Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Методы оптимизации технико-экономических показателей производственной деятельности калийных рудников (ТЭП ПДКР) 19
1.1. РУП «ПО «Беларуськалий» - особенности управления и характеристики производственной деятельности 19
1.2. Анализ существующих научных методов оптимизации ТЭП деятельности рудников 25
1.3. Определение объекта исследований и решаемой прикладной проблемы 35
Выводы по гл.1 38
ГЛАВА 2 Оптимизация ТЭП ПДКР на основе использо вания результатов решения задач горного производства других отраслей и современных информационных технологий 40
2.1. Исследование причин, снижающих эффективность использования информационных технологий в решении оптимизационных задач в добыче калийных руд 40
2.2. Разработка алгоритма постановки прикладных задач оптимизации ТЭП ПДКР исходя из представлений современных информационных технологий 41
2.3. Классификация и выбор методов научных исследований для решения практических проблем добычи калийных РУД 55
2.4. Разработка алгоритма выбора математических методов и типов моделей для решения задач оптимизации ТЭП ПДКР 66
2.5. Разработка алгоритма использования результатов решения изученных задач горного производства применительно к задачам оптимальной добычи калийных руд 74
2.6. Разработка алгоритма решения отдельных задач оптимальной добычи калийных руд на основе математического моделирования 82
Выводы по гл.2 88
ГЛАВА 3 Обоснование решений по оптимизации производственных показателей калийных рудников на основе интеграционного моделирования 90
3.1. Исследование физико-технологических процессов добычи калийных руд. Определение основополагающих предпосылок построения моделей 90
3.2. Формализация задачи оптимизации ТЭП ПДКР в аналитическом виде 104
3.3. Использование имитационного моделирования для решения прикладных проблем добычи калийных руд формализованных в виде математических задач 112
3.4. Разработка интеграционных математических моделей для решения оптимизационных задач добычи калийных руд, формализованных в виде сложных математических задач 120
3.5. Разработка формы представления интеграционных моделей в виде блок-схемы модулей 126
3.6. Определение приоритетных направлений использования интеграционных моделей 133
Выводы по гл.3 137
ГЛАВА 4 Оптимизация тэп производственной деятельности калийных рудников РУП «ПО «Беларуськалий» 139
4.1. Приоритетные задачи оптимизации ТЭП ПДКР 139
4.2. Формализация задачи оптимизации ТЭП ПДКР в виде интеграционной имитационной модели 145
4.3. Представление интеграционной модели оптимизации ТЭП ПДКР в виде блок-схемы модулей 149
4.4. Разработка имитационного эксперимента в задаче оптимизации ТЭП ПДКР -J57
Выводы по гл.4 162
ГЛАВА 5 Основные закономерности построения информационных математических моделей процессов добычи калийных руд 164
5.1. Информационное обеспечение решения задачи оптимизации ТЭП ПДКР РУП «ПО «Беларуськалий» 164
5.2. Построение модели положения в пространстве фронтов очистных и подготовительных работ 166
5.3. Основные закономерности информационной математической модели горно-геологических характеристик отрабатываемых участков 169
5.4. Основные закономерности информационной математической модели очистных и подготовительных работ на панели 174
5.5. Закономерности информационной математической модели работы рудника 183
Выводы по гл.5 188
ГЛАВА 6 Решение прикладных проблем добычи калийных руд на базе математического моделирования 190
6.1. Использование математических моделей при проектировании развития горных работ 190
6.2. Использование математических моделей для оптимизации ТЭП калийных рудников 198
6.3. Использование математических моделей при подготовке специалистов горного профиля 202
6.4. Обоснование адекватности математических моделей производственных процессов добычи калийных руд 208
6.5. Оценка экономического эффекта от внедрения математических моделей 215
Выводы по гл.6 220
Заключение 222
Список используемых источников 225
Приложения 237
- Анализ существующих научных методов оптимизации ТЭП деятельности рудников
- Разработка алгоритма постановки прикладных задач оптимизации ТЭП ПДКР исходя из представлений современных информационных технологий
- Использование имитационного моделирования для решения прикладных проблем добычи калийных руд формализованных в виде математических задач
- Представление интеграционной модели оптимизации ТЭП ПДКР в виде блок-схемы модулей
Введение к работе
Современные экономические и политические процессы обуславливают значительные изменения, как в самой сути прикладных производственных проблем, так и методов их решения.
Большая открытость отечественной экономики привела к расширению инвестиционных процессов, которые в свою очередь выразились во внедрении самых современных, сложных производств и технологий. Поэтому возникшие перед исследователями и производственниками проблемы усложнились. Их решение требует учета большого количества взаимосвязанных физико-технологических и организационных процессов и явлений. Необходимо совместное решение задач управления, планирования, организации и технологии производства. С методологической точки зрения такая постановка задачи требует системного подхода к ее решению.
Каждый из вышеназванных процессов и явлений описывается отдельной математической задачей, представляющей собой, как правило, определенный класс уравнений и неравенств. Совместное решение таких задач затруднительно, а иногда и вообще невозможно. Поэтому при использовании общепринятых аналитических методов решаемую задачу отделяют от ряда сопряженных с ней задач. Такой прием уже на стадии формулировки (постановки) задачи существенно уменьшает практическую ценность предполагаемого решения.
Для обеспечения корректности применения математического аппарата сформулированную задачу упрощают на этапе ее формализации с целью сведения к классической, решение которой известно, путем исключения из рассмотрения некоторых неизвестных, объявив их не существенными для решаемой практической задачи. При численном решении формализованная, таким образом, задача очередной раз упрощается с целью сведения ее численного анализа к известному методу.
Полученное решение требует значительных усилий для обоснования его адекватности исследуемой практической задаче. Обоснование адекватности численного решения иногда выливается в более сложную задачу, чем получение самого решения. Поэтому использование классических аналитических методов для решения современных проблем горного производства не всегда дает ожидаемый результат.
Несомненно, что прикладные научные исследования будут наиболее эффективными, если они направлены на достижение общей цели. Причем эта цель должна быть максимально конкретной, поддающейся формализации математическими методами. Только в этом случае возможен поиск оптимальных мероприятий для достижения цели.
Это еще один довод необходимости реализации системотехнического подхода к научным прикладным исследованиям оптимальной добычи калийных руд. Таких доводов можно привести много. Однако убежденности в необходимости системного подхода в научных исследованиях явно недостаточно для его реализации на практике. Необходим выбор такой методики научных исследований, которая позволила бы реализовать системный подход наиболее просто.
Метод математического моделирования и является именно такой методикой. Применение его к решению конкретных прикладных проблем требует дополнительной разработки и совершенствования.
Современное бурное развитие средств вычислительной техники, быстродействующих процессоров, устройств автоматического ввода исходной информации, в том числе графической, запоминающих устройств с огромной памятью, а также соответствующее им не менее бурное развитие системного и прикладного программного обеспечения предопределяет (диктует свои правила) модернизации методов математического моделирования на базе информационных технологий.
В работе предпринята попытка разработки научных основ оптимизационного моделирования физических и организационно-технологических процессов добычи калийной руды для реализации системного подхода в целях оптимизации производственной деятельности калийных рудников путем объединения преимуществ классических математических методов моделирования с современными достижениями в области информационных технологий.
Формулировка наиболее общей задачи оптимизации технико-экономических показателей (ТЭП) производственной деятельности калийных рудников (ПДКР) должна обеспечивать научно обоснованную и экономически эффективную разработку месторождений полезных ископаемых. Необходимо оптимизировать по определенным критериям технико-экономические показатели (ТЭП) производственной деятельности калийных рудников (ПДКР).
Такая задача оптимизации деятельности калийных рудников представлена в виде специально разработанной нелинейной математической модели. Множество ее неизвестных параметров содержит подмножества непрерывных и бинарных переменных.
Предложены правила, по которым численное решение вышеназванной нелинейной аналитической модели определяется с помощью разработанной и представленной в диссертации интеграционной имитационной математической модели. Модель предполагает использование ряда информационных имитационных математических моделей отдельных процессов и явлений добычи руды, а также эвристический, (интуитивный) инженерный опыт исследователя.
Эти правила конкретизированы применительно к условиям рудников РУП «ПО «Беларуськалий». Выработаны критерии оптимизации и построена конкретная математическая модель. Разработаны соответствующие имитационные информационные модели, в том числе, и диалоговая, позволяющая использовать (интуитивный) эвристический опыт исследователя. Сформулированы рекомендации использования разработанного метода при проектировании рудников, долгосрочном планировании их деятельности и при обучении специалистов. Предложенный в диссертационной работе метод оптимизации ТЭП ПДКР имеет достаточно общий характер и может быть применен не только для добычи различных видов полезных ископаемых подземным способом, но и в других отраслях народного хозяйства.
Очевидно, что только страны, обладающие собственным научно-исследовательским потенциалом, могут претендовать на лидерство в мировом процессе производства, обеспечить достаточно эффективную конкуренцию своей продукции на мировых рынках. Общеизвестно, что стабильно высокие цены на мировом рынке имеет наукоемкая продукция, что обеспечивает ее высокую рентабельность. Значительно больших затрат требует горнодобывающая промышленность, в развитых странах ее рентабельность значительно ниже, чем рентабельность электронной промышленности, самолетостроения и ряда других отраслей. Поэтому необходимо не только максимально развивать отечественную науку, но и уделять значительное внимание внедрению ее результатов исследований в производство.
В настоящих условиях, когда отечественная экономика по ряду объективных и субъективных причин пока еще не в состоянии поставить на мировой рынок достаточно конкурентной продукции, особую актуальность приобретает научнообоснованная и экономически эффективная разработка Старобинского месторождения калийных солей.
В мировой системе калийного производства и на международном рынке калия РУП «ПО «Беларуськалий» принадлежит 16% мировых производственных мощностей, 13,5% мирового экспорта.
Объединение занимает третье место в мире по вышеназванным технико-экономическим характеристикам после предприятий Канады и России.
Мировые запасы калийных удобрений в пересчете на 100% К20 составляют 8,4 млрд. тонн. В Беларуси их сосредоточено чуть меньше 10%. Мощности по производству хлористого калия сосредоточены в пяти основных регионах и расположены на территории 13 стран мира. В Северной Америке (Канада, США) общая мощность по производству KCI составляет 42% от мировой мощности, что равно 14,5 млн. тонн в год в пересчете на К20. Страны Европейского союза (Франция, Испания и Великобритания) производят 17% KCI (в пересчете на К20) от мирового объема, что составляет 5,7 млн. тонн в год. Ближний Восток (Израиль и Иордания) производят 7% от мирового объема, а Латинская Америка (Бразилия и Чили) - менее двух процентов мирового объема.
На долю стран СНГ (Беларусь и Россия) приходится 33% мирового производства калийных удобрений, что в пересчете на 100% KCI составляет 11,3 млн. тонн в год. Производителем калийных удобрений в Беларуси является РУП «ПО «Беларуськалий», в составе которого четыре рудоуправления, каждое из которых имеет в своем составе рудник для подземной добычи калийной руды и обогатительную фабрику. Сырьевой базой служит Старобинское месторождение, расположенное на юге Минской области. Объединение производит около 3,6 млн. тонн в год калийных удобрений в пересчете на 100% KCI, из которых в 1999 году поставило в страны дальнего зарубежья (включая Прибалтику) около 81% своей продукции, на внутренний рынок - 16,1%, в страны ближнего зарубежья - 2,4%.
Однако, как и другим горнорудным предприятиям, РУП «ПО «Беларуськалий» присущ ряд закономерностей, отрицательно влияющих на техническую и экономическую эффективность работы:
- конкуренция на мировом рынке удобрений;
- необходимость крупных инвестиций в отрасль для поддержания объемов производства на достигнутом уровне;
- необходимость отработки участков шахтных полей с более худшими, чем прежде, горно-геологическими условиями;
- неспособность отечественных сельхозпроизводителей оплатить калийные удобрения по цене, обеспечивающей их рентабельное производство;
- значительные затраты на природоохранные мероприятия;
- необходимость замены изношенного очистного оборудования дорогостоящими зарубежными образцами;
- нерентабельность использования дорогостоящего оборудования, когда коэффициент его использования не превышает 0,5;
- истощение сырьевой базы и завершение работы отдельных направлений и горизонтов;
- переход горных работ на более глубокие горизонты, что вызывает рост себестоимости за счет увеличения затрат на вскрытие и подготовку новых запасов, поддержание выработок в рабочем состоянии, транспортировку полезного ископаемого, вентиляцию и др.;
- износ горно-шахтного оборудования, работающего в тяжелых горно-геологических условиях (опасность по внезапным выбросам соли и газа);
- агрессивная соляная среда;
- использование дорогостоящего оборудования, способного работать в тяжелых условиях подземного рудника и обеспечивающего безопасность работников;
- необходимость работы с 30-40%-ным резервом из-за ярко выраженной сезонности потребления минеральных удобрений и рентабельностью около 40%, обеспечивающей воспроизводство основных фондов.
Снижению негативного влияния вышеназванных факторов на производственную деятельность РУП «ПО «Беларуськалий» должны способствовать исследования, представленные в данной диссертации.
Анализ существующих научных методов оптимизации ТЭП деятельности рудников
Современные экономические и политические процессы обуславливают значительные изменения, как в самой сути прикладных производственных проблем, так и методов их решения.
Большая открытость отечественной экономики привела к расширению инвестиционных процессов, которые в свою очередь выразились во внедрении самых современных, сложных производств и технологий. Поэтому возникшие перед исследователями и производственниками проблемы усложнились. Их решение требует учета большого количества взаимосвязанных физико-технологических и организационных процессов и явлений. Необходимо совместное решение задач управления, планирования, организации и технологии производства. С методологической точки зрения такая постановка задачи требует системного подхода к ее решению.
Каждый из вышеназванных процессов и явлений описывается отдельной математической задачей, представляющей собой, как правило, определенный класс уравнений и неравенств. Совместное решение таких задач затруднительно, а иногда и вообще невозможно. Поэтому при использовании общепринятых аналитических методов решаемую задачу отделяют от ряда сопряженных с ней задач. Такой прием уже на стадии формулировки (постановки) задачи существенно уменьшает практическую ценность предполагаемого решения.
Для обеспечения корректности применения математического аппарата сформулированную задачу упрощают на этапе ее формализации с целью сведения к классической, решение которой известно, путем исключения из рассмотрения некоторых неизвестных, объявив их не существенными для решаемой практической задачи. При численном решении формализованная, таким образом, задача очередной раз упрощается с целью сведения ее численного анализа к известному методу.
Полученное решение требует значительных усилий для обоснования его адекватности исследуемой практической задаче. Обоснование адекватности численного решения иногда выливается в более сложную задачу, чем получение самого решения. Поэтому использование классических аналитических методов для решения современных проблем горного производства не всегда дает ожидаемый результат.
Несомненно, что прикладные научные исследования будут наиболее эффективными, если они направлены на достижение общей цели. Причем эта цель должна быть максимально конкретной, поддающейся формализации математическими методами. Только в этом случае возможен поиск оптимальных мероприятий для достижения цели. Это еще один довод необходимости реализации системотехнического подхода к научным прикладным исследованиям оптимальной добычи калийных руд. Таких доводов можно привести много. Однако убежденности в необходимости системного подхода в научных исследованиях явно недостаточно для его реализации на практике. Необходим выбор такой методики научных исследований, которая позволила бы реализовать системный подход наиболее просто.
Метод математического моделирования и является именно такой методикой. Применение его к решению конкретных прикладных проблем требует дополнительной разработки и совершенствования.
Современное бурное развитие средств вычислительной техники, быстродействующих процессоров, устройств автоматического ввода исходной информации, в том числе графической, запоминающих устройств с огромной памятью, а также соответствующее им не менее бурное развитие системного и прикладного программного обеспечения предопределяет (диктует свои правила) модернизации методов математического моделирования на базе информационных технологий.
В работе предпринята попытка разработки научных основ оптимизационного моделирования физических и организационно-технологических процессов добычи калийной руды для реализации системного подхода в целях оптимизации производственной деятельности калийных рудников путем объединения преимуществ классических математических методов моделирования с современными достижениями в области информационных технологий.
Формулировка наиболее общей задачи оптимизации технико-экономических показателей (ТЭП) производственной деятельности калийных рудников (ПДКР) должна обеспечивать научно обоснованную и экономически эффективную разработку месторождений полезных ископаемых. Необходимо оптимизировать по определенным критериям технико-экономические показатели (ТЭП) производственной деятельности калийных рудников (ПДКР).
Такая задача оптимизации деятельности калийных рудников представлена в виде специально разработанной нелинейной математической модели. Множество ее неизвестных параметров содержит подмножества непрерывных и бинарных переменных.
Предложены правила, по которым численное решение вышеназванной нелинейной аналитической модели определяется с помощью разработанной и представленной в диссертации интеграционной имитационной математической модели. Модель предполагает использование ряда информационных имитационных математических моделей отдельных процессов и явлений добычи руды, а также эвристический, (интуитивный) инженерный опыт исследователя. Эти правила конкретизированы применительно к условиям рудников РУП «ПО «Беларуськалий». Выработаны критерии оптимизации и построена конкретная математическая модель. Разработаны соответствующие имитационные информационные модели, в том числе, и диалоговая, позволяющая использовать (интуитивный) эвристический опыт исследователя. Сформулированы рекомендации использования разработанного метода при проектировании рудников, долгосрочном планировании их деятельности и при обучении специалистов. Предложенный в диссертационной работе метод оптимизации ТЭП ПДКР имеет достаточно общий характер и может быть применен не только для добычи различных видов полезных ископаемых подземным способом, но и в других отраслях народного хозяйства.
Очевидно, что только страны, обладающие собственным научно-исследовательским потенциалом, могут претендовать на лидерство в мировом процессе производства, обеспечить достаточно эффективную конкуренцию своей продукции на мировых рынках. Общеизвестно, что стабильно высокие цены на мировом рынке имеет наукоемкая продукция, что обеспечивает ее высокую рентабельность. Значительно больших затрат требует горнодобывающая промышленность, в развитых странах ее рентабельность значительно ниже, чем рентабельность электронной промышленности, самолетостроения и ряда других отраслей. Поэтому необходимо не только максимально развивать отечественную науку, но и уделять значительное внимание внедрению ее результатов исследований в производство.
В настоящих условиях, когда отечественная экономика по ряду объективных и субъективных причин пока еще не в состоянии поставить на мировой рынок достаточно конкурентной продукции, особую актуальность приобретает научнообоснованная и экономически эффективная разработка Старобинского месторождения калийных солей.
В мировой системе калийного производства и на международном рынке калия РУП «ПО «Беларуськалий» принадлежит 16% мировых производственных мощностей, 13,5% мирового экспорта.
Разработка алгоритма постановки прикладных задач оптимизации ТЭП ПДКР исходя из представлений современных информационных технологий
Состояние системы в момент времени t0 обозначено {У} to, где t0 - момент ввода в расчетную деятельность рудника, согласно разработанному проекту, а {У}ю - технико-экономические показатели производственной деятельности калийного рудника в момент времени t0, определенные в расчете на строительство рудника ; Z(t0), Z(U), Z(tn), Z(t n+i) - управляющие воздействия на систему в виде мероприятий по организации и планированию развития горных работ с целью обеспечить значение ТЭП ПДКР не ниже ранее определенных.
Планирование показателей выполняется на период от t0 до ti.Затем в момент времени ti планируют показатели системы на период от t-i до t2 и так далее, до момента времени tn, когда планируют показатели деятельности системы с момента времени tn до tn+1 .
Таким образом, поведение системы может быть описано значениями показателей в дискретные промежутки времени At=1 месяц, а tn+i - tn = 1год = 12 месяцев.
Функционирование калийных рудников как производственных систем связано со значительными практической проблемой, внешним признаком которой является ухудшение технико-экономических показателей производственной деятельности.
Сутью же данных проблем являются как объективные, так и субъективные факторы. К основным объективным факторам относятся: необходимость отработки участков шахтных полей с более худшими, чем прежде, горно-геологическими условиями; значительные затраты на природоохранные мероприятия; нерентабельность неэффективного использования дорогостоящего западного оборудования, когда коэффициент его использования не превышает значения 0,5; необходимость работы с 30-40% резерва из-за ярко выраженной сезонности потребления продукции рудников. К субъективным факторам можно отнести недостаточное использование в задачах управления и организации производства современных научных достижений и, в частности, достижений в области развития средств вычислительной техники и информационных технологий. Устранению указанных недостатков должна способствовать разработка методики математического моделирования физических и организационно-технологических процессов добычи калийных руд. Это должно позволить достичь минимизации негативных последствий объективно существующих проблем, с которыми сегодня сталкивается калийная отрасль. Для достижения вышеназванной цели необходимо сформулировать и проверить ряд гипотез, установить и обосновать ряд зависимостей и закономерностей, связанных с изучением процессов и явлений добычи калийных руд, выбрать метод решения задачи оптимизации ТЭП ПДКР на базе системного подхода. Выводы по гл.1. Исследования, проведенные в данной главе, позволяют сделать следующие выводы и сформулировать предположения, требующие дальнейшего исследования и обоснования. 1. Прикладные исследования в области оптимизации ТЭП производственной деятельности калийных рудников, направленные на обеспечение отечественных сельхозпроизводителей удобрениями, а Ф также на сохранение и увеличение значительного притока валюты в страну, является важной стратегической народнохозяйственной проблемой. 2. Существующее положение дел в калийной отрасли требует разработки специальных мер для сохранения достигнутого уровня производства, что не возможно без соответствующего математического аппарата. Используемые в настоящее время методы оптимизации ТЭП производственной деятельности калийных рудников не удовлетворяют в полной мере потребностям современного производства, характеризу ющегося наличием сложных, взаимосвязанных физических и ($ организационно-технологических процессов, по разному проявляющихся на различных этапах производства: отсутствует научно обоснованная методика решения задач оптимизации ТЭП производственной деятельности калийных рудников. перспективное планирование ТЭП ПДКР, как важнейший элемент их оптимизации, по существу, не удовлетворяет современным требованиям развития народного хозяйства, т.к. является одновариантным. одновариантность плана не позволяет производить оценку зависимости показателей работы рудника от принятия различных решений. задача организации работ очистных и проходческих комплексов, выбора технологии отработки участков шахтных полей, при г составлении перспективных планов, фактически, не решается. отсутствие изначально достоверной исходной информации, изменение с течением времени материально-технической базы РУ требует последовательного уточнения деталей плана. Однако длительность и трудоемкость разработки одного варианта перспективного плана не позволяет это сделать. 3. Для решения задач оптимизации ТЭП производственной деятельности калийных рудников должен быть использован системный подход, обеспечивающий исследование и учет всех многообразных физических и организационно-технологических процессов добычи руды, соответствующих современному сложному горному производству и перспективным методам управления данным производством. Наиболее приемлемое с практической точки зрения решение задачи оптимизации ТЭП производственной деятельности калийных рудников, может быть получено на основе методов математического моделирования с использованием современных достижений в области информационных технологий. 4. Проектирование новых рудников, модернизация действующих, проектирование развития горных работ для поддержания и увеличения их мощности, управление действующими рудниками, в том числе, долгосрочное планирование их деятельности - все это наиболее существенные и ответственные мероприятия, когда закладываются и формируются основные технические решения, которые в дальнейшем и определяют значения ТЭП ПДКР, поэтому задачу оптимизации ТЭП ПДКР при проектировании и долгосрочном планировании развития горных работ необходимо решать совместно с задачей организации работ очистных и проходческих комплексов, выбора технологии ведения горных работ на базе моделирования физических процессов сопутствующих добыче калийной руды. 5. Повышение коэффициента использования дорогостоящегося импортного оборудования является на сегодня важной задачей проектирования рудников и управление их деятельностью. Достоверное, имеющее высокую практическую ценность, решение задачи оптимизации ТЭП ПДКР, с учетом особенностей сегодняшнего производства, может быть получено на основе синтеза классических математических методов математического и имитационного моделирования, методов интуитивного эвристического инженерного анализа.
Использование имитационного моделирования для решения прикладных проблем добычи калийных руд формализованных в виде математических задач
В настоящее время известно большое число аналитических математических задач, которые в той или иной степени применяются для решения практических задач горнодобывающей промышленности. Однако современные производственные проблемы настолько сложны, что формализованные задачи не могут быть решены известными методами. Поэтому идея построения большинства из них состоит в том, что при их создании практическая задача изначально упрощается. Цель этого заключается в том, чтобы свести построенную модель к известному методу получения численного решения. В результате такого приема обеспечивается корректность применяемого математического аппарата.
Однако этот подход нуждается в серьезном обосновании утверждения, что полученное решение является адекватным сформулированной практической задаче. Известно, что оно, чаще всего, позволяет установить только лишь основные закономерности, которым подчиняется исследуемый процесс. Получить же конкретные абсолютные численные оценки влияния тех или иных параметров на исследуемый процесс горного производства часто не удается. Другими словами, для того чтобы добиться строгого решения сформулированной и формализованной, подчеркиваем, именно в виде аналитической, абстрактной задачи жертвуют ее адекватностью практической задаче. Выбор метода решения практической задачи или разработка нового метода - процесс сложный, трудоемкий и не всегда приводит к искомому результату. Во многих прикладных научно-исследовательских работах центральное место отводят выбору или разработке математических методов решения задач. Однако прежде чем приступить к выбору или разработке метода решения некоторой практической проблемы, необходимо максимально описать ее в математических выражениях, формулах, т.е. формализовать задачу.
Именно исследователь практических проблем должен уделять основное внимание формулировке и формализации математических задач. Разработку же математического метода решения формализованной задачи необходимо выполнять совместно со специалистами в области прикладной математики, т.к. этот процесс сложный, требующий высокой математической эрудиции.
Ниже предлагается метод использования имитационного моделирования для анализа производственных проблем горного производства, формализованных в виде аналитических моделей, решение которых не может быть получено строгими математическими методами из-за сложности формализованной задачи [20], [21].
Специфика проблем горного производства такова, что решение любой практической проблемы, в конечном итоге, должно быть направлено на максимальное извлечение полезного ископаемого из недр самым дешевым способом, с минимальным ущербом для окружающей среды, с безусловным соблюдением правил ведения горных работ. Это типичная многокритериальная задача.
Вышеизложенная цель вместе с ограничениями и условиями в самом общем виде может быть описана некоторой целевой функцией, совокупностью неравенств и уравнений, содержащих как переменные, так и постоянные параметры. Все существенные параметры, характеризующие исследуемый процесс, можно разделить на два множества. Первое множество составляют те параметры, которые являются некоторыми переменными величинами и их значения следует определить в результате анализа модели. Обозначим множество этих параметров Xn . Множество Хп включает в себя элементы х Хг.х 3,...,xn. Обозначим это утверждение следующим образом: Хп Є {xi,x2,...,xn}. Множество Хп составляют те параметры, которые считаются неизвестными полностью или частично. Решением математической модели (3.23) является множество Хп, состоящее из п элементов {xi,x2,...,Xj,...,xn} таких, что критерий оптимальности достигает своего экстремального значения, а все условия и ограничения выполняются. Не упрощение ранее формализованной задачи, а изменение методологии ее решения - вот суть использования имитационных моделей для задач, решение которых не может быть получено известными классическими аналитическими методами. Известно, что имитационное моделирование, играющее все большее значение с развитием персональных компьютеров и их сетей -не теория, а методика решения проблем. Метод имитационного моделирования может быть сравним с такими методами теории исследования операций, как вероятностные методы, методы статистических оценок, методы целочисленного линейного и нелинейного программирования, методы теории массового обслуживания, методы сетевых моделей, методы теории игр. В начале своего развития, когда средства вычислительной техники не были доступными и эффективными, метод имитационного моделирования рассматривался некоторыми исследователями приближенным грубым приемом и последним средством, к которому следует прибегнуть для решения задачи. Однако неоспоримым является тот факт, что на современном уровне развития средств вычислительной техники метод имитационного моделирования является одним из распространенных и востребованных методов теории исследования операций.
Определим имитационную модель физических и организационно-технологических процессов добычи калийной руды как некоторую установленную взаимосвязь между существенными параметрами, определяющими процесс (объект) исследования. Причем установленные зависимости таковы, что позволяют количественно оценить изменение каждого из параметров модели в зависимости от значений одного или нескольких других параметров модели. Из данного определения следует, что создание модели включает в себя формулировку согласно требованиям решения некоторой практической проблемы, формализацию модели и ее преобразование к виду, удобному для проведения имитационного эксперимента.
Все имитационные модели представляют собой модели типа так называемого «черного ящика». Они обеспечивают выдачу выходного сигнала системы, если на ее входные подсистемы поступит некоторый входной сигнал. Поэтому для получения искомых результатов решения практической задачи следует осуществить имитационный эксперимент на имитационных модулях, а не «решать» их. Имитационные модули не способны формировать свое собственное решение в том виде, в каком это имеет место в строгих математических (аналитических) моделях.
Как указывалось в ряде работ, посвященных имитационному моделированию, последнее представляется не как теория, а как методология. Такое представление имитационного моделирования объясняет определенную условность его применения для решения ряда практических научных задач, т. е. делает его применение, в некотором смысле, искусством в силу отсутствия общих правил и подходов для такого применения. Суть не в методе имитационного моделирования, а в искусстве его применения.
Следует отметить, что метод имитационного моделирования, наряду с преимуществами, имеет и ряд существенных недостатков. К ним можно отнести отсутствие универсальных алгоритмов и правил построения имитационных экспериментов, а также строгих правил формализации самих имитационных моделей. Построение имитационной математической модели некоторой практически важной проблемы подразумевает выполнение таких же этапов, что и при формализации строгих математических задач. Отсутствие некоторых общих правил предполагает использование творческого подхода для построения имитационных моделей. В этом случае большое значение приобретает не сам метод, а навыки эффективного им пользования.
Представление интеграционной модели оптимизации ТЭП ПДКР в виде блок-схемы модулей
Из вертикальной колонки, обозначающей выходную информацию, выходят горизонтальные стрелки. Они пронумерованы сверху вниз. Над стрелками указаны надписи, конкретизирующие исходящие информационные потоки. Надписи представлены в форме: V =вР(М). Данная надпись означает, что информация с k-го выхода данного модуля при і-м обращении к нему передается модулю с номером (М) на его і -й вход при j-ом к нему обращении. Индексы (і) и (j) введены для обозначения многократных обращений к одному и тому же модулю в результате выполнения расчетов и других процедур, обозначенных блок-схемой. Верхняя и нижняя горизонтальные линейки блока, поделенные на ячейки с номерами 1,2,3 (для блока №2 изображено на рис.3.3), предназначены для обозначения адресов входящих и выходящих управляющих потоков. Входная управляющая информация представляет собой код, команду для начала выполнения процедур, обозначенных блоком. Такую информацию следует обозначать по форме Ц(М), где U - признак входной управляющей информации, М - номер модуля, откуда передана управляющая информация, і - номер ячейки, выхода управляющей информации. Ik(M) - выходная управляющая информация, переданная модулю М на его k-й вход. Буква I - признак выходной управляющей информации, к - номер входа (ячейки) модуля, куда передана управляющая информация. Внутри блока, в прямоугольнике приведена текстовая информация о функциональном назначении модуля, обозначенного соответствующим блоком.
Следующий элемент базы, показанный на рис.3.3 и обозначенный блоком №5, по форме и описанию почти полностью совпадает с элементом, обозначенным блоком №2. Их отличие состоит в том, что блок №5 используется для обозначения некоторых отдельных процедур, на которые разбиваются сложные по своей структуре модули. Внешне они отличаются текстовой информацией, расположенной в прямоугольной рамке внутри блока.
Третий элемент базы обозначен блоком №3. Он обозначает процедуру подготовки некоторой информации по заданным форматам и вывод в виде таблиц, текстов, рисунков, цифр и т.д. на экран дисплея. Дополнительно к графическому изображению модуля №2 иобозначениям данный модуль содержит выпуклую дугу, из которой проведены пронумерованные сверху горизонтальные стрелки. Эти горизонтальные стрелки обозначают определенные блоки информации, выдаваемые на экран дисплея по определенному формату.
Следующим элементом базы является блок №4. Данный блок (элемент) вводится для обозначения на блок-схеме процедуры ввода с экрана дисплея информации, ее обработки и подготовки специальных выходных разделов для передачи ее другим модулям блок-схемы. По принятым обозначениям данный элемент подобен блокам №2 и №3. Его графическое изображение отличается от изображения блока №3 тем, что вместо выпуклой дуги данного блока, примыкающей к вертикальной колонке, обозначенной буквой V и обозначающей выход модуля, блок №4 содержит выпуклую дугу, примыкающую к вертикальной колонке, обозначающей вход модуля и обозначенной буквой В. К вышеназванной дуге подходят пронумерованные сверху вниз горизонтальные стрелки, конкретизирующие вводимые с экрана дисплея информационные потоки.
Блок №7 на рис.3.3 обозначает процедуру условного перехода. Функциональным назначением данного модуля является проверка некоторого сформулированного условия и определение, по результатам этой проверки, адресов (номеров блоков и соответствующих ячеек), куда следует передать управление. Элемент базы №8 предназначен для определения процедуры организации расчетов в цикле. Входная и выходная управляющая информация блока обозначена, соответственно, U(M), lk(N) - признак того, что данная информация входная для блока. Отсутствие индекса внизу буквы U, как это имеет место у других блоков, означает, что у данного блока только один вход. Смысл выражения lk(N) такой же, как и у других элементов базы. В нижней части рамки указаны номера блоков, обозначающих модули, участвующие в выполнении процедуры в цикле. В левой части блока указан его номер, а в правой обозначено количество расчетов в цикле. На рис.3.3 номер блока 8, а число расчетов в блоке 100. Графическое изображение блока представляет собой часть круга, расположенного между двумя параллельными хордами его окружности.
Элемент базы, обозначенный блоком №9, предназначен для определения окончания выполнения процедур, составляющих имитационную модель. Входная и выходная управляющая информация данного блока представлена в принятых ниже обозначениях, соответственно, U(N) и lk(M). Отсутствие индекса внизу буквы U означает, что у данного блока только один вход.
Таким образом, представленная на рис.3.3 элементная база позволяет однозначно формализовать имитационную математическую модель в виде функциональной блок-схемы взаимосвязанных отдельных моделей. Такая блок-схема является наглядным представлением модели. В самом широком смысле, разработанная и представленная в виде функциональной блок-схемы отдельных взаимосвязанных модулей модель является одним из этапов ее создания.
Построение блок-схемы обеспечивает модульность в построении модели. Каждый следующий модуль использует в качестве входной информации выходную информацию, полученную в результате функционирования предыдущих модулей, тем самым достигается принцип нисходящего динамического программирования в организации процесса вычислений. Разработанная и представленная элементная база и составленные на ее основе модели могут быть использованы программистами практически без доработок. Справедливо и обратное утверждение. Построенная и формализованная на представленной элементной базе имитационная модель в виде блок-схемы отдельных взаимосвязанных модулей может быть представлена и в аналитическом виде, т.е. в таком виде, который понятен и приемлем аналитику без каких-либо существенных преобразований. Из вышеизложенного следует, что главная цель при разработке элементной базы для описания функциональной блок-схемы отдельных модулей - это создание такой блок-схемы, которая без особенных доработок приемлема аналитику и программисту. Это является залогом их успешной совместной деятельности по разработке имитационных математических моделей, реализованных средствами вычислительной техники. Составленная в виде функциональной блок-схемы модель может быть представлена в аналитическом виде следующим образом. I. Исходные данные. 1) Нормативно-справочная информация представляет собой m секторов, по п ячеек в каждом. Затем описывается информация в каждой mn ячейке. 2) Оперативная информация также представляет собой гтн блоков, по Пі ячеек в каждом. Далее следует описать оперативную информацию, находящуюся в каждой ячейке блока. II. Описание модуля с номером М. Модуль представляет собой входящую в состав имитационной модели составляющую математическую модель. Входными и выходными информационными управляющими потоками модуля являются соответственно: BJ L), V N), Uk(D) и lk(M).
