Введение к работе
Актуальность теки. В промышленной комплексе нашей страны значительная доля добыаашах отраслей. Рост глубины тахт и карьеров сопровождается увеличением затрат на добычу каждой новой тонны сырья. Снижение темпов роста себестоимости сырьевых ресурсов неразрывно связано с поиском эффективных технологических решений, созданием новых типов и типоразмеров оборудования, совершенствованием планирования, организации производства. На стадиях проектирования и планирования, как правило, имеется множество решений, вариантов организации и развития производственного процесса, из которых требуется выбрать наиболее эффективные. Неполнота и неопределенность информации, динамика, взаимосвязи параметров существенно осложняют выбор. Учитывая невосполнимость запасов полезных ископаемых, высокую фондоемкость и опасность горнодобывающего производства, зависимость потребителей от качества выполнения договорных обязательств по поставкам сырьевых ресурсов, легко представить последствия, цену ошибочных или несвоевременных решений.
С переходом к рыночным отношениям и усилением конкуренции, особое внимание стало уделяться методологии планирования, качеству решений, принимаемых руководством, специалистами предприятий. Многообразие горно-геологических и природно-климатических условий, в каком-то смысле уникальность каждого горного предприятия, исключительно большое число технологических схем, практических ситуаций и возможных подходов к их анализу вызваны необходимость комплексных исследований, направленных на по-«ск путей получения всесторонне взвешенных планов.
Исследования выполнялись по программе "Сибирь", основная гема 3.2.1.5 (номер гос. регистрации 01860079149): "Развитие іаучньїх основ эффективных технологий разработки месторождений дерлих полезных ископаемых в условиях больших глубин", разде-ш: "Разработка методического и математического обеспечения дя расчета и оценки параметров технологий добычи твердых по-ієзннх ископаемых", "Разработка методов и средств совершенен-ования рудничной вентиляции", "Разработка математических ма-елей, алгоритмов и прикладных программ для решения задач ста-дартизации горных машин". Хоздоговорные работы: N 252-82 "Ра-работка математического обеспечения для решения на ЭВМ задач
оптимального воздухораспределєняя в вентиляционных сетях шахт и рудников*. N 83-82 "Разработка математичеасого обеспечения дя анализа технологических схем ведения горных работ на разрезе "Березовский", N 537-39 "Оптимизация параметрического ряда буровых роботизированных комплексов и комплектов технологического инструмента" и другие.
Цель исследований заключалась в развитии научных основ систем поддержки принятия решений и производственно-транспортного планирования в условиях неполноты и некоторой неопределенности информации, динамичности объектов и существенной взаимосвязанности параметров и процессов горного производства.
Идея - в создании гибких информационных технологий, автоматизированных рабочих мест, ориентированных на определенного пользователя, адаптированных к различным ситуациям и обладавших достаточными возможностями для решения возникавших задач.
Задачи исследований:
изучение общих вопросов, связанных с принятием решений, и определение принципов, закладываемых в основу устойчиво эффективных систем;
формализация ситуаций, возникаииих в горнодобывающем производстве и при выборе параметров горных машин;
поиск методов, пригодных для организации с их помощью диалога с ЭВМ, обладаниих достаточной обшлостью, позволявших за ограниченное время получать новую, недостающую информацию;
исследование различных методов и алгоритмов с целью оценки их эффективности, проведение численных экспериментов;
разработка математического обеспечения для решения ряда задач производственно-транспортного типа;
создание и применение программных систем для выполнения научных исследований и анализа реальных ситуаций.
Уетоды исследований. В работе, использовались-, исследова-телъско-операционный подход, многофакторный анализ и многокритериальная оптимизация, методы математического программирования, включая стохастическое, линейное, нелинейное, целочисленное и потоковое программирование, методы математической статистики, теории игр, марковских процессов, статистическое моде-
дарование, а такхе имитационное моделирование процессов составления и реализации планов.
Основные научшгэ результати, завиваемые авторов:
концепция создания гибких информационных технологий организации производства с применением персональных информационно-аналитических систем и принципы, на которых основывается построение подобных систем;
методология исследования сложной производственной ситуации, включая этапы ее изучения и собственно анализ с реальными данными с целью принятия решения;
способы оценки качества решений, достоверности ожидаемых показателей эффективности моделируемых процессов в условиях неполноты и частичной неопределенности информации;
метод решения специальных дискретных экстремальных задач большой размерности;
модели и алгоритмы решения рассмотренных задач выбора.
Достоверность выводов и рекомендация. Исследования, представленные в диссертационной работе, выполнены корректно, с использованием проверенных мировым опытом идей м методов. Разработанные, алгоритмы доведены до программной реализации, испытаны на большом числе тестовых и реальных задач. Строгие доказательства приведенных утверждений, логические построения, результаты вычислительных экспериментов и опыт, полученный при анализе практических ситуаций, свидетельствуют об обоснованности выводов и рекомендаций.
Личный склад автора:
осуществлена постановка ряда задач, возникающих на разных стадиях организации горнодобывающего производства (формирование парка, расстановка и замена аборудования, оценка его производительности, оптимизация рекнмов работы и резервов производства), а также при обосновании параметров горных машин (стадии НИР и ОКР) и планировании их выпуска, при этом найдены эффективные математические модели и алгоритмы, способствуйте, принятию обоснованных решений;
разработано и отдалено множество машинных программ, процедур, с помошью которых осуществлялась подготовка исходных данных, проводились численные эксперименты, создавались инфор-
мационно-аналитические системы и исследовались реальные ситуации, связанные с оптимизацией параметров некоторых горных машин, обоснованием номенклатуры и объемов их выпуска;
рассмотрены различные модификации, обобщения и частные, случаи задачи о потоке минимальной стоимости (нелинейная транспортная задача на частично ориентированной сети, с переменными коэффициентами целевой функции, с ограниченными возможностями регулирования, изменяшимися границами потоков и другие), проведены численные, эксперименты и получены относительные оценки эффективности некоторых алгоритмов решения этих задач;
выполнены анализ и оценка алгоритмов типа неявного перебора вариантов в зависимости от радиуса, глубины и схемы поиска в условиях ограниченного времени;
предложена методология анализа сложных производственных ситуаций с помощью персональных систем поддержки принятия решений, выделены основные принципы, на которых базируется создание подобных систем.
Научная новизна результатов:
расширено понятие частично неопределенной информации, предложено определение и формализованное описание эффективной области решений, коордииирухтих развитие ситуации;
найдены эффективные стратегии поиска, схемы организации диалога с ЭВМ в процессе неявного перебора вариантов;
показана возможность использования идеи метода сокращения невязок (беспорядка) Форда-Фалкерсона для исследования в диалоге с ЭВМ области Парето-оптимальных решений;
получены и сформулированы необходимые, a s ряде случаев достаточные условия оптимальности решений рассмотренных задач;
предложен приближенный малотрудоемкий метод решения специальных дискретных экстремальных задач большой размерности, основанный на сочетании идей декомпозиции и покоординатного спуска с использованием свойств двойственной задачи;
установлен физический смысл двойственных переменных в задаче моделирования установившегося воздухораспределения в инженерных сетях и доказана возможность применения теории двойственности для исследования и регулирования потоков, описываемых кубическими зависимостями;
выполненные исследования характеризуются учетом динами-
кн ситуаций, различной достоверности информации, существенной взаимосвязанное параметров моделируемых процессов, новизной постановок ряда задач и подходов к их решению.
Практическая ценность. Разработано математическое обеспечение для решения ряда задач, возникающих в горном деле:
расчет параметров вентиляционных систем подземных горных предприятий (моделирование и регулирование воздухораспре-деления в сети горных выработок, замена шахтного вентиляционного оборудования и оптимизация режимов его работы);
обоснование типоразмерных рядов горных машин (шахтные вентиляторы, роботизированные буровые комплексы, ручные перфораторы, компоновочные схемы главных вентиляторных установок);
выбор параметров транспортно-технологнческих схем, системы разработки и режимов работы основного горно-траислортно-го оборудования в условиях разреза "Березовский" (КАТЖ);
обоснование номенклатуры и объемов выпуска рядовых, сортовых и марочных углей (при существенных начальных затратах).
Предложена методология анализа, оценки и координирования развития ситуаций с учетом разных стадий организации производства. Найдены эффективные математические модели, с помощью которых может быть выполнен анализ часто возникающих ситуаций. Представлен примерный состав математического обеспечения персональной автоматизированной системы при различных длительностях интервалов планирования.
Выполненные исследования расширяют круг решаемых задач, область поиска вариантов развития, число учитываемых связей и показателей, способствуют упорядочению, систематизации информации, созданию эффективного математического обеспечения гибких автоматизированных систем информационной поддержки принятия решений, проведению комплексного анализа складывавшейся ситуации и получению более адекватных оценок будущих ситуаций, связанных с тем или иным выбором.
Реализация работы. Разработанное математическое обеспечение в виде моделей, алгоритмов, методик, сложных оптимизационных процедур и другой программной продукции передано в различные лаборатории ИГД СО РАН и использовалось для проведения совместных исследований, связанных с обоснованием типоразмерного
ряда шахтных вентиляторов, перспективных компоновочных схем главных вентиляторных установок и глубины их регулирования, ряда ручных электромагнитных перфораторов и их технических характеристик, ряда роботизированных буровых комплексов с кольцевыми погружными пневмоударниками. Найденные при этом технические решения, созданная научно-техническая продукция защищены в пяти кандидатских диссертациях сотрудников ИГД СО РАН.
Результаты исследований вошли в ГОСТ 25988-83 "Перфораторы ручные электромагнитные", в "Руководящий технический материал по выбору вентиляторов главного проветривания", утвержденный Минуглепромоы СССР (РТМ 07.03.003-87). Программное и методическое обеспечение по оптимальному регулированию шахтных вентиляторных установок передано в Высший горно-геологический институт (Болгария), включено в подсистему "Вентиляция" САПР-"Уголь". Программная система для расчета оптимальных совместных режимов работы шахтных вентиляторов и моделирования воздухораспределения в сети горных выработок передана в ЦНИЛ ВГСЧ Урала, в институты Сибгипрошахт и ПромШИпроект. Результаты исследований по совершенствованию типоразыерного ряда шахтных вентиляторов и параметров главных вентиляторных установок переданы в Донгипроуглемаш. ВНИИГМ им. М.М.Федорова и НПО Уралгормаш. Программная система и методические, рекомендации по обоснованию номенклатуры и объемов выпуска сортовых и марочных углей, разработанные, совместно с институтом КАТЭКНИИуголь, переданы в компанию "Росуголь". Система автоматизированного формирования транспортно-технологических схем ведения горных работ и динамики карьерного пространства передана на разрез "Бе-резовския-1", где она прошла производственные испытания.
Основные результаты и опыт по автоматизации исследований, организации диалога с ЭВМ представлены в монографии.
Апробация результатов. Научные результаты и положения работы докладывались на межведомственных и Всесоюзных семинарах и совещаниях по управлению вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах (Новосибирск, 1976, 1979, 1981, 1987, Лени-набад, 1988), научно-практической конференции выпускников НГУ (Новосибирск, 1977), Всесоюзных конференциях: по проблемам теоретической кибернетики (Новосибирск, 1977, 1980), аэрологии современных горнодобывающих предприятий (Москва, 1980), по во-
просам совершенствования и оптимизации горных работ (Новосибирск, 1985, 1989), развитию производительных сил Сибири и задачам ускорения научно-технического прогресса (Новосибирск. 1985), развитию стационарных установок угольных шахт <.Донецк, 1988), областной научно-технической конференции по вычислительной технике и системному анализу (Новосибирск, 1980). Сибирской Конгрессе по прикладной и индустриальной математике (Новосибирск, 1996). Международной Симпозиуме по применению компьютеров и исследованию операций в горной промышленности -АРСШ-97 (Ыосква, 1997), на семинарах в Институтах: математики СО РАН (Новосибирск. 197Б-1988, 1997), геотехнической механики (Днепропетровск, 1981), Донгнпроуглемаш (Донецк, 1991), Высшем горно-геологаческоа институте (Софія, 1982), Вычислительном центре СО РАН (Новосибирск. 1983, 1997) и других организациях.
Публікація. Опубликовано 33 работы, среди них монография, объединявшая основные научные результаты автора.
ОЗьси и структура, йіссертация содержит 230 страниц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включапаего 229 наименований, и приложения.