Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов прогнозирования и предупреждения самовозгорания фрезерного торфа 9
1.1. Технологический процесс производства фрезерного торфа 9
1.2. Общие сведения о самовозгорании фрезерного торфа 12
1.3. Основные методы борьбы с самовозгоранием 19
1.4. Обзор методов прогнозирования самовозгорания 24
1.5. Постановка задачи исследования 37 Выводы по главе 1 38
Глава 2. Применение методов интервального анализа для прогнозирования самовозгорания фрезерного торфа 40
2.1. Методы интервального анализа 40
2.2. Усовершенствованный метод прогнозировании опасности самовозгорания фрезерного торфа 44
2.3. Апробация усовершенствованного метода 46
Выводы по главе 2 55
Глава 3. Основы построении автоматизированной системы управления пожарной безопасностью производства фрезерного торфа 56
3.1. Основные положения построения автоматизированной системы упранления пожарной безопасностью производства фрезерного торфа 56
3.2. Структура автоматизированной системы управления пожарной безопасностью производства фрезерного торфа 61
3.3. Методика принп гня решений по формированию комплекса мероприятий, направленных на борьбу с самовозгоранием 65
Выводы по главе 3 76
Глава 4. Прототип программного комплекса автоматизированной системы
4.1. Структура базы данных автоматизированной системы управления пожарной безопасностью производства фрезерного торфа 77
4.2. Программный комплекс автоматизированной системы управлении пожарной безопасностью производства фрезерного торфа 85
4.3. Пример использовании автоматизированной системы управления пожарной безопасностью производства фрезерного торфа 100
Выводы по главе 4 105
Заключение 106
Список литературы 108
Приложение
- Технологический процесс производства фрезерного торфа
- Методы интервального анализа
- Основные положения построения автоматизированной системы упранления пожарной безопасностью производства фрезерного торфа
- Структура базы данных автоматизированной системы управления пожарной безопасностью производства фрезерного торфа
Введение к работе
Актуальность темы. Торфяные пожары в Тверской области ежегодно охватывают большие площади лесов, болот, торфяных предприятий и заброшенных полей добычи торфа. Экономика области терпит от них значительный ущерб вследствие гибели лесных массивов, уничтожения производственной продукции, привлечения больших сил и средств на тушение. Окружающей среде наносится зачастую непоправимый вред. Многие экологические системы оказываются непоправимо разрушенными. С дымом в атмосферный воздух выбрасываются загрязняющие вещества в количествах, намного превышающих предельно допустимые концентрации, что отрицательно влияет на здоровье людей, обостряет хронические заболевания, увеличивает смертность населения.
Наиболее распространенными причинами торфяных пожаров являются: самовозгорание фрезерного торфа в штабелях – 47%, искры, возникающие при работе технологического оборудования и тракторов – 25%, неосторожное обращение с огнем и пр. – 28%. Таким образом, чаще всего пожар возникает из-за самовозгорания торфа. Самовозгорание приводит как к прямым потерям торфа, так и к значительным убыткам за счет отвлечения большого количества рабочей силы на тушение очагов, изоляцию горящих караванов и др.
Для уменьшения потерь, причиняемых самовозгоранием фрезерного торфа, необходимо своевременное прогнозирование появления очагов самовозгорания и принятие соответствующих мер, направленных на его предотвращение.
Целью данной работы является увеличение точности прогнозирования самовозгорания фрезерного торфа в штабелях, повышение оперативности и эффективности принятия решений, направленных на предупреждение самовозгорания.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ существующих методов прогнозирования самовозгорания фрезерного торфа в штабелях;
определить наиболее подходящий метод прогнозирования опасности самовозгорания фрезерного торфа;
сформулировать основные положения построения автоматизированной системы управления пожарной безопасностью производства фрезерного торфа;
разработать структуру автоматизированной системы управления пожарной безопасностью производства фрезерного торфа;
разработать человеко-машинную процедуру принятия решений по формированию комплекса мер, направленных на борьбу с самовозгоранием фрезерного торфа в штабелях;
разработать прототип программного комплекса автоматизированной системы управления пожарной безопасностью производства фрезерного торфа;
провести апробацию результатов исследования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
осуществлено развитие метода прогнозирования самовозгорания фрезерного торфа, разработанного Козловым В.А., Малковым Л.М. и др., путем перехода к интервальным значениям диагностических показателей и прогностических коэффициентов, что привело к значительному сокращению зоны неопределенности и, как следствие, увеличению количества правильных прогнозов;
разработана методика автоматизированного формирования плана мероприятий, направленных на борьбу с самовозгоранием, базирующаяся на использовании продукционных правил, связывающих достижение диагностическими показателями определенных значений с необходимыми управляющими воздействиями и сроками их проведения;
для данной методики разработаны типовые шаблоны продукционных правил, определяющих назначение или прекращение мероприятий, регулярность или нерегулярность проведения мероприятий, абсолютные или относительные сроки проведения.
Практическая значимость работы вытекает из ее актуальности. Разрабатываемая автоматизированная система сможет применяться в практике работы торфяных предприятий для получения прогноза опасности самовозгорания фрезерного торфа, выявления наиболее опасных в этом отношении торфяных полей, автоматизированного формирования комплекса мероприятий по предупреждению самовозгорания, поможет избежать неоправданных затрат.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии» (Казань, 2005), XVII Международной научно-технической конференции «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании» (Пенза, 2006), Научно-практической конференции «Современные проблемы развития фундаментальной науки: по результатам регионального конкурса РФФИ 2006 года» (Тверь, 2006), Международной научно-технической конференции «Проблемы технологии и механизации разработки полезных ископаемых», посвященной 100-летию со дня рождения видного ученого, талантливого педагога, профессора, доктора технических наук, члена-корреспондента АН БССР Опейко Ф.А. (Минск, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе в журнале «Программные продукты и системы», рекомендованном ВАК для публикации основных научных результатов диссертаций по специальности 05.13.06.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 133 страницы. Диссертация содержит 7 рисунков и 17 таблиц.
Технологический процесс производства фрезерного торфа
В зависимости от характера и приемов разработки торфяных залежей различают гидравлический, экскаваторный, фрезерный, фрезерыо-формовочный и др. способы добычи торфа, из которых в настоящее время наиболее распространен фрезерный. Он относится к поверхностно-послойным способам разработки месторождений, при которых добыча осуществляется не на всю глубину пласта, подлежащего извлечению, а циклически небольшими слоями (обычно в пределах. 5-20 мм за цикл).
Технологический процесс добычи торфа фрезерным способом состоит в последователь]юм проведении следующих операций [2,4,5]: — измельчения (фрезерования) верхнего слоя залежи с распределением полученной крошки по площади, на которой она образована; — нескольких операций ворошения (обычно два-три) слоя торфяной крошки для ускорения процесса полевой сушки; - уборки высушенной крошки либо непосредственно из расстила, либо из предварительно образованных валков; - укладки убранного торфа в полевые складочные единицы-штабеля (штабелирование), в которых он хранится до вывоза потребителю.
На освободившейся от высушенного и убранного торфа площади производится фрезерование следующего слоя залежи, который также сушат и убирают, то есть операции ЕЮ фрезерованию сушке уборке торфа периодически (циклически) повторяются.
Измельчение поверхностного слоя залежи является первой операцией технологического цикла добычи торфа фрезерным способом. Оно может проводиться как пассивными рабочими органами, например боронами или дисковыми лущильниками, так и активными — фрезами- Измельчение поверхностного слоя залежи пассивными рабочими органами принято называть рыхлением, а активными рабочими органами — фрезерованием,
Сущность операции заключается в том, что поверхностный слой залежи измельчается и перемешивается с остатками торфяной крошки от предыдущего цикла п расстилается на поверхности залежи.
Сушка разрыхленного слоя торфа осуществляется непосредственно на поверхности разрабатываемой площади торфяных, нолей. Ускорение сушки сфрезер ован ного торфа достигается путем ворошения торфяной крошки.
Сущность операции ворошения заключается в том, ттто расстил, у которого верхняя часть имеет более низкую массовую долю влаги по оравневпю с нижней, частью, находящейся в контакте с залежью, перемешивается ражими органами ворошилки.
Срок сушки торфа от эксплуатационной влажности (75% для низинного и 79% для верхового торфа) до кондиционной ішажности 50-60% в среднем составляет два дня.
Валко в анис является подготовительной операцией для последующей уборки торфяной крошки. Оно должно проводиться при достижении торфяной крошкой в процессе полевой сушки массовой доли влаги, установленной для уборки данного вида продукции.
Сущность операции валкования состоит в том, что торфяная крошка собирается в валок, располагаемый на валкуемой полосе.
Уборка высушенной крошки обеспечивает своевременное освобождение производственной площади после завершения процесса полевой сушки для последующего цикла добычи.
Выгружаемый из бункерных уборочных машин торф равномерно распределяется по длине штабеля в виде навала на его откосе, обращенном к рабочей части карты, а при двухсторонней уборке — равномерно по длине обоих откосов.
Штабелирование торфа производится с целью перемещения убранного торфа из навала в штабель с приданием последттему формы, обеспечивающей наилучшие условия для хранения. Такие условия создаются при минимальной удельной поверхности складочной единицы, достигаемой при угле откоса боковой поверхности, близкой к углу сстесгвенного откоса (около 42),
Хранение фрезерного торфа до отгрузки его потребителям осуществляется в полевых штабелях. При хранении в штабелях происходят процессы уплотнения торфа, намокания и саморазогревания. Процессы намокания и саморазогрсішния приводят к потерям торфа, причем саморазогревание торфа в штабелях может привести к появлению очагов самовозгорания, ликвидация которых связана со значительными затратами. Наиболее частой причиной возникновения пожаров на торфяных предприятиях является его самовозгорание в процессе хранения в штабелях [6],
Методы интервального анализа
Как мы видели, начальным з-іапом метода прогнозирования опасности самовозгорания фрезерного торфа, разработанного Козловым В.А. и др., является измерение величин диагностических показателей. При этом значения показателей берутся как точные числа без учета погрешности. Но такой подход чреват тем, что в результате прогнозирования может быть пропущено торфяное поле, опасное в отношении самовозгорания, или, наоборот, выдан сигнал ложной тревоги, а также могут быть излишние случая отказа от распознавания категории,
Преодолеть эти трудности можно путем применения так называемой интервальной арифметики. в которой вычислительные операции производятся не над числами, а над интервалами. Этому направлению посвящена обширная литература [58-64], Рассмотрим основные положения этого направления вычислительной математики. Интервальное число определяется как упорядоченная пара вещественных чисел [а, Ь], где всегда а Ь. Множество всевозможных интервальных чисел будем обозначать через I(R). Вырожденным интерналом называется интервал с совпадающими границами А = [а, а]. Вырожденный интервал вида [а, а] отождествляется с вещественным числом о...
Отношение порядка на множестве T(R) определяется следующим образом: А В если и голі,ко если а Ь, А - В в том и только в том случае, когда а = Ьиа= Ь. Очевидно, что такое отношение порядка определено не для всякой пары интервальных чисел. Поэтому множество I(R) является частично упорядоченным,
Например, [2, 3] [8: 10]; [5, 7] = [5У 7J; [0, 7] и [3. 5] - несравнимые интервалы. Пересечение Аг\В пусто, если А В или В А, в остальных случаях имеется интервал AriB[max{atb}tmm{ d,b}].
Полученные интервальные коэффициенты суммируются, и определяется сумма прогностических коэффициентов, характеризующих приро дно-генетические свойства торфа, в виде интервального числа. В случае если этот интервал полиостью лежит в опасной зоне, то есть его нижняя граница больше или равна порогу А. то принимается решение об отнесении торфа к опасной категории. Если же интервал полностью лежит в малоопасной зоне, то есть его верхняя граница меньше или равна порогу В, то принимается решение об отнесении торфа к малоопаспой категории. Если интервал полностью лежит в зоне неопределенности, 10 есть его нижняя граница больше порога В, а верхняя граница меньше порога А, то имеет место полная неопределенное п., как и случае классического метода. Если же интервал попадает более, чем в одну зону, то можно рассчитать вероятность того, что торф относится к той или иной категории, по формулам: P(A)-- Л"х- А где Р(А) — вероятность того, что торф относится к опасной категории, Р(В) — вероятность того, что торф относится к шитоопаеной категории, А - порог, при достиженнтт которого выносится решение об отнесении торфа к опасной категории, В - порог, при достижении которого выносится решение об отнесении торфа к малоопасной категории,
Полученное значение дает дополнительную информацию пользователям для принятия решения об отнесении торфа к той или иной категории склонности к сяморазогреванию и самовозгоранию. В этом преимущество интервального анализа перед традиционным.
Усовершенствованный метод был проверен на практике. Объектами исследования служили 30 торфяных полей торфопредприятия «Оршшюкое-1». Торфяная залежь тринадцати из них была сложена преимущественно торфами верхового гипа, а в осталыгьтх - низинного типа, торфяная залежь тринадцати из которых бьтла сложена преимущественно торфами верхового типа, а в остальных — низинного типа,
Рассмотрим реальный пример прогнозирования: самовозгорания фрезерного торфа классическим и усовершенствованным методом. Объектом исследования в этом примере является торфяное поле 17 производственного участка № 2 торфопредприяия «Оршинское-1»,
Значения измеренных переменных приведены в табл. 2,3, Таблица 23. Значения диагностических показателей поля 17 участка № Наименование переменной Обозначение Значение Степень разложения R,% 20,3 Содержание в торфе фульвокислот ФК, % органической массы 18,8 Содержание в торфе редуцирующих веществ РВ5 % органической массы 21,2 Содержание в золе торфа окислов железа FcjO % в золе 2,0 Суммарное содержание катионов ХКП\ мг-экв. 35,9
Определим прогностические коэффициенты, соответствующие этим значениям, классическим методом. Результат будет следующим: степень разложения +5, содержание фульвокислот -7, содержание редуцирующих веществ +6, содержание окислов железа -8, суммарное содержание катионов -1. Сумма прогностических коэффициентов будет равна—5.
Суммируя коэффициенты, получаем итоговый прогностический коэффициент природно-генетических свойств торфа: [-14, -5]. Часть этого интервала находится в малоопасной зоне, а часть — а зоне неопределенности. Вероятность того, что торф относится к малоопасной категории, рассчитаем по формуле (2.3):
Полученное значение дает дополнительную информацию пользователям для принятия реатения об отнесении торфа к той или иной категории склонности к саморазогреванию и самовозгоранию. Так как в данном случае большая часть интервала расположена в ыалоопасной зоне, было принято решение об отнесении торфа к малоопасной категории.
В конце сезона добычи прогнозирование было продолжено. Суммарная эффективная испаряемость составила 363,5 кгЛґ, что соответствует прогностическому коэффициенту +8, Средняя максимальная температура торфа в штабеле на торфяном поле была равна 52 С. Прогностический коэффициент, соответственно, составил -6.
Сумма всех прогностических коэффициентов, определенная классическим методом, таким образом, равна -3, что опять соответств)с с зоне неопределенности.
Основные положения построения автоматизированной системы упранления пожарной безопасностью производства фрезерного торфа
Основной задачей, для решения которой предназначена разрабатываемая автоматизированная система, является автоматизированное формирование управляющих воздействий, направленных на борьбу с саморазогреванием и самовозгоранием фрезерного торфа в штабелях. Для успешного решения этой задачи необходим постоянный контроль различных показателей, характеризующих степень пожарной опасности. На основе информации о текущих значениях этих показателей система должна формировать перечень мероприятий, которые должны быть предприняты для предотвращения самовозгорания, к предоставлять его на утверждение лицу, принимающему решения,
Помимо прочих характеристик, важным показателем, который должен учитываться при составлении списка мероприятий по борьбе с самовозгоранием, является: прогноз опасности самовозгорания торфа на различных торфяных полях.
Прогнозирован не возгорания фрезерного торфа производится на основе данных о природно-генетических свойствах торфа, метеорологических факторах и ходе повышения температуры торфа в штабелях. Если первые доступны уже перед началом сезона добычи торфа, то вторые и третьи в то время еще не известны, В связи с этим прогнозирование опасности самовозгорания фрезерного торфа должно проводиться в два этапа.
Первый этап проводится до начала сезона и основывается только на приро дно-генетических свойствах торфа. Результаты этого прогноза учитываются при формировании управляющих воздействий в ходе сезона добычи торфа. Второй этап осуществляется по окончании сезона добычи и основываегся tia результатах предыдущего этапа, метеорологических данных и информации о температуре торфа в штабелях. Его результаты учитываются при выработке управляющих воздействий после окончания сезона добычи,
С учетом перечисленных требований опишем систему управления пожарной безопасностью производства фрезерного торфа с помощью аппарата отображения множеств. Управляющая система S (ряс. Э.1) представляет собой совокупность операторов реализующих систему управления пожарной безопасностью торфяного производства в процессе добычи и хранения фрезерного торфа.
После того, как прогноз получен, возникает задача представления его результатов в наиболее удобном для пользователя виде. Решение этой задачи следует искать па путях интеллектуализации пользовательского интерфейса. "Неотъемлемой частью процесса разработки люоои современной ароматизированной системы должна являться разработка дружественного, интуитивно понятного интерфейса оператора. Для повышения качества принимаемых решений необходимо высокое качество восприятия оператором предоставляемой ему информации, что требует гармоничного сочетания различных способов ее представления — текстового, графического, картографического, применения цветовых схем [71-73].
Так. результаты прогнозирования покупателя опасности самовозгорания фрезерного торфа для различных полей должны отображаться не только в текстовой, например, табличной, форме, но и в картографической. Наиболее удобным для пользователя вариантом будет окрашивание торфяных полей на электронной карте в цвета, соответствующие степени опасности самовозгорания, В то же время целесообразно выдавать значение показателя в текстовом виде при наведении на конкретное поле курсора манипулятора «мышь». Такое представление поможет быстро определить наиболее опасные в пожарном плане участки торфяного предприятия, соотнести наиболее вероятные места появления возгорании с местами расположения противопожарных сил и средств. Результатом будет значительное сокращение времени, уходящего на подготовку н принятие необходимых решений.
Оператор Яз предназначен для выработки управляющих воздействий, направленных на предотвращение самовозгорания фрезерного торфа. Он реализует две функции, первая из которых R3I служит для формирования управляющих воздействий па протяжении сезона добычи торфа:
RM:PnrxX, :Mc- LCl где Хс - множество значений показателей, характеризующих состояние различных штабелей торфа на протяжении сезона добычи; Мс— множество значений показателей, характеризующих состояние окружающей среды на протяжении сезона добычи; Lc — множество управляющих воздействий, направленных на предотвращение появления очагов самовозгорания фрезерного торфа в штабелях и выполняющихся в ходе сезона добычи торфа.
Вторая функция R 2 предназначена для формирования управляющих воздействий по окончании сезона добычи: R32: РкХехМсхХ1(.хМис- W, где Хпс — множество значений показателей, характеризующих состояние различных штабелей торфа после окончания сезона добычи; М„с- множество значений показателей, характеризующих состояние окружающей среды после окончания сезона добычи; L — множество управляющих воздействий, направленных на предотвращение появления очагов самовозгорания фрезерного торфа в штабелях и выполняющихся по окончании сезона добычи торфа,
Управляющие воздействия можно подразделить на мероприятия, непосредственно направленные на предотвращение самовозгорания и сдерживание еаморазогревания, такие, как передвижка штабеля или наложение изоляции и на диагностические мероприятия, такие как измерение температуры в штабеле. Результаты диагностических мероприятий служат, в свою очередь, включаются в исходные данные для выработки управляющих воздействий при последующих выполнениях оператора.
Управляющие воздействия могут осуществляться нерегулярно, возможно, даже разово, или повторяться с некоторой периодичностью. Для повторяющихся мероприятий в качестве управляющего воздействия может рассматриваться не только их осуществление, но и изменение частоты их проведения.
Структура базы данных автоматизированной системы управления пожарной безопасностью производства фрезерного торфа
При проектировании базы данных необходимо прежде всего определить состав данных, необходимых для функционирования автоматизированной системы и исходить из их реальной структуры и взаимосвязи.
Для прогнозирования опасности самовозгорания торфа согласно используемой методико пообходимо хранить в базе значения диагностических показателей н прогностическую таблицу, связывающую значения различных диапазонов диагностических показателей с прогностически мі і коэффициентами.
В ходе дальнейших исследований возможно изменение методики прогнозирования путем увеличения количества диагностических показателей и уточнения прогностических коэффициентов.
В целях обеспечения возможности без изменения структуры базы динамического менять состав диагностических показателей и прогнос шческук таблицу, были созданы таблицы двух типов. Таблицы первого типа хранят перечень диагностических характеристик, а второго — значения этих характеристик. К первому типу относится таблица parameters, ко второму таблицы parameter_values — для данных, относящихся ко всему предприятию, и field___values - для данных, относящихся к отдельным торфяным полям.
Таблицы первого типа хранят перечень характеристик, рассматриваемых в качестве диагностических показателей. Здесь содержатся основные сведения, описывающие характеристику, такие, как ее наименование и предельные значения, которые она может принимать, в случае наличия таковых. С целью создания в дальнейшем более дружественного пользовательского интерфейса было предусмотрено хранение двух наименований любой характеристики; краткого и полного. Полное наименование исчерпывающим образом объясняет оператору сущность показателя, а краткое используется в большинстве компонентов пользовательского интерфейса, чтобы избежать его перегрузки длинными фразами и достичь как можно более компактного представления информации.
Таблицы второго типа хранят значения описанных характеристик. Они в обязательном порядке должны включать три поля: одно содержит ссылку на характеристику, значение которой находится в данной записи, другие два — собственно значение, а именно нижнюю и верхнюю его границы, т,к-значение представляется в виде интервального числа. Помимо этого таблица field_yalues также должна содержать поле, предназначенное для пространственной привязки значения, содержащее номер торфяного поля.
Наконец, должна присутствовать прогностическая таблица, связывающая значения различных диапазонов диагностических показателей с прогностическими коэффициентами. Данная таблица в разрабатываемой автоматизированной системе названа prognosing_table.
Для автоматизированного формирования управляющих воздействий необходимо хранить в базе значения различных j геременных, выступающих в качестве диагностических. Структура блзы должна быть ориентирована на оперативный ввод этих значений и хранение их с указанием даты измерения.
В структуру базы данных должна быть заложена возможность гибкого изменения сосгава диагностических переменных без изменения се структуры, С этой целью для хранения данных, используемых при формировании управляющих воздействии, было создана таблица characteristics, содержащая перечень учитываемых характеристик, и таблицы, содержащие их значения.
Диагностические показатели различаются по уровню пространственной привязки. Значения одних показателей могут быть разными у различных штабелей фрезерного торфа, других характеристик — у различных торфяных полей, третьи характеристики являются общими для всего предприятия в целом. В целях учета этих особенностей для хранения значений диагностических переменных были организованы три таблицы: char_values -для показателей, единых для всего предприятия, char_field_yalues — для характеристик торфяных полей, char_shtabel_values — для переменных, характеризующих отдельные штабеля. В таблице же characteristics было предусмотрено поле level, указывающее уровень привязки характеристики — штабель, ноле или предприятие. Перечисленные три таблицы содержат поля value — для хранения значений — и tcharacteri sties — со ссылками на таблицу characte IT sties. Любое значение должно сопровождаться датой, когда оно было определено. Для хранения этих дат используется поле date. Кроме того, таблицы charfieldvalues її charshtabelvalues имеют поля, ссылающиеся на таблицы, описывающие поля или, соответственно, штабеля.
