автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка методов и средств математического моделирования и оценки эффективности роботизации горного производства

кандидата технических наук
Крюкова, Валентина Валентиновна
город
Кемерово
год
1995
специальность ВАК РФ
05.13.16
Автореферат по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Разработка методов и средств математического моделирования и оценки эффективности роботизации горного производства»

Автореферат диссертации по теме "Разработка методов и средств математического моделирования и оценки эффективности роботизации горного производства"

РГ6 од

1 3 том 15П5

На правах рукописи

КРЮКОВА ВАЛЕНТИНА ВАЛЕНТИНОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РОБОТИЗАЦИИ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность: 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 1995

Работа выполнена в Институте угля СО РАН

Научный руководитель :

Официальные оппоненты:

академик АГН РФ, доктор технических наук, профессор Кошох В.Л.

член-корреспондент АЕН РФ, доктор технических наук, профессор Вылегжашш В.Н.

кандидат флзико-математических наук Крутиков В.Н.

Ведущая организация - Сибирская государственная горнометаллургическая академия

Защита диссертации состоится " июня 1995 г.

в часов на заседании специализированного совета Д QQ3.57.01 при Институте угля СО РАН (650010,г. Кемерово,ул. Рукавишникова, 21.конференцззл).

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Института угля.

ЭЛ

Автореферат разослан " мая 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук Б.В. Власенко

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. В течение последних десяти лет на шахтах России производительность труда ежегодно снижается на 2-4%, что в значительной мере связано с ухудшением горно-геологических условий разрабатываемых месторовдений, низкими темпами модернизации и обновления шахтного фовда, все еще высоким уровней ручного труда.

Переход к рыночйбй экономике повлек за собой ежегодное снижение объемов добычи-угля на 8-10%. При введении свободных цен на уголь 40% шахт оказались нерентабельны. По оценкам экспертов, сопоставление уровней "развития угольной промышленности США и России не в пользу последней, так, показатель сменной производительности труда рабочего на шахтах США в 1,6 -2 раза выше.Высокий уровень развития угольной промышленности США объясняется сравнительно благоприятными горно-геологическими условиями разработки пластой, применением - надекной и высокопроизводительной техники, з том числе, робототехники.

По мнению многих ученых, в частности, Ю.Л. Худина.А.Д. Игнатьева и И.С.Крашкина основным направлением совершенствования подземной добычи угля является создание " гибкой роботизированной технологии с элементами искусственного интеллекта без постоянного присутствия человека в опасных зовах". 'В настоящее время ■проводятся планомерные поисковые работы в этом направлении.

Традиционные методы оценки эффективности новой техники основываются на статических моделях и не позволяют проследить эффект роботизации шахты во времени. Корреляционные, имитационные, вероятностно-аналитические модели, созданные в горном деле,-предназначены, главным образом, для расчетов параметров производственных процессов, а не затрат на их выполнение.

Совершенствование методов возможно только на базе применения современной вычислительной техники, автоматизации научных исследований, использовании математических методов и моделей, пригодных для системной оптимизации основных качественных и количественных характеристик горного производства угольной шахты.

Средством являются новые инструментальные системы моделирования с проблемно- ориентированным методическим, алгоритмическим и программным обеспечением.

ь

- г -

В этой связи разработка методов и средств математического моделирования и оценки" эффективности роботизации горного производства представляется актуальной научной задачей.

Диссертационная работа выполнена в период обучения в аспирантуре Института угля СО РАН в соответствии с Координационным планом НИР СО РАН " Проблемы механики и управления в робототехнических системах и автоматизированных производствах" (р. 1.11.3.11 Разработка научных основ технологического и алгоритмического обеспечения средств робототехники для" угольрых шахт Кузбасса), планами НИР Института угля на 1.989-1.993 годы....

Цель работ - повышение надежности и эффективности предпроек-тных решений,по роботизации горных процессов на основе разработанной новой имитационной модели угольной шахты.

Основная идея работ - использование цветной селективной сети Петри с предикатами на переходах для описания организационно-производственной структуры угольной шахты и оценки границ эффективности применения роботов в шахтных технологиях с помощью показателя себестоимости технологического процесса.

Задачи исследований:

-развить метода математического моделирования горных процессов: разработать принципы формализации и моделирования организационно-производственной структуры угольной шахты на сетях Петри;

-разработать метод многокритериальной оценки эффективности и обосновать критерий оптимальности стратегии роботизации горного производства с учетом границ эффективного применения шахтной робототехники на основе имитационного моделирования технико- экономических показателей процесса - компонентов интегрального критерия;

-разработать стохастическую имитационную модель робототехни-ческой системы группового обслуживания забоев в шахтах и рудниках; исследовать зависимости эксплуатационных показателей процесса от влияния организационных факторов и технических характеристик шахтных роботов ;

-разработать инструментальное программное средство- проблемно-ориентированную систему имитационного моделирования угольной шахты <СИМ УШ), обеспечивающее автоматизированное решение задач, направленных на обоснование эффективного-_ применения роботов в

шахтных технологиях.

Методы исследований:

-теория сетей Петры для разработки имитационной модели угольной шахты;

-системный анализ угольной шахты как сложной иерархической трехуровневой системы для формализации процессов и подсистем горного производства;

-теория массового обслуживания для разработки имитационной модели робототехничэской системы группового обслуживания забоев в шахтах и рудниках; . ■

-теория отношений для символического описания структура сети Петри;

-применение ПЭВМ IBM РО/АШ/ ,0С MSDOS 5.1 для алгоритмизации и программирования специальных инструментальных средств: СИМ УШ и модели обслуживания группы забоев в шахтах и рудниках;

-метод вариантов для оценки и выбора оптимальной стратегии роботизации шахты;

-теория проектирования автоматизированных систем управления для разработки методического, математического и программного обеспечения системы имитационного моделирования угольной шахты. Научные положения, защищаемые в диссертации: -организационно-производственная структура угольной шахты адекватно описывается времязавлсадей, цветной селективной сетью Петри с приоритетами и предикатами на переходах, ингибиторными дугами; имитационная модель угольной шахты для панельной подготовки шахтного поля строится на основе синтеза моделей технологических процессов , представимых в виде многополюсных графов, путем объединения моделей и замещения переходов-полюсов с учетом ориентации дуг, указывающих направление движения грузов и взаимосвязь функционирования горных процессов;

-эффективность роботизации шахты определяется выполнением условий - допустимых границ изменения технико-экономических показателей : объема проведения выработок на горноподготовительных работах, производительности труда горнорабочего при сокращении персонала по коэффициенту изменения себестоимости технологического процесса¡многокритериальной оценкой

альтернативных шахтовариантов и выбором рациональных областей применения роботоЕ по результатам имитационного эксперимента; выбор стратегии роботизации осуществляется по максимальному значению щтегрального критерия 7 с учетом совокупного влияния технико-экономических показателей функционирования процессов и подсистем горного "производства;

-стохастическая имитационная модель робототехнической системы группового обслуживания забоев позволяет обосновать эффективность функционирования системы при изменении числа забоев, времени обслуживания, частоты заявок, среднего расстояния до забоев,скорости движения робота; предельная нагрузка на робот снижается с увеличением среднего расстояния до забоя и частоты заявок и повышается с увеличением потребности в обслуживании и уменьшением времени обслуживания;

- программное средство проблемно-ориентированная система имитационного моделирования угольной шахты (СИМ УШ), включающая принципы формализации и моделирования угольной шахты, метод оценки технико-экономической эффективности и критерий оптимальности альтернативных вариантов роботизации в качестве методического обеспечения, иерархическую модель угольной шахты в качестве .математического, моделирующие алгоритмы в качестве алгоритмического и комплекс программ в качестве программного обеспечения, представляет по сути автоматизированную систему научных исследований и является надежным инструментом оценки технико-экономической эффективности применения роботов в шахтных технологиях на предпроектном этапе исследований.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- верификацией имитационной модели и результатов экспериментов, достаточной степенью их адекватности действительному поведению (состоянию) системы - фактическим показателям действующей шахты Кузбасса (1989 г.) со сходными горно-геологическими и горнотехническими условиями ;

-сопоставимостью результатов имитационных экспериментов -оценок локальных критериев и интегрального критерия эффективности роботизации шахты с результатами, полученными известными методами.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

-предложены и обоснованы имитационная модель горного производства угольной шахты на сетях Петри, формула сети Петри, интегральный критерий оптимальности шахтовариантов, проблемно-ориентированный имитатор модифицированных сетей Петри, инвариантный к структуре и параметрам сети;

-разработаны модули основных горных процессов для панельной подготовки шахтного поля, представленные сетями Петри и позволяющие упростить машинный синтез модели угольной шахты при формировании альтернативных вариантов роботизации;

-получены границы эффективности, применения роботов в процессе - аналитические соотношения: граничное значение годового объема.проведения выработок, необходимое повышение производительности труда горнорабочего при высвобождении персонала, а также

-разработан метод многокритериальной оценки эффективности роботизации шахты, отличающийся гем, что маркеру в стоковой позиции ставится в соответствие числовое удельное значение параметров модели, входному переходу стоковой позицки-огорация сложения данных, локальные критерии представлены в виде функций модельного времени и текущей разметки сети Петри.

-предложена стохастическая имитационная модель робототехни-ческой системы обслуживания группы забоев мобильным транспортным роботом; установлены зависимости коэффициентов загрузки робота и простоев всех забоев от количества обслуживаемых забоев, скорости движения робота, потока заявок, потока обслуживания и среднего расстояния до забоев, позволяющие обосновать эффективность функционирования системы;

-разработаны алгоритмы и программы реализации функционирования стохастической модели обслуживания группы забоев мобильным транспортным роботом, проблемно-ориентированной СИМ УШ, предназначенные в качестве инструментального средства оценки технико-экономической эффективности роботизации действующей шахты; Личный вклад автора состоит

-в разработке принципов формализации и моделирования организационно-производственной структуры угольной шахты как сложной иерархической трехуровневой системы;

-в определении границ технико-экономической эффективности роботизации по коэффициенту изменения себестоимости

- б -

технологического процесса для конкретных схем выемки;

-в разработке метода оценка и обосновании критерия технико-экономической эффективности роботизации шахты;

-в разработке имитационной модели обслуживания группы забоев мобильным транспортным роботом и установлении зависимостей между эксплуатационными показателями и организационно техническими параметрами процесса;

-в разработке инструментального программного средства -системы имитационного моделирования угольной шахты с поддержкой принятия решения.

Научное значение работы состоит в развитии нового подхода к имитационному моделированию подсистем и процессов угольной шахты на сетях Петри, составляющего основу методов и средств оценки эффективности предпроектных решений по применению роботов в шахтных технологиях.

Практическое значение работы.

Созданные методические и программные средства позволяют обосновать условия и рациональные области, экономически оценить предложения по роботизации горного производства.

Разработка специальных инструментальных средств в виде проблемно - ориентированных интегрированных сред позволяет упростить формирование и оценку вариантов роботизации шахты для конкретных условий добычи и выбрать из множества альтернатив оптимальный, обеспечивающий эффективность и обоснованность предпроектных решений при модернизации горного предприятия. Реализация вывозов и рекомендаций работы. "Методические указания по математическому моделировании горных процессов" и "Методические указания по выполнению курсовой работы по информатике" для студентов групп ГДп, обучающихся по направлению 550600 "Горное дело", внедрены в учебные процессы Кузбасского государственного технического университета и Ленинск - Кузнецкого горнотехнического колледжа . Система имитационного моделирования угольной иахты (СИМ УШ) использована при составлении паспорта управления кровлей и крепления лавы л 6, календарного плана разработки пласта "Румянцевский" и выборе оптимального варианта расположения резервной лавы в панели в ШУ "Физкультурник" концерна по добыче угля "Северокузбассуголь".

Комплекс программ реализации системы имитационного моделирования угольной шахты (СИМ УШ) (р.с.940377,12.09.94) включен в российский Реестр программ для ЭВМ (РОСАПО).

Апробация работ. Работа и отдельные ее положения докладывались, обсуждались и получили одобрение на Всероссийской научно -практической конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (Кемерово, 1994), на ХХХХ научной конференции студентов, аспирантов, преподавателей и научных работников КузГТУ (17 -21 апреля 1995 г.,г.Кемерово), на кафедре разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом КузГТУ.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 научных статьях и одном свидетельстве на программы для ЭВМ.

Объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав и заключение на 171 стр., 17 таблиц, 55 рисунков, список литературы из 80 наименования и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ теоретических положений, составляющих научную основу методов математического моделирования горных процессов, оценки эффективности роботизации в

машиностроении и в горном деле.

Научные основы математического моделирования горных работ были заложены в работах Шевякова Л.Д., Курносова A.M..Бурчакова А.С.,Петровича С.И., Астахова A.C. и развиты в работах Резниченко G.G., Кулиша С.А., Грицко Г.И., Вылегжанина В.Н. и других ученых.

Значительный вклад в разработку методов имитационного моделирования горного производства внесли ученые Адилов К.Н.,Нильва Э.Э., Гринько Н.К., Устинов М.И.,0сипова Т.В.»Степанов П.Б., Юркович Е.М., Хегай В.А. и др., а также Конюх В.Л. и Тайлаков О.В., которые впервые применили временные сети Петри для имитационного моделирования многомашинных технологий горных работ.

Обзор методов оценки эффективности роботизации в машиностроении показал, что она сводится к сопоставлению вариантов по приведенным затратам, значению годового экономического эффекта, сроку окупаемости затрат в той или иной форме. Наиболее часто в качестве критерия эффективности применяется показатель приведенных

затрат. Ряд ученых высказали критическое отношение к этому показателю. Отмечается, неработоспособность критерия при анализе вариантов технологических решений с большим сроком действия, малая чувствительность к изменениям значений многих параметров, характеризующих технологические решения, непригодность критерия .для определения хозрасчетного эффекта новой техники.

Анализ теоретических положений показал, что в горном деле еще не создан эффективный инструмент для моделирования угольной шахты как сложной производственной системы, позволяющий проследить эффект роботизации во времени; несмотря на постоянное развитие методов и критериев оптимизации, до сих пор не удалось получить универсального - в содержательном смысле и удобного по форме синтетического показателя экономической эффективности технологических решений угольной шахты; разработанные в настоящее время инструментальные средства оценки эффективности роботизации требуют дальнейшего совершенствования.

Во второй главе описаны принципы формализации и моделирования организационно-производственной структуры угольной шахты. Под организационно-производственной структурой понимается качественный и количественный состав основного и вспомогательного оборудования, схема вскрытия и отработки, способ подготовки и система разработки шахтного поля, технологии очистной выемки и подготовки угольных пластов, управление процессами и подсистемами горного производства. Основные принципы состоят в следующем.

1. Системный подход к исследованию угольной шахты.

Сформулирована проблема ( система) - развитие и

совершенствование горного производства действующей шахты, в том числе техническое перевооружение.

2. Декомпозиция системы (и модели) угольной шахты на подсистемы - уровни: 2- действующий горизонт,1- действующая панель, 0-очистной, подготовительный забои (принят подход ИГД им. A.A. Скочинского). Сложная система "шахта" описана в виде кортежа

Е.= < Sq ' > * гдв ~ п°Дсис,1ема {~го уровня (1=072).

Структура подсистем:

So = < Vj.^fVg.V.t.W °,fG°> . где вектор качественных

входных переменных, хар акте ризу ндай горно-геологические факторы (ГГФ) разрабатываемых пластов; У2 ~ вектор качественных входных переменных, характеризующий горнотехнические факторы (ГТФ); -вектор входных переменных, количественно характеризующий технологическую схему очистного (подготовительного ) забоя; и -управление; { - время, независимый параметр системы; - вектор выходных переменных, управляемых параметров подсистемы; вектор целей, " компоненты которого: нагрузка на забой, себестоимость 1 т угля, производительность труда, стоимость оборудования. ;

Е/ = < ,/01>. , где V] - ГТФ , - вектор

количественных входных переменных : количество очистных, подготовительных забоев, емкости бункеров - гезенков; вектор, характеризующий технологии очистных и подготовительных работ, выходы подсистемы О уровня; Г- вектор, характеризующий участковый основной и вспомогательный транспорт; У?*1 - выходы подсистемы I уровня; - вектор целей.

12 = < Ч2гЧ22,У3\т ,//> , где - ГТФ; У§ -входы

подсистемы : количество пластов, панелей, одновременно действующих очистных, подготовительных забоев, емкость бункеров - конвейеров; УРд- вектор, характеризующий вариант технологических решений по подготовке и отработке выемочных полей, выходы подсистемы 1 уробня; Тр- вектор, характеризующий магистральный основной и вспомогательный транспорт; 1г - выходы подсистемы; вектор

*целей.

3. Модульность построения модели каждого уровня (рис.1) на базе разработанных модулей:очистной, подготовительный забой; магистральный, участковый основной транспорт; магистральный, участковый вспомогательный транспорт;отработка яруса, подготовка яруса бремсберговой, уклонной панели; подготовка бремсберговой панели.

4. Формализация кавдого модуля в терминах сети Петри. Объединение"модулей в библиотеку (БМ).

5. Использование известных расширений сетей Петри для формализации иерархической модели угольной шахты с целью сокращения размерности модели , продолжительности эксперимента и

реализации возможности разнообразного описания динамических объектов модели, их свойств и логики управления горными процессами.

Времязависящая, цветная селективная сеть Петри с ингибитор-ными дугами, приоритетами и предикатами на переходах формально определяется как набор

где Р, Т - множество позиций, переходов; Р, Н - функции входных, выходных инцвденций; С}: I —»• - функция временных задержек в позициях; РА: Г—> N - функция приоритетов, N = С 0,1,2,...}; Ш: Г—* Рг1 (М(р)^-функция предикатов, где М(р) -текущая разметка сети; Р1(Р,1) - функция акциденций

ингибиторных дуг; - множество цветов

маркера; Н0: Р * в —► N - начальная маркировка сети; функция

X: (Р * в) * Т —* N , N={0,1} задает входное распределение цветов маркера перехода г; функция ц : Г * (р х с)-* N задает выходное распределение цветов маркера по позициям Р перехода г . Условия срабатывания перехода г е Г при текущей маркировке Ш записывается в виде:

V р ( Р, Зией (м(Р,иI) - ргр,»; + 1 ) м-сш) = 1 Я - Я(р) Р( р,и/пр

ш(р,у») < Р^рЛ) при Р^р.г) и о

Ш(Х) = 'Чгие"

(1)

Из двух переходов г^ , Х^ , для которых выполнены условия (1),

сработает с большим приоритетом РЛ^^ > РЩХр ;Я(р) - время

задержки маркера в позиции р , ^ - время прибытия маркера в

позицию р , Я - системное время, п =Р(р, и.

Новая маркировка М1 , получаемая в результате срабатывания

перехода г при фиксированном входном распределении цветов маркера

'С+т , определяется по формуле: ш Чр € Р, 3 ш € С

М^р,и;) = М(р,л» - к%(и» Р(р,г) + Н(г,р) ,

где Хг(т) =М'СШ) , рг(т) = РГС*^, О'ш - фиксированное выходное распределение цветов маркера .

6. Моделирование поступления горной: массы на перегружатель осуществляется "петлей" и вводом приоритетов переходов. Ввод сети предикат-переход и сети с ингибиторными дугами реализует возможность управления переходами - событиями СП (технологическим процессом) в зависимости от условий, выраженных через параметры состояния модели (текущее время, текущая маркировка). Грузы и люди, доставляемые в разные очистные и подготовительные забои, уголь и порода

__2 уровень

___I уровень

__.__ 0 уровень

Рис.1 Структура моделей подсистем и процессов угольной шахты для панельной подготовки шахтного поля

описываются маркерами разного цвета, что позволяет значительно сократить размерность модели и продолжительность эксперимента. Сеть с предикатами (фрагмент модели работ подготовительного забоя) представлена на рис.2. В зависимости от значения текущей маркировки в позиции сработает один из трех переходов:

Моделирование поступления горной массы на перегружатель осуществляется " петлей " (р2Л2) и вводом приоритетов (рис.3.). Приоритет перехода выше, чей приоритет перехода 2:^,

-активный переход. При его срабатывании маркеры появляются в позициях Р^ и Р^; позиция Р^ взвешивается временной задержкой Я(1)=20 мин, позиции Р2 - Я(2)=0 мин.

Приоритет перехода г^ выше, чем приоритет перехода поэтому по истечении 20 мин - временной задержки маркера в позиции Р^ сработает переход . Из позиций Рр и Р^ маркеры удаляются, в

РгКп>а"пя1"

Рис.2.сеть петри с предикатами

п=

1 , сработает

2 , сработает

3 , сработает

Рис.3.Сеть Петри с приоритетами

позицию Р4 добавляется 1 маркер, так как кратность дуги Н(^3,1>4)=1 . Стоковая позиция Р3 моделирует буфер для хранения текущих данных, входному переходу ^ ставится в соответствие операция сложения данных, маркеры в позициях и Р3 показывают значения текущих данных. Маркеру в позиции Р3 ставится в соответствие число, равное , например.минутной производительности очистного комбайна".

Сеть Петри с ингибиторными дугами (фрагмент модели дейст -вущего горизонта ) представлена на рис.4.

Позиции описывают: Р^ -движение горной массы по лавному конвейеру одного забоя, Р2 - по лавному конвейеру другого забоя, Р3-движение горной массы по конвейерному штреку, Р4~ бункер -конвейер главного откаточного штрека. Е -емкость бункера -конвейера. Если текущая разметка сети в позиции Р4 равна Е , то ингибиторная дуга кратностью Е запрещает срабатывание переходов до тех пор,

пока в позиции Р4 не станет меньше Е маркеров.

Фрагмент модели подготовка брелойерговой панели представлен

на рис.5. Маркеры разного цвета описывают грузы, доставляемые к подготовительным забоям. Переходы пропускают маркеры цвета: ->

±4 ->

~> т2'

-> Шп

-> Р3 - первый, Р^- второй, Рб -третий

Ц -> ю0,

подготовительные забои.

Построена на сетях Петри исходная иерархическая модель действующей шахты с развитым фронтом очистных работ, разрабатывающая четыре пласта с углом залегания до 20 град. Приняты: панель-

Рис. 4. Сеть Петри с ингиби-торными дугами

Рис.5. Цветная селективная сеть Петри

ная подготовка на всех пластах, система разработки - длинные столбы по простиранию, одногоризонтная схема вскрытия свиты пластов главным наклонным и центральным вспомогательным стволами с проведением главных полевых штреков. Горно-геологические и горнотехнические условия шахты: средняя мощность пласта 2-3,5 м, газообильность до 10 м3/т, непосредственная кровля и почвы неустойчивые, глубина разработки - 300 м, пласты неопасные по внезапным выбросам угля, порода и газа. Схема основного транспорта бесступенчатая со сплошной конвейеризацией. Доставка горной массы от забоя до поверхности - конвейерная, доставка грузов - с помощью монорельсовых дорог.

О уровень . Модель работы, очистного забоя.

Забой оборудован очистным комплексом КК-142400-К .

Сеть Петри (рис.6.). подготовительно-заключительные

операции, крепление верхних и нижних сопряжений - Р2, извлечение

постоянной крепи одновременно с движением комбайна с выемкой вверх - Рд, передвижка крепи и зачистка почвы

на перегружатель моделируется "петлей" Рд-

поступление угля движение

1-го объема .угля по лавному конвейеру, после остановки комбайна - крепление сопряжений, передвижка головки конвейера и подготовка комбайна к перегону - р5, Р^ - перегон комбайна с

зачисткой, одновременно - передвижка

конвейера - Р8, Р^-

поступление угля на перегружатель, Р^ - / объемов угля поступило во время зачистки дорожки, описывает холостой перегон комбайна вверх на 15 м, позиции Р13 и Р14 описывают-зачистку дорожки, передвижку головки конвейера и крепи сопряжений, Р^ - самозарубка и передвижка конвейера.

РЕИ0)=2

Рис.6. Модель работы очистного забоя

7. Символическое описание модуля на языке отношений элементов сети Петри (позиций и переходов). Идентификация формулой каждого модуля, содержащегося в БМ.

На основе теории отношений предложена формула сети Петри -символическое описание структуры сети, позволяющая автоматизирована) строить матрицы входных и выходных инциденций в памяти ЭВМ, необходимые при моделировании горных процессов.

- 15 -

Формула СП модели работы очистного забоя ( рис.6):

/ =р1Ш1Со{р2,р3,р6);р3Ь^2Ыр4;{р4,р2,р6}Со^3Ыр5Ш^ро (р7,р8,рю);р6А11г10,г5};1£о{р6,р9};(р7,р^,рю}Сап.16ир11Ш£о

{р13,риЮоМ9Са{р15,р6}Сот11ю; р10ПИ7Со{рю,р12};110Ир1 &

8. Представление модулей в виде многополюсных графов-основа машинного синтеза модели.

Разработаны алгоритмы синтеза модели угольной шахты. Процедура синтеза модели 1 уровня позволяет синтезировать модель действующей панели - изменять порядок подготовки и схему отработки панели, количество отрабатываемых и подготавливаемых' ярусов одновременно во времени с применением различных технологий. Синтез модели 2 уровня позволяет получить модель действующего горизонта - изменять количество рабочих пластов и. панелей, тип процесса (подготовка бремсберговой панели, действующая уклонная или бремсберговая панель).Процедура синтеза модели заключается в замещении или объединении разработанных модулей и замещении переходов-полюсов. Машинный синтез модели происходит в интерактивном режиме с возможностью корректировки координат полюсов.

Методом имитационного моделирования оценены технико экономические показатели действующей шахты. Рассмотрим О уровень модели угольной шахты. Модель работы очистного забоя задана сетью Петри на рис.6. Дано: начальная разметка сети МОГ 1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0) ; вектор приоритетов Ш=(1,1,3,1,1,2,1,1,1,2), вектор временных задержек в позициях, соответствующий времени выполнения операций Я=(24,52,30,22,16,0,34,34,500,0,12,500,10,10,4); стоимость

оборудования К=720 тыс.руб., установленная мощность электродвигателей оборудования (У=650 кВт, скорость комбайна У=1,65 м/мин, ширина захвата рабочего органа комбайна Я=0,63 м;длина лавы 1=155 м, мощность пласта Н=2,3 м, плотность угля ^=1,35 т/ма, сменное звено 2М0 чел., время моделирования Ш 1те=360 мин (1 смена), шаг моделирования Step= 1мин.

В имитационном эксперименте оцениваются параметры: коэффициент загрузки основного оборудования -к^, нагрузка на забой -(3^, подвигание забоя в смену -Б-, производительность за цикл ~0!с,

производительность труда рабочего за смену- PRO, время цикла- tc, технологическая себестоимость угля - Ct, количество циклов - nQ. Результат моделирования:К=720 тыс.руб.;tc=153 мин;fej=0,55;<2^=432,5 т/см; РЙ0=43,25 т.чел/см; Qc=184,04 т, Sp=1,48 м/см; tc=7,01 руб/т.

Нет общепринятых формальных оценок корректности результатов имитационного эксперимента, но большинство авторов считают, если отклонение полученных показателей от показателей реальной системы или рассчитанных другим методом не превышает 10-20%, то результаты корректны, модель адекватна реальному объекту.

Обоснована корректность модели и полученных результатов по коэффициенту несоответствия rj .

% + Г)? + Т}р Н

^ ,--- . ^ 1/N ^ __ f tLk=iy^yrkll

k=1 ,N , где tf-число показателей, АР.- абсолютная ошибка, у^-действительное, угй - расчетное значение й-го показателя, г|{-коэффициент несоответствия показателей на t -ом уровне модели.

Относительная ошибка показателей на 0 уровне модели 5,3 % . Ошибка увеличивается с повышением уровня иерархии модели - г/=18,ВЦ. Это объясняется неполной заданностью описаний состояния и поведения моделируемой сложной системы "угольная шахта". При общей погрешности исходных данных доля имитационного моделирования составляет не более 5 %.

Исследования этой главы составили научную и методическую основу методов и инструментальных средств математического моделирования и оценки эффективности роботизации угольной шахты.

В третьей главе изложены методические положения предпроекгной оценки технико-экономической эффективности применения роботов в шахтных технологиях. С учетом того, что производительность общественного труда за весь срок службы оборудования обратно пропорциональна среднегодовой себестоимости продукции,

получены границы технико - экономической эффективности применения роботов на уровне процесса, шахты, в частности, необходимое изменение среднегодовой1 производительности труда горнорабочего др при сокращении персонала Am

dp

3H f 3m jK mc

"та

■■ где тд - коли ество рабочих, занятых на добыче по базовой технологии, чел.; 3~, - годовые затраты живого труда по новой, базовой технологии, руб.; - годовые овеществленные

затраты прошлого груда с учетом амортизации оборудования по новой, базовой технологии, руб.

. Описаны 10 возможных вариантов . ввода шахтных, роботов в

взрывным и гидравлическим способами. Получены и оценены по коэффициенту изменения себестоимости процесса к0=С^/Сн } 1 (0^ - себестоимость базовой, Сн - новой технологии) границы эффективности роботизации горноподготовительных работ на примерах:

в6 - В

А

чгн чгр ' чгр

где Q^ - годовой объем проведения выработок для новой технологии, м/год; - граничный годовой объем выработок, м/год;

г

Bq , В - затраты по базовой (с индексом " б "), новой технологии, практически не зависящие от годового объема выработок, руб.; Aq , А - затраты, зависящие от годового объема выработок, руб. ( Использована идея Таряника H.A., Смалия В.Е.).

Разработан метод многокритериальной оценки технико-экономической эффективности роботизации шахты, основанный на имитационном моделировании динамики функционирования организационно-производственной структуры альтернативных вариантов роботизированной шахты и показателей эффективности - компонентов интегрального критерия.

Для выбора оптимального варианта предлагается использовать на всех уровнях модели (забой-панель-горизонт) интегральный критерий вида:

к т -1

opt j = mar Г ^ /t//iö + ( ft/fia ) 1 .

fl6 > 0, /{> О, где ft ,

t=1,k - локальные критерии,

которые необходимо максимизировать ( производительность труда горнорабочего, добыча ); » ,т - локальные критерии,

которые необходимо минимизировать ( технологическая себестоимость, капитальные затраты ); /((5 - локальные критерии базового варианта.

Применение шахтных роботов существенно повышает производительность труда, но одновременно приводит, как правило, к увеличению капитальных вложений и вместе с тем высвобождает ручной труд, что с одной стороны приводит к экономии затрат живого, и не всегда к экономии овеществленного труда (затрат прошлого труда), что отражается в показателе "себестоимость". В силу этой разноплановости при оценке эффективности применения шахтных роботов нельзя ориентироваться на отдельный показатель, необходим интегральный показатель, который бы сгладил "противоречивость" локальных критериев и однозначно выражал эффект роботизации в технико-стоимостном выражении. Таким, по нашему мнению, является критерий 7.

Проведено четыре серии экспериментов.

1 серия - имитация динамики функционирования действующей шахты с целью проверки модели на адекватность и получения базовых значений локальных критериев для сопоставления альтернативных шахтовариантов.

В четвертой главе приведены результаты моделирования и выбора ортимальной стратегии роботизации горного производства.

2 серия - оценивалось семь альтернативных вариантов роботизации, которые получены путем ввода роботизированных технологий очистных

и горноподготовительных работ в модель 0 уровня. Варианты отличаются технологическими решениями и параметрами шахтных роботов. Корректность полученных результатов ( 0 уровень модели ) обоснована по коэффициенту несоответствия показателей. Относительная ошибка составила около 10 %. Это объясняется неопределенностью исходных данных роботизированных технологий , погрешностью, вычислений сравниваемых показателей.

Приведены зависимости интегрального критерия 7 от коэффициента роста добычи и коэффициента изменения стоимости оборудования, зависимость коэффициента роста

производительности труда горнорабочего от количества высвобождаемых рабочих при роботизации шахты. Анализ зависимостей

показал, что при производительности, близкой к базовой, роботизация не эффективна. Оптимальный вариант тот, по которому достигается наибольшая производительность или наименьшие затраты овеществленного и живого труда, или существенные капитальные вложения на роботизацию компенсируются достаточным ростом добычи. Проведена оценка вариантов по коэффициенту сравнительной эффективности //t . Совпадение оценок по критериям 7 и 1/t0K ( в обоих случаях оптимален первый вариант, max 7 =3,7 и max 1/tQK = 1/3,8 ) свидетельствует о корректности предлагаемого метода.

3 серия - исследование рациональных областей применения роботов в действующих технологиях. По критерию 7 оценивалось 12 вариантов ввода роботов в очистные и горноподготовительные работы. Эксперименты показали, что результат решения задачи зависит от конкретных технологических решений, от источника эффективности роботизации. Предварительный выбор рациональных областей позволяет обосновать последовательность ввода роботов в действующие технологии для оптимального варианта роботизации.

А серия - моделирование динамики изменения горных работ во времени для оптимального шахтоварианта. Результаты решения задачи позволяют полутать текущие и перспективные графики (линенйные диаграммы) организации работ по подготовке и отработке горизонта на любом уровне модели, проследить эффект роботизации во времени.

В пятой главе описаны инструментальные средства математического моделирования и оценки эффективности роботизации шахты.

Построена стохастическая имитационная модель робототехнической системы обслуживания группы забоев в шахтах и рудниках. Модель процесса представлена одноканальной однофазной системой массового обслуживания (СМО) с ожиданием и ограниченным числом мест в очереди. Оценена эффективность функционирования системы при изменении числа забоев п, времени обслуживания t, частоты заявок "К, среднего расстояния до забоев S и скорости движения робота у для конкретного предложения по роботизации вспомогательных работ. В качестве критериев использованы коэффициент загрузки робота К3,коэффициент простоев всех забоев , среднее число простаивающих забоев N .

n n

Ka=y, ?, K.

, v 5=7 ^ > Nnrint % '

Tl

где j=Tji - индекс обслуживаемого забоя, n- число забоев, Pj-вероятности состояний системы.

Имитационными экспериментами установлены зависимости коэффициента загрузки робота и коэффициента простоев всех забоев от числа обслуживаемых забоев и скорости движения робота, времени обслуживания, интервала поступления заявок, от среднего расстояния до забоев и зависимость количества простаивающих забоев от числа обслуживаемых забоев, времени обслуживания и интервала поступления заявок: K3=0,03n+0,5v; К3 =0,05mh^k (k^conat ,\x=const);

k3=0,05n+ti2 |i. ffe2= conat' constj; K3= 0,2*S+0,2T; Kff0,1*10~ 3S 4-0,06; R3~28,6 *(1/t)+0,3; КR =14,3 *(1/t)+0,16 . Получены границы эффективности функционирования системы: предельная нагрузка на робот - 6 забоев при среднем расстоянии до забоя 5=500 м, времени обслуживания tQ =20 мин, интервале поступления заявок tu=120 мин и скорости движения робота У=0,9 М/С; 4 забоя при S=1000 м, tQ=Z0 МИН, ¿и=360 мин,У=0,9 м/с; 10' забоев при 5=250 м, £о=20 мин, tu=3S0 мин, и=0,9 м/с. Программа реализации имитационного эксперимента написана на языке СУБД FoxBASE+ для персонального компьютера (ПК) типа. IBM PC/XT/AT.

В качестве инструментального средства разработанных методов имитационного моделирования и оценки эффективности роботизации шахты создана система имитационного моделирования угольной шахты (СИМ УШ). С системной точки зрения данное программное средство (ПС) - это специальная автоматизированная система научных исследований угольной шахты. Ядро системы - трехуровневая имитационная модель организационно-производственной структуры угольной шахты на сетях Петри для панельной подготовки шахтного поля. Описаны структура и функции системы , комплекс программ и его назначение. Программное обеспечение интерактивной проблемно-ориентированной СИМ УШ имеет модульную структуру, состоит из пяти основных частей: настройки модели, средств синтеза модели и, имитатора, интерпретатора и средств поддержки принятия решения.

Настройка заключается в задании структуры модели формулой сети Петри (0 уровень) и ее параметров.

Средства синтеза позволяют пользователю построить имитационную модель угольной шахты на 1 и 2 уровнях иерархии из модулей, представленных в виде многополюсных графов, заданных формулой сети Петри.

• Имитатор описывает динамику детерминированной, времязависящей цветной селективной сети Петри с приоритетами, предикатами на переходах,. ингибиторными дугами; инвариантен к структуре и •параметрам сети.

Интерпретатор - кошлекс програш для анализа и интерпретации результатов имитационного эксперимента.

Средства поддержки принятия решения включают метод оценки и критерий поиска оптимальных решений на любом уровне модели.

Программный комплекс СИМ УШ (p.c. 940377 от 12.09.94) включен в российский Реестр ппограмм для ЭВМ (РосАПО).

Приведен перечень научных и практических задач, ре'шаемых в рамках СИМ УШ.

Представлены практические рекомендации по использованию разработанных методов и инструментальных средств имитационного моделирования и оценки эффективности применения роботов в действующих шахтных технологиях.

.Использование разработанных методов и средств в учебном (Кузбасский государственный технический универсистег и Ленинск -Кузнецкий горнотехнический колледж ) и производственном ( ШУ "Физкультурник") процессах показало их надежность и эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится решение актуальной научной задачи - развития методов имитационного моделирования процессов и подсистем угольной шахты на основе модифицированных сетей Петри, имеющей существенное значение для обоснования эффективности предпроектных решений по модернизации действующих шахт.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Разработаны принципы формализации и моделирования организационно-производственной структуры угольной шахты, составляющие основу методического обеспечения программного средства системы имитационного моделирования угольной шахты. С позиции теории отношений предложена и обоснована формула сети Петри.

2. Установлено, что организационно-производственная структура угольной шахты адекватно описывается времязависящей, цветной селективной сетью Петри с приоритетами и предикатами на переходах, ингибиторными дугами. Использование расширений СП для формализации модели цозволяет сократить ее размерность, продолжительность • эксперимента, реализует возможность разнообразного описания динамических объектов модели (грузов, людей), их свойств (уголь.порода), а также логики управления горными процессами.

3. Разработаны алгоритмы и программы синтеза модели угольной шахты на основе принципа модульности ее построения. Синтез заключается в объединении моделей технологических процессов для панельной подготовки шахтного поля, представимых в виде многополюсных графов, и замещении переходов-полюсов с учетом взаимосвязи функционирования горных процессов.

4. На основе анализа себестоимости технологического процесса, шахты получены границы эффективности роботизации - аналитические выражения, дающие количественную оценку эффективности для конкретных схем Еыемки: граничное значение годового объема проведения выработок, необходимое изменение среднегодовой производительности труда горнорабочего при высвобождении персонала. Граница эффективности роботизации шахты представляет собой нелинейную зависимость среднегодовой производительности труда горнорабочего от количества высвобождаемых рабочих.

5.Разработан метод многокритериальной оценки технико-экономической эффективности роботизации шахты, основанный на имитационном моделировании на сетях Петри альтернативных технологических решений, отличающийся тем, что маркеру в стоковой позиции ставится в соответствие числовое удельное значение параметров модели, входному переходу- операция сложения данных, локальные критерии представлены в виде функций модельного времени и текущей разметки сети Петри.

6. Выбор оптимального варианта и рациональных областей роботизации осуществляется по результатам имитационных экспериментов по

- 23 -

максимальному значению интегрального критерия.

Метод оценки эффективности и критерий оптимальности обеспечивают выбор варианта (стратегии) роботизации с учетом совокупного влияния показателей эффективности: производительности труда рабочего, годовой добычи, себестоимости 1 т угля, капитальных затрат.

7. Разработана стохастическая имитационная модель робото-трхнической системы обслуживания группы забоев в шахтах и рудниках; позволяющая обосновать эффективность системы при изменении „числа забоев, времени обслуживания, частоты заявок, среднего ра9стояния до забоев и скорости движения робота.

8. Иштационными экспериментами установлены следующие закономерности:

-коэффициент загрузки Кд робота линейно зависит от числа п обслуживаемых забоев и скорости V движения робота КдМЭ.оЗп+о.бу при 3=500 М, 71=1/120, |х=1 /20;

-коэффициент простоев всех забоев нелинейно зависит от числа обслуживаемых забоев и скорости движения робота;

-коэффициент загрузки к3 робота линейно зависит от числа обслуживаемых забоев п, потока заявок х и потока обслуживания ^ К3=0,05п4к1х (к1=оопв1;,11=оопз1;), К3=0,05п+к£ц. (к^сопБ-Ь.л^оопБЮ при 3=500 м;

-Коэффициент загрузки робота К3 и коэффициент простоев забоев Кд линейно зависят от среднего расстояния до забоев з

К3=0,2*10""33+0,27, КгГ°>1 'Ю'^+О.Об при 7=0,9 М/С, ц=1/20, л,=1 /збо;

-коэффициент загрузки робота Кд и коэффициент простоев забоев линейно зависят от потребности в обслуживании 1/ь (t-интepвaл времени поступления заявок) К3=28,6 | +о,з, 1^=14,3 \ +0,16 при п=2, 7=0,9 "М/с, Б=250 М.

9. Получены границы эффективности функционирования системы: предельная нагрузка на робот - 6 забоев при среднем расстоянии до забоя 5=500м, времени обслуживания tQ -20 мин, интервале поступления заявок tu=120 мин и скорости движения робота у=0.9 м/с; 4 забоя при 5=1 ООО м, га=20 мин, £ц=360 мин,и=0,9 м/с ; 10 забоев при Б=250 м, ^=20 МИН, *и=360 мин, 1>=0,9' м/с.

10. Создано специальное программное средство - проблемно-ориентированная система имитационного моделирования угольной шахты,

предназначенная для автоматизации научйых исследований по конструированию и обоснованию предпроектных решений при модернизации горного производства. СИМ УШ включает принципы формализации и моделирования, метод оценки эффективности и критерий оптимальности вариантов'роботизации в качестве методического обеспечения, имитационную иерархическую модель угольной шахты' на сетях Петри в качестве математического, моделирующие алгоритмы и программы в качестве алгоритмического и прграммного обеспечения.

11. Реализация разработанных методов и инструментальных средств в учебном и производственном процессах подтверждает их работоспособность и эффективность при решении научных и практических задач горного производства.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Крюкова В.В,Конюх В.Л.Имитационная модель робототехни-ческой системы группового обслуживания забоев в шахтах и рудниках.-Кемерово,1993.~ 18с.- Деп. в ВИНИТИ 24.05.93, * 1370-В93.

2. Крюкова В.В.Применение модифицированных сетей Петри для имитационного моделирования угольной шахты // Геомеханические основы подземной разработки полезных ископаемых : Меквуз.сб.науч.тр -Кемерово:КузПИ,1993.-С.114-126.

3. Крюкова В.В. Оценка допустимых изменений производительности труда и себестоимости добычи при роботизации шахты // Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых :Сб.науч.тр.Я 7.-Кемерово: Ассоциация "Кузбассуглэтехнология",1994.- С. 145-150.

4. Крюкова В.В. Технико-экономический анализ роботизированных схем проведения подготовительных выработок // Там же.- С.136-145.

5. Крюкова В.В: Система имитационного моделирования угольной шахты (СИМ УШ)■// Инфэрм.листок * 101-94.-Кемерово:ЦНТИ,1994.- 2с.

6. Крюкова В.В. Интерактивная проблемно-ориентированная имитационная система угольной шахты (СИМ УШ)// Тез.докл. Всерос. н-пр. конф. по безопасности жизнедеятельности предприятий в угольных регионах.-Кемерово:КузГТУ, 1994.-С.58-59.

7.Р.С.940377 (12.09.94) РосАПО. Система имитационного моделирования угольной шахты (ПК СИМ УШ)/Крюкова В.В.-Инфэрм.бюлл.-Вып. 3(11),1994.