автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка методов динамического моделирования горноподготовительных работ
Текст работы Зиновьев, Василий Валентинович, диссертация по теме Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)
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
-
Похожие работы
- Оценка основных технологических процессов подземной добычи угля в Кузнецком бассейне и разработка предложений по их совершенствованию
- Геомеханическое обоснование способов и средств повышения устойчивости слоевых выработок мощных пологих пластов
- Физико-технические методы повышения эффективности горно-подготовительных работ при разработке мерзлых и глинистых россыпей
- Нагруженность и усталостная долговечность привода исполнительного органа горнопроходческих комбайнов
- Разработка методов и средств математического моделирования и оценки эффективности роботизации горного производства
-
- Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
- Теория систем, теория автоматического регулирования и управления, системный анализ
- Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
- Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)
- Управление в биологических и медицинских системах (включая применения вычислительной техники)
- Управление в социальных и экономических системах
- Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей
- Системы автоматизации проектирования (по отраслям)
- Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
- Системы обработки информации и управления
- Вычислительные машины и системы
- Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)
- Теоретические основы информатики
- Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
- Методы и системы защиты информации, информационная безопасность