автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация работы угольных разрезов при многономенклатурном спросе

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Принципы моделирования предприятий открытой угледобычи и выбор критерия эффективности функционирования

1.1. Проблемы внедрения информационных систем

1.2. Объекты информационной системы предприятия

1.3. Подход к составлению расписаний, связанный с применением критерия скорости генерации дохода

1.4. Информационная система нового типа

1.5. Выводы по главе

Глава 2. Математическое моделирование многофазного, многономенклатурного производства объединения угольных разрезов

2.1. Проблемы моделирования многофазных производственных процессов

2.2. Обоснование алгоритма планирования, основанного на понятии вектора ресурсов

2.3. Конфликты, возникающие при составлении расписания ресурсов объединения угольных разрезов

2.4. Алгоритм управления вектором ресурсов объединения

2.5. Выводы по главе

Глава 3. Особенности реализации алгоритма расчета нагрузок на компоненты вектора ресурсов

3.1. Симплекс-метод с двусторонними ограничениями

3.2. Вычисление исходной симплекс-таблицы

3.3. Зацикливание в симплекс-методе с двусторонними ограничениями

3.4. Реализация на Extend блока, имитирующего работу угольного разреза

3.5. Реализация на Extend модели объединения угольных разрезов

3.6. Моделирование ресурсов, используемых совместно несколькими объектами. Обобщение алгоритмов

3.7. Выводы по главе

Глава 4. Анализ "узких мест" объединения угольных разрезов

4.1. Интерпретация упорядочивания разрезов при передачи им спроса на уголь с позиции теории ограничений

4.2. Характеризация вектора ограниченных ресурсов объединения угольных разрезов

4.3. Запасы объединения угольных разрезов

4.4. Информационная система объединения угольных разрезов

4.5. Основные свойства расписаний, вычисляемых в соответствии с критерием максимальной скорости генерации дохода

4.6. Выводы по главе

Актуальность темы

Возросшие требования к эффективности угольных предприятий и к их присутствию на рынке угля, в частности, полноте и своевременности удовлетворения спроса при ограниченных ресурсах побуждают к выбору оптимизированных технологий и управляющих решений. В сложном многофазном производстве при разнообразной номенклатуре спроса поиск таковых должен опираться детальные математические модели этапов производства и обеспечивать увязку их параметров. В общем случае задачи моделирования столь сложных систем с блочной структурой являются некорректными в смысле неоднозначности и неустойчивости решения. Поэтому необходимы дополнительные условия и требования, регуляризирующие задачу, и в то же время, трактуемые и выполнимые на практике.

Задачи математического моделирования и оптимизации сводятся к составлению расписаний работы производственных ресурсов методами математического программирования и к исследованию качества расписаний на имитационных моделях. Для реализации алгоритма ранее предложен подход, использующий выделение технологически связанных структурных частей процесса угледобычи, однако при многономенклатурном спросе возникает проблема взаимоувязки параметров и расписаний работы подсистем, перераспределения ресурсов и создания корпоративных связей.

Специфика угольной отрасти проявляется в изменчивости набора влияющих факторов, наличии неформализованных условий и недостаточно обоснованных критериев оптимальности. Поэтому некоторые из полученных рекомендаций плохо реализуются и не удовлетворяют лицо, принимающее решение.

В этих условиях целесообразной является разработка алгоритма последовательных приближений с возможностью контролирования и корректировки на каждом шаге.

Острой проблемой, препятствующей оптимизации угольных предприятий, является структурная неоднородность или наличие "узких мест" в производстве, транспорте и спросе. Необходимы критерии иправили их выявления, локализации и устранения.

Наличие ряда предложений по совершенствованию угледобывающих предприятий требует для сравнения вариантов не только оценки технологических и экономических параметров, но и изучения устойчивости систем, а также самих алгоритмов моделирования.

Работа выполнена в рамках программы совместных НИР Центра новых технологий управления Московского государственного института электронной техники и ОАО "Разрез Кедровский" по разработке методов и алгоритмов повышения качества производственно-финансового планирования.

Цель работы

Обеспечение эффективности функционирования объединения угольных разрезов посредством применения оптимизированного расписания работы производственных ресурсов, рассчитанного на основе математической модели материального потока при удовлетворении многономенклатурного спроса.

Идея работы

Идея работы состоит в регуляризации некорректной задачи оптимизации расписаний работы ресурсов разрезов путем декомпозиции системы по фазам угольного производства, использования корпоративных связей при перераспределении неудовлетворенного спроса между разрезами и подчинения материальных потоков производительности ограничивающего ресурса.

Задачи работы

1. Разработать математические модели подсистем угольных разрезов при разной степени соответствия спросу на марки и сорта угля.

2. Разработать алгоритм построения оптимизированных расписаний работы подсистем горного производства при выбранном критерии эффективности, требованиях спроса и ограничениях производительности ресурсов.

3. Разработать схему и правила использования корпоративных связей в объединении угольных разрезов для алгоритма, оптимизирующего расписание его работы.

4. Исследовать и верифицировать алгоритм расчета расписаний работы ресурсов и изучить закономерности поведения оптимизированных расписанием объединений разрезов на основе имитационного моделирования систем и материальных потоков.

Защищаемые научные положения

Адекватная математическая модель функционирования разреза при приведении всех фаз производства к добыче угля строится в виде материального потока, описываемого производственно-транспортной задачей линейного программирования и формируемого ресурсными ограничениями по фазам.

Декомпозиция угольных разрезов по фазам производства и поставки углей разных марок с выделением блоков ресурсов (S-объектов) снижает размерность моделей и регуляризирует некорректные задачи оптимизации при составлении расписаний работы ресурсов.

Требование синхронизации со спросом сводит составление расписаний для S-объектов к последовательным смещениям нагрузок на ресурсы (начиная с опережающих работ) и обеспечивается формированием межфазных буферов с размером, достаточным для поддержания непрерывности материальных потоков. Параметры расписаний (включая буферы) увязываются с производительностями ресурсов на основе оптимизационных задач линейного программирования с двухсторонними ограничениями.

Условия минимизации смещений нагрузок на ресурсы разрезов в направлении опережения и размеров временных и материальных межфазных буферов являются реализацией критерия максимальной скорости генерации дохода при минимальном уровне запасов (затрат на запасы).

Совершенствование предприятий открытой добычи угля и ликвидацию узких мест в пределах отдельного цикла моделирования целесообразно и обосновано проводить только на S-объектах, производящих марку угля, спрос на которую остается неудовлетворенным даже в оптимизированном расписании.

Итеративный алгоритм расчета расписаний работы ресурсов объединений с корпоративными связями реализует оптимальное распределение спроса и общих ресурсов по S-объектам путем попарных перестановок, на практике алгоритм устойчив к корректировке результатов, условий и требований лицом, принимающим решение.

Научная новизна работы

• Разработана математическая модель производственного процесса добычи угля в виде материального потока, сводимая к постановке задачи линейного программирования с двусторонними ограничениями и ориентированная на включение в схему многофазного и многономенклатурного производства.

• Впервые сформулирована и решена задача моделирования и оптимизации расписания работы ресурсов объединения многофазных производств при многономенклатурном спросе.

• Предложен оригинальный итеративный алгоритм составления расписания работы объединения разрезов путем решения оптимизационных задач линейного программирования с двухсторонними ограничениями, приспособленный для контроля и корректировки модели объединения разрезов на каждом шаге приближения лицом, принимающим решение.

• Впервые обобщено понятие ограничивающего ресурса на многофазное объединение угольных разрезов при многономенклатурном спросе, которое определяется при оптимизированном расписании работы. Показано, что именно в этом случае задача моделирования становится корректной.

• Предложен алгоритм имитационного моделирования работы объединения угольных разрезов при многономенклатурном спросе, которое определяется при оптимизированном расписании работы. Показано, что именно в этом случае задача моделирования становится корректной.

• Предложен алгоритм имитационного моделирования работы объединения угольных разрезов на основе декомпозиции системы на инвариантные блоки S-объектов.

• Впервые отмечены и использованы частные реализации общего критерия максимизации скорости генерации дохода для систем многофазного и многономенклатурного горного производства. личный вклад автора

Личный вклад автора состоит:

• В выборе в качестве типа модели производственно-транспортной задачи линейного программирования и в определении комплекса двусторонних ограничений, вытекающих из свойств производственных ресурсов угольных разрезов.

• В развитии правил декомпозиции объединений угольных разрезов по выходу продукта - маркам, сортам угля, обеспечивающей поставку корректных задач моделирования и оптимизации.

• В адаптации алгоритма составления расписания для объединения с корпоративными связями по каждому типу продукта с неудовлетворенным спросом.

• В обосновании критериев минимума временных и материальных буферов и операционных расходов, а также требований минимума коэффициента вскрыши и дальности транспортирования как практических реализаций общего критерия максимума скорости генерации дохода при минимуме затрат на межфазные запасы.

• В выборе и обосновании итеративного способа решения задачи минимизации с учетом специфики и традиций принятия решений в угольной промышленности.

• В обосновании размещения буфера относительно ограниченного ресурса с помощью имитационного моделирования объединения угольных разрезов.

• В проведении численных расчетов оптимальных параметров расписаний работы фаз производства, численного моделирования и установлении новых особенностей влияния факторов на характеристики объединения угольных разрезов.

Достоверность научных положений и выводов

Обеспечивается регуляризацией моделей, приведшей к постановке корректных задач моделирования объединений угольных разрезов и оптимизации расписаний для получения состоятельных (сходящихся по вероятности) оценок параметров фаз производства.

Проверяется на тестовых задачах при верификации итеративного алгоритма оптимизации расписаний, в результате которой установлена тождественность результатов решения базовых задач.

Доказана иссследованной устойчивостью алгоритма расчета расписаний и адекватностью результатов имитационного моделирования основным процессов закономерностям работы угольных разрезов, следовательно, соответствием характеристик модели и свойств производственных систем.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные математические модели и алгоритмы численных расчетов позволяют:

• Разработать оптимальные расписания работы угольных разрезов и выбрать параметры фаз производства и буферов при многономенклатурном спросе;

• Обеспечить упорядоченной информацией, правилами и критериями принятие решений при управлении объединениями угольных разрезов;

• Рассчитывать и прогнозировать работу и состояние объединений угольных разрезов при переменном рыночном спросе;

• Выбирать и обосновывать сценарии совершенствования угольных разрезов с ограниченными производственными ресурсами.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Результаты работы включены в предложения Центра новых технологий управления МГИЭТ по совершенствованию качества производственно-финансового планирования на ОАО "Разрез Кедровский" и ЗАО "Черниговец".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты докладывались и получили одобрение на IV Международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Кемерово, 2001), на научном семинаре Центра новых технологий управления Московского государственного института электронной техники (Москва, 2001), на научном семинаре Института угля и углехимии СО РАН (Кемерово, 2002), на курсах Президентской программы повышения квалификации при Кем ГУ (Кемерово, 2001) и Southern Alberta Institute of Technology (Calgary, Canada, 1998), на научно-технических советах ОАО "Разрез Кедровский" , ЗАО "Черниговец" и НТЦ НИИОГР (Челябинск, 2000).

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация состоит из Введения, 4-х глав и Заключения на 121 странице. Содержит 37 рисунков, 33 таблицы и библиографический список из 47 наименований.

Выводы

1. Наличие независимого выхода отгрузки марки и сорта угля является признаком S-объекта (разрез, участок разреза) при декомпозиции объединений угольных разрезов. Составление расписаний сводится к оптимизации смещений нагрузок на ресурсы AW и размеров межфазных запасов Zmin<=Zt"At+S(W)+S(AW)<=Zmax на основе задач линейного программирования с двухсторонними ограничениями типа 0<=W-AW<=Wmax.

2. Основой расписания объединений разрезов является мастер-план для многокомпонентного вектора ресурсов (вскрышные и добычные участки) и примыкающих блоков (обогащение, транспорт, спрос и т.п.), согласующий фазы производства с производительностями ресурсов при данном спросе по критерию максимальной скорости генерации дохода Т и представляющий собственную характеристику эффективности S-объекта.

3. Блочная структура разрезов, характер залегания угольных пластов и разнообразие марок угля (в модели - до 30 сорто-марок) вносят дискретность в последовательные приближения к оптимальному решению, поэтому соответствие критерию максимальной скорости генерации дохода может только проверяться с помощью имитационного моделирования. Непосредственно при расчете расписаний следует использовать минимизацию сроков и объемов опережающих работ ресурсов с межфазными буферами в оптимизационной производственно -транспортной задаче.

4. Расписания работы объединений разрезов оптимизируются с использованием циклов попарных перестановок S-объектов по отношению к спросу на уголь, причем начальное упорядочивание разрезов исходит из требований минимального коэффициента вскрыши и дальности транспортирования. Циклы попарных перестановок S-объектов вычисляются, пока отличие моделей скоростей генерации дохода не становится меньше заданного \Т{ — < 0,01. Алгоритм уменьшения попарных перестановок s-объектов до N(N—l)/2 транспозиций сокращает объем вычислений в типичной области на 91-98%.

Диспропорции между производительностями ресурсов AW > Wmга при данном спросе могут быть локализованы как модель узкого места объединения разрезов только при оптимизированном расписании и ryt ушах размере модели буфера а < а , который также локализуется перед ограничивающим ресурсом. Производительность узкого места полностью определяет предельную эффективность объединения при данном спросе. Выявленное по результатам имитационного моделирования отставание изменений расписания AW < AWcnp 0т колебаний спроса доказало устойчивость алгоритма расчета. Установлено, что буфер ограниченной емкости может не компенсировать колебания питающего ресурса. В этом смысле определяется характерный объем запаса (не менее около 80 тыс. тонн для добычного участка), инерционность которого сглаживает случайные провалы.

Опыт частичной реализации оптимизированных расписаний для совокупности технологических участков (без оценки экономического эффекта из-за отсутствия финансовой самостоятельности) подтвердил качественное улучшение показателей использования техники, подготовки фронта работ и динамики реакции на изменение спроса.

Заключение

В диссертации на основе выполненного автором с применением технологии математического и имитационного моделирования комплексного исследования многофазного процесса угледобычи при многономенклатурном спросе изложены научно обоснованные разработки по оптимизации работы угольных разрезов с корпоративными связями, имеющие существенное значение для экономики предприятий.

1.Нив Г.Р. Пространство доктора Демннга. М.: Государственный комитет по высшему образованию, 1996.

2. Михальченко В.В., Рубаник Ю.Т., Хотинский A.M. Синхронизация работы предприятия открытой угледобычи с динамикой рыночного спроса. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000.

3. Томаков П.И. Структуры комплексной механизации карьеров с техникой циклического действия . М.: Недра, 1976.

4. Нецветаев А.Г., Хотинский A.M. Аналитическая модель расчета производительности системы "'экскаватор транспортные средства " // Вестник КузГТУ, вып.4, Кемерово, 1998.

5. Е.М. Goldrat. The Haystack Syndrome. Sifting Information Out of The Data Ocean. New York:North River Press, Inc., 1991.

6. Нецветаев А.Г., Рубаник Ю.Т. Логистическая система "уголь-рынок". Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999.

7. Дерябина P.M. Диссертационная работа на соискание ученой степени канд. техн. наук. Кемерово, Институт угля и углехимии СО АН России, 2000.

8. Маркс К. Капитал.М.: Политиздат, 1988.

9. Ю.Голыптейн Е.Г., Юдин Д.Б. Задачи линейного программирования транспортного типа. М.: Наука, 1969.

10. П.Голынтейн Е.Г., Юдин Д.Б. Об одном классе задач планирования народного хозяйства //Проблемы кибернетики. Т.5. М.: Физматгиз, 1961, с. 165-182.

11. Шахиди А.А. Об одном методе решения транспортно- производственной задачи // Изв. АН УССР, Сер. техн. наук, 1985 №3, с 5-6.

12. Наралич JL, Сировица Л., Скок С., Хунет Д. Решение производственно- транспортной задачи методом декомпозиции Бендерса. // Экономика и математические методы. 1984 Т. XX. Вып. 6, с 1140- 1143.

13. Юдин Д.Б., Юдин А.Д. Экстемальные модели в экономике. М.: Экономика, 1979.

14. Румчев В .Г., Матвеев Л.Н. Решение динамической транспортной задачи в сетевой постановке методом растянутой во времени сети. // Год. ВУЗ, Прилож. Мат. 1983 (1984) Т. 19, №3, с.149-161.

15. Ловецкий С.Е., Меламед И.И. Динамические потоки в сетях // АиТ. 1987, №11, с 7-29.

16. Козлов П.А., Миловидов С.П., Попов А.Т. Оптимизация работы технологического транспорта в промышленных системах. // Экономика и математические методы, 1986, т. XXII, вып. 4, с. 697-703.

17. Табакман И.Б. Принципы построения АСУ на карьерах. Ташкент: ФАН, 1977.

18. Табакман И.Б., Турецкий А.Э. Имитационно-оптимизационные методы планирования работ в карьерах. Ташкент: ФАН, 1985.

19. Табакман И.Б., Абидов Г.М. Управление грузопотоками в карьерах. Ташкент:ФАН, 1985.

20. Фрейдлина Е.В., Третьяков А.С., Молотилов С.Г. Методы текущего планирования горных работ на карьерах. Новосибирск, 1988.

21. Резниченко С.С., Подольский М.П., Ашихмин А.А. Экономико-математические методы и моделирование в планировании и управлении горным производством. М.: Недра, 1991.

22. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М. Наука, 1979.

23. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола А.Г. Регуляризирующие алгоритмы и априорная информация. М.: Наука, 1983.

24. Данильченко А.В. и др. Моделирование работы предприятий открытой угледобычи. Выбор критерия и принципы синтеза расписаний. Препринт №1, Институт угля и углехимии СО РАН России, 2002 .

25. Данильченко А.В. и др. Алгоритмы построения расписаний производственных ресурсов открытой угледобычи при удовлетворении многокомпонентного спроса. Препринт №2, Институт угля и углехимии СО РАН России, 2002 г.

26. Юдин Д.Б., Голыптейн Е.Г. Задачи и методы линейного программирования, М.: Советское радио, 1964.

27. Логов А.Б., Кочетков В.Н, Рожков А.А. Энтропийный подход к моделированию процесса реструктуризации угольной отрасли. Институт угля и углехимии СО РАН, Кемерово-М.: Недра, 2001.

28. Хотинский A.M., Данильченко А.В., Дробина Е.А. Устойчивый алгоритм планирования работы предприятия открытой угледобычи // Научные сообщения НТЦ НИИОГР, Вып.2/2000 г., Челябинск, 2000, с. 68- 70.

29. Рубаник Ю.Т., Хотинский A.M., Дробина Е.А., Данильченко А.В. Обобщение понятия ведущего ограничения для случая многопродуктовой распределенной логистической сети. // Научные сообщения НТЦ НИИОГР, Выл.2/2000 г., Челябинск, 2000, с. 127- 130.

30. Нецветаев А.Г. Организация логистической системы углепроизводства в условиях рынка: Дис. . докт. техн. наук. Челябинск, 1999. - 312 с.

31. Нецветаев А.Г., Михальченко В.В., Рубаник Ю.Т. Принципы моделирования работы угледобывающего предприятия в рынке //Вестник КузГТУ. Вып.4. Кемерово, 1998. - с. 90-92.

32. Нецветаев А.Г., Рубаник Ю.Т., Михальченко В.В. Кризис угледобывающей отрасли и современная теория управления. — Кемерово: Кузбассвузиздат, 1998. 92 с.

33. Нецветаев А.Г., Рубаник Ю.Т., Михальченко В.В. Обучающая организация //Современные принципы эффективного управления и проблемы угледобывающей отрасли: Информ. бюл. Ассоц. Деминга /Под ред. Ю.Т. Рубаника. М.: Изд-во МГИЭТ(ТУ), 1996.-с. 120-129.

34. Нецветаев А.Г., Рубаник Ю.Т., Михальченко В.В. Системный подход и оптимизация //Современные принципы эффективного управления и проблемы угледобывающейотрасли: Информ. бюл. Ассоц. Деминга /Под ред. Ю.Т. Рубаника. М.: Изд-во МГИЭТ (ТУ), 1996.-с. 58-80.

35. Нецветаев А.Г., Рубаник Ю.Т. Логистическая система «Уголь рынок». -Кемерово, Кузбассвузиздат,1999.- 292 с.

36. Рубаник Ю.Т., Михальченко В.В., Якутов В.В. Проблема качества производственного планирования угледобывающего предприятия в условиях рыночной экономики //Вестник КузГТУ. Вып. 6. Кемерово, 1999.-е. 86-90.

37. Goldrath Е. The Haystack Syndrome. North River Press, Inc. NY. 1990. P.263.

38. Goldrath E. Theory of Constrains. North River Press Inc. NY. 1990. P. 162.

39. Goldrath E. and Fox R. E. The Race. North River Press, Inc. NY. 1986. P. 179.