CC BY
31
----------------------------------- © В.В. Крюкова, 2004
УДК 622.272.8 В.В. Крюкова
ИНТЕРАКТИВНАЯ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ СИСТЕМА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ
Семинар № 9
Г¥1 радиционные методы оценки эффективности новой техники основываются на статических моделях и не позволяют проследить эффект модернизации шахты во времени.
Совершенствование методов возможно только на базе применения современной вычислительной техники, использовании математических методов и моделей, пригодных для системной оптимизации основных качественных и количественных показателей производства угольной шахты.
Средством являются новые инструментальные системы моделирования с проблемноориентированным методическим, алгоритмическим и программным обеспечением.
В качестве инструментального средства математического моделирования и оценки эффективности модернизации горного производства разработана интерактивная проблемно - ориентированная система имитационного моделирования угольной шахты [1]. С системной точки зрения данное программное средство является автоматизированной системой научных исследований угольной шахты, инструментом ее анализа и синтеза на стадии концептуальных исследований. Предназначена для моделирования и оценки эффективности предпроектных решений по модернизации действующей шахты.
Имитационная система позволяет моделировать динамику поведения угольной шахты как сложной производственной системы во времени. Ядро системы -трехуровневая имитационная модель организационно - производ-
Рис. 1. Структура моделей подсистем и процессов угольной шахты для панельной подготовки шахтного поля
ственной структуры угольной шахты на сетях Петри для панельной подготовки шахтного поля.
Организационно-производственная стру-
ктура угольной шахты описывается времязави-сящей, цветной, селективной сетью Петри с приоритетами, предикатами на переходах и ингибиторными дугами.
Имитационная иерархическая модель угольной шахты 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 модернизации шахты определяется многокритериальной оценкой альтернативных шахтовариантов по результатам имитационного эксперимента с учетом совокупного влияния технико-экономичес-ких показателей функционирования процессов и подсистем горного производства [6].
Декомпозиция модели угольной шахты для панельной подготовки шахтного поля на подсистемы - уровни представлена на рис. 1:
2 уровень - действующий горизонт, 1 уровень - действующая панель, 0 уровень - очистной, подготовительный забой (принят подход
Модель подготовительного забоя
Модель подготовки панели Модель отработки панели
1 ^ і
Модель Модель
подготовки отработки
яруса яруса
Модель
действующего
горизонта
Модель
действующей
-I 2 уровень
1 уровень
0 уровень
ИГД им. А.А. Скочинского [2]).
Модель каждого уровня состоит из отдельных модулей, каждый из которых формализован сетью Петри. Модуль - достаточно автономный с технологической точки зрения процесс. Для их формализации использованы известные расширения сетей Петри с целью сокращения размерности моделей, продолжительности экспериментов и реализации возможности разнообразного описания динамических объектов модели, их свойств и логики управления горными процессами [3].
Времязависящая, цветная селективная сеть Петри с ингибиторными дугами, приоритетами и предикатами на переходах формально определяется как набор N = (P, T, G, F, H, X, Q, р, RR, F1, м0), где Р,Т - множество позиций, переходов; F,H -функции входных. выходных инциденций; Q: Р ^ R + - функция временных задержек в позициях; PR: Т ^ N -функция приоритетов, N = {0,1,2,...}; RR: Т ^ Prt(M(p)) - функция предикатов, где М(р) - текущая разметка сети; F 1 (P,t) - функция инциденций ингибиторных дуг; G = {т1,тг,...,тп } - множество цветов маркера; М(): P x G ^ N-начальная маркировка сети; функция Л : (P x G)x T ^ N, N,= {0,1} задает входное распределение цветов маркера перехода t; функция /л : Тх (PxG) ^ N задает входное распределение цветов маркера по позициям Р перехода t. Условия срабатывания перехода t є Т при текущей маркировке М записывается в виде:
Vp єР,ЗюєG
M (P,rn) - F (p, t) + ЩО = 1 Q - Qp ^ Q(p)F(P,t)/np M(p,©) <F1(p,t)npuF1(p,t) Ф 0 RR(t) =" true'"
Из двух переходов tt, tj,, для которых выполнены условия (1), сработает 11 с большим приоритетом PR(t ( ) > PR(t j ); Q(p) - время задержки маркера в позиции Р, Q - время
прибытия маркера в позицию р, Q - системное
время,
np = F(P,t)-
Новая маркировка м 1 , получаемая в результате срабатывания перехода t при фикси-
рованном входном распределении цветов маркера 'С ш , определяется по формуле:
Vр еP,За е G
M1(р,ю) = m(р,т) -Л,(®)F(p,t) + Д (а)H(t,р), где Л,(ю) = Л(С,а), Д (ю) = Д(С^),C^ -
фиксированное выходное распределение цветов маркера.
Моделирование поступления горной массы на перегружатель осуществляется "петлей" и вводом приоритетов переходов. Ввод сети предикат-переход и сети с ингибиторными дугами реализует возможность управления переходами - событиями сети Петри (технологическим процессом) в зависимости от условий, выраженных через параметры состояния модели (текущее время, текущая маркировка). Грузы и люди, доставляемые в разные очистные и подготовительные забои, уголь и порода описываются маркерами разного цвета, что позволяет значительно сократить размерность модели и продолжительность эксперимента.
Модель первого и второго уровней иерархии генерируется на основе машинного синтеза моделей, представимых в виде многополюсного графа [4, 6].
Модули очистной забой, подготовительный забой представляются двухполюсником.
Модули подготовка яруса бремсберговой и уклонной панели представляются трехполюсным графом. Модули отработка яруса, подготовка бремсберговой панели - трехполюсные графы; модуль участковый вспомогательный транспорт - п-полюсный граф, где п-количсство очистных и подготовительных забоев.
Модуль участковый основной транспорт так же представлен в виде
п-полюсного графа, п-количсство очистных и подготовительных забоев.
Модули магистральный основной транспорт и магистральный вспомогательный транспорт представляются m-пoлюcными графами, где m-кoличecтвo рабочих панелей. Подробное описание сетей Петри модулей приведено в работах [3,6]. Алгоритмы генерации моделей 1-го и 2 го уровней представлены на рис. 2 и рис. 3.
Указанные модули составляют библиотеку (БМ), характеризуют панельный способ подготовки шахтного поля. В перспективе БМ может пополнятся за счет вновь разрабатываемых модулей, соответствующих другим способам
подготовки шахтных полей.
Интерактивная система имитационного моделирования угольной шахты состоит из пяти основных частей: настройки модулей, средств генерации (синтеза) модели верхнего уровня иерархии, имитатора, интерпретатора и
средств поддержки принятия решения.
Настройка модуля включает: задание
структуры модели формулой сети Петри, ввод начальной разметки сети, временных задержек в позициях, конкретных распределений входных и выходных цветов маркеров (на 1 -ми 2ом уровнях модели), приоритетов, предикатов переходов и инциденций ингибиторных дуг. С целью упрощения процедуры идентификации модели 0-го уровня предложена формула сети Петри [5].
Каждый модуль, заданный формулой сети Петри, физически хранится в базе данных. Специальная программа строит матрицы инциденций модуля в памяти ЭВМ.
Средства генерации позволяют пользователю построить имитационную модель угольной шахты на любом уровне иерархии из модулей, хранящихся в библиотеке. Генерация (синтез)
Рис. 2. Блок-схема алгоритма генерации модели 1-го уровня
модели осуществляется путем замещения позиции-дублера подсетью Петри (и наоборот) и переходов-полюсов, либо путем объединения модулей и замещения полюсов. Ориентация дуг указывает на направление движения материальных потоков и последовательность функционирования процессов и подсистем горного производства. На этом же этапе происходит синтаксический анализ формулы сети Петри каждого модуля, в результате которого строятся обобщенные матрицы инциденций модели любого уровня иерархии.
Описанный подход позволяет формализировать и машинно реализовать генерацию 1-го и 2-го уровней модели угольной шахты. В результате генерации модели автоматизированно строятся общие матрицы входных и выходных инциденций, которые имеют квазидиагональную блочную форму.
Генерация модели 1-го уровня позволяет синтезировать модель действующей панели, изменяя порядок подготовки и схему отработки панели, количество одновременно отрабатываемых и подготавливаемых ярусов, а так же исследовать панель, в которой очистные и подготовительные забои отрабатываются с применением различных технологий одновременно, оценить пропускную способность транспорта и решить другие задачи [3]. Генерация модели происходит в интерактивном режиме с возможностью корректировки координат полюсов.
Генерация модели 2-го уровня позволяет синтезировать модель действующего горизонта, изменяя количество рабочих пластов и панелей, тип процесса (подготовка панели, уклонная или бремсберговая панель и т.д.). Любые, отличные от описанных модулей очистной, подготовительный забой (другие технологии), могут быть получены на 0-м уровне модели и автоматически внесены в библиотеку.
Имитатор построен на основе модифицированных сетей Петри, описывает детерминированную, потоковую, времязависящую, цветную селективную сеть Петри с приоритетами, предикатами на переходах, ингибиторными дугами: инвариантен к структуре и параметрам сети.
Процесс имитации состоит из четырёх основных процедур:
• определение ближайшего события в системе: «часы» модельного времени переводятся на момент окончания шага моделирования, затем выполняется обработка информации на конец шага - последовательно просматриваются все определенные события и выбираются из них те, время наступления которых совпадает с временем на «модельных» часах;
• определение новой маркировки сети: для каждого из таких событий в значения параметров элементов системы вносятся изменения, формируется новое событие с неопределенным временем наступления; процедура повторяется, пока множество событий с неопределенным
Рис. 3. Блок-схема алгоритма генерации модели 2-го уровня
временем наступления не пусто (американская организация эксперимента [8]);
• пересчет системного времени заключается в изменении значений времени в таймерах позиций;
• интерпретация результатов определяется характером решаемой задачи.
Интерпретатор - комплекс программ для анализа и интерпретации результатов имитационного эксперимента. В системе реализовано два типа интерпретаторов: семантические и статистические. Семантическая интерпретация основана на анализе текущего состояния имитационной модели и используется для отображения текущей разметки сети.
Статистическая интерпретация используется для определения значений локальных критериев эффективности - результатов решения задачи.
Средства поддержки принятия решения включают метод оценки и критерии поиска оптимальных вариантов модернизации шахты на каждом уровне модели.
Предложен метод оценки, основанный на имитационном моделировании динамики функционирования альтернативных вариантов «новой» шахты и показателей эффективности — компонентов интегрального критерия.
Известно, критерий оптимальности должен отвечать основному требованию - иметь технико-экономическую емкость, это значит, как можно полнее отражать все аспекты влияния модернизации на функционирование шахты.
Предложен единый (забой - панель - горизонт) интегральный критерий оптимальности щахтовариантов, построенный известным образом: локальные критерии нормализуются, в качестве «идеального» вектора принимается базовый вектор показателей (для действующей шахты): y = { f / fib} .Тогда интегральный критерий многокритериальной оптимизации имеет вид: opt у =
£ f / fb +| Z f / fib : =k+1
, f > 0, fb > 0,
где f, I = l,k -локальные критерии, которые необходимо максимизировать (коэффициент загрузки оборудования, время цикла, производительность труда горнорабочего, добыча, скорость подвигания забоя); f , I = k+l,m - локальные критерии, которые необходимо минимизировать (технологическая себестоимость, капитальные затраты и другие показатели).; f t - локальные критерии «нового» варианта, fib , - базового варианта.
Ввод новой и новейшей техники в действующее производство призван существенно повысить производительность труда, но одновременно, как правило, приводит к увеличению капитальных вложений и вместе с тем высвобождает ручной труд, что с одной стороны приводит к экономии затрат живого труда и не всегда к экономии овеществленного труда (затрат прошлого труда), что отражается в показателе «себестоимость». В силу этой разноплановости при оценке эффективности модернизации нельзя ориентироваться на отдельный показатель, необходим интегральный показатель, который бы сгладил «противоречивость» локальных критериев и однозначно выражал эффект модернизации в технико-стоимостном выражении. Таким является критерий у.
Система имитационного моделирования обеспечивает эффективность технологических решений по применению средств новой и новейшей техники путем поиска решений, дающих на каждом уровне модели оптимальные значения локальных критериев и интегрального критерия в целом.
Эвристически сконструированные альтернативные варианты модернизации шахты в результате синтеза известных предложений по применению новой техники лежат в основе моделирования конкретного варианта (стратегии) модернизации горного производства во времени.
Класс научных и практических задач, решаемых в рамках системы:
• многокритериальная оценка эффективности альтернативных вариантов модернизации шахты;
• анализ динамики состояний системы и
динамики локальных критериев (добычи, себестоимости, производительности труда рабочего, времени цикла) во времени;
• выбор рациональных областей применения новой и новейшей техники;
• выбор варианта модернизации шахты по значению интегрального критерия эффективности и коэффициенту изменения себестоимости добычи.
Некоторые задачи практически решены в рамках производственного и учебного процессов (ШУ «Физкультурник» концерна по добыче угля «Северокузбассуголь», КузГТУ, Ленинск -Кузнецкий горнотехнический колледж).
Методом имитационного моделирования оценены технико-экономические показатели действующей шахты (на примере шахты 7 Ноября АО "Ленинскуголь") и шахты нового технологического уровня (альтернативы ввода новой техники и технологий).
Обоснована корректность модели и полученных результатов по коэффициенту несоответствия [3].
Система имитационного моделирования имеет хорошо развитый сервис: ведение архива, средства защиты от несанкционированного доступа, удобный диалог с пользователем, возможность получения в любой момент времени контекстно - ориентированной подсказки и др. Программное обеспечение системы имеет две версии:
• Реализация в среде СУБД FoxPro 2.1 для ОС MS DOS. Комплекс программ внесён в российский Реестр программ для ЭВМ, получено свидетельство № 940377 (12.09.1994, РосАПО) [7]. Режим управления процессом решения задач основан на многоуровневой системе меню и широком использовании функциональных клавиш.
• Реализация в среде MS Visual Basic 6.0 для ОС Windows. Диалог с системой (приложением) осуществляется с помощью графического пользовательского интерфейса.
Библиотека моделей и система в целом открыты, допускают расширения.
Таким образом, интерактивная проблемно -ориентированная система имитационного моделирования угольной шахты включает: иерархическую модель угольной шахты на сетях Петри в качестве математического обеспечения, библиотеку моделей технологических процессов для панельной подготовки шахтного
поля, методы оценки и поиска оптимальных решений в качестве методического обеспечения, алгоритмы и программы в качестве алго-
1. Крюкова В.В. Система имитационного моделирования угольной шахты (СИМУШ) // Информ. листок №101 - 94. - Кемерово: ЦНТИ, 1994. - 2с.
2. Гринько Н.К., Устинов НИ, Осипова Г.В. Имитационная модель шахты как инструмент для разработки прогноза научно-технического прогресса при подземной добыче угля // Уголь. 1991. №1. - С. 16-22.
3. Крюкова В.В. Применение модифицированных сетей Петри для имитационного моделирования угольной шахты // Геомеханические основы подземной разработки полезных ископаемых: Межвуз. сб. науч. тр. -Кемерово: КузПИ, 1993. - С. 114-126.
4. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. - Киев: Техника, 1975, - 765с.
ритмического и программного обеспечения, перечень и формализацию классов задач в качестве функционального обеспечения. ----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Крюкова В.В. Метод формализации структуры сети Петри и ее программная реализация // Проблемы подземной разработки полезных ископаемых: Сб. науч. тр. -Кемерово: КузГТУ, 1996. - С. 97-102.
6. Крюкова В.В. Принципы формализации и моделирования угольной шахты на сетях Петри // Вестник КузГТУ :Сб. науч. тр.- Кемерово: КузГТУ, 1999. - С.74-78
7. Р.С. 940377 (12.09.94) РосАПО. Система имитационного моделирования угольной шахты (ПК СИМ УШ)/ Крюкова В.В.- Информ. Бюлл.-Вып. 3(11), 1994.
8. Математическое моделирование организационно -производственной структуры ГПС. - М.: ВНИИТЭМР, 1986.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Крюкова В.В. — Кузбасский государственный технический университет, Кемерово.
--------------------------------------- © Д. В. Бабец, Л. В. Новикова, Е.А.
Сдвижкова, 2004
УДК [622.261 - 1123:622.281]:519.25
Д.В. Бабец, Л.В. Новикова, Е.А. Сдвижкова
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОН РАЗРУШЕНИЯ В ОКРЕСТНОСТИ
ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ПОРОДНОЙ СРЕДЫ
Семинар № 10
дним из важнейших и общих свойств горных пород является их неоднородность. На это указывал М.В. Рац [1], разрабатывая классификацию неоднородностей различных порядков. Неоднородность горных пород проявляется через изменчивость физических свойств и вещественного состава в пространстве. Эти изменения могут носить как закономерный характер, обусловленный некото-
рыми фундаментальными геодинамическими законами, так и случайный, порождающий стохастическое распределение свойств породной среды. С точки зрения исследования неоднородный массив, вмещающий подземное сооружение, представляет собой сложный многоуровневый объект, каждый из уровней которого обладает различной, по отношению к другим, организацией. Первый уровень этого объ-
