возможности постоянного развития, расширения благодаря включению новых модулей, реализующих новые возможности. Следует отметить, что один и тот же пакет прикладных программ может быть использован в вычислительных экспериментах для исследований различных реальных объектов.

9.2 Сферы применения вычислительного эксперимента и математического моделирования

В современной науке и технике появляется всё больше областей, задачи в которых можно и нужно решать методом вычислительного эксперимента, с помощью математического моделирования. Обратим внимание на некоторые из них.

Энергетическая проблема. Прогнозирование атомных и термоядерных реакторов на основе детального математического моделирования происходящих в них физических процессов. В этой области работа ведётся очень успешно. Вычислительный эксперимент тесно сопрягается с натурным экспериментом и помогает, заменяет и удешевляет весь исследовательский цикл, существенно его ускоряя.

Космическая техника. Расчёт траекторий летательных аппаратов, задачи обтекания, системы автоматического проектирования. Обработка данных натурного эксперимента, например радиолокационных данных, изображений со спутников, диагностика плазмы. Здесь очень важной оказывается проблема повышения качества приборов, и в частности измерительной аппаратуры. Между тем, в настоящее время показано, что, используя измерительный прибор среднего качества и присоединив к нему ЭВМ, можно на основе специальных алгоритмов получить результаты, которые дал бы измерительный прибор очень высокого качества. Таким образом, сочетание измерительного прибора с компьютером открывает новые возможности.

Технологические процессы. Получение кристаллов и плёнок, которые, кстати, нужны для создания вычислительной техники, для решения проблем в области элементарной базы (что невозможно без математического моделирования); моделирование теплового режима конструктивных узлов перспективных ЭВМ, процессов лазерной плазмы, технологии создания материалов с заданными свойствами (это одна из основных задач любой технологии).

Экологические проблемы. Вопросы прогнозирования и управления экологическими системами могут решаться лишь на основе математического моделирования, поскольку эти системы существуют в “единственном экземпляре”.

Гео - и астрофизические явления. Моделирование климата, долгосрочный прогноз погоды, землетрясений и цунами, моделирование развития звёзд и солнечной активности, фундаментальные проблемы происхождения и развития Вселенной.

Химия. Расчёт химических реакций, определение их констант, исследование химических процессов на макро- и микроуровне для интенсификации химической технологии.

Биология. Особо следует отметить интерес к математическому моделированию в связи с изучением фундаментальных проблем этой науки (генетики, морфогенеза) и разработкой новых методов биотехнологии.

Классической областью математического моделирования является физика. До недавнего времени в физике микромира (в квантовой теории поля) вычислительный эксперимент не применялся, так как было принято использовать метод малого параметра, таким является постоянная тонкой структуры. Однако сейчас физики-теоретики пришли к выводу, что процессы в микромире сильно нелинейны, и поэтому необходимо переходить к численным методам, и для этой цели даже разрабатываются специальные компьютеры.

Анализ математических моделей с помощью вычислительного эксперимента с каждым годом завоёвывает новые позиции. В 1982 г. Нобелевская премия по физике была присуждена К. Вильсону, предложившему ряд фундаментальных моделей в теории элементарных частиц и критических явлений, которые необходимо исследовать численно. В 1979 г. Нобелевской премией по медицине была удостоена работа в области вычислительной томографии (восстановление объёмного предмета по набору его сечений). В 1982 г. Нобелевской премией по химии отмечена работа, в которой методами вычислительной томографии восстанавливалась структура вируса по данным электронной микроскопии.

Каждая из этих работ приводит к постановке глубоких математических задач, для решения которых необходим вычислительный эксперимент. При постановке вычислительного эксперимента в различных областях используются пакеты прикладных программ.

10. Результаты расчёта последствий ядерного конфликта

Вычислительный эксперимент является основным научным методом, применяемым учёными многих стран при исследовании “парникового” эффекта - повышения температуры в околоземном пространстве в результате резкого увеличения в атмосфере количества двуокиси углерода (СО₂). Конечно, математические модели глобального и регионального изменения климата пока далеки от совершенства, и, следовательно, результаты вычислительного эксперимента не могут считаться абсолютно достоверными. Естественно, по мере совершенствования моделей точность результатов экспериментов возрастёт, но уже сейчас полученные данные заставляют по-новому взглянуть на последствия человеческой деятельности для экологии.

С помощью вычислительного эксперимента учёные смогли ответить на один из важнейших вопросов современности: к каким изменениям климата и атмосферы приведёт использование ядерного оружия в военных конфликтах? Его разрушающее и уничтожающее действие известно: взрывы чрезвычайной мощности с выделением громадной энергии, ударная волна, сметающая всё на своём пути, радиоактивное заражение местности. Но до последнего времени наши знания о характере и масштабе ядерной катастрофы были не полными. Не рассматривалось влияние ядерных взрывов на изменение климата планеты и связанное с ним изменение среды обитания человека. Оказалось, что изменения климата в результате ядерных взрывов долговременны и наблюдаются на значительных расстояниях от мест взрывов.

В течении 15 лет, в 70-80-е гг., в Вычислительном центре АН СССР под руководством академика Н.Н. Моисеева проводились работы по моделированию климата. Была создана климатическая модель, которая включала в себя гидродинамическую модель общей циркуляции атмосферы и термодинамическую модель верхнего слоя океана. Учёные ввели уравнения, описывающие процессы переноса солнечной энергии и твёрдых частиц. С помощью этой модели были проведены вычислительные эксперименты по изучению последствий ядерной войны. Вот их результаты. После ядерных бомбардировок возникнут массовые пожары, которые будут сопровождаться выбросом в атмосферу продуктов сгорания - сажи и пепла, а также пыли. Количество выбросов загрязнений будет зависеть от силы ядерных взрывов. Облака, состоящие из твёрдых частиц, поглотят и рассеют солнечный свет, что приведёт к затемнению поверхности Земли и нарушению её радиационного баланса. Температура Земли за короткий срок понизится на 15-25° С. Наступит так называемая ядерная зима. Максимальное снижение температуры приповерхностного слоя атмосферы наблюдается на Северном полушарии, однако, несмотря на локальное незначительное повышение температуры в отдельных районах южного полушария, похолодание распространяется и на эту часть планеты. При этом предполагается следующий сценарий конфликта. Атмосфера севернее 12° северной широты в июле внезапно загрязнилась сажей. Рассматривают, что выброс загрязнений соответствовал конфликту с использованием 50% ядерного боезапаса, накопленного на планете к 90-м годам 20-го века. Расчёты, проведённые для более мягких сценариев с использованием меньшего количества ядерного потенциала, показали, что температура понизится не так значительно, но эффекты качественно останутся теми же.

Очень важным фактором, влияющим на климат, оказалось изменение циркуляции атмосферы. Полушария Земли будут нагреваться неравномерно, и это приведёт к тому, что в течении примерно месяца холодные потоки воздуха вместе с остатками сажи устремятся из северного полушария в южное. Сначала появляются шлейфы дыма и пыли; в первую и вторую недели средние широты Северного полушария покрываются сплошной пеленой; через две-три недели струи дыма переходят экватор; через месяц вся Земля оказывается окутанной облаком дыма, то есть наступает “ядерная ночь”. На температуру атмосферы окажет влияние и изменение температуры океана. В силу колоссальных его объёмов он будет охлаждаться медленнее, чем поверхность суши. Температура воды понизится в среднем на 1° , воздуха над океаном - всего на несколько градусов. Однако из-за перепадов температур над сушей и океаном вдоль побережий возникнут жестокие ураганы, которые вызовут дополнительные жертвы и разрушения.