Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы моделирования и проектирования сложных технологических систем
1.1. Особенности задачи моделирования и проектирования технологических систем с вертикальной организацией технологических процессов 13
1.2. Выбор методов и средств для моделирования и проектирования технологических систем 16
1.3. Анализ возможности применения существующих графических систем для моделирования и проектирования вертикально организованных технологических систем 18
1.3.1 Графические системы Hi-End класса 18
1.3.2. Обзор графических систем Mid-Range и Low-End классов 20
1.4. Обоснование необходимости разработки графической системы моделирования и проектирования технологических систем с вертикальной организацией ТП 28
1.4.1. Требования к организации системы моделирования и проектирования сложных технологических систем 30
1.5. Задача поиска объемно-планировочных решений сложных технологических систем 33
1.6. Обзор методов решения задачи размещения 35
1.7. Основные понятия и особенности генетических алгоритмов 39
Цель работы и задачи исследования 47
2. Формирование графических и математических моделей задачи поиска планировочных решений 48
2.1.Определение этапов проектирования сложных технологических систем и соответствующих наборов графических моделей 48
2.2. Особенности задачи поиска объемно-планировочных решений сложных технологических систем 53
2.3. Классификация требований, предъявляемых при поиске планировочных решений 56
2.4. Декомпозиция процесса поиска объемно-планировочных решений 59
2.5. Построение геометрических моделей элементов задачи размещения 62
2.6. Оптимизационная модель задачи поиска объемно-планировочных решений 67
Выводы 72
3. Математические методы поиска оптимальных объемно-планировочных решений 73
3.1. Адаптация генетического алгоритма для генерации наборов допустимых решений 73
3.1.1. Выбор способа кодирования решений 73
3.1.2. Модифицированный способ формирования начальной популяции 78
3.1.3. Вид целевой функции для оценки найденных решений 82
3.1.4. Генетические операторы мутации, кроссинговера и отбора
3.1.4.1. Модифицированный оператор мутации 84
3.1.4.2. Адаптированный оператор кроссинговера 89
3.1.4.3. Модифицированный оператор отбора У2
3.1.5. Критерии останова работы ГА 93
3.1.6. Вычислительный эксперимент по определению оптимальных значений варьируемых параметров эволюции 96
3.2. Алгоритмы улучшения первоначальных вариантов размещения . 106
3.2.1. Модифицированный генетический алгоритм для построения рядов из однотипных элементов 106
3.2.2. Модифицированный алгоритм парных перестановок 107
3.2.3. Модифицированный алгоритм Хука-Дживса 109
3.3. Алгоритм формирования продольных и поперечных поэтажных разрезов 115
3.4. Оценка и выбор оптимальных проектных решений 117
Выводы 121
4. Графическая система технологического моделирования и проектирования 122
4.1. Принципы разработки графической системы 122
4.2. Состав графической системы технологического моделирования и проектирования 123
4.2.1 Базовое графическое ядро 124
4.2.2. Наборы графических баз данных 125
4.2.3. Справочно-информационная система 126
4.2.4. Модуль автоматизации расчетов 131
4.3. Модули автоматизации этапов проектирования 134
Выводы 145
5. Программная реализация методов поиска объемно-планировочных решений 146
5.1. Программный модуль «Автоматизированная система размещения разногабаритных компонентов на базе генетических алгоритмов» 146
5.2. Модуль автоматизированного построения разрезов производственных помещений 154
5.3. Рекомендации по использованию программных средств при проектировании перерабатывающих предприятий 154
5.4. Пример решения задачи размещения технологического оборудования 157
Выводы 158
Заключение 160
Условные обозначения 161
Список литературы 162
Приложения 174
- Выбор методов и средств для моделирования и проектирования технологических систем
- Особенности задачи поиска объемно-планировочных решений сложных технологических систем
- Вычислительный эксперимент по определению оптимальных значений варьируемых параметров эволюции
- Рекомендации по использованию программных средств при проектировании перерабатывающих предприятий
Введение к работе
При моделировании и проектировании технологических систем (ТС), характерными чертами которых являются сложность структуры и многовариантность построения, особую значимость приобретает вопрос использования математических моделей и методов, позволяющих получать наборы допустимых решений, производить их анализ и оптимизацию.
Такие особенности задачи моделирования и проектирования ТС предприятий перерабатывающей промышленности, как вертикальная организация процессов обработки материальных потоков, наличие большого числа элементов со сложной структурой их взаимодействия, необходимость учета множества трудно формализуемых и противоречивых ограничений, приводят к необходимости решения задач большой размерности, что затрудняет использование строгих аналитических моделей при их разработке.
Использование типовых моделей, применяемых при проектировании ТС с вертикальной организацией технологических процессов (ТП), затруднено применением самотечного транспорта с произвольными углами наклонов труб, что исключает использование ортогональной метрики систем коммуникаций продуктов переработки и вводит ряд специфических ограничений.
Эти обстоятельства свидетельствуют о необходимости создания специализированных моделей ТС с вертикальной организацией, базирующихся на использовании методов моделирования и оптимизации, позволяющих генерировать и оценивать проектные решения в условиях неполноты и неопределенности проектной информации.
Одним из подходов, позволяющих решать подобные задачи, является совместное использование методов эволюционного (генетические алгоритмы) и графического моделирования. Такой выбор обусловлен не критичностью генетических алгоритмов к виду оптимизируемой функции, их высокими адаптационными свойствами и быстрой сходимостью при решении оптимизационных задач.
Комбинация методов эволюционного и графического моделирования позволяет гарантированно получать наборы допустимых проектных решений в условиях неопределенности исходных данных, облегчает переходы между этапами проектирования, упрощает решение задач оценки и оптимизации проектных решений.
Таким образом, моделирование принятия проектных решений при разработке сложных ТС с вертикальной организацией процессов обработки материальных потоков является весьма важной и актуальной проблемой.
Тематика диссертационной работы соответствует одному из научных направлений Воронежского государственного технического университета «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы».
Выбор методов и средств для моделирования и проектирования технологических систем
Задача моделирования и проектирования технологических систем предприятий перерабатывающей промышленности имеет ряд специфических особенностей, затрудняющих использование типовых моделей и методов, применяемых при разработке сложных технологических систем в других отраслях промышленности.
К таким особенностям в первую очередь относятся вертикальная организация процессов обработки материальных потоков и применение самотечного транспорта в качестве основы системы коммуникаций продуктов переработки.
Широкое использование самотечного транспорта исключает применение ортогональной метрики, применяемой при разработке систем коммуникаций вертикально организованных ТС, что требует создания новых моделей и средств поиска проектных решений для подобных систем.
Наиболее перспективными путями развития предприятий перерабатывающей промышленности (крупозаводов, мельниц, комбикормовых заводов, элеваторов, хлебозаводов, кондитерских предприятий и др,) на сегодняшний день являются техническое перевооружение и реконструкция действующих предприятий, а также строительство малых и средних предприятий. Под техническим перевооружением действующего предприятия понимается комплекс мероприятий по повышению технико-экономического уровня отдельных производств, цехов, участков на основе внедрения высокопроизводительного оборудования, автоматических линий, промышленных роботов, гибких автоматизированных систем и другого прогрессивного оборудования; широкого использования высокоэффективных технологических процессов; комплексной механизации и автоматизации производственных процессов [33]. Мероприятия по реконструкции производства предусматривают как частичное обновление и расширение существующих объектов, так и создание новых производственных мощностей. Расчеты показывают, что капитальные вложения в техническое перевооружение и реконструкцию с выполнением минимально необходимой доли строительных работ окупаются значительно быстрее, чем вложения в новое строительство. Такие результаты подтверждаются многочисленными данными, полученными при реконструкции недействующих сооружений в крупозаводы по производству гречневой крупы, пшена, ячневой, пшеничной, гороховой и кукурузной крупы [6]. Необходимо отметить, что как техническое перевооружение или реконструкция предприятия, так и создание малых предприятий в большинстве случаев требует внесения существенных изменений в типовые ТП, что диктует необходимость разработки индивидуальных проектов для каждого предприятия. Сложность технологических систем перерабатывающих предприятий, обусловленная наличием большого числа элементов и сложностью их взаимодействия, необходимость учета большого количества трудно формализуемых, зачастую противоречивых ограничений, делают разработку индивидуальных проектов для каждого конкретного случая весьма трудоемкой задачей. Решение подобных задач требует использования автоматизированных систем, способных предоставить проектировщикам необходимые средства для разработки оригинальных решений. Перерабатывающие предприятия относятся к сложным объектам с непрерывно-поточным характером производства [48,63]. Характерными особенностями таких предприятий являются: большие объемы поступающего на предприятия сырья и отгружаемой готовой продукции; тесная взаимосвязь технологических операций в общем технологическом процессе; высокая степень механизации и автоматизации производственных процессов; вертикальная организация и сложность технологических процессов; большая скорость протекания ТП; изменчивость технологических свойств перерабатываемого сырья; высокие требования к выходам и качеству готовой продукции; длительный производственный цикл (около семи тыс. часов в год); требования по обеспечению сохранности сырья и готовой продукции; высокая пожаро- и взрывоопасность производства и т.д. Указанные особенности перерабатывающих предприятий выдвигают ряд дополнительных требований, которые необходимо учитывать в процессе их проектирования: размещать перерабатывающие предприятия необходимо с учетом общей схемы развития данной отрасли, источников производства сырья и районов потребления готовой продукции; предусматривать комбинирование перерабатывающих предприятий, т.е. размещение на одной территории элеватора, мукомольного, крупяного и комбикормового заводов, а также хлебозавода, макаронной фабрики и других родственных предприятий, что способствует эффективности капитальных вложений; при построении математических моделей ТС использовать средства и методы, позволяющие учитывать вероятностный характер параметров ТС, обусловленный изменчивостью технологических свойств перерабатываемого сырья; при автоматизации поиска проектных решений использовать математические модели, позволяющие учитывать специфические особенности ТС перерабатывающей промышленности;
Особенности задачи поиска объемно-планировочных решений сложных технологических систем
Обзор источников [5,6,9-12,33,82,83,92-94] не выявил примеров использования существующих графических систем для комплексного решения задачи моделирования и проектирования ТС перерабатывающих предприятий.
Это обусловлено тем, что наиболее успешно в настоящее время разрабатываются системы автоматизации конструкторских работ, а также САПР технологической подготовки производства отдельных процессов, таких как сборка конструкций и металлообработка [43,44,64,97], основные технологические операции которых хорошо формализованы и успешно моделируются графическими твердотельными образами. Вследствие этого системы автоматизации вышеуказанных технологических процессов достаточно просто реализуются на базе конструкторских САПР.
Отставание уровня средств автоматизации проектирования ТС от систем автоматизированного проектирования конструкторских работ (САПР КР) объясняется несколькими причинами. Наиболее существенная из них заключается в том, что САПР КР являются более универсальными. Конструкторские системы могут применяться без существенной адаптации практически на любом машиностроительном предприятии. Для них характерны широкий рынок сбыта, возможность продажи «под ключ». Поэтому фирмы-разработчики программного обеспечения в области САПР проявляют наибольший интерес именно к этому типу систем. Средства автоматизации моделирования и проектирования ТС, напротив, специализированны и зависят от характера производства, вида выпускаемой продукции. Кроме того, прикладное программное обеспечение таких систем неоднородно по назначению. Оно формируется из набора продуктов, каждый из которых обеспечивает разработку отдельного вида технологических процессов [62,63].
В настоящее время в перерабатывающей промышленности созданы и применяются в основном средства и методы, обеспечивающие автоматизацию рутинных процедур и операций, таких как подготовка текстовой документации, преобразование технических чертежей, построение графических изображений. Практически не используются методы и средства автоматизированного моделирования технологических систем и их составных частей, методы оптимизации параметров объектов. Недостаточно разработаны методы принятия проектных решений при многокритериальной постановке задач, организации экспертиз и автоматизированной обработке их результатов. Разрозненное применение отдельных методов и задач не приводит к качественному скачку в проектировании перерабатывающих предприятий.
Это свидетельствует о необходимости разработки современных автоматизированных систем моделирования и проектирования ТС перерабатывающей промышленности. В основу их создания должны быть положены методы системно-структурного моделирования ТС предприятий отрасли и процессов их проектирования, а также математические модели, алгоритмы и программы поиска эффективных технологических решений, которые должны учитывать реальные условия технологических процессов, их разнообразие и делать возможным поиск допустимых решений с использованием вычислительной техники [62,63]. Предприятия перерабатывающей промышленности и их компоненты характеризуются большим числом элементов, сложными пространственно-временными связями, зависимостью общих свойств объекта не только от свойств составляющих его элементов, но и от характера связей между ними. В перерабатывающей промышленности, как и в каждой предметной области, есть множество отличий и особенностей, которые не позволяют построить общую универсальную систему, пригодную для выполнения проектных работ в любой отрасли. Поэтому при создании систем автоматизированного моделирования и проектирования ТС предприятий перерабатывающей промышленности главное внимание необходимо сосредоточить на разработке методологической основы системы, т.е. на разработке структуры системы, ее логической организации, методах и средствах функционирования, для того, чтобы разрабатываемый комплекс полностью удовлетворял всем требованиям предметной области . На основе анализа работ [4,32,85,70] можно выделить следующие основные требования, предъявляемые к современным системам моделирования и проектирования технологических систем: предоставление для технолога-проектировщика возможности оперировать понятиями и правилами, составляющими суть его профессиональной деятельности и используемыми им в ходе выполнения повседневной работы; использование привычного для технологов-проектировщиков графического языка описания проекта; предоставление возможности решения текущих задач как в автоматическом режиме, так и в интерактивном режиме; доступность в освоении и эксплуатации для инженеров-технологов, не являющихся специалистами в области программирования; модульное построение системы с возможностью расширения структуры;
Вычислительный эксперимент по определению оптимальных значений варьируемых параметров эволюции
При решении задачи поиска ОПР необходимо учитывать требования архитектурных, технологических, санитарных норм и правил, требования техники безопасности [22,62,63,89-94].
Все требования могут быть сгруппированы в три группы по видам ограничений, предъявляемых к размещению оборудования. Группа 1. Требования, определяющие конфигурацию зоны возможного размещения оборудования и зон запрещенного размещения. К этой группе относятся, например, следующие требования: отсутствие выступающих строительных конструкций внутри рабочих помещений; отсутствие узких тупиковых помещений, затрудняющих уборку и способствующих скоплению пыли, развитию насекомых-вредителей и т.п.; при размещении оборудования на всех этажах необходимо предусматривать наличие продольных и поперечных проходов, связанных непосредственно с выходом на лестничные клетки или в смежные помещения, шириной не менее 1 м; для зданий с сеткой колонн 6x6 м предусмотрена нагрузка на междуэтажные перекрытия 1,0...2,5 кПа, а для зданий с сеткой колонн 9x6 допускается нагрузка 0,5... 1,5 кПа; в каркасные здания могут встраиваться стальные силосы (бункеры), а также железобетонные силосы с сеткой разбивочных осей 3x3 м, расположенные по всей ширине здания, при этом сетку колонн допускается принимать 6x3 м; продуктопроводы, норийные трубы, самотечные трубы, воздуховоды могут быть расположены около стен здания или бункеров с отступом от них не менее чем на 0,25 м; шнеки, ленточные конвейеры и др. оборудование для горизонтального перемещения продуктов от стены располагают на расстоянии не менее 0,7 м. Группа 2. Требования, предъявляемые к взаимному расположению оборудования на одном этаже: измерительное оборудование (автоматические весы, расходомеры, цветомеры и т.п.) не должны располагаться рядом с оборудованием, создающим повышенный уровень вибрации (всасывающие фильтры со встряхивающим механизмом, вентиляторы высокого давления, воздуходувные машины и т.п.); оборудование, являющееся источником повышенного уровня шума и вибрации, а также оборудование, которое может выделять в окружающее пространство избыточную влагу (моечные машины, машины мокрого шелушения, зерноуловители, прессы для отжима моечных отходов и т.п.), желательно устанавливать в отдельных помещениях с хорошей звуко-, вибро- и гидроизоляцией; крупногабаритное оборудование необходимо размещать вдали от оконных проемов для минимизации потерь естественной освещенности; для создания оптимальных условий обслуживания машин и механизмов допустимо использование специальных конструкций (рам, станин), позволяющих изменять высоту установки оборудования над уровнем пола; минимально-допустимые проходы и разрывы между всеми видами стационарного оборудования должны соответствовать действующим нормам по технике безопасности и производственной санитарии, например, около башмака норий предусматриваются проходы с трех сторон не менее 0,7 м, проходы между рассевами по их длинной стороне - не менее 1,15 м, а по короткой - не менее 1,25 м; проходы между отдельными машинами должны быть не менее 0,7 м; разрешается групповая установка машин, не требующих подхода для обслуживания со всех сторон; однотипное оборудование, требующее постоянного обслуживания, должно располагаться группами; оборудование, связанное транспортными линиями, должно располагаться как можно ближе друг к другу Группа 3. Требования, предъявляемые к взаимному расположению оборудования со смежных этажей, связанного самотечным транспортом. При размещении на смежных этажах оборудования, связанного самотечным транспортом, необходимо учитывать требования по соблюдению допустимых углов наклонов самотечных труб. Углом наклона самотека называют острый угол между осевой линией самотечной трубы и горизонтальной поверхностью, измеренный в вертикальной плоскости, содержащей осевую линию самотечной трубы. Минимальные углы наклонов самотеков задаются для каждого типа технологических машин и зависят от продукта, транспортируемого по самотекам (см. табл. 2.1). Таким образом, необходимость решения широкого круга задач и учета большого количества требований на этапе поиска планировочных решений свидетельствует о необходимости применения метода декомпозиции при решении этой задачи. Принцип декомпозиции, положенный в основу решения задачи поиска ОПР, позволяет разбить исходную задачу объемного проектирования на группу взаимодействующих между собой задач плоскостного проектирования: построение чертежей строительной подосновы (поэтажные планы здания); формирование геометрических моделей (ГМ) зон возможного и запрещенного размещения (участки, на которых оборудование размещаться не может, например лестничные площадки, колонны, площадки, примыкающие к дверям, и т.д.) для каждого этажа с учетом требований к размещению оборудования в промышленных зданиях; формирование набора ГМ элементов размещения, учитывающих требования к взаимному размещению оборудования, размещаемого на одном этаже; решение задачи оптимального, с точки зрения выбранного критерия, размещения оборудования для отдельного этажа, выбранного в качестве первоначального;
Рекомендации по использованию программных средств при проектировании перерабатывающих предприятий
Задача поиска ОПР является комбинаторной задачей, оперирующей размещением объектов. При решении таких задач часто возникает ситуация, когда незначительное изменение параметров приводит к скачкообразному изменению показателей качества. Поэтому использование ГА для решения подобных задач предполагает разработку специальных методов кодирования исходных данных, позволяющих гарантированно получать допустимые проектные решения с учетом специфики работы ГА, а также использование специальных генетических операторов (ГО), обеспечивающих получение, сохранение и рекомбинацию решений, удовлетворяющих всем предъявляемым требованиям. Для адаптации ГА к конкретной задаче необходимо задать следующие параметры: способ кодирования решения (хромосомы); способ формирования начальной популяции; вид целевой функции для оценки найденных решений; вид генетических операторов отбора, рекомбинации и мутации; критерий останова; оптимальные значения варьируемых параметров эволюции (размер популяции, вероятность мутации, вероятность кроссинговера). Универсальность ГА объясняется тем, что любое пространство поиска при использовании ГА представляется как множество символьных строк -хромосом, роль генов в которых играют отдельные параметры. Как правило, хромосомы имеют определенную длину и составляются с использованием определенного алфавита. Наиболее распространенным классическим способом является бинарное кодирование, при котором в качестве алфавита для составления хромосом используются символы {0,1}. Это объясняется удобством применения генетических операторов к такому виду записи. Простейшим случаем бинарного кодирования является ситуация, когда информация, хранящаяся в каждом гене, может быть представлена как логическая переменная, т.е. хромосома имеет вид вектора А={аь..., ai?...aN}, где аі {0Д}, i = %N f N- количество генов в хромосоме. Такой способ применим в тех случаях, когда значение параметра определяет наличие или отсутствие некоторого факта, принадлежность или непринадлежность к какому-либо множеству и т.д. Более сложным является случай, когда кодируется вектор В={ Ъъ... bi,. - ,bn } с целочисленными неотрицательными компонентами. Применяются также явные способы кодирования. Например, целочисленное кодирование - явный способ представления информации, при котором значения параметров никаким трансформациям не подвергаются [115,117]. Такой способ кодирования используется при решении задач с целочисленными параметрами, в особенности если значения параметров изменяются в относительно больших пределах и двоичное кодирование применять недопустимо, поскольку оно создает слишком большие области поиска и очень громоздкое представление значений параметров.
Однако существуют генетические операторы, характерные только для конкретного способа кодирования, в частности для бинарного. Поэтому, не смотря на то, что бинарное представление хромосом представляется более трудоемким, чем явное кодирование, и требует разработки дополнительной проверочной функции для решений, полученных при побитовой генерации новых значений параметров в процессе формирования популяции, наиболее корректное исполнение генетических операторов обеспечивает именно бинарное представление хромосом.
Традиционно, при решении задачи размещения с помощью ГА используются два основных подхода к кодированию проектной информации. В первом случае хромосома представляет собой совокупность генов, однозначно описывающих взаимное расположение элементов размещения. Абсолютные значения координат точек привязки элементов при этом не учитываются. Во втором случае для построения хромосом используются гены, содержащие двоичные представления координат точки привязки элемента размещения. Преимуществом первого подхода является сравнительно небольшая длина кодирующей хромосомы (КХ). Этот подход реализуется, как правило, на основе графовых моделей и наиболее широкое распространение получил при проектировании топологии СБИС. Однако применение такого способа кодирования для задачи размещения технологического оборудования затруднено по следующим причинам: наличие зон запрещенного размещения в виде прямоугольных областей с фиксированными точками привязки затрудняет или, в ряде случаев, делает невозможным получение LB-компактного (Left, Bottom) размещения, которое обычно реализуется на графовых моделях; использование графовой модели в сочетании с разработанными для нее ГО не позволяет обеспечить фиксированное положение зон запрещенного размещения; наличие индивидуальных зон возможного размещения для отдельных машин требует использования при кодировании абсолютных координат их центров привязки; при решении задачи поиска ОПР помимо требования минимизации занимаемой площади могут быть сформулированы и другие критерии оптимальности, такие как равномерность размещения оборудования, наличие рядности, достижение которых при использовании вышеописанной модели не представляется возможным. Поэтому для решения задачи поиска ОПР целесообразно использовать хромосомы, строительными блоками которых являются двоичные представления координат точек привязки элементов размещения. Такой подход значительно снижает вероятность возникновения ошибок смещения, характерных для решения перестановочных задач с использованием более сложных представлений, хотя при этом значительно возрастает длина КХ и, как следствие, объем памяти V, занимаемой популяциями в процессе поиска: где L - длина КХ, М - размер популяции, Кр - количество популяций. Длина КХ, содержащей координаты точек привязки элементов, рассчитывается по формуле где N - число элементов размещения, ак и Ьк- соответственно длина и ширина зоны возможного размещения для этажа к; - длина двоичного слова, необходимая для кодирования координат точки привязки.
