Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Для современного этапа применения вычислительной техники и математических методов в науках о Земле характерны две тенденции. С одной стороны, из вспомогательного приема для решения отдельных прикладных задач моделирование превратилось в ведущий способ изучения геосистем различных рангов. С другой стороны, уровень развития компьютерных технологий моделирования все еще уступает сложности объектов и задач исследований. Успехи в автоматизации сервисных функций не могут компенсировать недостатков методологического и теоретического обеспечения.
Гидрогеология относится к тем областям, где разрыв между потребностями исследователей и возможностями средств моделирования ощущается особенно остро. В своей практической деятельности гидрогеологам все чаще приходиться иметь дело со сложными системами, компоненты которых различаются параметрами вмещающих пород, характеристиками флюида, пространственными и временными масштабами гидродинамических процесов, режимами техногенного воздействия. При этом требуется не только получить достоверные количественные оценки их текущего состояния, но и дать обоснованный прогноз региональных и локальных изменений гидрогеологических, условий, с учетом динамики антропогенных нагрузок, водообмена и миграции загрязнений между компонентами. Применение для моделирования подобных систем традиционных подходов, основанных на создании единой модели сложной среды, требует больших материальных затрат, значительных технических ресурсов и, как правило, не позволяет добиться приемлемой точности получаемых решений. В этой связи вопросы создания эффективных технологий моделирования природно-техногенных гидрогеологических систем (ГГС), доступных широкому кругу специалистов, становятся чрезвычанно актуальными. Их решению и посвящена настоящая диссертационная работа. В качестве методологаческон основы в работе использован структурный подход. Основная идея подхода заключается в представлении сложных гидрогеологических условий в виде совокупности взаимосвязанных компонентов, для которых известны модели и алгоритмы решения задач.
В научно- методическом плане переход к формированию систем разномасштабных постоянно действующих моделей порождает целый спектр проблем, связанных со структурной схематизацией гетерогенных
областей геофильтрации, интеграцией различных сетей наблюдений, компмлексированием и синхронизацией гидродинамических процессов, сопряжением их конечно-разностных аппроксимаций, синтезом сценариев моделирования и т.п. Нужно сказать, что в отдельности многае из них, в той или иной мере, уже являлись объектами исследования. Но для создания законченной технологии, охватывающей все этапы процесса моделирования природно-техногенных ГТС, необходимо было -переосмыслить и обобщить различные частные методы с единых системных позиций.
Следует отметить, что работа представляет особый интерес для Казахстана, испытывающего хронический дефицит водных ресурсов. Вопросы повышения эффективности изучения и использования запасов подземных вод имеют для республики жизненно важное значение.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Цель работы заключалась в создании и обосновании концептуальных основ, научно-методической базы и инструментальных средств поддержки технологии структурного моделирования сложных природно-техногенных систем и их практической отработке при изучении реальных гидрогеосистем Казахстана.
Для достижения цели потребовалось решить следующие задачи:
проанализировать и обобщить тенденции развития средств и методов компьютерного моделирования сложных природно-техногенных -систем;
сформулировать и обосновать основные принципы структурного подхода к моделированию таких систем в гидрогеологии;
спроектировать структуру и состав баз знаний для информационной и интеллектуальной поддержки процесса моделирования;
- построить классификацию гидрогеологических систем,
выделить базисные типы підрогеолошческнх условий и определить набор
системо-образующих отношений для конструирования моделей сложных
ГГС;
- разработать методы схематизации ГГС и средства описания их
структурных схем;
разработать методы и средства синтеза сценариев решения прикладных гидрогеологических задач на моделях сложных гидрогеосистем;
- разработать типовые процедуры для сопряжения различных
моделей в процессе решения задач;
- разработать комплекс инструментальных средств для
реализации технологии структурного моделирования на персональных
компьютерах;.
- отработать технологию структурного моделирования на реальных
гидрогеосистемах Казахстана.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В работе широко использованы идеи и методы системного и структурного анализа, структурного программирования, теории формальных систем, структурного распознавания образов, теории баз данных, искусственного интеллекта, экспертных систем, теории классификаций, имитационного моделирования и численного решения гидрогеологических задач.
-
Сформированы и развиты научно-методические основы структурного моделирования - нового направления в области автоматизации исследовании природно-техногенных систем. Его отличает: переход от представления сложной природной среды в виде единой замкнутой модели к ее представлению в виде открытой системы взаимодействующих моделей отдельных компонентов; выделение и унификация специальных конструкций и правил сопряжения моделей; перенос акцента на организацию и интеграцию знаний, использующихся в процессе моделирования.
-
Показано, что для информационной и интеллектуальной поддержки технологии структурного моделирования необходимо сформировать: базу знаний об объектах предметной области, базу знаний о прикладных задачах и сценариях их решения и базу методических знаний, регламентирующих особенности постановки и решения задач для различных типов объектов. Предложено методические знания представлять системой продукций, а знания об объектах и задачах -специальными исчислениями.
3. Разработано исчисление для конструирования описаний ГГС из
совокупности простых моделей, характеризующих базисные типы
гидрогеологических условий (ГГУ), и конечного набора
системообразующих отношений. Доказано, что для формирования
структурных схем пщрогеосистем, допускающих послойную
схематизацию, необходимо и достаточно четырех бинарных
отношений, с помощью которых формируются типовые структурные
комплексы и их комбинации.
-
Введена концепция "шлкгов" - специальных процедур, предназначенных для сопряжения гетерогенных моделей с учетом особенностей структурной схематизации областей и процессов геофильтрации, вида их конечно-разностных аппроксимаций и типа граничных условий. Проведена классификация условий сопряжения реальных гидрогеологических объектов и показано, что они могут быть сведены к комбинации типовых преобразований, из которых и собираются конкретные "шлюзы".
-
Разработаны методика и алгоритмы синтеза сценариев моделирования сложных ГГС из совокупности сценариев решения прикладных задач для типовых гидрогеологических условий и набора "шлюзов". Методика основана на доказательстве леммы и теорем о синтезе сценариев для структурных комплексов.
6. Разработана архитектура и системное обеспечение автоматизиро
ванного рабочего места гидрогеолога (АРМ-ГГ) для реализации
технологии структурного моделирования на персональных компьютерах
типа IBM AT. Инструментальные средства АРМ-ГГ обеспечивают:
конструирование и описание структурных схем ГГС; формирование
банков моделей и процедур; синтез, настройку и реализацию сценариев
решения прикладных задач моделирования.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Технология структурного моделирования и отдельные инструментальные средства внедрены в Институте космических исследований и Институте гидрогеологии и гидрофизики МН-АН РК, Казахстанской опытно-методической экспедиции НПО "Казнедра", Отделении гидрогеологических, инженерно- геологических, геоэкологических исследований (ОГИНГЕО) КазИМСа и Жетысуйской гидрогеолого-мелиоративной экспедиции Минсельхоза РК. Они были использованы при моделировании целого ряда гадрогеосистем Казахстана. Полученные результаты являются достоверными и обоснованными.
В наиболее полной мере возможности технологии удалось продемонстрировать в ходе формирования иерархической системы гидрогеологических моделей Казахстанской части побережья Каспия, системы взаимосвязанных разномасштабных моделей гидрогеологических условий Восточного Приаралья и эколого - гидрогеологической модели Алматинской промзоны.
В настоящее время в Казахстане ведутся работы по созданию и развитию автоматизированных постоянно действующих моделей
(АПДМ) гидрогеологических условий экологически неблагоприятных регионов республики на основе комплексного использования технологии структурного моделирования и геоинформационных систем. Кроме того, методы структурного моделирования были использованы при разработке проектов ситемы экологического мониторинга территории Казхастана и ГИС-"Казахстан".
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы неоднократно докладывались на международных и республиканских конференциях, совещаниях и семинарах. В течение последних пяти лет теоретические и прикладные аспекты структурного моделирования обсуждались на: постоянно действующем семинаре по вычислительной геологоразведке (Новосибирск, 1991, 1993, 1995); научной конференции "Проблемы региональных гидрогеологических исследований в Казахстане", посвященной 80-летию со дня рождения академика АН РК У.М.Ахмедсафина (Алматы,1992); международной конференции US AID (Израиль, 1993); международном '-симпозиуме "Водные ресурсы Центральной Азии и проблемы окружающей среды" (КНР -Казахстан, 1993); международной конференции " Проблемы подспутникового и космического мониторинга Казахстана" (Алматы, 1993); международной конференции "Аэрокосмические методы геологических и экологических, исследований" (Санкт-Петербург, 1994); Франко-казахстанском семинаре-совещании "Решение прикладных задач методами дистанционного зондирования и ГИС-технологий" (Алматы, 1995). International Geoscience and Remote Sensing Symposium. (Nebraska, USA. 1996), Third USA/CIS joint conference on environmental hydrology and hidrogeology. (Tashkent,Uzbekistan, September 1996).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 36 научных работ (в том числе, 9 отдельных изданий ц монографий), написанных самостоятельно и в соавторстве.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Список литературы включает 340 наименований. Объем работы 276 страниц текста, 27 рисунков и 18 таблиц.