Оптимизация структуры погрузочных и разгрузочных комплексов в горнодобывающей промышленности Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

дывателя, а табл. 1 - показатели надежности и производительности для каждой из структур.

Как видно из таблицы, производительность комплексов в значительной степени зависит от их структуры, что позволяет организационно-техническими мерами влиять на их производительность, не меняя количества кана-

лов обслуживания, т.е. производительность комплексов (в примере -вагоноопрокидывателя) может увеличиваться за счет развития их периферии, а не за счет увеличения их количества, что обусловливает экономическую целесообразность развития периферии основных механизмов комплексов. ШИЗ

— Коротко об авторах----------------------------------------------------

Воскресенский Игорь Владимирович - аспирант, инженер, Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк.

---------------------------------- © И.В. Воскресенский, 2007

УДК 622.23.05

И.В. Воскресенский

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ПОГРУЗОЧНЫХ И РАЗГРУЗОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ В ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Объектом исследования является погрузочный или разгрузочный комплекс, представляющий собой совокупность машин, механизмов и устройств, территориально разобщенных и технически автономных, связанных выполнением единого технологического процесса погрузки или

разгрузки массовых навалочных грузов. В общем виде комплексы состоит их трех подсистем: подсистема подачи порожнего подвижного состава; подсистема подачи груза к месту погрузки; подсистема выхода груженого подвижного состава (для погрузочных систем); для разгрузочных - подсис-

темы подачи груженого подвижного состава; грузоотбора; обработки порожнего подвижного состава.

Выбор структуры погрузочного или разгрузочного комплекса, как сложной системы, представляет собой оптимизационную задачу. Т ребования к структуре комплексов противоречивы; с одной стороны, необходимо обеспечить заданный уровень перерабатывающей способности на грузовых фронтах, соответствующий заданной интенсивности добычи и переработки угля, высокую степень механизации и автоматизации систем грузопереработки, складской подсистемы, компенсирующей неравномерность поступления и потребления грузов, с другой - снижение затрат на формирование комплекса и себестоимости грузопереработки угля. Задачей оптимизации является удовлетворение каждого из этих требований в экономически целесообразной мере.

Но задача оптимизации не ограничивается только экономическими и некоторыми другими натуральными параметрами. Дело в том, что данная задача является оптимизационной и в техническом плане, т.е. обеспечение экономически целесообразного уровня производительности комплекса может быть достигнуто тоже двумя путями, а именно, путем технического усовершенствования элементов систем, связанных с повышением их единичной производительности и надежности, или путем синтеза структуры комплексов из элементов определенного технического совершенства и надежности.

Первый путь подразумевает создание такой системы машин, механизмов и устройств, которая бы имела высокую степень взаимосвязанности элементов для ликвидации технологических отказов (технологической не-

совместимости) в комплексах, обуславливающих максимальную производительность главных механизмов; такие комплексы должны быть хорошо приспособлены к автоматизации всего процесса грузопереработки.

Первый путь не позволяет варьировать необходимым уровнем производительности комплекса в зависимости от колебания объема добычи или требует существенной избыточности для компенсации её неравномерности.

Второй путь позволяет варьировать производительностью, следовательно, и стоимостью комплекса в широких пределах при одних и тех же главных элементах комплекса в зависимости от конкретных условий и наложенных ограничений, связанных с регламентацией производительности комплексов. Поэтому в работе предпочтение отдается второму пути поиска оптимального решения в части реконструкции и проектирования технической оснащенности погрузочно-разгрузочных комплексов.

Математические методы оптимизации сложных систем основаны на поиске экстремума определенной функции, в частности, функции цели системы комплекса.

Учитывая многомерность задачи оптимизации структуры комплекса и неопределенность записи взаимодействия и взаимозависимости между элементами системы, в работе для оптимизации структур комплексов принят метод динамического программирования. Этот метод имеет те особенности, что не требует строгой математической записи зависимости между переменными, входящими в параметрическое описание; т.е. эта взаимозависимость может быть представлена в виде непрерывных функций (функция текущих расходов, времени простоя и ожидания вагонов в

системе и др.), ряда дискретных величин (капитальные затраты на строительство или реконструкцию системы), матрицы (показатели надежности элементов и блок-элементов, значения производительности комплекса в зависимости от структуры и т.д.), стохастических функций (режимы поступления и потребления груза на предприятии).

Для оптимизации структур принят метод многомерного динамического программирования с вложенными циклами и итеративным поиском экстремума внутри цикла.

Общий вид целевой функции для оптимизации параметров ТТМ

С = р(Эп;Эв;Эск;Эпер;Эпо;Эпс;

Кп;Кв;Кск;Кпер;Кпо;Кпс) ^ тъ, где Эп;Эв- составляющие функции,

связанные с эксплуатацией погрузочных и выгрузочных механизмов и устройств; Эск - составляющие функции, связанные с эксплуатацией складов и средств перегрузки со склада в производство и из производства на склад готовой продукции; Эпер - составляющие функции, связанные с эксплуатацией механизмов и устройств перегрузки от грузового фронта до склада (для выгрузочных фронтов) и от склада готовой продукции к грузовому фронту (для погрузочных фронтов); Эпо - составляющие функции, связанные с эксплуатацией путей приема и отправления при железнодорожных перевозках и подъездных путей и маневровых площадок при автомобильных перевозках и другого необходимого путевого развития, связанного грузо -, вагоно - и автомобиле - переработкой грузов в комплексе; Эпс - составляющие функции, связанные с экс-

плуатацией автомобилей, локомотивов и маневровых средств в ТТМ;

кп;кв;кск;кпер;кпо;кпс - составляющие функции, связанные с капитальными затратами, соответственно, в техническое оснащение фронтов погрузки и выгрузки; склады и средства перегрузки со склада в производство и из производства на склад готовой продукции; на механизмы и устройства перегрузки от грузового фронта до склада (для выгрузочных фронтов) и от склада готовой продукции к грузовому фронту (для погрузочных фронтов); на путевое развитие парков приема и отправления (для железнодорожного транспорта), автотранспортной инфраструктуры и другого необходимого путевого развития; на локомотивы, маневровые средства и автомобили в комплексе.

Целевая функция может вводиться в систему расчета структуры комплекса на стадии ее формирования из отдельных элементов, в этом случае при разработке структуры принята методология проектирования систем (в терминах общей теории надежности). Если целевая функция используется в качестве мерила для сравнения вариантов структур, но не вводится в систему расчетов, то используется методология улучшения систем. Проектирование (синтез) систем предпочтительнее применять при формировании новых систем или реконструкции существующих, связанных с изменением числа каналов обслуживания грузопотоков. Улучшение систем целесообразно использовать в тех случаях, когда проводятся расчеты по обоснованию тех или иных организационно-технических мероприятий по повышению производительности систем и улучшению качества транспортного обслуживания предприятий.

№ расчетной схемы Исходные данные Функция цели и ограничения

І Основная блок-схема системы, г ■ • г ■ • 'ті'1 сі' Сі; Дп; к • V • о, ^ тр, 2 np ^ min при Rrj > [Rr ]

2 CCj ^ min при Rrj. > [Rr ]

3 Rrj ^ max при Ccj < [Cc ]

4 Rrj ^ max при (c^ + Cmpj)< [S]

5 C + C ■ cj ^ wmpj F = — — ^ min QTj

Необходимо еще отметить одно обстоятельство: при уточнении структуры целевой функции в нее можно вводить стоимость простоя автомобилей и вагонов на грузовом фронте или в целом в комплексе, в этом случае степень развития грузового фронта, складской системы и в целом комплекса будет определяться с учетом стоимости простоя автомобилей и вагонов и этот показатель целесообразно вводить непосредственно в целевую функцию при оптимизации структуры при ее синтезе или улучшении.

Синтезом называется процесс формирования (развития) структуры путем введения в систему элементов, более совершенных по сравнению с существующими по технико-экономическим и эксплуатационным характеристикам, или резервирующих элементов или их групп с целью получения заданных выходных параметров комплекса.

К основным входным параметрам системы относятся: коэффициент надежности, производительность системы, перерабатывающая способность, время пребывания подвижного состава в системе и затраты связанные с ним, затраты на формирование и эксплуатацию системы, удельные затраты на единицу перерабатываемого груза, энергоемкость и др.

Входные параметры вводятся в решение как факторы ограничения или функции цели при оптимизации структуры системы.

Под оптимизацией структуры имеется в виду процесс поиска экстремума по какому-либо выходному параметру системы при соблюдении ограничений, накладываемых на решение, и целесообразном удовлетворении всех остальных требований (параметров).

В зависимости от исходных условий и наложенных ограничений оптимизация систем осуществляется по одному из следующих вариантов (таблица).

В таблице постоянные величины: гт, гс - соответственно, техническая и технологическая надежность элементов; С - суммарные затраты на /-ый элемент; ^п - интенсивность поступления угля в подсистему погрузки (выгрузки); И о - объем единовремен-

ной поставки груза в комплекс;

; S

пр

стоимость использования подвижного состава; Z - производительность основных механизмов системы; Тг1 -

обобщенный коэффициент надежности элемента:

Гп = Гт1‘ ГсР (2)

Иго - обобщенный коэффициент надежности основной системы:

П П

Кго = ПГг1 = П (ГШ1- ГЛ (3)

С

суммарные приведенные затра-

ты на основную систему:

Со =£с,;

(4)

п - общее число элементов в основной системе; пр - то же, в комбинированной.

Величины, меняющиеся при развитии структуры:

Иг1 - обобщенный коэффициент надежности комбинированной системы:

(6)

где

гг] = і1 - (1 - гті )2 ] • [тт(1или2гСі )}

при т = 1 (7)

т - количество резервных элементов;

ті

максимальная производитель-

О

ность канала обслуживания:

От, = 2 • К] • Квр> (8)

где К - коэффициент использова-

вр

ния системы по времени.

Сс]- - суммарные приведенные затраты в комбинированную систему:

С с = С, + 2 С (9)

1

где п2 - количество элементов, резервированных в системе с кратно-

стью

т = 1; Спр] - затраты, связан-

ные с простоем вагонов в комбинированной системе; Р - удельные затраты в систему с учетом затрат на

простой ПС (или без учета) на единицу производительности системы.

Ограничения:

[Иг ] - заданный уровень надежности системы (оптимизация проводится по Яг, т.к. в формуле эксплуатационной производительности паспортная производительность и время использования комплекса по времени являются константами а структуру характеризует Нг ); [Сс ] - ограничение суммарных приведенных затрат в систему; [Э] - то же, с учетом затрат на простой вагонов в системе:

[БЫСс ] + спр,- (10)

Перечень исходных данных, необходимых для оптимизации структур, представлен в таблице. В реальных условиях проектирования эти данные получают следующим образом:

- определяется основной механизм или устройство комплекса и технология грузопереработки, т.е. перечень и последовательность всех операций технологического процесса; по заданной технологии разрабатывается основная блок-схема подсистемы, в которой на каждой операции работает один механизм или устройство; на этой стадии определяется и степень детализации процесса по операциям;

- коэффициенты технической и

технологической надежности гт, и гс,

и другие характеристики получают в результате обработки хронометраж-ных наблюдений для реконструируемых систем; при проектировании новых - коэффициенты технической надежности элементов берутся на основании опыта эксплуатации в аналогичных условиях, а коэффициент технологической надежности - на основании расчета взаимодействия между центром системы и элементом по заданным техническим характеристи-

1

1

1

П

кам последних или на основании характеристики, полученной моделированием работы элемента в основной системе на ЭВМ;

- показатели С) - затраты на

строительство и эксплуатацию элемента; Эпр - затраты на один час

простоя подвижного состава в системе, берутся из соответствующих нормативных источников в зависимости от того, что считается требованием; в данной работе под требованием понимается объем единовременной поставки угля в систему;

- Xп - интенсивность поступления требований в систему определяется для реконструируемых систем в результате обработки статистических материалов по режиму поступления угля;

- п - количество подвижного состава на линии надвига погрузочного или разгрузочного механизма определяется существующими или проектируемыми геометрическими параметрами путевого развития или возможностями (техническими характеристиками) маневровых устройств, занятых в системе.

По всем предложенным вариантам оптимизации разработаны подробные вычислительные схемы.

В качестве примера приводится вычислительная схема оптимизации структуры комплекса по минимальным удельным затратам в формирование и эксплуатацию с учетом стоимости простоя подвижного состава в комплексе (схема 5, таблица).

В данной задаче на решение не наложены ограничения по затратам, простою ПС и уровню надежности, а требуется таким образом сформировать структуру системы, при которой суммарные приведенные затраты и затраты на простой ПС, отнесенные к

производительности системы, были бы минимальными. Целевая функция имеет вид:

F =

Q

+

mj

m

X Ci + Cnpj

+ •

Qmj

(11)

или

F = ■

:• KB

Co +S Ci+ 2-X Ci+-

______1__________1_______

n1 n 2

+ •

П ri-n rn -П rn

1 1 1

nm+1

m -SCi+ Cnpj

1

n1 n2 nm+1

П rri П v-П rn

т.е., при — • Кв = const требуется

z

найти такую структуру системы, когда достигается минимум отношения затрат в формирование, эксплуатацию

Приведенная функция (12) имеет только один минимум в пределах изменения производительности от QTO до z; функция определена только в этих пределах, т.к. QTO - минимальное значение производительности основной структуры системы, а z - максимальное, поскольку дальнейшее повышение производительности комплекса связано с техническим перевооружением или изменением технических характеристик основных механизмов.

Вычислительная схема поиска оптимального решения следующая:

1

1

1

1

х

n

+

х

n

1

1

1

Блок-схема расчета оптимальной структуры по минимальным удельным приведенным затратам с учетом затрат на простой ПС в системе системы и простой подвижного состава в ней к уровню надежности, достигнутой на основе этих затрат

- по исходной информации по элементам гп-; гГ7-; С,- определяются характеристики основной структуры:

Со; Н-ГО; @то; ипро; И-о; Спро;

- вычисляется отношение (Со +

+ СПро)/Ото;

- резервируем последовательно каждый элемент и рассчитываем все характеристики полученных блок-схем системы;

- элемент, резервирование которого приводит к наименьшим удельным затратам, вводим в комплекс и переходим к следующему этапу расчета, считая полученную блок-схему системы на данном этапе основной для следующего этапа расчета.

После каждого этапа сравниваем удельные затраты, полученные на

данном этапе, с удельными затратами, полученными на предыдущем этапе. Расчет продолжаем до тех пор, пока резервирование очередного элемента не будут вызывать увеличение удельных затрат.

Вычислительная схема расчета оптимальной структуры по минимальным удельным затратам представлена на рисунке.

Приведенные вычислительные схемы оптимизации структур комплексов позволяют варьировать их производительностью за счет развития периферии комплекса, т.е., не прибегая к увеличению количества дорогостоящих основных механизмов комплексов в определенных пределах.

— Коротко об авторах----------------------------------------------------

Воскресенский Игорь Владимирович - аспирант, инженер, Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк.

---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ПО БЕЗОПАСНОСТИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ ГОСГОРТЕХНАДЗОРА РОССИИ (НТЦ «ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ»)

КРУЧИНИНА Ирина Антоновна Разработка системы обязательного страхования ответственности владельцев опасных объектов 05.26.03 д.т.н.