CC BY
29
- © М.А. Антонов, А.В. Агейкин,
В.В. Агафонов, 2014
УДК 622.013
М.А. Антонов, А.В. Агейкин, В.В. Агафонов
СИНТЕЗ ПРОСТРАНСТВЕННО-ПЛАНИРОВОЧНОЙ ТОПОЛОГИИ (СТРУКТУРЫ) СЕТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Изложен методологический подход к формированию рациональной пространственно-планировочной топологии сети горных выработок угольной шахты. Ключевые слова: топология, технологическая схема, угольная шахта.
В данной работе задача комплексной оптимизации структуры технологической схемы, основных параметров и горнодобывающего оборудования в технологических системах подземной угледобычи, включая систему основных пространственно-планировочных решений и взаимоувязанных элементов основных технологических подсистем решалась на базе эвристико-эволюционного подхода (далее - феноменологический подход) к оптимизации сложных технологических систем. Под феноменологическим подходом понимается учет и использование в первую очередь специфики объектов оптимизации (например, технологических схем, их параметров и горнодобывающего оборудования), что позволяет существенно уменьшить размерность задач комплексной оптимизации и создать оптимизационный комплекс методов, практически реализуемый на современных ЭВМ, имеющий широкую область приложения по объектам и задачам оптимизационных расчетов.
Комплексная оптимизация технологических систем угольных шахт - это совместное (но не обязательно одноуровневое) решение задач выбора оптимальной пространственно-планировочной топологии сети горных выработок, оптимального режима работы
основных подсистем (очистные и подготовительные работы, вентиляция, транспорт-подъем, технологический комплекс поверхности и т.д.) и оптимального горнодобывающего оборудования, то есть синтез оптимальных ТС в комплексе на всех уровнях иерархии объектов оптимизации. Задачи КОТС методически и организационно тесно увязаны с остальными задачами отраслевых систем автоматизированного проектирования и оптимизации сложных систем (ОСАПРО-ТС). Поэтому, прежде чем перейти к их подробному рассмотрению, целесообразно эти задачи выделить, показать их место во всей совокупности работ по созданию ОСАПРО-ТС.
В общем понимании ОСАПРО является двухуровневой системой.
На верхнем уровне решаются следующие задачи:
1. Оптимальное размещение угольного производства.
2. Обоснование, выбор оптимальной пространственно-планировочной топологии сети горных выработок.
3. Обоснование параметров, выбор оптимального режима работы основных подсистем угольных шахт.
4. Выбор оптимального горнодобывающего оборудования.
На нижнем уровне решаются задачи автоматизации трудоемких расчетных и графических работ. Струк-
тура ОСАПРО-ТС и взаимодействие основных ее подсистем, т.е. схема предлагаемой общей стратегии решения задач проектирования ТС в ОСАПРО-ТС приведена на рис. 1. Подсистема автоматизированного решения задач рутинного проектирования (ПРП) включает автоматизацию разработки следующих основных частей проекта: монтажной части,
строительной части, генпланов, инженерных изысканий, КИП и автоматики, механических расчетов, теплоснабжения и вентиляции, электротехнических объектов, сметной части, технико-экономических обоснований, графических работ.
Как следует из этой схемы, основные научно-исследовательские проблемы возникают при разработке
Рис. 1. Структура проектирования ТС в ОСАПРО -ТС
методического обеспечения КОТС. Методическое обеспечение КОТС невозможно создать без глубокой и всесторонней проработки методических основ расчета процессов, происходящих в ТС, их математического моделирования и оптимизации. Для этого необходимы:
• экспериментальные исследования геомеханических свойств сред функционирования ТС, систематизация и обобщение методов их расчета;
• исследование специфических газо- и термодинамических процессов при ведении подземных горных работ и эксплуатации горнодобывающего оборудования;
• создание адекватных и простых в реализации моделей процессов в синтезированных ТС, а в итоге - моделей оптимального горнодобывающего оборудования;
• разработка либо адаптация методов оптимизации многофакторных задач и специальных методов оптимизации сложных систем к технологическим системам угольных шахт;
• создание общих концепций и методологии решения всего комплекса оптимизационных задач.
Параллельно с созданием методического обеспечения КОТС необходима разработка информационного обеспечения в виде подсистемы единой информационной службы, в которую входит ТС. В первую очередь это:
• база данных об эффективных схемах ТС;
• база данных об эффективных режимах работы ТС;
• база данных об оборудовании ТС, освоенном машиностроительными отраслями и перспективном импортном горнодобывающем оборудовании;
• база экономических данных;
• база геомеханических свойств горных пород,
• специальные базы данных, необходимые для проектирования.
При создании этих баз данных проводится большая по объему методическая работа по сбору, систематизации, обобщению исходной информации, ее математическому описанию и компактному представлению, а также по экономной записи в виде файлов и блоков данных на электронных носителях. И, наконец, информационное обеспечение должно находиться в адекватном соответствии методическому обеспечению, как по объектам расчета, так и по решаемым задачам, то есть информационно «сопровождать» и обеспечивать функционирование всей системной иерархии КОТС. В столь полном объеме технология разработки методического обеспечения КОТС угольных шахт предложена впервые.
Управление решением задач осуществляется главной управляющей программой, обеспечивающей взаимодействие всех подсистем и программ ОСАПРО-ТС. Автоматизированное проектирование предлагается начинать с машинного синтеза пространственно-планировочной топологии технологических схем угольных шахт на основе гипотетической обобщенной технологической схемы и с помощью эвристического алгоритма синтеза топологии (ЭАСТ). Этот алгоритм соответствует разработанному интегрально-эвристическому методу синтеза топологии ТС угольных шахт. Затем, в зависимости от топологии схемы, автоматически формируется режим. Отдельной задачей является машинный поиск последовательности расчета элементов схемы, организация итераций при расчете основных параметров технологических схем для фиксированных Т и Р. В результате подготавливаются исходные данные для выбора горнодобывающего оборудования ТС. Наиболее громоздкой частью ПТАПРО-ТС является подсистема выбора оптимального горно-
добывающего оборудования. Сложность этой подсистемы объясняется процессным и конструктивным разнообразием оборудования и комплексностью расчетов, необходимостью системной реализации различных моделей при решении задачи оптимизации оборудования. В качестве целевой функции при оптимизации ТС обычно принимают доход. Могут также применяться и другие технико-экономические целевые функции.
Проведенный анализ выявил большую размерность задачи комплексной оптимизации ТС. Так, например, для угледобывающих предприятий число альтернативных технологических схем при добыче угля подземным способом может достигать нескольких тысяч. Для каждой из этих схем применимо большое число возможных режимов работы ТС. Число переменных при выборе оптимального горнодобывающего оборудования одного вида (для элемента) равно 3-10 при максимальном: - достигает 40. Следовательно, непосредственное применение общеизвестных методов оптимизации многофакторных задач при высоких требованиях к точности расчета критерия эффективности становится очень затруднительным, а зачастую и невозможным. Для преодоления указанных трудностей решения комплекса оптимизационных задач предложен и развит феноменологический подход, основанный на учете специфики технологических схем, режимов и оборудования сложных систем, что позволило создать работоспособную систему комплексной оптимизации. При оптимизации систем большой размерности, т. е. с большим числом независимых переменных, могут быть также использованы другие оптимизационные подходы и методы искусственного интеллекта.
На основе феноменологического подхода, на примере проектирования
технологических систем угольных шахт применено и развито новое научное направление исследований, заключающееся в создании и развитии методологии (системных методов, математических моделей и алгоритмов) комплексной оптимизации технологических процессов, схем, режимов и оборудования на основе феноменологического подхода. Этот подход базируется на интегрально-эвристическом принципе синтеза топологий схем, эвристическом принципе формирования режимов, детерминированных моделях оптимальных процессов и оборудования, эвристико-эволюционном принципе оптимизации сложных систем. Для этого в состав системы расчетов должны входить программные комплексы, позволяющие решить следующие задачи:
• синтез топологии (структуры) технологических схем;
• формирование технологических режимов;
• расчет материальных и трудовых ресурсов;
• выбор оптимального оборудования;
• расчет целевой функции (критерия оптимальности);
• технико-экономический анализ технологических схем;
• эвристико-эволюционная оптимизация топологии, режимов и элементов.
При реализации феноменологического подхода к оптимизации создан эвристический алгоритм автоматизированного синтеза топологии (структуры) технологических схем на основе гипотетической обобщенной схемы, что позволяет синтезировать сотни и тысячи реальных технологических схем. Создана система автоматизированного расчета и анализа. Сформированы принципы и создан эвристический алгоритм автоматизированного формирования режимов работы технологических схем и элементов.
Рис. 2. Эвристический алгоритм синтеза технологических систем СНП на основе обобщенной схемы
На основе исследований, изложенных в работе, впервые стал возможен комплексный и всесторонний анализ технологических схем угольных шахт.
В соответствии с феноменологическим подходом синтез конкретных схем ведется на основе «вырождения», упрощения обобщенной схемы с предельно большим числом элемен-
тов и связей (потоков). Упрощение обобщенной схемы осуществляется по определенным эвристическим правилам. В предлагаемой обобщенной схеме значительно сокращается количество связей, так как нереальные связи отсутствуют. Это сокращает размерность задачи. Кроме того, применение эвристических правил при варьировании связями и наборами элементов также упрощает задачу оптимизации реальной схемы. При этом возможность варьирования не только связями, но и наборами элементов существенно расширяет возможность метода. Более того, обобщенная схе-
ма должна систематически пополняться новыми элементами и связями по мере появления новых решений в технологии данного производства. В этом случае сама обобщенная схема становится источником новых технологий и новой техники.
Результатом расчетов являются все возможные варианты конкретных схем в виде их матриц. На рис. 2 приведена блок-схема комплексной оптимизации. Отметим, что оптимизация систем и подсистем дает основную материальную выгоду от применения САПР (по зарубежным источникам до 20% прибыли).
1. Шулятьева Л. И. Применение метода поэтапной оптимизации параметров технологических схем при проектировании шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 7. - 179 с.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Короткий С.В. Концепция построения комплексных информационных систем. -М.: Корпоративный менеджмент, 2001. -С. 1-10. [¡233
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Антонов М.А. - аспирант,
Агафонов В.В. - аспирант,
Агейкин А.В. - студент,
МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: ud@msmu.ru.
UDC 622.013
SYNTHESIS OF SPATIAL TOPOLOGY (STRUCTURE) OF MINE ROADWAYS IN PROCESS FLOW DIAGRAMS FOR COAL MINES
Antonov M.A., Graduate Student, Agafonov V.V., Graduate Student, Ageikin A.V. , Student,
Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», e-mail: ud@msmu.ru.
In article the methodological approach to formation rational spatially-planirovochnoj is stated topology of a network of mountain developments of a colliery.
Key words: topology, the technological scheme, a colliery.
REFERENCES
1. Shulyat'eva L.I. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', 2009, no 7, 179 p.
2. Korotkii S.V. Kontseptsiya postroeniya kompleksnykh informatsionnykh sistem (Integrated information system concept), Moscow, Korporativnyi menedzhment, 2001, pp. 1-10.
