Введение к работе
Актуальность теми. В течение последних десяти лет на шахтах России производительность труда ежегодно снижается на 2-4%, что в значительной мере связано с ухудшением горно-геологических условии разрабатываемых месторовдений, низкими теинами модернизации и обновления шахтного фонда, все еще высоким уровней ручного труда.
Переход к рыночной экономике -повлек за собой ежегодное снижение объемов добычи-угля на 8-10%. При введении свободных цен на уголь 40% шахт оказались нерентабельны. По оценкам экспертов, сопоставление уровней "развития угольной промышленности США и России не в пользу последней, так, показатель сменной производительности труда рабочего на шахтах США в 1,6 -2 раза выше.Высокий уровень развития угольной промышленности США объясняется сравнительно благоприятными горно-геологическими условиями разработки пластон, применением- надешой и высокопроизводительной техники, з том числе, робототехники.
По мнению многих ученых, в частности, Ю.Л. Худина.А.Д. Игнатьева и И.С.Крашкина основным направлением совершенствования подземной добычи угля является создание " гибкой роботизированной технологии с элементами искусственного интеллекта без постоянного присутствия человека в опасных зовах". 'В настоящее время проводятся планомерные поисковые работы в этом направлении.
Традиционные методы оценки эффективности новой техники основываются на статических моделях и не позволяют проследить эффект роботизации шахты во времени. Корреляционные, имитационные, вероятностно-аналитические модели, созданные в горном деле,-предназначены, главным образом, для расчетов параметров производственных процессов, а не затрат на их выполнение.
Совершенствование методов возможно только на базе применения современной вычислительной техники, автоматизации научных исследований, использовании математических методов и моделей, пригодных для системной оптимизации основных качественных и количественных характеристик горного производства угольной шахты.
Средством являются новые инструментальные системы моделирования с проблемно- ориентированным методическим, алгоритмическим и программным обеспечением.
- г -
В этой связи разработка методов и средств математического моделирования и оценки" эффективности роботизации горного производства представляется актуальной научной задачей.
Диссертационная работа выполнена в период обучения в аспирантуре Института угля СО РАН в соответствии с Координационным планом НЮ? СО РАН " Проблемы механики и управления в робототехнических системах и автоматизированных производствах" (р. 1.11.3.11 Разработка научных основ технологического и алгоритмического обеспечения средств робототехники для" угольных шахт Кузбасса), планами НИР Института угля на 1.989-1.993 годы....
Цель роботи - повышение надежности и эффективности предпроек-тных решений,по роботизации горных процессов на основе разработанной новой имитационной модели угольной шахты.
Основная идея работы - использование цветной селективной сети Петри с предикатами на переходах для описания организационно-производственной структуры угольной шахты и оценки границ эффективности применения роботов в шахтных технологиях с помощью показателя себестоимости технологического процесса.
Задачи, исследований:
-развить методы математического моделирования горных процессов: разработать принципы формализации и моделирования организационно-производственной структуры угольной шахты на сетях Петри;
-разработать метод многокритериальной оценки эффективности и обосновать критерий оптимальности стратегии роботизации горного производства с учетом границ эффективного применения шахтной робототехники на основе имитационного моделирования технико- экономических показателей процесса - компонентов интегг ральногю критерия;
-разработать стохастическую имитационную модель робототехни-ческой системы группового обслуживания забоев в шахтах и рудниках; исследовать зависимости эксплуатационных показателей процесса от влияния организационных факторов и технических характеристик шахтных роботов ;
-разработать инструментальное программное средство- проблемно-ориентированную систему имитационного моделирования угольной шахты <СИМ УШ), обеспечивающее автоматизированное решение задач, направленных на обоснование эффективного-. применения роботов в
- з -шахтных технологиях.
Методы исследований:
-теория сетей Петри для разработки имитационной модели угольной шахты;
-системный анализ угольной шахты как сложной иерархической трехуровневой системы для формализации процессов и подсистем горного производства;
-теория массового обслуживания для разработки имитационной
модели робототехнической системы группового обслуживания забоев в
шахтах и рудниках; .
-теория отношений для символического описания структуры сети Петри;
-применение ПЭВМ ІШ РО/АШ/ ,0С MBDOS 5.1 для алгоритмизации и программирования специальных кнструментальных средств: СИМ УШ и модели обслуживания группы забоев в шахтах и рудниках;
-метод вариантов для оценки и выбора оптимальной стратегии роботизации шахты;
-теория проектирования автоматизированных систем управления для разработки методического, математического и программного обеспечения системы имитационного моделирования угольной шахты.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
-организационно-производственная структура угольной шахты адекватно описывается времязависадей, цветной селективной сетью Петри с приоритетами и предикатами на переходах, ингибиторными дугами; имитационная модель угольной шахты для панельной подготовки шахтного поля строится на основе синтеза моделей технологических процессов , представимых в виде многополюсных графов, путем объединения моделей и замещения переходов-полюсов с учетом ориентации дуг, указывающих направление движения грузов и взаимосвязь функционирования горных процессов;
-эффективность роботизации шахты определяется выполнением условий - допустимых границ изменения технико-экономических показателей : объема проведения выработок на горноподготовительных работах, производительности труда горнорабочего при сокращении персонала по коэффициенту изменения себестоимости технологического процесса;многокритериальной оценкой
- 4 -альтернативных шахтовариантов и выбором рациональных областей применения роботоЕ по результатам имитационного эксперимента; выбор стратегии роботизации осуществляется по максимальному значению интегрального критерия 7 с учетом совокупного влияния технико-экономических показателей функционирования процессов и подсистем горного "производства;
-стохастическая имитационная модель робототехнической системы группового обслуживания забоев позволяет обосновать эффективность функционирования системы при изменении числа забоев, времени обслуживания, частоты заявок, среднего расстояния до забоев,скорости движения робота; предельная нагрузка на робот снижается с увеличением среднего расстояния до забоя и частоты заявок и повышается с увеличением потребности в обслуживании и уменьшением времени обслуживания;
- программное средство проблемно-ориентированная система
имитационного моделирования угольной шахты (СИМ УШ), включающая
принципы формализации и моделирования угольной шахты,
метод оценки технико-экономической эффективности и критерий
оптимальности альтернативных вариантов роботизации в качестве
методического обеспечения, иерархическую модель угольной шахты
в качестве .математического, моделирующие алгоритмы в качестве
алгоритмического и комплекс программ в качестве программного
обеспечения, представляет по сути автоматизированную
систему научных исследований и является надежным инструментом
оценки технико-экономической эффективности применения роботов в
шахтных технологиях на предпроектном этапе исследований.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- верификацией имитационной модели и результатов
экспериментов, достаточной степенью их адекватности действительному
поведению (состоянию) системы - фактическим показателям действующей
шахты Кузбасса (1989 г.) со сходными горно-геологическими и
горнотехническими условиями ;
-сопоставимостью результатов имитационных экспериментов -оценок локальных критериев и интегрального критерия эффективности роботизации шахты с результатами, полученными известными методами.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
-предложены и обоснованы имитационная модель горного производства угольной шахты на сетях Петри, формула сети Петри, интегральный критерий оптимальности шахтовариантов, проблемно-ориентированный имитатор модифицированных сетей Петри, инвариантный к структуре и параметрам сети;
-разработаны модули основных горных процессов для панельной подготовки шахтного поля, представленные сетями Петри и позволящие упростить машинный синтез модели угольной шахты при формировании альтернативных вариантов роботизации;
-получены границы эффективности применения роботов в процессе - аналитические соотношения: граничное значение годового объема.проведения выработок, необходимое повышение производительности труда горнорабочего при высвобождении персонала, а также
-разработан метод многокритериальной оценки эффективности роботизации шахты, отличающийся гем, что маркеру в стоковой позиции ставится в соответствие числовое удельное значение параметров модели, входному переходу стоковой позиции-ошрация сложения данных, локальные критерии представлены в виде функций модельного времени и текущей разметки сети Петри.
-предложена стохастическая имитационная модель робототехни-ческой системы обслуживания группы забоев мобильным транспортным роботом; установлены зависимости коэффициентов загрузки робота и простоев всех забоев от количества обслуживаемых забоев, скорости движения робота, потока заявок, потока обслуживания и среднего расстояния до забоев, позволяющие обосновать эффективность функционирования системы;
-разработаны алгоритмы и программы реализации функционирования стохастической модели обслуживания группы забоев мобильным транспортным роботом, проблемно-ориентированной СИМ УШ, предназначенные в качестве инструментального средства оценки технико-экономической эффективности роботизации действующей шахты;
Личный вклад автора состоит.
-в разработке принципов формализации и моделирования организационно-производственной структуры угольной шахты как сложной иерархической трехуровневой системы;
-в определении границ технико-экономической эффективности роботизации по коэффициенту изменения себестоимости
- б -
технологического процесса для конкретных схем выемки;
-в разработке метода оценки и обосновании критерия технико-экономической эффективности роботизации шахты;
-в разработке имитационной модели обслуживания группы забоев мобильным транспортным роботом и установлении зависимостей между эксплуатационными показателями и организационно техническими параметрами процесса;
-в разработке инструментального программного средства -системы имитационного моделирования угольной шахты с поддержкой принятия решения.
Научное значенье работы состоит в развитии нового подхода к имитационному моделированию подсистем и процессов угольной шахты на сетях Петри, составляющего основу методов и средств оценки эффективности предпроектных решений по применению роботов в шахтных технологиях.
Практическое значение работы.
Созданные методические и программные средства позволяют обосновать условия и рациональные области, экономически оценить предложения по роботизации горного производства.
Разработка специальных инструментальных средств в виде проблемно - ориентированных интегрированных сред позволяет упростить формирование и оценку вариантов роботизации шахты для конкретных условий добычи и выбрать из множества альтернатив оптимальный, обеспечивающий эффективность и обоснованность предпроектных решений при модернизации горного предприятия.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
"Методические указания по математическому моделированию горных процессов" и "Методические указания по выполнению курсовой работы по информатике" для студентов групп ГДп, обучающихся по направлению 550600 "Горное дело", внедрены в учебные процессы Кузбасского государственного технического университета и Ленинск - Кузнецкого горнотехнического колледжа . Система имитационного моделирования угольной иахты (СИМ УШ) использована при составлении паспорта управления кровлей и крепления лавы а 6, календарного плана разработки пласта "Румянцевский" и выборе оптимального варианта расположения резервной лавы в панели в ШУ "Физкультурник" концерна по добыче угля "Северокузбассуголь".
- 7 -Комплекс программ реализации системы имитационного моделирования угольной шахты (СИМ УШ) (р.с.940377,12.09.94) включен в российский Реестр программ для ЭВМ (РОСАПО).
Апробация работы. Работа и отдельные ее положения докладывались, обсуждались и получили одобрение на Всероссийской научно -практической конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (Кемерово, 1994), на ХХХХ научной конференции студентов, аспирантов, преподавателей и научных работников КузГТУ (17 -21 апреля 1995 г.,г.Кемерово), на кафедре разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом КузГТУ.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 научных статьях и одном свидетельстве на программы для ЭВМ.
Объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав и заключение на 171 стр., 17 таблиц, 55 рисунков, список литературы из 80 наименования и приложение.