геоинформационные технологии анализа границ карьеров

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АНАЛИЗА
ГРАНИЦ КАРЬЕРОВ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Д.В. Петров1, В.М. Михелев1
1 Белгородский государственный национальный исследовательский университет
(НИУ «БелГУ»)
Одним из популярных направлений в геоинформатике является решение
задач анализа и моделирование геоданных с целью оптимизации стратегии
поведения или использования имеющихся ресурсов.
К подобным задачам можно отнести:
• геостатистический анализ месторождений;
• планирование открытых горных работ, проектирование карьеров и
массовых взрывов;
• горно-геометрический анализ и оптимизация границ карьера;
• визуализация результатов мониторинга технологических и
природных процессов.
Фундамент современных геоинформационных систем закладывался в 80
года прошлого века, и они рассчитаны для работы на персональных ЭВМ.
Однако, для решения комплексных задач освоения минеральных ресурсов
необходимы мощные вычислительные средства совместной обработки больших
массивов геологических, маркшейдерских, топографических, экологоэкономических и горно-технологических данных.
Основой для выполнения расчетов по оптимизации извлечения запасов
является цифровая блочная модель месторождения. Вполне закономерно, что
чем более многомасштабной и многокомпонентной является блочная
(воксельная, ячеистая) модель рудного месторождения, тем более мощной,
высокопроизводительной и надежной должна быть вычислительная система
построения и динамического моделирования отработки запасов. В этой сфере
наиболее
эффективным
становится
использование
передовых
суперкомпьютерных технологий, реализующих распределенные вычисления на
основе многопоточных алгоритмов и программ с использованием
распараллеливания вычислений, таких, как технология MPI. В последние годы
появилась также возможность задействовать для параллельных вычислений
графические ускорители с программным ядром CUDA или OpenCL.
В этой связи становится актуальным решение задачи выделения
некоторых частей геоинформационной системы в отдельный блок и реализации
его в виде удаленного сервиса, предоставляющего клиентской части удобный
интерфейс
использования
высокопроизводительных
вычислительных
комплексов.
316
Геоинформационная
система
В данной статье рассмотрены основные аспекты реализации
информационной системы анализа моделей месторождений с целью
нахождения оптимальных границ карьера для добычи полезных ископаемых
открытым способом.
В современных геоинформационных системах анализа месторождений
можно выделить несколько основных функциональных модулей (рис. 1):
1. подсистему ввода-вывода (импорта и экспорта данных)
2. подсистему прикладных функций (модуль поиска решения
геоинформационной задачи)
3. подсистему визуализации данных
4. пользовательский интерфейс
Ввод-вывод данных
Поиск решения
Визуализация
Интерфейс
Рис. 1. Основные компоненты геоинформационной системы
Прием данных
Визуализация
Интерфейс
Сервер
Клиент
Ввод-вывод
Формирование
пакетной задачи
Отправка решения
Вычислительный
комплекс
В обычном случае все компоненты реализуются в рамках одного
приложения и работают на одной ЭВМ. Однако, т.к. блок поиска решения
является особенно требовательным к вычислительным ресурсам, а остальные
не обладают такой характеристикой его можно выделить в отдельный
компонент. Это возможно, если в основу приложения положить клиентсерверную архитектуру. В такой системе клиента берет на себя функции
импорта и экспорта данных, визуализации и организации взаимодействия с
пользователем, а сервер реализует функции получения задачи клиента, их
решение и отправку решения обратно клиенту (рис. 2).
Рис. 2. Структура ГИС, основанной на клиент-серверной архитектуре
317
Система, построенная таким образом, позволяет использовать в качестве
платформы для проведения сложных расчетов практически любые
высокопроизводительные вычислительные ресурсы.
Описанный подход был применен для реализации информационной
системы для анализа месторождений с целью поиска предельных границ
карьера. Данная задача является одним из ключевых этапов проектирования
открытой разработки недр. Ее решение позволяет оценить предельные значения
получаемой прибыли от разработки месторождения при текущей цене на
полезные компоненты. Также она является основой для дальнейших этапов
проектирования таких, как прокладка кратчайших путей съездов в горных
выработках и определение оптимальных мест расположения отвалов пустых
пород.
В качестве вычислительного алгоритма используется параллельный
генетический алгоритм поиска предельных границ карьеров, описанный в
работах [1,2]. Реализация данного алгоритма использует несколько уровней
параллелизма посредством выделения в структуре вычислений нескольких
уровней, каждый из которых работает на различных технологиях
параллельного программирования (MPI, OpenMP, CUDA) образуя одну из
распространенных связок, например, MPI+OpenMP или MPI+CUDA[3].
Такой алгоритм хорошо накладывается на архитектуру больших
гетерогенных распределенных вычислительных систем и позволяет равномерно
разнести нагрузку по вычислительной системе, максимально эффективно
используя многоядерные и гибридные вычислительные узлы.
Реализованная система состоит из следующих компонентов:
1. клиентское приложение
2. сервер обработки задач
3. вычислительный кластер
Клиентское приложение позволяет загружать модель месторождения на
сервер и визуализировать результаты моделирования. Оно не производит
расчетов, вместо этого отправляет запрос с параметрами задачи на расчет на
сервер. Сервер анализирует запрос, оценивание примерное время решения
задачи, определяет необходимое количество вычислительных ресурсов,
формирует пакетную задачу на расчет для менеджера задач вычислительного
кластера и ставит ее в очередь. Когда на кластере появляется необходимое
количество свободных вычислительных узлов, задача поступает на
выполнение. Об окончании расчетов менеджер задач кластера уведомляет
сервер посредством стандартного механизма нотификации (посредством
отправки письма на специальный email). После этого сервер получает
результаты расчетов с кластера и отправляет их клиенту. Общая схема
взаимодействия компонентов системы показана на рис. 3.
318
Рис. 3. Схема взаимодействия компонентов информационной системы
В качестве вычислительного комплекса использовался суперкомпьютер
Белгородского
государственного
национального
исследовательского
университета. Основные характеристики кластера приведены в таблице 1.
Таблица 1. Суммарные технические характеристики кластерной системы
Характеристика
Семейство процессора
Частота процессора
Количество процессоров
Количество ядер
Объем ОЗУ
Объем HDD
Сеть
Значение
Intel Xeon
2.4ГГц
40
320
1280Гбайт
8 Тбайт
10 Гбит/сек.
Работа системы тестировалась на нескольких блочных моделях
месторождений с различными типами распределения полезных
компонентов. Модель со случайным равномерным распределением
генерировалась специально для тестов. Модель с ярко выраженным
рудным телом создана на основе результатов моделирования и подсчета
запасов Жайремского месторождения в Казахстане, опубликованных в
работах [4, 5]. Результаты моделирования приведены на рис. 4.
319
Рис. 4. Изображения карьеров, полученных в результате
анализа месторождений
(а) со случайным распределением полезных компонентов и
(б) с ярко выраженным рудным телом
Геоинформационная система, построенная на принципах, описанных в
статье обладает рядом преимуществ:
1. сокращается время поиска решения за счет применения параллельных
алгоритмов
и
высокопроизводительного
вычислительного
оборудования;
2. один сервер позволяет обслуживать несколько клиентских станций за
счет организации очереди задач или использования нескольких
вычислителей одновременно;
3. повышается
надежность
хранения
данных
за
счет
их
централизованного хранения и упрощения процесса резервного
копирования;
4. появляется возможность строить приложения, использующие
вычислительные ресурсы как сервис (пользователь имеет возможность
приобрести не только программную систему, но и вычислительные
ресурсы на удаленном вычислительном комплексе для решения своих
задач).
320
ЛИТЕРАТУРА
1. Петров Д.В., Михелев В.М. «Моделирование карьеров рудных
месторождений на высокопроизводительных гибридных вычислительных
системах», Вестник Южно-Уральского государственного университета.
Серия: Вычислительная математика и информатика. 2014. Т. 3. № 3.
С. 124-129.
2. Михелев В.М., Васильев П.В., Петров Д.В. «Суперкомпьютеры, как
средства моделирования граничных контуров карьеров рудных
месторождений», Вопросы радиоэлектроники. Серия "Электронная
вычислительная техника (ЭВТ)" Выпуск 1, Москва 2013., с. 5-10
3. Стронгин Р. Г., Гергель В. П., Гришагин В. А., Баркалов К. А. Параллельные
вычисления в задачах глобальной оптимизации: Монография / Предисл.:
В. А. Садовничий. – М.: Издательство Московского университета, 2013. –
280 с., илл.
4. Селифонов C.E. Агафонов В.А., Моргунова Т.В., Васильев П.В., Буянов Е.В.
Компьютерная технология подсчета промышленных запасов рудных
месторождений с использованием программы GEOBLOCK // Минеральные
ресурсы Казахстана. 2000. т.12. №13. С.58-62
5. Васильев П.В., Буянов Е.В. О методике совместной работы программ
MapInfo и Geoblock по оконтуриванию и подсчету запасов рудных
месторождений // Информационный Бюллетень ГИС Ассоциации. 2000. №2.
С.32-33
321