автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка методов динамического моделирования горноподготовительных работ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ УГЛЯ И УГЛЕХИМИИ

На правах рукописи

г

)

ЗИНОВЬЕВ ВАСИЛИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГОРНОПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

Специальности: 05.13.16. - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук); 05.15.02. - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.Л. Конюх

Кемерово 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................... 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ................... 10

1.1. Анализ и классификация задач, методов и языков моделирования подземных горных работ........................................................ 10

1.2. Приложения имитационного моделирования для подземных

горных работ...................................................................... 20

1.3. Обзор предложений по снижению трудоемкости горнопроходческих работ..........................................................28

1.4. Обоснование цели и задач работы............................................ 31

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК................... 34

2.1. Выбор объектов и постановка задач моделирования.................... 34

2.2. Типовые технологии проведения горных выработок как

системы массового обслуживания........................................ . 40

2.3. Разработка имитационных моделей горноподготовительных работ

на специализированном языке ОРББ/Н..................................... 51

2.4. Оценка адекватности имитационных моделей объектам моделирования.................................................................. 74

2.5. Разработка задач и методов проведения экспериментов на имитационных моделях....................................................... 91

ВЫВОДЫ............................................................................... 93

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОМПЬЮТЕРНОЙ АНИМАЦИИ............ 95

3.1. Задачи и методы компьютерной анимации................................ 95

3.2. Отображение динамики горноподготовительных работ на анимационных моделях....................................................... 99

3.3. Методика выбора вариантов горноподготовительных работ

с помощью компьютерной анимации...................................... 114

3.4. Исследование связи технологических параметров с показателями горноподготовительных работ.............................................. 120

ВЫВОДЫ................................................................................ 131

4. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РОБОТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ ГОРНОПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ДИНАМИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ................................................................... 135

4.1. Анализ предложений по роботизации горноподготовительных

работ................................................................................................137

4.2. Оценка подготовленности технологий горноподготовительных

работ к роботизации............................................................... 146

4.2.1. Оценка обзорности рабочих органов при дистанционном управлении................................................................... 147

4.2.2. Сложность роботизации операций проходческого цикла.......... 152

4.3. Разработка программных модулей и имитационных моделей роботизированных технологий проведения горных выработок......... 156

4.4. Исследование и оценка эффективности роботизированных технологий горноподготовительных работ на динамических

моделях.............................................................................. 170

ВЫВОДЫ................................................................................. 180

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................... ... 184

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................. 188

Приложение 1 Приложение 2

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время в Кузбассе применяется более 40 типов горнопроходческих машин. Для конкретных горногеологических условий сочетание проходческого оборудования может быть разнообразным. Возникают задачи многовариантного анализа технологий с целью выбора оптимального варианта горноподготовительных работ.

Применяемый для этого метод статистических испытаний (Монте-Карло), реализованный на универсальных языках программирования, требует описания технологии в виде последовательности формул, в которые входят случайные факторы. Составление программ на универсальных языках занимает много человеко-месяцев работы. Модели трудно поддаются переделке. Часто разработка модели отстает от развития горных работ и моделирование теряет смысл.

В горном деле за рубежом перешли к применению специализированных языков имитационного моделирования, в которых применяются готовые блоки из набора команд универсального языка, отображающие поведение системы от одного события к другому. Событием является начало или окончание какой либо операции.

В последнее время специализированные языки дополняются программами компьютерной анимации, позволяющими отображать процесс имитационного моделирования на мнемосхеме работы оборудования. Это делает доступным имитационное моделирование для горного инженера.

На специализированных языках имитации и анимации созданы динамические модели очистных работ, транспортных и конвейерных систем, но для исследования горноподготовительных работ такие языки не применялись.

Условия труда при ведении горноподготовительных работ, относятся к экстремальным. При проведении горных выработок 68% ручных работ относится к тяжелому физическому труду. Из-за ухудшения горногеологических условий растут затраты ручного труда, которые не компенсируются традиционной механизацией.

Переход к роботизированным технологиям горноподготовительных работ позволит снизить трудоемкость проходческого цикла. Для формирования требований к горнопроходческим работам необходимы, предварительный анализ подготовленности тех-

нологий к роботизации и оценка взаимодействия роботизированных горных машин на динамических моделях.

Таким образом, разработка методов динамического моделирования горноподготовительных работ на базе специализированных языков компьютерной имитации и анимации и их применение для исследования традиционных и роботизированных технологий проведения горных выработок является актуальной научной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с Перечнем критических технологий федерального уровня ("Системы математического моделирования"), Приоритетными направлениями фундаментальных исследований РАН (п. 2.3.5. Научные методы создания машин и робототехнических систем); планами НИР Института угля и углехимии СО РАН на 1997-98гг. Она включена в Российско-американский проект "Моделирование и анимация процессов добычи угля в России", выполняемый по гранту научного комитета НАТО № ОЦтОЮ 960 628.

Цель работы - создание методов динамического моделирования для выбора технологий проведения горных выработок.

Основная идея работы заключается в математическом моделировании горноподготовительных работ в виде систем массового обслуживания, функционирование которых описывается специализированными языками компьютерной имитации и анимации.

Задами исследований:

- сопоставить возможности методов имитационного моделирования подземных горных работ и выбрать метод, позволяющий ускорить и упростить процесс моделирования горноподготовительных работ;

- разработать математические модели горноподготовительных работ, отображающие технологические процессы от события к событию;

- разработать методы проведения имитационных экспериментов на моделях компьютерной имитации и анимации горноподготовительных работ;

- синтезировать блочно-модульные модели нетрадиционных технологий горноподготовительных работ с использованием средств робототехники;

- оценить возможность и эффективность роботизации технологий проведения горных выработок с использованием методов динамического моделирования.

Методы исследований:

- теория систем массового обслуживания для динамического моделирования горноподготовительных работ;

- формализация проходческого цикла как сложной динамической системы;

- специализированные языки компьютерной имитации GPSS/H и анимации Proof Animation для отображения динамики подготовительных работ;

- проведение имитационных экспериментов на компьютерных моделях технологий проведения горных выработок;

- оценка возможности роботизации технологий проведения горных выработок по факторам обзорности рабочих органов горнопроходческих машин и сложности роботизации операций проходческого цикла;

- оценка эффективности роботизированных технологий на динамических моделях по критерию максимальной производительности.

Научные положения выносимые на защиту:

- применение специализированных языков имитации и анимации для моделирования горноподготовительных работ позволяет сократить размерность модели, моделировать процессы без получения аналитических закономерностей, отображать процесс моделирования на мнемосхеме проведения выработки;

- процессы проведения горных выработок отображаются движением заявок со случайными задержками в замкнутых многоканальных многофазных системах массового обслуживания без очередей;

- связи между приборами и каналами описываются специализированными языками имитационного моделирования, не требующими формализованного описания системы массового обслуживания;

- изменение совокупности технологических параметров: состава и количества оборудования, сечения выработки, глубины и количества шпуров, емкости откаточного средства, состава звена выражается через случайное время обслуживания заявок приборами модели, а результатом имитационных экспериментов является изменение продолжительности проходческого цикла и степени использования оборудования;

- синтез имитационных моделей нетрадиционных технологий горноподготовительных работ производится путем объединения роботизированных модулей "резание

с погрузкой", "бурение", "заряжание", "погрузка", "крепление" в многоканальные многофазные замкнутые системы массового обслуживания;

- оценка возможности роботизации технологий горноподготовительных работ осуществляется по факторам обзорности рабочих органов горнопроходческих машин и сложности роботизации операций проходческого цикла; эффективность роботизации определяется сопоставлением продолжительности и трудоемкости проходческого цикла по результатам имитационных экспериментов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- отклонением результатов имитационных экспериментов от расчетных значений на 5-7%;

- верификацией имитационной модели по компьютерному отображению технологического процесса;

- положительными результатами исследований совместно с Центром обучения моделированию в горном деле и металлургии университета Айдахо (США).

Научная новизна работы заключается:

- в выявлении преимуществ специализированных языков компьютерной имитации и анимации для моделирования горноподготовительных работ;

- в представлении технологий проведения горных выработок замкнутыми многоканальными многофазными системами массового обслуживания, отличающимися тем, что число каналов и фаз обслуживания зависит от способа проведения выработки, а заявкой является момент готовности оборудования к следующему проходческому циклу;

- в разработке методов проведения имитационных экспериментов, отличающихся тем, что множество технологических условий горнопроходческих работ разделено на пересекающиеся подмножества, каждое из которых отображается случайным временем обслуживания заявки проходческой машиной, а общее время обслуживания заявки соответствует продолжительности проходческого цикла и степени использования оборудования;

- в разработке типовых роботизированных модулей "резание с погрузкой", "бурение", "заряжание", "погрузка", "крепление" и их описании на специализированном языке компьютерной имитации;

- в разработке метода оценки возможности и эффективности роботизапии технологий проведения горных выработок, отличающегося тем, что предварительно осуществляется отбор технологий наиболее подготовленных к роботизации, а затем оценивается эффективность альтернативных вариантов методами динамического моделирования.

Личный вклад автора состоит:

- в сопоставлении методов имитационного моделирования подземных горных работ и выборе наиболее эффективного метода для отображения горноподготовительных работ;

- в представлении динамики горноподготовительных работ замкнутыми многоканальными многофазными системами массового обслуживания;

- в разработке анимационных моделей технологий проведения горных выработок;

- в разработке методов проведения имитационных экспериментов на динамических моделях технологий проведения горных выработок;

- в установлении зависимостей продолжительности проходческого цикла и степени использования оборудования от случайных технологических факторов;

- в разработке типовых роботизированных модулей для синтеза имитационных моделей нетрадиционных технологий горноподготовительных работ;

- в разработке метода оценки возможности и эффективности роботизации технологий проведения горных выработок.

Практическое значение. Разработанные методы динамического моделирования горноподготовительных работ и оценки возможности и эффективности роботизации технологий проведения горных выработок позволяют сопоставлять варианты проходческих работ, выбирать состав и параметры оборудования, отображать динамику взаимодействия проходческих машин на экране компьютера, прогнозировать показатели горноподготовительных работ в ускоренном времени, выбирать технологии, наиболее подготовленные к роботизации и оценивать их эффективность.

Реализация работы. На основании полученных результатов разработана "Методика проектирования технологий проведения горных выработок методами компьютерной имитации и анимации", принятая НТЦ "Кузбассуглетехнология ' для распространения на горнодобывающих предприятиях и в проектных организациях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международном симпозиуме "Горное оборудование и технология на пути к 21 веку" (Китай, 1997), на II Международной конференции по реформированию региона (Кемерово,

1997), на Международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Кемерово 1997), на VII Международном симпозиуме по горному планированию и выбору оборудования (Канада, 1998), на Российско-американском научно-практическом семинаре "Компьютерное моделирование горных работ" (Кемерово, 1998), на Международной Научно-практической конференции "Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки" (Кемерово, 1998), на III Научно-технической конференции "Компьютерные технологии в горном деле" (Екатеринбург, 1998), на заседании Ученого совета АООТ "Кузниишахтострой" (Кемерово,

1998).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ.

Объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенных на 197 стр., в том числе 20 табл., 79 рис., список литературы из 57 наименований и 2 приложения.

Автор благодарит заслуженного деятеля наук РФ, д.т.н., проф. В.Ф. Горбунова за ценные методические рекомендации по работе, а также Генерального директора АООТ "Кузниишахтострой", д.т.н. Г.С. Франкевича и зав. лабораторией, к.т.н. B.C. Верхоту-рова за поддержку.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ и классификация задач, методов и языков моделирования подземных горных работ.

Методы моделирования процессов подземных горных работ (рис. 1.1) делятся на физические и математические. При физическом моделировании модель по физической природе и геометрическим формам подобна объекту моделирования, но изучается в другом масштабе пространства и времени. К физическим моделям относятся макеты подземного транспорта, вентиляционной сети шахты, распределения горного давления. Характеристики объекта получают путем пересчета характеристик модели по масштабным коэффициентам.

При математическом моделировании объект описывают в виде математических зависимостей, отображающих связь между входными и выходными параметрами объекта. Различают аналитические и имитационные методы моделирования. Аналитические методы описывают объект в виде некоторых функциональных соотношений (алгебраических, дифференциальных, конечно-разностных и т.п.) или логических условий. В целом они сводятся к поиску оптимальных характеристик объекта. Аналитическая модель может исследоваться одним из способов: аналитическим - когда стремятся получить в общем виде явные зависимости искомых величин; численным - когда, не имея возможности решить уравнения в общем виде, можно получить некоторые числовые результаты при конкретных начальных условиях; качественным - когда, не имея решения в явном виде, можно найти некоторые свойства решения, например оценить устойчивость