автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Экономико-математическое моделирование и методы оптимизации промышленного потенциала угольных шахт Кузбасса в переходный период отрасли

РГ6 од

На правах рукописи

ВЫЛЕГЖАНИНА ИРИНА ИВАНОВНА

ЭКОНОМИКО - МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОГО ПОТЕНЦИАЛА УГОЛЬНЫХ ШАХТ КУЗБАССА В ПЕРЕХОДНЫЙ ПЕРИОД ОТРАСЛИ

Специальности : 05.13.16 - "Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)", 08.00.28 - "Организация производства"

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

КЕМЕРОВО 1998

Работа выполнена в Кемеровском Государственном Университете

Научный руководитель: доктор экономических наук,

профессор Лавров А.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Казаков С.П.

доктор экономических наук Вирула М.А.

Ведущая организация: Институт "Кузбассгипрошахт"

Защита диссертации состоится "_"_1998 г. в _часов на

заседании диссертационного совета Д 003.57.01 при Институте угля и углехимии СО РАН по адресу:

650025, г.Кемерово, ул.Рукавишникова, 21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля и углехимии СО РАН

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу:

650025, г.Кемерово, ГСП, ул.Рукавишникова, 21, Институт угля и углехимии

СО РАН

Автореферат разослан 29 мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Б.В.Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В задачах оптимального планирования и организации угольного производства из современных методов исследований математическое моделирование является наиболее

эффективным,позволяющим комплексно описать взаимосвязи параметров и подсистем таких сложных объектов , к которым относятся угольные шахты.При этом рассматривая угольные предприятия , как горноэкономические системы ,с особенностями их динамических реакций в переходном периоде отрасли ,на базе средств вычислительной техники и математических методов оптимизации открывается возможность синтеза математического обеспечения задач программно-целевого упрапления(ПЦУ) потенциалом угольных шахт в иерархической структуре принятия решений .Сочетание технологических, экономических и информационных факторов динамической неравновесности потенциала угольных предприятий,необходимость обработки многомерных данных требуют построения адекватной экономико-математической модели (ЭММ) для компьютерного эксперимента и оптимизации подсистем угольных шахт.

За период 1992-1997 годы был реализован первый этап реструктуризации предприятий отрасли, существенно отличающийся от передовых стран мира по глубине спада ,временной задержке и интенсивности осуществления программы переходного периода. Структурный анализ закономерностей переходного режима угольного производства с учетом особенностей развития потенциала отрасли и конкретных шахт показал недостаточность научного сопровождения при решении этих вопросов. Для угольных шахт с ограничением ресурсов это связано с длительным поэтапным процессом перехода от неэффективного - к устойчивому состоянию, с дифференцированной альтернативой выбора мероприятий планирования и организации производства в системе многоуровневого управления. Необходимость оптимальной координации принятия решений в переходном периоде угольной отрасли обусловливает создание и применение эффективных алгоритмов и аппаратно-программных средств математического обеспечения ПЦУ .разработку методики автоматизированного прогноза оценок состояния потенциала угольных шахт, повышающих точность и надежность планов производства, на базе средств вычислительной техники математических методов оптимизации, представляющих актуальную научную задачу.

Тема диссертации непосредственно связана с выполнением комплексной программы реструктуризации угольной промышленности России, программой "Сибирь", программой РАН по приоритетным направлениям научных исследований ( ГН 12.3.6."Развитие информационных технологий и создание автоматизированных средств поддержки решений..") .региональной

программой информатизации, тематикой КемГУ и Кемеровского научно-образовательного комплекса(НОК).

Цель работы: разработать математическую модель и методы оптимизации промышленного потенциала шахт в переходном периоде отрасли. Идея работы: заключается в использовании закономерностей динамических систем многоуровневой структуры для прогноза и принятия альтернативных решений оптимизации параметров и процессов переходного состояния угольных шахт . Задачи исследований:

- разработать математические методы, алгоритмы и программы структурного анализа закономерностей переходного режима угольного производства с учетом особенностей развития потенциала отрасли как динамической системы;

-разработать критерии устойчивости и качества оптимального состояния потенциала угольных предприятий в иерархической структуре неравновесног о функционирования динамических систем;

- развить методическую базу моделирующих алгоритмов и аппаратно-программной среды для компьютерного эксперимента и оптимизации подсистем угольных шахт;

- разработать и исследовать экономико-математическую модель как средство синтеза математического обеспечения задач программно-целевого управления (ПЦУ) потенциалом угольных шахт;

- разработать методику автоматизированного прогноза состояния потенциала угольных шахт с учетом надежности организации проводства с использованием средств вычислительной техники и математических методов оптимизации.

Методы исследований :

- технико-экономический и информационно-статистический анализ, научное обобщение для оценки ситуации и тенденции реформирования угольных предприятий;

-методы распознавания образов и теории принятия решений для обоснования динамических критериев устойчивости и качества управления потенциалом угольных предприятий в переходном периоде; -методы идентификации и статистической аппроксимации многомерных данных для информационной базы ЭММ угольных шахт с иерархической структурой принятия решений;

- экономико-математическое моделирование, численные алгоритмы исследований , компьютерный эксперимент ;

- математические методы прогноза надежности угольного производства и системный анализ прогнозных оценок его эффективности для шахт при ограничении ресурсов в переходный период отрасли.

Научные положения выносимые на защиту:

- математические методы, алгоритмы и программы структурного анализа обеспечивают адекватность закономерностей переходного режима угольных шахт как динамических систем с длительным периодом перехода производственного состояния их потенциала от неэффективного - к устойчивому ,с возможностью стабильного развития по трем альтернативным ситуациям;

- в безразмерном пространстве базис-вектора показателей можно выделить главные компоненты многомерного признака, что позволяет обосновать динамические критерии устойчивости и качества оптимального управления неременным состоянием потенциала угольных предприятий в иерархической структуре принятия решений;

- методическая база моделирующих алгоритмов и аппаратно- программной среды включает разработку математических моделей оптимизации подсистем угольных шахт путем последовательного статистического анализа многомерных данных и методов аппроксимации параметров ЭММ для компьютерного эксперимента;

- структура ЭММ как средство математического обеспечения и оптимизации программно-целевого управления потенциалом угольных шахт декомпозируется на 4 взаимосвязанные задачи, частные решения которых координируются минимизацией функционала по Парето с учетом точности и надежности результатов моделирования;

- численные алгоритмы минимизации трех частных функционалов ЭММ сведены к модифицированным задачам; математического программирования: оптимального распределения ресурсов методом ветвей и границ; оптимизации потенциала с учетом транспортных затрат методом линейного программирования; нелинейной оптимизации внешних факторов ПЦУ (обеспечение ресурсами) методом обобщенного градиентного спуска; -методика автоматизированного прогноза оценок эффективности состояния потенциала угольных шахт с учетом оптимизации надежности бизнес-планов производства по факторам риска и резерва ограниченных ресурсов основана на базе средств вычислительной техники и методов нелинейного программирования .

Научная новизна заключается в следующем:

- в обосновании математических методов и алгоритмов структурного анализа динамического состояния потенциала шахт использована возможность представления закономерностей различных ситуаций переходного режима угольного производства в форме дифференциального уравнения,параметры которого идентифицируют три альтернативы отличающиеся глубиной спада

(или роста) и периодом перехода объекта исследования в новое устойчивое состояние: 1-е приростом; II - стабилизацией ; III - со снижением от исходного уровня потенциала отдельного предприятия ,либо их группы ;

- в разработке динамических критериев устойчивости и качества управления переменным состоянием потенциала угольных шахт, оценки которых установлены по максимуму правдоподобия для трех классов распознаваемых объектов с параметрами их разделяющих функций в иерархической структуре принятия решений;

- в развитии методической базы моделирующих алгоритмов и аппаратно-программной среды, отличающейся возможностью последовательного статистического анализа многомерных данных с компьютерной обработкой и планированием эксперимента на моделях подсистем угольных шахт;

-в разработке экономико-математической модели ПЦУ потенциалом угольных шахт .синтезирующей блок математического обеспечения задач оптимизации ,отличающейся иерархической структурой с возможностью декомпозиции на 4 взаимосвязанные задачи, на множестве псевдорешений которых осуществляется оптимальная координация стратегии многоуровневого управления по Парето;

- в разработке численных алгоритмов исследования переходных процессов переменного состояния потенциала угольных шахт, позволяющих компьютерный эксперимент с различными режимами моделирования при вариации (в пределах заданной точности) параметров ЭММ;

- в разработке методики автоматизированного прогноза состояния потенциала угольных шахт, отличающейся прогнозом надежности организации производства в условиях неопределенности принятия оптимальных решений по критерию Гурвица.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- достаточным объемом фактографических данных мирового сообщества, а также статистики по предприятиям угольной отрасли, анализом и научным обобщением проблемной литературы ;

построением логически непротиворечивых структурных схем компьютерной обработки многомерных статистических данных и производственной информации для обеспечения планирования эксперимента и экономико-математического моделирования;

- корректным использованием современной математической теории принятия решений , методов построения математических моделей, исследования алгоритмов, программирования и системного анализа;

- получением более точных и надежных моделей .сходимостью результатов экономико-математического моделирования и компьютерных экспериментов с фактическими ТЭП угольных шахт(ошибка не более 12%);

- положительными результатами использования методики прогнозной оценки эффективности состояния потенциала угольных шахт для обоснования предложений бизнес-планирования и организации производства в ОАО "Лснинскуголь".

Личный вклад автора состоит:

- в разработке математических методов, алгоритмов и программ структурного анализа закономерностей переходного режима угольного производства и научном обобщении проблемной ситуации;

- в разработке критериев устойчивости и качества оптимального состояния потенциала угольных предприятий в иерархической структуре принятия решений для переходного периода;

- в развитии методической базы моделирующих алгоритмов и аппаратно-программной среды для компьютерного эксперимента и оптимизации подсистем угольных шахт средствами экономико-математического моделирования;

- в построении и исследовании ЭММ для математического обеспечения задач программно-целевого управления потенциалом угольных шахт;

- в проведении компьютерного эксперимента с вариацией режима и параметров моделирования в широком диапазоне природных, технических и экономических факторов;

- в разработке методики автоматизированного прогноза состояния потенциала угольных шахт с учетом надежности организации производства на базе средств вычислительной техники и математических методов оптимизации.

Практическое значение полученных результатов заключается в том, что они позволяют:

- на основе разработанных принципов и методов выявить закономерности переходного периода угольного производства и идентифицировать параметры переменного состояния потенциала конкретных шахт;

- обосновать динамические критерии устойчивости и качества оптимального управления состоянием потенциала угольных шахт в иерархической структуре принятия решений для различных ситуаций переходного периода;

- развить методическую базу моделирующих алгоритмов и аппаратно-программной среды для планирования компьютерного эксперимента и оптимизации подсистем угольных шахт;

- осуществить синтез математического обеспечения задач программно-целевого управления потенциалом угольных шахт на основе разработки и исследования ЭММ;

разработать методику автоматизированного прогноза оценок эффективности состояния потенциала угольных шахт для обеспечения надежности принятия решений при планировании и организации

производства с использованием средств вычислительной техники и математических методов оптимизации. Реализация работы. Алгоритмы распределенная база данных и экономико-математические модели, как аппаратно-программная

среда математического обеспечения реализованы на ЭВМ , переданы в корпорацию "Кузбассинвестуголь". Методика автоматизированного прогноза оценок эффективности , компьютерный эксперимент и расчеты использованы в обосновании надежности бизнес-плана организации производства в ОАО"Ленинскуголь". Компоненты программного комплекса и моделирующие алгоритмы используются в учебном процессе кафедры маркетинга КемГУ.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения работы обсуждались на Международной научно-практической конференции "Проблемы реформирования региональной экономики" (сентябрь ,1994,Кемерово), международной научно-практической конференции" Регион: управление и информатизация"(сентябрь,1995 г., Кемерово); семинарах и конференциях ГИС - Ассоциации (Москва, 1996, (997 г.г.), научном семинаре БМТ (май ,1997, г. Тайань, КНР); международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (ноябрь, 1997г., Кемерово),научных семинарах КемГУ, КузГТУ, ИУУ СО РАН, научно-технических совещаниях НТЦ "Кузбассуглетехнология", корпорации "Кузбассинвестуголь", ОАО "Ленинскуголь".

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, включая монографию (14,5 пл.).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 163 страницах машинописного текста набранного на компьютере, включает 22 рисунка и 32 таблицы. Список литературы включает 147 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан анализ закономерностей реструктуризации предприятий угольной промышленности с учетом мировых тенденций изменения рынка угля и технологии. Показаны особенности развития потенциала угольной отрасли России и ее угледобывающих регионов, в частности Кузбасса.

Отмечено, что в экономике мирового сообщества уголь занимает существенную роль и стабилизирует общий баланс потребления энергоресурсов. В мировом потреблении энергии доля вклада за счет угля -25%, его запасы составляют около 68%, причем США, бывший СССР и Китай обладают главными запасами. Однако, США и Китай практически осуществляют свыше половины всей мировой угледобычи, а Россия снизила свой потенциал более, чем в 2,2 раза (около 220 млн.тонн в год). Это же характерно и для стран ЕС, однако здесь конверсия угольной промышленности обусловлена компенсирующим ввозом дешевого угля из других стран, которые наращивают объемы добычи (из Австралии, США, Латинской Америки, Южной Африки). Программы реструктуризации в Западной Европе и США на 15-20 лет опередили угольную отрасль России, проходили поэтапно (10-15 лет) на фоне "мягкого" спада мировой экономики.

Переходные периоды угольных отраслей обусловлены динамической реакцией темпов изменения потенциала (<1РЛИ) относительно его резерва (А-Р() во времени I (0,Т). С учетом различных "стартовых" (начальных при 1=0) условий статистически выявлено, по крайней мере, три качественно различные ситуации переходного режима, отличающие по глубине спада от номинального потенциала и динамике его перехода в новое устойчивое состояние : 1-е приростом (А>Ро); II - стабилизацией (А=Р0); III - со снижением от исходного уровня (А<Р0). Каждому типу динамической реакции соответствуют свои ресурсно-временные параметры переходного периода угольной отрасли. В значительной мере это связано с фактором НТП в технологии угледобычи. При полном периоде обновления технологии Т0=14-16 лет ее эффективное время применения составляет - 7,5 лет, т.е. за 30-летний период "застоя" в обновлении угольного потенциала шахт Кузбасса потеряно 4 поколения новых технологий. При этом физический износ обратнопропорционален проектному потенциалу шахт и изменяется гиперболически с периодом Ти=15-^20 лет. За каждый цикл технологического перевооружения угольные предприятия увеличивают свой потенциал примерно в УТ. Относительно базового уровня (1970 г.) на момент начала программы реструктуризации (1992 г.) отставание по фактору производительности труда (Ро) от США (Р») достигло 7-9 раз и аппроксимируется:

In (P./P„) =0.65( (2Т/ То)ш +(2T-TH)/T„), (1.1)

Следовательно для Кузбасса , стартовые условия реструктуризации были предкризисными. Поэтому глубина спада потенциала региона составила -45%, а число неэффективных предприятий порядка 50 единиц. Более того, экономическое "давление" затрат на транспортировку угля за пределы Кузбасса в рыночных условиях маркетинга, замкнули ареал углепоставок в радиусе 1000-1200 км. Динамика изменения добычи угля описана аппроксимирующей кривой:

D(t)=245.4(t/42.3)2'2 exp(-t/42.3) (1.2)

Здесь за t=0 принят условно 1885 год.

Следует сказать, что характер кривой (1.2) связан не только с объективными факторами горного производства, сколько с экономической нестабильностью за последние пять лет.

По нашему мнению, даже при существовавшей инвестиционной программе (до 1985 г.) добыча угля поддерживалась бы в соответствии с логистической кривой на уровне "сатурации" порядка 145-150 млн. тонн (в принципе, это оптимум техногенной нагрузки на бассейн). Для поддержания такого уровня необходимо, чтобы инвестиции превосходили величину (без учета индекса цен):

K(t)=10.0(to+t)1/2+70.0 (1.3)

В выражении (1.3) за1о=70 принят 1970 год.

Другой важный показатель - себестоимость добычи (Со,р/т) - связан с производительностью труда (Р0,т/мес) гиперболически, взависимости от типа сложности горно-геологических условий (ГГУ) <и>={ 1,2,3,4}, т.е.:

Со=2.2/(3,0+Ро)—2.2/(3.0+153.5<и>"13) (1.4)

Огромная стоимость шахтного оборудования привела к сокращению числа очистных забоев. Так, удельные затраты на 1 тонну готовых запасов составляют 20-80 руб/т, что при производительности труда менее 150-200 т/мес. не обеспечивает конкурентоспособность угольных шахт.

Режим "жесткой" санации неэффективных производств также находится в противоречии: с одной стороны - высокие затраты на ликвидацию шахты с учетом требований безопасности, а с другой- недостаточная

обеспеченность подготовки новых рабочих мест, создающая социальную напряженность отрасли.

Реальный "шанс" выхода из кризиса угольных предприятий региона возможен за счет жесткого ресурсосбережения, оптимизации

промышленного потенциала с выходом на конкурентоспособный уровень ТЭП: производительности труда, себестоимости, удельных капвложений и других показателей эффективности производства. С учетом факторов запаздывания программы реструктуризации угольной отрасли и снижения государственной поддержки, крупномасштабное привлечение ресурсов в Кузбасс, включая инвестиции, в значительной мере может быть компенсировано за счет многоуровневой оптимизации решений в системе программно-целевого управления (ПЦУ) на базе экономико-математического моделирования и информационных технологий.

Крупные запасы и высокое качество углей Кузбасса позволяют в рыночных отношениях развить потенциал горного производства нового технического уровня, в XXI веке создать его стратегический резерв и качественно новые технологии теплоэнергетического и углехимического использования угля, расширить область нетрадиционных геотехнологий.

Решение этих вопросов в рамках стратегии ПЦУ связано не только с научно-техническими задачами , но и научным обеспечением планирования крупных проектов обновления угольного потенциала, использования эконометрических закономерностей взаимосвязи "ресурсы-выпуск" , с учетом критериев устойчивости и качества управления переменным состоянием угольных шахт, как горноэкономических систем.

Научный метод на основе экономико-математического моделирования (ЭММ) достаточно развит основоположниками отечественной горной науки Б.И.Бокием, . А.С.Поповым, Л.Д.Шевяковым, М.И.Агошковым, Н.В.Мельниковым и их последователями.

Исследования ЭММ при решении задач оптимального планирования и управления угольными предприятиями посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых. Крупный вклад в современную теорию и методы математического моделирования с применением ЭВМ внесли научные школы А.С.Астахова, А.С.Бурчакова,

B.И.Ганицкого, Г.И.Грицко, В.М.Зыкова, М.А.Ревазова, Е.И.Рогова, М.И.Устинова, В.А.Харченко и другие.

Экономические задачи отраслевого и регионального угольного комплекса решали Н.А.Архипов, М.А.Вирула, М.М.Гурен, В.И.Ильин, Ю.Н.Кузнецов, А.М.Лавров, В.В.Михайлов, Е.С.Никонов, А.М.Пяткин,

C.И.Петрович, С.С.Резниченко, В.С.Суршш, Р.Д.Шнипер, А.Б.Яновский

и другие. В работах этих авторов рассмотрены процессы отраслевого и регионального уровня управления угольной промышленностью и оптимизации производства на шахтах и разрезах. Однако, вопросы

системного анализа потенциала угольных предприятий в переходный период отрасли изучены недостаточно. Это позволило сформулировать цель и задачи наших исследований.

Вторая глава посвящена обоснованию эконометрических критериев устойчивости и качества развития потенциала шахт в переходном периоде отрасли.

Методы экономико-математического моделирования и ПЦУ предполагают привлечение разнообразной технико-экономической информации, включая данные:

- о производственно-финансовой деятельности;

- о рыночной конъюктуре и маркетинге угля;

- о минерально-сырьевых ресурсах (запасах);

- о трудовых ресурсах;

- бизнес-планов вариантов реструктуризации горного производства;

- об экологической обстановке;

- привлечение дополнительной и специальной информации.

Математическая обработка разнотипных данных сводится к процедурам последовательного статистического анализа для последующего построения регрессионных статистических моделей (блок-1), а также ЭММ оптимизации (блок-2). Схема представлена в диссертации.

Для обоснования выбора вектора показателей Х={Хь Х2, Х3},

включающих три группы: Х( - природные и производственно-технические показатели шахт; Х2 - финансово-экономические и трудовые показатели; Х3 - показатели рыночной конъюктуры и маркетинга угля, государственных дотаций и заказов, которые составляют размерность вектора 1x1 = 8+12+7=27 величин, выбрана группа наиболее представительных шахт (для тестирования), табл Л

Предложены безразмерные и специальные нормировки критериев и комплексов ТЭП, которые обеспечивают адекватную процедуру экономического анализа информации на ЭВМ. Так, установлены безразмерные комплексы {У} ТЭП позволяющие "распознавать"степень экономической неустойчивости. Формально вектор Уч представляет первые Ч(1=5) главные компоненты многомерного признака {Хр} (р=27), каждая компонента которого масштабирована преобразованием х*д = (где

О; - дисперсия X;) [ ? ].

При анализе модели угольной шахты, как горно-экономической системы в(8) в пространстве технико-экономического состояния 8ес8 выделено два подпространства Б^Бо^. (Бо - устойчивых и Б. - неустойчивых состояний), относительно которых может быть определена вероятность принадлежности РС(К), как вероятность экономической устойчивости системы С(5с) но критерию качества К[1]=4(УЧ).

Таблица 1

Наименование площадь пром. произв. стои- числен. себе-

шахтного Запасы мощ-ти мость трудя- стои-

шахты, ш/у поля угля основ. щихся мость

км2 фонд.

тыс.т тыс.т/год млн.руб чел. руб/т

Есаульская 11.3 51937 450 26.0 1062 25.70

Усинская 3.0 12954 600 11.) 1070 33.77

Грамотеинское 7.5 11089 1200 24.0 1622 28.46

им.Шепякова 24.0 313746 1250 46.5 2540 47.69

Байдаевская 14.2 227955 1500 53.9 2509 35.66

Юбилейная 18.7 99066 1500 110.5 2295 29.56

Полосухинская 16.0 114376 1650 96.5 1938 32.88

Кольчугинское 12.0 59608 1700 40.6 1850 20.77

Ярославского 12.5 25706 2100 54.2 2700 26.63

Инская 21.0 507052 2300 86.2 2804 27.77

имЛенина 13.5 140000 2700 81.5 3400 29.95

Абашевская 33.8 250713 3000 84.3 3714 29.67

им.Кирова 56.0 168826 3000 102.0 2736 29.19

Распадская 44.0 500000 7200 166.8 5730 38.30

В диссертации показано, что рассматривая модель шахты как "черный ящик" относительно входов и выходов ЭММ, каждому целочисленному индексу {¡] выделенных классов (¡=1,2,3) соответствуют определенные уровни вероятного критерия устойчивости 1и=(Ре(к) > Рр]). В табл.2 приведены значения критериев устойчивости и качества для трех классов шахт, распределенных по категориям технико-экономического состояния потенциала.

Таблица 2

Категории состояния шахт

1 класс 2 класс 3 класс

перспективные (устойчивые) переходящие в нестабильность неперспективные (неустойчивые)

МП 4Ш И Ш] •Г»[3] 4 [31

> 0.850 > 1.2-1.35 0.313*0.85 0.8*1.1 <0.313 <0.49*0.65

Классификация угольных шахт позволяет выделить более трех классов с помощью методов распознавания образов и байесовской теории принятия решений [£], однако интерпретация разделяющих функций - по критериям (1„, 4) утрачивает свой смысл.

Поскольку в стратифицированной ЭММ шахты выделены три основных уровня: Т - "технология", Б - "экономика", I - "информация", то декомпозиция структуры модели {TxExI} на подсистемы допускает агрегирование их функциональных характеристик Fj (Xj —> Yj) на каждом j- ом уровне. Такой подход позволяет актуализировать информационную базу данных (БД ЭММ), под конкретные задачи и компьютерный эксперимент методами информационных технологий. Более того, при структурировании файлов БД ЭММ предусмотрено удобство корреляционного и регрессионного анализа взаимосвязи ТЭП, а также транзитивность и согласованность вычислительных процедур последовательной обработки информации в иерархической структуре принятия решений.

Введен критерий технико-экономического уровня (ТЭУ) шахт в виде (Уш - прибыль, Пш - потонная ставка запасов угля):

^У^ШРШ/(СШ-ПШ), (2.1)

который связан параметрами качества технологической системы (ТС):

Jrjy = D(/( 1 +JTi,ul); D0=exp(3.0 + 0.266 <u> -0.06t). (2.2)

Здесь D0 - комплексный показатель "добротности ТС" (определяется интенсивностью, концентрацией и масштабом) в зависимости от сложности ГГУ <ц=1,2,3,4> и влияния временного износа; Jmil -комплексный показатель сложности технической инфраструктуры шахты (ТЙШ - определяется по методу проф. В.Н.Вылегжанина).

Первоначальная загрузка БД ЭММ осуществлена по 42 объектам исходного массива и позволила в критериальной системе {J„, J^, J„y} обеспечить идентификацию и статистическую аппроксимацию ТЭУ трех классов угольных шахт, выявить по каждому наилучших представителей -эталонов и радиусы разброса ТЭП шахт относительно эталонных значений. Таким образом распределенная БД обеспечивает адресную оптимизацию мероприятий бизнес- планирования по переводу шахт в рациональные состояния при ограниченных ресурсах.

В третьей главе рассмотрены экономико-математические методы и модели (ЭММ) управления потенциалом угольных предприятий региона. Принятые в основе директивные документы "Программы реструктуризации угольной промышленности Кузбасса с учетом реальной ситуации и международного опыта позволили сформулировать требования к программно-целевому осуществлению ее этапов в масштабах региона. Разработаны возможные сценарии программно-целевого управления (ПЦУ), предусматривающие декомпозицию дерева целей - устойчивого развития

регионального угольного комплекса по подцелям, увязанным с вариантами и подпрограммами, базирующимися на бизнес-планах акционерных угольных объединений и конкретных предприятий.

Показано, что двухуровневая постановка задачи этапно-эшелонной оптимизации ПЦУ позволяет при единой информационной базе для принятых альтернатив АгА5 и вариантов Вг В4 рассмотреть множество решений с индивидуальной эффективностью мероприятий, согласованных общей координацией "стоимость-время-эффект" в пространстве выбора "цель-альтернатива" {СхА}. Причем, полное формализованное описание задачи регионального управления потенциалом угольных шахт в переходном периоде отрасли представляетфункциональная система:

Р(С0,Х): (С*А*В) —>У(и,Т0). (3.1)

Для частных реакций системы ^е^То), соответствующих локальных ситуациям принятия решений в момент времени 16То (То - полный период осуществления программы региональной реструктуризации угольного комплекса) - существует множество вариантов {^С^Х^У)! 1еТо} относительно входных X, и выходных У, векторов, соответствующих дереву целей, сценариям и вариантам ПЦУ экономическими процессами пеструктуризации. В рамках теоретико-множественного синтеза ЭММ [3] сформулирована последовательность решения 4-х взаимосвязанных задач, которые здесь не перечисляются, но соответствуют альтернативным вариантам ПЦУ при различных ограничениях на инвестиции и внутреннюю рссурсоемкость горных предприятий.

Программа оптимизации записывается в виде

1=3

Фо=шт Ец(ФКУ0 (3.2)

¡=1

1=3

1№=1,(1,>0,УеНЛн; (3.3)

¡=1

здесь Ц| - число Парето; Ф; - частные функционалы затрат относительно векторов решений У|бУ; Нк°*Нп° - пространство допустимых параметров решений на множестве природных, экономических и технических факторов заданных непрерывно и дискретно.

Алгоритм реализации ЭММ (3.2) - (3.3) основан на принципе "дерева ветвления" предложенного В.С.Михалевичем, с учетом ресурсных оценок,

формирующих матрицу их объектно-временного распределения {R(i j t)} для выполнения расписания {t¡j} приоритетных мероприятий m°(í j t), te То-Затем составлены частные функционалы ФЬФ2,Ф3, которые с учетом радиуса ареала углепоставок р(А) при известных тарифах транспортных расходов определили такое размещение потенциала угледобычи и таких объемов перевозок, чтобы удовлетворить спрос угольного рынка с минимальными затратами, при которых фиксирование инвестиционной господдержки (дотации) приводит к режиму "мягкой санации" при различных вариантах модернизации или закрытия шахт.

Основная программа (3.2) приводит к виду:

1=3

Ф0=Ф*(1+а 2n¡Z¡(yi)) (3.4)

i=l

где а - параметр стратегии координации, связанный с коэффициентом самофинансирования а=1-КСф; Kc(j,c(0.1).

Для численной реализации ЭММ установлены необходимые и достаточные условия приближения Ф0—>Ф . При любых 1 ä а >0 "оптимум сдвигается вверх" Ф0й Ф , если обеспечено

(1 -а.)=Р'{ФгФо} <Ф/ДФ* (3.5)

при а»=0.95; ta= 1.96; с.=0.1 , причем обоснованное решение достигается при числе итераций W»= t2a Р*(1-Р*)/С2. и 85(Р*=0.67).

Численные алгоритмы минимизации трех частных функционалов Ф| =®*Z¡ (y¡) в (3.2), (3.4) сведены к модифицированным задачам математического программирования: метода ветвей и границ, линейного программирования и обобщенного градиентного спуска [7]. В компьютерном эксперименте при вариации граничных условий сопряженных задач (с учетом точности и надежности результатов моделирования) предусмотрена специальная логическая процедура согласования входов и выходов вычислительных процедур uk(x¡ ,y¡) uk eU для допустимых последовательностей алгоритма QA(U)cPlc(U) относительно финитных преобразований {xt—>yt—..->x,~»y¡-».. .—»уJ, kePk(U). Разрешение противоречий в ограничениях задач R(x,y| U) обеспечивается условиями не пересечений (u¡ nr¡ (x¡,y¡)=0) и вложенности {q¡ (u¡, r¡)aq¡+i (ui+i, r¡+i)}, при которых гарантируется совместность решения в информационной среде БД ЭММ.

Информационно-программное обеспечение ЭММ включаем распределенную базу данных с СУБД "FOX BASE", стандартный ПГПТ'ОТЕХ", разработанные программы в среде'ТШВО PASKAL"

и функции табличного процессора "EXCEL".

По результатам исследования ЭММ нами предложено в рамках экономических координат Ej («j Zj) отобразить распределение угольных шахт в осях {a, z} для новых, старых и передовых шахт угольного мирового сообщества [6].

Формальные параметры {a, z} определены через отношения характеристик потенциала действующих и новых шахт Кузбасса.

Таблица 3

Шахты а Z

действующие а = Р, / Z] ZH C,Ai/F,

новые а = Р2/ Z, z2=W c2a2/k2

Примечание: Pj - осредненный потенциал шахт } - й категории; С) -себестоимость добычи угля; Лj - годовая осредненная производительность шахты; активные фонды потенциала шахты;

Кг - капиталовложения на строительство новой шахты с эквивалентным потенциалом.

Точки параметров старых и новых шахт в плоскости {а, Z}внесены дифференцировано (рис.)

С

рис. Анализ ТЭУ потенциала новых и старых шахт дифференцировано по категориям: о - тестируемые шахты; о - проекты шахт-новостроек; * - иностранные шахты.

d

0 20 40 60 80 Z

Плоскость {а, Ъ} разделена огибающей кривой с-Ь-ё, которую можно аппроксимировать гиперболой вида: а= 2594.7/^-23.4).

Все параметры шахт {а, находятся слева от гиперболы, а справа их нет. Это имеет определенное экономическое объяснение, если на плоскости {а, 2} совмещение представить кривые эффективности использования ' потенциала Е,(Р) и Б2(Р) для которых применен введенный ранее показатель ТЭУ (2.1), сглаженный осреднением по каждой группе новых (к=1) и старых шахт (к=2):

Еь (Р) = 2 V, Р, / [(С; - Р; ) (Ик -) + 1)], ) 6 N.. (3.6)

Здесь Ык - соответствующее число шахт в группе (к= N2).

Угол Ойг - между линиями Е1 & Ег имеет экономическую интерпретацию. Только 17.5% шахт имеют конкурентоспособность, около 50% - стабильные, 25% - с неустойчивой эффективностью; остальные 7.5% - экономически неэффективны. Это обусловлено приращением технической инфраструктуры шахт (ТИШ) пропорционально:

1о0 = Аа/Л7. = Р(ЛЕШ„ш) (3.7)

где р=сопз1 - числовой параметр, равный 2.047, ДЕ и А]шш - изменения эффективности за счет приращения ТИШ.

При недостаточности инвестиционной поддержки происходит техническое старение шахт, сопровождаемое приростом ее ТИШ, которое зависит от разности капвложений в новую шахту К] и ее остаточных основных фондов Р2, т.е.

Д.^0.432V КГК2 (3.8)

Получены оценки периода "мягкой санации" в зависимости от длительности реструктуризации (Т0=3.5 - 10 лет), коэффициента самофинансирования и сложности ГТУ <и> = (1,2,3,4):

(ЕР/КР)((1*а-1 )-Е|I Т„(1+1/ц) >1С > 3.5+0.5 <и>. (3.9)

Здесь ЕР - эффективность общего изменения потенциала шахтного фонда; КР - потребные приведенные капитальные затраты по мероприятиям ПЦУ; £1=1./ЕР - дотационное отношение;

а=(1-КСф)= 0.04+0.76; КР=(36+42)104; ц=1.00+2.33; Ен=0.15.

Расчеты показывают, что и рамках локальной модели оптимизации ПЦУ линейная зависимость "мягкой" санации шахт утверждает предельную возможность каждого предприятия в условиях самофинансирования и риска горных аварий. В диссертации приведены расчетные и фактические ТЭП основных акционерных обществ угольных районов Кузбасса, обобщенные по результатам компьютерного эксперимента с помощью ЭММ. Показано, что за счет оптимизации появится дополнительная возможность расширения подпрограмм альтернатив А!,Аз-А5 примерно на 20%, что соответствует интересам стабилизации социального обеспечения региона.

В четвертой главе изложена методика прогноза оценок эффективности управления стабилизацией экономики угольных шахт региона с учетом надежности планирования производства при ограниченных ресурсах.

В основе методики прогноза эффективности потенциала угольных шахт с учетом ограничений координирующих параметров ПЦУ использован математический аппарат производственных функций (ПФ). Для интегральной оценки эффективности управления технико-экономическим состоянием потенциала угольных шахт исследованы неравновесные модели ПФ типа(у=Дх), хеЯп, х=х|, х2,... ,х„)):

У(») = УоФоа1 • ■ N0% ехр[ № -10)]. (4.1)

Здесь для удобства анализа ПФ, величины активных фондов Ф0, активных запасов Ъц и численности трудящихся N0 приведены к безразмерному виду. Временной фактор учитывается с момента начала переходного периода отрасли I = 1о, а параметр р обратно-попорционален периоду реструктуризации (санации). В диссертации исследованы свойства ПФ и приведены методы оценки их параметров путем решения задачи безусловной минимизации с преобразованием ПФ к виду модифицированной функции Кобба - Дугласа:

Цх,а) = к+11 ПхИ'^1- (4.2)

¡=1 ¡=1

Для шахт - эталонов каждого из 3-х классов экономической устойчивости (см. табл. 2) их оптимальные состояния в пространстве коэффициентов ПФ: n n п

q¡=x¡/xo; х0= Z х,; Кс=П q¡a¡; £a¡=l i=l М j'l

определяет функция (4.2), которая принимает вид:

f(x,a) = a,1+i ■ Kc • x0 = К • x0. (4.3)

Следовательно линеаризуется эластичная связь "ресурс-выпуск" Y = f(X, u) с матрицей управления G(u).

В условиях неопределенности по факторам риска и резерва ограниченных ресурсов эффективность реализации бизнес-плана мероприятий по вариантам ПЦУ с заданной надежностью Но по критерию Гурвица определена в виде:

Э^ЩЗ-ЗоЭУо-Еи-З«, . (4.4)

30 - оптимум функции затрат 3(х0,уо) при выпуске Yo(Xo) по методу Лагранжа; Е„ = 0.15 - коэффициент сравнительной экономической эффективности; Зсд - единовременные затраты, связанные с разработкой и внедрением мероприятий бизнес-плана.

В программе реструктуризации Кузбасса для энергетических углей основной потенциал приходится на шахты ОАО "Ленинскуголь". Поэтому для иллюстрации методов выполнена оценка надежности и эффективности мероприятий бизнес-планирования для угольных шахт ОАО"Ленинскуголь" в переходном периоде.

Вероятность экономической устойчивости Р[к] в таблице 4 оценивалась по методу изложенному во второй главе, а ее дополнение, осредненное по всем шахтам, можно принять за оценку риска а ~ 1 - Р[к] = 0.320.

Таблица 4

Наименование предприятия параметры ПФ Yfi] КМ вероятность экон.устойч. PfKl надежность бизнес/плана Н

АО ш.им.Кирова З.ОЕ+ОЗ 9.75 Е-01 0.689 0.875

ш/уКольчугинское 1.7Е+03 1.09 Е+0 0.720 0.845

АО ш.Кузнецкая 1.0Е+03 6.75 Е-01 0.630 0.790

среднее по шахтам 1.6 Е+03 9.60 Е-01 0.680 0.829

ОАО" Ленинскуголь" 13.7 Е+03 7.65 Е-01 0.672 0.832

Относительно группы шахт ОАО"Ленинскуголь" для ПФ получены следубщие оценки коэффициентов эластичности.

Таблица 5

коэффициенты эластичности ПФ

К0=К0 a,=afl] а3 = а[2] а3=аГ31

6.20 Е + 00 1.10 Е-02 5.33 Е-01 4.56 Е-01

Прогнозные оценки эффективности управления технико-экономическим потенциалом угольных шахт выполнены и для других районов Кузбасса ("Северокузбассуголь", "Беловоуголь", "Киселевскуголь", "Прокопьевскуголь"), а также для осваиваемых месторождений Ерунаковского района. Показано, что оптимизация ПЦУ экономической перестройкой предприятий имеет свою специфику не только для отдельных угольных районов Кузбасса, но и конкретных предприятий. С учетом эгого сформулированы основные предложения по управлению реструктуризацией шахт, позволяющих рационально использовать государственную поддержку угольного потенциала региона [ 7 ].

В порядке обобщения результатов моделирования следует отметить, чго разработанный аппарат аналитико-программных исследований и выполненные на его базе компьютерные эксперименты, доведены до количественных результатов, не исчерпывают возможностей ЭММ и позволяют расширить область применения методики прогноза эффективности потенциала угольных шахт при ограниченных ресурсах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи разработки экономико-математической модели и методов оптимизации промышленного потенциала угольных шахт, имеющей существенное значение для программно-целевого управления и организации производства в переходный период отрасли.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем.

1. На основе разработанных принципов и методов структурного анализа динамического состояния потенциала шахт реализовано представление закономерностей различных ситуаций переходного режима угольного производства с длительным периодом перехода(10-15лет) от неэффективного - к устойчивому с возможностью идентификации параметров трех альтернатив, отличающихся глубиной спада от номинального потенциала и временной реакцией перехода его в новое устойчивое состояние: 1-е приростом; II - стабилизацией; III - со снижением от исходного уровня.

2.Анализ и научное обобщение проблемной ситуации показывают ,что применение средств вычислительной техники и математических методов построения моделей исследуемых шахт, как динамических систем позволяет создать эффективное средство оптимального управления их потенциалом в иерархической структуре принятия решений для компенсации ограниченных ресурсов.

3. Методами распознавания образов в безразмерном пространстве базис-вектора показателей, представленных тремя группами {XI ,Х2,ХЗ} с общей размерностью 27 величин, выделены главные компоненты многомерного признака позволившие обосновать динамические критерии устойчивости Уи) и качества (Лс) управления оптимальным состоянием потенциала угольных предприятий, удобные для корреляционного и регрессионного анализа взаимосвязи ТЭП в переходном периоде.

4. В развитии методической базы моделирующих алгоритмов и аппаратно -программной среды на основе математических моделей подсистем угольных шахт, путем последовательного статистического анализа многомерных данных и аппроксимации параметров ЭММ по 42 объектам исходного массива сформирована матрица планирования компьютерного эксперимента , позволяющая в агрегированном виде построить модели производственных функций( ПФ), используемых в процедурах многоуровневого управления как "черный ящик" относительно входов и выходов ЭММ.

5. Разработана и реализована на ЭВМ экономико-математическая модель ПЦУ потенциалом угольных шахт региона с декомпозицией на 4 взаимосвязанные задачи, частные решения которых координируются минимизацией функционала {Фо} по Парето с учетом точности и надежности результатов моделирования : =0.95; I =1.96; Р =0.67; С =0.1, для которых общее число вариантов реализации ЭММ =85.

6. Численные алгоритмы минимизации трех частных функционалов {Ф1, Ф2, ФЗ} экономико-математической модели сведены к модифицированным задачам математического программирования: метода ветвей и границ, линейного программирования и обобщенного градиентного спуска. При последовательном решении обеспечивается согласование входов и выходов сопряженных задач и разрешение противоречий в ограничениях, позволяющих компьютерный эксперимент с различными режимами вариации параметров ЭММ.

7. Разработанная методика автоматизированного прогноза оценок эффективности состояния потенциала угольных шахт основана на нелинейной (по Лагранжу) оптимизации надежности бизнес-планов организации производства с учетом факторов риска и резерва ограниченных ресурсов в переходном периоде. В условиях неопределенности эластичная связь "ресурс-выпуск" У=£(Х,и) с матрицей управления С(и) задается с помощью ПФ.

8. В результате моделирования и компьютерных экспериментов получены прогнозные оценки вероятности Р(к) и качества К('0 экономической устойчивости для угольных шахт Кузбасса, распределенных на три категории; дан анализ технико-экономического уровня (ТЭУ),потенциала новых и старых шахт в сопоставлении с иностранными шахтами, которые распределяются в осях поля эффективности Е( Я,г) определенным образом

имеющим экономическую интерпретацию; исследованы эффективности (ЕР) изменения потенциала шахтного фонда от приведенных капитальных затрат (КР) по мероприятиям ПЦУ в зависимости от уровня ресурсного обеспечения и различных режимов "мягкой" санации; получены оценки надежности бизнес-планов организации производства для предприятий ОАО "Ленинскуголь"с учетом критерия риска по Гурвицу ( =1-Р(к)=0.320 - определенному по всем шахтам ОАО). 9. Реализация разработанного аппарата аналитико-программных исследований, включая информационную базу данных ЭММ, комплекс моделирующих алгоритмов и компьютерных программ, позволяет повысить надежность прогноза и эффективность оптимизации потенциала угольных шахт в системе прииятия решений ПЦУ в переходный период отрасли (по расчетам капиталовложений примерно на 20%).

Основные положения, методы исследований, результаты исследований, выводы и практические рекомендации диссертации достаточно полно отражены в следующих восьми, включая монографию, научных работах автора:

1. Динамика производственной мощности угольных предприятий Кузбасса с учетом политики инвестирования. - Вылегжанина И.И., КузГТУ, сборник «Вопросы экономики», 1993г.

2. Альтернативы развития геосистем угольных шахт Кузбасса. - Брагин В.Е., Вылегжанина И.И., Постников В.И., Кузбассуглетехнология, сборник научных трудов №7, 1994г.

3. Дифференцированная оценка экономического потенциала шахт и перспективы его использования в современных условиях. -Вылегжанина И.И., Решетов С.Е., Кузбассуглетехнология, сборник научных трудов, №8,1994г.

4. Анализ влияния сложности инфраструктуры шахты на уровень конкурентоспособности ТЭП. - Вылегжанина И.И., Русаков С.П„ Юй Шен-Вень, КузГТУ, сборник научных трудов, 1995г.

5. Анализ и выводы по оценке производственного потенциала угольных шахт Кузбасса с определением эффективности мероприятий вхождения в рынок в условиях ограниченной государственной инвестиционной поддержки. - отчет НИР (ИГД АЕИ РФ), Кемерово, 1995г.

6. Эффективность оптимального управления реструктуризацией угольных предприятий. -Вылегжанина И.И., Конспекты докладов делегации российских ученых в КНР, Кемерово - Шандунг, 1997г.

7. Проблемы эффективности реструктуризации угольной промышленности Кузбасса. - Лангольф Э.Л., Вылегжанина И.И,, Мазикин В.П., Кузбассвузиздат, 1997г.

8. Эффективность реструктуризации: особенности для крупных угольных шахт. - КузГТУ, тезисы докладов Международной научно -практической конференции, 1997г.

Автор

Подписано к печати ti.0f.9S. Формат 60x84'/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № ЪЧО.

Издательство "Кузбассвузиздат". 650043 Кемерово, ул. Ермака, 7. Тел. 23-34-48.

Кемеровский Государственный Университет

, ~ / f ■■'». / л/ „. /

( 7 / ч / ' / / / , "/ На правах рукописи

V.'1" I! ^ Ч»#

ВЫЛЕГЖАНИНА ИРИНА ИВАНОВНА

ЭКОНОМЖО - МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОГО ПОТЕНЦИАЛА УГОЛЬНЫХ ШАХТ КУЗБАССА В ПЕРЕХОДНЫЙ ПЕРИОД ОТРАСЛИ

Специальности: 05.13.16 - "Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)", 08.00.28 - "Организация: производства"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.э.н., профессор А.М.Лавров

КЕМЕРОВО -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение (общая характеристика работы).......................... 4

Глава 1. Анализ закономерностей реструктуризации предприятий

угольной промышленности. Научные проблемы исследования динамических систем................................................ 10

1.1. Мировые тенденции изменения рынка угля и технологии. ...

1.2. Анализ развития потенциала угольной промышленности и особенности переходного периода для горных предприятий Кузбасса.................................:..............................................

1.3. Методы математического моделирования в исследованиях систем принятия решений при управлении горными предприятиями..........................................................................

Глава 2. Обоснование эконометрических критериев устойчивости

и качества развития потенциала шахт в переходном периоде отрасли.................................................................................. 37

2.1. Информационно - статистический анализ распределения ТЭП производственной деятельности угледобывающих предприятий................................................................................

2.2. Анализ модели угольной шахты, как горно - экономичес-

кой системы................................................................................

2.3. Обоснование эконометрических критериев. Актуализация информационной базы данных экономико-математического моделирования угольных шахт....................................

Глава 3. Разработка и исследование экономико-математической модели(ЭММ) управления потенциалом угольных предприятий региона. ......................................................................54.

3.1. Обоснование и постановка задачи программно-целевого управления (ПЦУ) потенциалом шахт в переходный период отрасли................................................................

3.2. Разработка ЭММ и ее информационно-программного

обеспечения..............................................................................

3.3. Численные алгоритмы и исследования ЭММ. Классы задач компьютерного эксперимента технико-экономического состояния потенциала угольных шахт Кузбасса и их оптимизация.............................................................

Глава 4. Методика прогноза оценок эффективности управления стабилизацией экономики угольных шахт региона с учетом надежности планирования производства при ограниченных ресурсах..........................................................95

4.1. Методика прогноза эффективности потенциала угольных шахт в условиях ограниченных ресурсов.............................

4.2. Математические методы оптимизации надежности бизнес-планов производства по факторам риска и

резерва ограниченных ресурсов в переходном

периоде......................................................................................

4.3. Обобщение результатов моделирования. Прогнозные оценки эффективности управления технико-экономическим потенциалом угольных шахт Кузбасса...................

Заключение.................................................................................................123

Литература..................................................................................................125

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы, В задачах оптимального планирования и организации угольного производства из современных методов исследований математическое моделирование является наиболее

эффективным,позволяющим комплексно описать взаимосвязи параметров и подсистем таких сложных объектов , к которым относятся угольные шахты .При этом рассматривая угольные предприятия , как горноэкономические системы ,с особенностями их динамических реакций в переходном периоде отрасли ,на базе средств вычислительной техники и математических методов оптимизации открывается возможность синтеза математического обеспечения задач программно-целевого управления(ПЦУ) потенциалом угольных шахт в иерархической структуре принятия решений .Сочетание технологических, экономических и информационных факторов динамической неравновесности потенциала угольных предприятий необходимость обработки многомерных данных требуют построения адекватной экономико-математической модели (ЭММ) для компьютерного эксперимента и оптимизации подсистем угольных шахт.

За период 1992-1997 годы был реализован первый этап реструктуризации предприятий отрасли, существенно отличающийся от передовых стран мира по глубине спада ,временной задержке и интенсивности осуществления программы переходного периода. Структурный анализ закономерностей переходного режима угольного производства с учетом особенностей развития потенциала отрасли и конкретных шахт показал недостаточность научного сопровождения при решении этих вопросов. Для угольных шахт с ограничением ресурсов это связано с длительным поэтапным процессом перехода от неэффективного - к устойчивому состоянию, с дифференцированной альтернативой выбора мероприятий планирования и организации производства в системе многоуровневого управления. Необходимость оптимальной координации принятия решений в переходном периоде угольной отрасли обусловливает создание и применение эффективных алгоритмов и аппаратно-программных средств математического обеспечения ПЦУ разработку методики автоматизированного прогноза оценок состояния потенциала угольных шахт, повышающих точность и надежность планов производства, на базе средств вычислительной техники ^ математических методов оптимизации, представляющих актуальную научную задачу.

Тема диссертации непосредственно связана с выполнением комплексной программы реструктуризации угольной промышленности России, программой "Сибирь", программой РАН по приоритетным направлениям научных исследований ( ГН 12.3.6. "Развитие информационных технологий и создание автоматизированных средств поддержки решений..") региональной программой информатизации, тематикой КемГУ и Кемеровского научно-образовательного комплекса(НОК) .

Цель работы: разработать математическую модель и методы оптимизации промышленного потенциала шахт в переходном периоде отрасли. Идея работы: заключается в использовании закономерностей динамических систем многоуровневой структуры для прогноза и принятия альтернативных решений оптимизации параметров и процессов переходного состояния угольных шахт. Задачи исследований:

- разработать математические методы, алгоритмы и программы структурного анализа закономерностей переходного режима угольного производства с учетом особенностей развития потенциала отрасли как динамической системы;

-разработать критерии устойчивости и качества оптимального состояния потенциала угольных предприятий в иерархической структуре неравновесного функционирования динамических систем;

- развить методическую базу моделирующих алгоритмов и аппаратно-программной среды для компьютерного эксперимента и оптимизации подсистем угольных шахт;

- разработать и исследовать экономико-математическую модель как средство синтеза математического обеспечения задач программно-целевого управления (ПЦУ) потенциалом угольных шахт;

- разработать методику автоматизированного прогноза состояния потенциала угольных шахт с учетом надежности организации проводства с использованием средств вычислительной техники и математических методов оптимизации.

Методы исследований :

- технико-экономический и информационно-статистический анализ, научное обобщение для оценки ситуации и тенденции реформирования угольных предприятий;

-методы распознавания образов и теории принятия решений для обоснования динамических критериев устойчивости и качества управления потенциалом угольных предприятий в переходном периоде;

-методы идентификации и статистической аппроксимации многомерных

данных для информационной базы ЭММ угольных шахт с иерархической структурой принятия решений;

- экономико-математическое моделирование, численные алгоритмы исследований , компьютерный эксперимент ;

- математические методы прогноза надежности угольного производства и системный анализ прогнозных оценок его эффективности для шахт при ограничении ресурсов в переходный период отрасли.

Научные положения выносимые на защиту:

- математические методы, алгоритмы и программы структурного анализа обеспечивают адекватность закономерностей переходного режима угольных шахт как динамических систем с длительным периодом перехода производственного состояния их потенциала от неэффективного - к устойчивому ,с возможностью стабильного развития по трем альтернативным ситуациям;

- в безразмерном пространстве базис-вектора показателей можно выделить главные компоненты многомерного признака, что позволяет обосновать динамические критерии устойчивости и качества оптимального управления переменным состоянием потенциала угольных предприятий в иерархической структуре принятия решений;

- методическая база моделирующих алгоритмов и аппаратно- программной среды включает разработку математических моделей оптимизации подсистем угольных шахт путем последовательного статистического анализа многомерных данных и методов аппроксимации параметров ЭММ для компьютерного эксперимента;

- структура ЭММ как средство математического обеспечения и оптимизации программно-целевого управления потенциалом угольных шахт декомпозируется на 4 взаимосвязанные задачи, частные решения которых координируются минимизацией функционала по Парето с учетом точности и надежности результатов моделирования;

- численные алгоритмы минимизации трех частных функционалов ЭММ сведены к модифицированным задачам математического программирования: оптимального распределения ресурсов методом ветвей и границ; оптимизации потенциала с учетом транспортных затрат методом линейного программирования; нелинейной оптимизации внешних факторов ПЦУ (обеспечение ресурсами) методом обобщенного градиентного спуска; -методика автоматизированного прогноза оценок эффективности состояния потенциала угольных шахт с учетом оптимизации надежности бизнес-планов производства по факторам риска и резерва ограниченных ресурсов основана на базе средств вычислительной техники и методов нелинейного программирования.

Научная новизна заключается в следующем:

- в обосновании математических методов и алгоритмов структурного анализа динамического состояния потенциала шахт использована возможность представления закономерностей различных ситуаций переходного режима угольного производства в форме дифференциального уравнения,параметры которого идентифицируют три альтернативы отличающиеся глубиной спада (или роста) и периодом перехода объекта исследования в новое устойчивое состояние: 1-е приростом; П - стабилизацией ; Ш - со снижением от исходного уровня потенциала отдельного предприятия ,либо их группы ;

- в разработке динамических критериев устойчивости и качества управления переменным состоянием потенциала угольных шахт, оценки которых установлены по максимуму правдоподобия для трех классов распознаваемых объектов с параметрами их разделяющих функций в иерархической структуре принятия решений;

- в развитии методической базы моделирующих алгоритмов и аппаратно-программной среды, отличающейся возможностью последовательного статистического анализа многомерных данных с компьютерной обработкой и планированием эксперимента на моделях подсистем угольных шахт ;

-в разработке экономико-математической модели ПЦУ потенциалом угольных шахт ,синтезирующей блок математического обеспечения задач оптимизации ,отличающейся иерархической структурой с возможностью декомпозиции на 4 взаимосвязанные задачи, на множестве псевдорешений которых осуществляется оптимальная координация стратегии многоуровневого управления по Парето;

- в разработке численных алгоритмов исследования переходных процессов переменного состояния потенциала угольных шахт, позволяющих компьютерный эксперимент с различными режимами моделирования при вариации (в пределах заданной точности) параметров ЭММ;

- в разработке методики автоматизированного прогноза состояния потенциала угольных шахт, отличающейся прогнозом надежности организации производства в условиях неопределенности принятия оптимальных решений по критерию Гурвица.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- достаточным объемом фактографических данных мирового сообщества, а также статистики по предприятиям угольной отрасли, анализом и научным обобщением проблемной литературы;

- построением логически непротиворечивых структурных схем компьютерной обработки многомерных статистических данных и производственной информации для обеспечения планирования эксперимента и экономико-математического моделирования;

- корректным использованием современной математической теории принятия решений , методов построения математических моделей, исследования алгоритмов , программирования и системного анализа;

- получением более точных и надежных моделей ,сходимостью результатов экономико-математического моделирования и компьютерных экспериментов с фактическими ТЭП угольных шахт(ошибка не более 12%);

- положительными результатами использования методики прогнозной оценки эффективности состояния потенциала угольных шахт для обоснования предложений бизнес-планирования и организации производства в ОАО "Ленинскуголь"

Личный вклад автора состоит:

- в разработке математических методов, алгоритмов и программ структурного анализа закономерностей переходного режима угольного производства и научном обобщении проблемной ситуации;

- в разработке критериев устойчивости и качества оптимального состояния потенциала угольных предприятий в иерархической структуре принятия решений для переходного периода;

- в развитии методической базы моделирующих алгоритмов и аппаратно-программной среды для компьютерного эксперимента и оптимизации подсистем угольных шахт средствами экономико-математического моделирования ;

- в построении и исследовании ЭММ для математического обеспечения задач программно-целевого управления потенциалом угольных шахт;

- в проведении компьютерного эксперимента с вариацией режима и параметров моделирования в широком диапазоне природных, технических и экономических факторов;

- в разработке методики автоматизированного прогноза состояния потенциала угольных шахт с учетом надежности организации производства на базе средств вычислительной техники и математических методов оптимизации.

Практическое значение полученных результатов заключается в том, что они позволяют:

- на основе разработанных принципов и методов выявить закономерности переходного периода угольного производства и идентифицировать параметры переменного состояния потенциала конкретных шахт;

- обосновать динамические критерии устойчивости и качества оптимального управления состоянием потенциала угольных шахт в иерархической структуре принятия решений для различных ситуаций переходного периода;

- развить методическую базу моделирующих алгоритмов и аппаратно-программной среды для планирования компьютерного эксперимента и оптимизации подсистем угольных шахт;

- осуществить синтез математического обеспечения задач программно-целевого управления потенциалом угольных шахт на основе разработки и исследования ЭММ;

разработать методику автоматизированного прогноза оценок эффективности состояния потенциала угольных шахт для обеспечения надежности принятия решений при планировании и организации производства с использованием средств вычислительной техники и математических методов оптимизации .

Реализация работы. Алгоритмы распределенная база данных и экономико-математические модели, как аппаратно-программная

среда математического обеспечения реализованы на ЭВМ , переданы в корпорацию "Кузбассинвестуголь" Методика автоматизированного прогноза оценок эффективности , компьютерный эксперимент и расчеты использованы в обосновании надежности бизнес-плана организации производства в ОАО"Ленинскуголь". Компоненты программного комплекса и моделирующие алгоритмы используются в учебном процессе кафедры маркетинга КемГУ.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения работы обсуждались на Международной научно-практической конференции "Проблемы реформирования региональной экономики" (сентябрь ,1994,Кемерово), международной научно-практической конфер�