Синтез технологических систем угольных шахт при обосновании проектных решений

Езерский, Михаил Юрьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Синтез технологических систем угольных шахт при обосновании проектных решений
ВАК РФ 25.00.21, Теоретические основы проектирования горно-технических систем

Автореферат диссертации по теме "Синтез технологических систем угольных шахт при обосновании проектных решений"

На правах рукописи

ЕЗЕРСКИЙ Михаил Юрьевич^

003455044

СИНТЕЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ПРИ ОБОСНОВАНИИ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ

Специальность 25.00.21 «Теоретические основы проектирования горнотехнических систем»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0 5 ЛЕН 2008

Москва 2008

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор КУЗНЕЦОВ Юрий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЛОМОНОСОВ Геральд Георгиевич

кандидат технических наук КИЛИМНИК Владимир Григорьевич

Ведущая организация

ФГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (г. Тула)

Защита диссертации состоится «22» декабря 2008 г. в 11 час. на заседании диссертационного совета Д 212.128.03 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан «¿"/»ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук САВИЧ Игорь Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Высокая степень неопределенности ситуаций на рынке угольной продукции в настоящее время существенно усложняет процесс объективизации объемов ее производства. При наличии противоречивости диагностической информации, при отсутствии работоспособных методов маркетинговых исследований осуществление корректной оптимизации характеристик функционирования коммерческо-производственной системы «спрос - предложение» весьма затруднительно. В контексте с этим следует рассматривать и неопределенность ценовой политики в сфере сбыта готовой продукции угледобывающих предприятий, а также существенную вольность пользования стандартами в сфере ее потребления.

Традиционные технологические системы угольных шахт, сформированные в условиях директивной модели экономики, на данный момент времени не соответствуют постоянно изменяющимся требованиям рынка. В современных экономических условиях технический, и особенно технологический уровень, большинства предприятий не позволяет отрасли без реализации масштабных изменений сохранить свои рыночные позиции. Результатом этих изменений должно быть существенное улучшение показателей функционирования технологических систем угледобывающих предприятий, что, в свою очередь, будет являться импульсом для выхода отрасли на уровень ведущих зарубежных стран.

Вопросу обоснования рациональных вариантов технологических систем шахт посвящены многочисленные работы ведущих ученых и специалистов горного профиля. Однако большинство из них направлено на решение одной и той же задачи - непременности вывода проектных решений на их заранее определенный оценочный уровень.

Одним из возможных путей объективизации базовых проектных решений, определяющих "технологический образ" шахты, следует считать

переход на использование принципиально нового научно-методического подхода к формированию технологических систем угольных шахт с объектно-прогностическим выходом на конечные результаты их функционирования.

При решении задач синтеза технологических систем угольных шахт важное место отводится технологиям нечеткого вывода и построения экспертных систем, минимизирующих неопределенность исходной информации.

В связи с изложенным задача синтеза технологических систем угольных шахт при обосновании проектных решений мбжет квалифицироваться как достаточно актуальная.

Целью диссертации является установление функциональных связей элементов технологических систем угольных шахт для разработки методических принципов синтеза их рациональных вариантов при обосновании проектных решений с учетом неопределенности исходной информации.

Основная идея работы состоит в использовании теории нечетких множеств при синтезе технологических систем угольных шахт, позволяющей работать в условиях неопределенности горно-геологической и горнотехнической информации.

минимизация роли фактора неопределенности исходной информации при синтезе технологических систем угольных шахт с учетом сложности взаимодействия их элементов является базовым условием объективизации проектных решений;

методическую основу формирования алгоритма декомпозиции и последующего синтеза технологической системы шахты составляет учет совместимости и адаптивности структурных элементов системы условиям ее функционирования;

использование теории нечетких множеств при синтезе технологических систем угольных шахт позволяет объективно оценить уровень значимости "вклада" каждого из их структурных элементов для результативной выработки проектных решений.

разработаны методические принципы декомпозиции технологических систем угледобывающего предприятия и последующего синтеза их структурных элементов;

разработан алгоритм синтеза технологических систем угольных шахт с использованием теории нечетких множеств;

предложена критериальная база и методика оценки результатов синтеза рациональных вариантов технологической системы шахты.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

представительностью объектов исследований (четыре высокопроизводительные угольные шахты с технологическими системами "шахта - лава");

корректным использованием современных методов исследований (теории нечетких множеств и нечеткой логики, метода анализа иерархии, технологического и компьютерного моделирования);

адекватностью результатов исследований технологической системы угольной шахты реальным проектным решениям.

Научное значение диссертации заключается в разработке методических принципов синтеза технологических систем угольных шахт с

учетом влияния фактора неопределенности исходной информации для целей обоснования проектных решений.

Практическое значение диссертации состоит в разработке рекомендаций по повышению уровня обоснованности проектных решений с учетом специфики рыночных условий функционирования современных угольных шахт.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная методика синтеза технологических систем угольных шахт рекомендована к использованию при формировании программ развития горного производства на шахте "Котинская" ОАО "СУЭК-Кузбасс".

Апробация работы. Основное содержание диссертации и ее отдельные положения докладывались и получили одобрение на научных симпозиумах в рамках «Недели горняка», проводимых в Московском государственном горном университете (Москва, 2007-2008 гг.), на шахтах "Котинская", "№7", "Талдинская-Западная №1" ОАО "СУЭК-Кузбасс" и научных семинарах кафедры подземной разработки пластовых месторождений МГГУ (Москва 2005-2008 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 научных статей (в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованной литературы из 76 наименований, включает 6 таблиц и 17 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В научных работах и многочисленных публикациях за последние 35 лет уделяется большое внимание вопросам синтеза (конструирования) технологической схемы (системы) угольной шахты.

Подобного рода задачи неоднократно решались учеными и специалистами различных научных и проектных организаций, а также вузов,

таких как ИГД им. A.A. Скочинского, ИПКОН РАН, Гидрошахт, ДонУГИ, МГТУ, ЦНИЭуголь, С-ПбГИ, КузГТУ, ДонГТУ. Значительное число результатов исследований было реализовано на практике. В контексте решения задач формирования стратегий развития горного производства следует упомянуть работы Вылегжанина В.М., Домрачева В.Н., Ильюшенко В.Г., Красюка H.H., Кузьмича A.C., Лаврика В.Г., Михеева О.В., Рогова Е. И., Салли В.И. и др.

Существующие методы проектирования и конструирования технологических схсм (систем) угольных шахт достаточно широко представлены в работах Бурчакова A.C., Воробьева Б.М., Еремеева В.М., Жежелевского Ю.А., Кафорина JI.A., Малкина A.C., Кузнецова К.К., Кузнецова Ю.Н., Плакиткина Ю.А., Рыжова A.M., Сребного М.А., Харченко В.А. и др.

Накопленный научный потенциал в области проектирования угольных шахт и обоснования перспектив их позитивного развития во многом пополняет теоретическую базу для разработки методологии синтеза технологических систем угольных шахт.

Как следует из анализируемых публикаций, современная шахта представляет собой сложную динамическую систему. При заданных горногеологических и горнотехнических условиях поведение такой системы во времени и пространстве характеризуется протеканием общих производственно-технологических процессов, направленных на добычу угля, локальных процессов и подпроцессов в технологических звеньях, обеспечивающих добычу угля под влиянием возмущающих факторов, например природных условий.

Синтез технологических систем угольных шахт объективно рассматривается как многокритериальная задача выбора рациональной технологической системы из исходного их множества. Общую структуру алгоритма решения задачи выбора рациональной технологической системы угольной шахты можно представить следующим образом:

• формирование набора возможных вариантов технологических систем;

• обоснование структуры критериальной базы оценки вариантов технологической системы шахты;

• разработка формальной процедуры выделения подмножеств предпочтительных вариантов;

• определение рационального варианта.

При анализе опыта проектирования технологических систем в рамках настоящей работы определены концептуальные понятия и методические положения технологического моделирования, изложены основы топологического представления технологической системы угольной шахты как объекта моделирования.

Для достижения поставленной цели в работе определен следующий круг задач исследований:

• анализ опыта проектирования технологических систем угольных шахт и реализации методической базы формирования программ развития горного производства;

• моделирование иерархической структуры технологической системы угольной шахты и осуществление корректной ее декомпозиции;

• разработка методических принципов использования прогностических возможностей при синтезе технологической системы шахты и формирование критериальной базы оценки результатов синтеза;

• разработка нечеткой модели технологической системы угольной шахты и ее реализация применительно к производственному объекту исследований;

• разработка рекомендаций по практическому использованию результатов исследований при обосновании проектных решений с учетом рыночной специфики функционирования угольных шахт.

Как было указано выше, угольная шахта является большой динамической системой и содержит значительное число элементов, которые объединены между собой в иерархически упорядоченную структуру.

Предлагаемая иерархическая структура основана на принципе ее развития сообразно стадиям освоения угольного месторождения (рис.1).

На верхнем уровне структуры технологическую систему представляет первая стадия освоения месторождения - вскрытие, которая характеризуется такими основными признаками, как схема и способ вскрытия.

Средний уровень структуры представляется второй стадией освоения месторождения, характеризующейся схемой и способом подготовки запасов угольных пластов.

Третий уровень структуры реализует основную стадию освоения месторождения — отработку запасов. Данный уровень характеризуется системой разработки пластов, а также схемами проветривания и дегазации углепородного массива.

Первый дополнительный уровень структуры учитывает подразделение возможных вариантов по виду основного горношахтного оборудования. Данный уровень, в свою очередь, подразделяется на подуровни: оборудование для ведения очистных работ; оборудование для ведения подготовительных работ; оборудование внутришахтного транспорта; оборудование подъема; оборудование системы шахтного водоотлива; оборудование системы вентиляции; оборудование системы энергоснабжения.

Второй дополнительный подуровень структуры учитывает подразделение основных вариантов технологической системы по наличию производственных зданий и сооружений комплекса поверхности угледобывающего предприятия.

Предлагаемое иерархическое представление технологической системы шахты позволяет осуществить качественный анализ совместимости ее элементов друг с другом. Анализ на совместимость можно проводить путем отбора тех вариантов связей, которые при последующих расчетах будут

I. Вскрытие запасов шахтных пластов

Схема вскрытия шахтного поля

Схема вентиляции шахты

Способ вскрытая шахтного поля

II. Подготовка запасов

Схема подготовки Схема проветривания Способ подготовки

запасов подготовительных забоев запасов

III. Отработка запасов

Система разработки утольныхпласгов

Схема проветривания выемочных участков

I .Основное ГШО

л ь о ю

л I ь

о ^

с -

2 л

рг

ч о С

« н 2 а. X о

о 5

Ч 15

ь о о Ч о

ш *

(И I о О а ь ¥ ш Ч О

5 И

о:

с; ^

I а) Ш

2.Поверхностный комплекс

Ь *

эг р

I ^

С о

2 Я

О.В

ой ч

Рис. 1 Иерархическая структура технологической системы угольной шахты

давать новые данные для принятия решений. Те же варианты, которые не обладают новой информацией, будут просто отбрасываться.

Основными факторами, влияющими на совместимость функциональных элементов, являются: соответствие нормативно-методическим документам, технологическая осуществимость, опыт проектирования и эксплуатационные издержки в начальный период работы шахты.

После определения принципов совместимости в работе излагаются условия и диапазоны вариабельности элементов.

Технологическая система угледобывающего предприятия представляет собой взаимосвязанное множество процессов, находящихся в общем постоянном взаимодействии посредством сети горных выработок, машин и механизмов и обеспечивающих эффективное освоение месторождения.

Выбор рационального варианта технологической системы угольной шахты во многом будет способствовать росту эффективности функционирования предприятия. Как правило, множество возможных вариантов синтезированных технологических систем формируется путем изменения отдельных их составляющих: схем вскрытия и подготовки запасов шахтных полей, способов подготовки пластов, систем разработки, схем транспорта и вентиляции, порядка отработки запасов шахтного поля и т. д.

Синтез технологической системы производится путем соединения качественно отличных комбинаций ее элементов, которые вместе представляют некую совокупность.

Одним из основных условий при синтезе и выборе наиболее экономичных и прогрессивных технологических систем является условие корректного учета взаимосвязей между их элементами. Преимущества и недостатки одного из вариантов элемента по сравнению с другим рассматриваются лишь в составе технологической системы в целом. Масштабность набора элементов технологической системы, которые отличаются неодновариатностью, зависит прежде всего от конкретных

горно-геологических условий залегания рассматриваемого месторождения. В работе принимается к анализу практически весь возможный диапазон изменения состояний каждого из элементов технологической системы шахты. Определенное место в ней отведено изложению базовых принципов реализации прогностических возможностей, возникающих при конструировании вариантов технологических систем.

Синтез технологической системы горнодобывающего предприятия в современных экономических условиях представляет собой задачу значительной размерности и высокой степени неопределенности. Энтропия этой системы оказывается равной сумме частных энтропии каждого элемента. Уровень неопределенности на выходе системы будет напрямую зависеть от объема информации, которая изначально хорошо предсказуема.

Для создания методической базы придания структурной модели технологической системы шахты прогностических функций необходимо определиться с набором стандартных элементов технологической системы применительно к конкретным горно-геологическим условиям, то есть произвести ее декомпозицию.

В результате декомпозиции сложная система разделяется на группу более мелких подсистем с такой взаимосвязью, чтобы глобальная задача синтеза преобразовалась в группу локальных задач синтеза отдельных подсистем: отдельные решения будут приниматься по ограниченной информации, без использования всего объема сведений. Переход к иерархической структуре синтеза сужает в общем случае множество допустимых стратегий, но одновременно снижает и уровень неопределенности, что делает возможным получение более качественного решения

Учет фактора неопределенности при решении задач синтеза во многом изменяет методы и условия принятия решения: меняется принцип представления исходных данных и параметров модели, становятся неоднозначными понятия решения задачи и оптимальности решения.

Наличие неопределенности может быть учтено непосредственно в моделях соответствующего типа с представлением недетерминированных параметров как случайных величин с известными вероятностными характеристиками, как нечетких величин с заданными функциями принадлежности или как интервальных величин с фиксированными интервалами изменения и нахождения решения задачи с помощью методов стохастического, нечеткого или интервального программирования.

Возможно также и прямое построение зоны неопределенности без непосредственного учета характеристик недетерминированных параметров модели. В этом случае решается ряд детерминированных задач и получается некоторый набор вариантов, оптимальных при конкретных значениях случайных (или нечетких) параметров.

Для решения задачи сокращения энтропии системы предлагается использовать современные информационные технологии: теорию нечетких множеств, нечеткую логику и экспертные системы.

Таким образом, появляется возможность совместного применения двух моделей (вероятностно-статистической и детерминированной), что позволит учесть связи между соответствующими элементами технологической системы, повысить достоверность исходных данных о перспективе ведения горных работ, более объективно исследовать закономерности изменения параметров горного производства, а также снизить энтропию.

Сущность изложенного является основой первого этапа реализации алгоритма синтеза технологических систем угольных шахты (рис.2).

Второй этап синтеза состоит в определении условий и диапазонов вариабельности состояний элементов технологической системы.

На третьем этапе производится создание критериальной базы оценки корректности синтеза технологической системы шахты.

На четвертом и пятом этапах производятся соответственно оценка составляющих и сравнение возможных вариантов технологических систем по

-ЕХ

Неопределенные Опрсдслекнье

парады парамефы я: '

ш. ш.

Версипномная Дегернжираважая

мвдгль >тчь„

Ш- Л

Определение стандартных элементов технологической системы применительно

■ '. • гш ■ 41 1 ,!> . кш.-г-.;«. • .....Г, ; : \ .;".

. . ф I '<> I. н. '(!>.<;. > . . > И'""

Определение условий и диапазонов вареаоельности состояний

Формирование оеновных.критериев оценки корре<стнсго синтеза технологической системы шахты

Оценка вариантов технологической системы по соответствующим

* Г , •• - * — 1 _ - Е т «с \г< п и ; ч н ?—1

1к№<>>; г1, с > сил-'МЫ

Рис. 2 Обобщенные процедуры синтеза технологических систем угольных шахт

определенным критериям, после этого производится выбор наиболее предпочтительного варианта технологической системы.

Третий этап - многокритериальная оценка корректности синтеза технологической системы - представляет собой определение соответствия той или иной полученной альтернативы общему набору из нескольких наиболее важных показателей оценки качества проектных решений.

Набор критериев включает: трудоемкость ведения горных работ, удельные затраты на 1 тонну угля, объем проводимых выработок.

Наличие в сложной многоуровневой иерархической системе одновременно различных видов неопределенности делает необходимым использование для принятия решений теории нечетких множеств, которая позволяет адекватно учесть имеющиеся виды неопределенности. Задача синтеза структуры подобной системы представляется достаточно проблематичной, поэтому возможным выходом из положения является построение модели на основе синтеза элементов с использованием нечеткого вывода.

Современные методы построения информационных моделей, основанные на использовании теории нечетких множеств, существенно расширяют традиционные области применения компьютеров. Особенно полезными данные методы оказываются, когда в описании технических и технологических систем присутствует неопределенность, которая затрудняет или даже исключает применение точных количественных методов и подходов.

Нечеткое множество представляет собой совокупность элементов произвольной природы, относительно которых нельзя с полной определенностью заявлять о наличии принадлежности того или иного элемента рассматриваемой совокупности данному множеству.

Нечеткое множество А универсального множества Е определяется как множество упорядоченных пар:

Л = (1)

где, Ца(х) — характеристическая функция принадлежности (или просто функция принадлежности), принимающая значения в некотором вполне упорядоченном множестве М (например, М = [0,1]).

Функция принадлежности указывает степень (или уровень) принадлежности элемента х подмножеству А. Множество М называется множеством принадлежностей.

Другое базовое понятие теории нечетких множеств - понятие лингвистической переменной.

Лингвистическая переменная определяется как набор информации: <Р,Т,Х,С,М>, где |3 - наименование лингвистической переменной; Т -базовое терм-множество лингвистической переменной или множество ее значений (термов), каждое из которых представляет собой наименование отдельной нечеткой переменной а; X - область определения (универсум) нечетких переменных, которые входят в определение лингвистической переменной; в - некоторая синтаксическая процедура, которая описывает процесс образования или генерирования из множества Т новых, осмысленных в рассматриваемом контексте значений для данной лингвистической переменной; М - семантическая процедура, которая позволяет поставить в соответствие каждому новому значению данной лингвистической переменной, получаемому с помощью процедуры в, некоторое осмысленное содержание посредством формирования соответствующего нечеткого множества.

Наряду с понятием нечеткого множества необходимо определить некоторые понятия нечеткой логики и нечеткого вывода, который представляет собой некоторую процедуру или алгоритм получения нечетких заключений на основе нечетких условий или предпосылок на основе использования понятий нечеткой логики.

Рис. 3 Структура системы нечеткого вывода

Системы нечеткого вывода предназначены для реализации процесса нечеткого вывода и служат концептуальным базисом всей современной нечеткой логики (рис.3). Данные системы позволяют решать задачи автоматического управления, классификации данных, распознавания образов, принятия решений, машинного обучения и многие другие.

Одним из основных понятий нечеткой логики является нечеткое правило.

В общем случае под нечетким правилом понимается выражение следующего вида:

(0:&Р;А=>ВЛРЛ (2)

где (1) - имя правила;0 - сфера применения правила; Р - условие применимости ядра правила; А=>В - ядро правила, в котором А -условие ядра ; В - заключение ядра;"=>" - знак логической секвенции; Б - метод или способ определения количественного значения степени истинности заключения ядра; Р - коэффициент определенности или уверенности нечеткого правила; N - постусловие правила.

Важной частью базовой структуры систем нечеткого вывода является алгоритм нечеткого вывода. Информация, которая поступает на вход системы нечеткого вывода, представляет собой полученные некоторым образом входные переменные. Информация, которая

формируется на выходе системы нечеткого вывода, соответствует выходным переменным.

Основными этапами алгоритма нечеткого вывода являются:

• Формирование базы правил нечеткого вывода;

• Фаззифихация (введение нечеткости) входных переменных;

• Агрегирование условий в нечетких правилах продукций;

• Активизация или композиция заключений в нечетких правилах продукций;

• Аккумулирование заключений нечетких правил продукций;

• Введение четкости (дефаззификация);

Синтезируемая модель системы нечеткого вывода будет состоять из нескольких уровней.

Для моделирования многоуровневых связей «входы - выход» целесообразно использовать иерархические системы нечеткого вывода с иерархической структурой баз знаний. В таких системах выход одной базы знаний подается на вход другой, более высокого уровня иерархии. В иерархических базах знаний отсутствуют обратные связи.

Нечеткие правила, входящие в базы знаний на каждом из уровней системы нечеткого вывода, представляют собой нечеткие лингвистические высказывания вида:

ЕСЛИ "В! есть а'" И (ИЛИ) "В2 есть а"ТО "В3 есть V" (3)

ЕСЛИ "В, есть а ТО "В2 есть а"" И (ИЛИ) "В3 есть V" (4)

Синтез полученных вариантов вывода подсистем будет производиться на основе принципов совместимости, которые были изложены выше. Таким образом, будет сформировано множество нескольких предпочтительных вариантов технологической системы угольной шахты — множество Эджворта-Парето.

После синтеза предпочтительных альтернатив на следующей ступени модели осуществляется выбор наилучшей — путем выполнения

многокритериальной оценки - и принятие окончательного решения. При этом полагается, что число оцениваемых альтернатив будет небольшим. Для оценки такого рода будет использоваться метод попарных сравнений (метод анализа иерархий), предложенный Томасом Саати.

Реализация метода попарных сравнений осуществляется поэтапно.

Первый этап заключается в структуризации задачи в виде иерархической структуры с несколькими уровнями: цели - критерии -альтернативы.

На втором этапе выполняются попарные сравнения элементов каждого уровня. Результаты сравнений переводятся в числа. Создаются матрицы попарных сравнений.

Собственный вектор каждой из матриц попарных сравнений находится из следующей системы уравнений:

где Аиах — максимальное собственное значение матрицы, С - множество Эджворта-Парето, W — собственный вектор матрицы, <ць ®2 ®п ~ координаты собственного вектора.

На следующем этапе вычисляются коэффициенты важности для элементов каждого уровня. При этом проверяется согласованность суждений эксперта.

На заключительном этапе выполняется подсчет количественного индикатора качества каждой из альтернатив и определяется лучшая альтернатива.

Синтез полученных коэффициентов важности осуществляется по следующей формуле:

&»! +еа2 +а>3 +... + (оп -I

(5)

1=1

где Sj — показатель качества j-ой альтернативы; со, — вес i-ro критерия; Vj,— важность j-ой альтернативы по i-му критерию.

Предложенный в работе алгоритм синтеза технологической системы угольной шахты в виде блок-схемы представлен на рис. 4

Блок А - блок ручного ввода входных данных.

Блок 1 - формирует базу знаний нечеткого вывода.

Блок 2.1 - вводит нечеткость.

Блок 2.2 - продолжает предыдущий шаг, если не все значения нечетко определены.

Блок 3.1 - производит процесс агрегирования.

Блок 3.2 - повторяет предыдущий шаг, если не определена истинности всех условий.

Блок 4 — производит процесс активизации.

Блок 5.1 - производит процесс аккумулирования.

Блок 5.2 - повторяет предыдущий шаг, если не определены все итоговые функции принадлежности.

Блок 6 - производит возвращение четкости.

Блок 7 - производит синтез предпочтительных вариантов.

Блок Б - блок ручного ввода уровней важности.

Блок 8.1 - производит сравнение предпочтительных вариантов для нахождения лучшего.

Блок 8.2 - повторяет процесс сравнения в случае превышения меры согласованности.

Процесс нечеткого моделирования производится в системе MATLAB с помощью специального пакета расширения Fuzzy Logic Toolbox, в котором реализованы десятки различных функций нечеткой логики и нечеткого вывода.

(^НачалсТ)

Конец 3

Рис. 4 Блок-схема алгоритма синтеза технологической системы угольной шахты

Пакет Fuzzy Logic Toolbox поддерживает все этапы разработки нечетких систем, включая синтез, исследование, проектирование, моделирование и внедрение в режиме реального времени. Встроенные в пакет модули с графическим интерфейсом пользователя создают интуитивно понятную среду, обеспечивающую легкое продвижения по всем ступенькам проектирования нечетких систем.

После произведенного выбора программного обеспечения для решения в работе основных задач исследования разработанная методика тестируется на работоспособность применительно к выбранному производственному объекту исследований. Для этих целей выбрана шахта "Котинская" ОАО "СУЭК-Кузбасс" (рис.5).

Важное место в работе отведено производится моделированию подсистем нечеткого вывода первого уровня ("Вскрьггие", "Подготовка", "Отработка"), включающее определение входных и выходных лингвистических переменных и создания базы знаний. Каждая база знаний включает 10-15 правил нечетких продукций.

По итогам синтеза на выходе второго уровня системы получается четыре альтернативных варианта технологической системы входящих в множество Эджворта-Парето. После этого осуществляется многокритериальный анализ и выбор наиболее предпочтительного варианта с использованием метода парных сравнений.

В результате реализации алгоритма синтеза технологической системы угольной шахты лучшей альтернативой стала технологическая система во многом аналогичная существующей на шахте "Котинская" (рис.6). Главными отличиями технологической системы стали следующие решения: центральное, а не центрально-отнесенное расположение стволов в схеме вскрытия, необходимость комбинированного вскрытия наклонным и вертикальным стволами вместо вскрытия только наклонными. Эти изменения отвечают логике совершенствования технологических систем угольных шахт, отрабатывающих запасы высокоугленосных месторождений.

Рис. 5 Элементы графического интерфейса на примере ш. "Котинская": А - Схема подсистемы "Вскрытие", Б - редактор функций принадлежности, В - инструмент анализа нечетких правил.

12 3 4

Рос. 6 Результаты выбора "лучшей" альтернативы синтезируемых вариантов методом парных сравнений

В заключительном разделе работы даны основные рекомендации по дальнейшему использованию методики синтеза технологической системы и произведена оценка эффективности практической реализации результатов исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи синтеза технологических систем угольных шахт при обосновании проектных решений, имеющей существенное значение для угольной промышленности России.

Основные выводы, научные и практические результаты заключаются в следующем.

1. Выполнен анализ опыта формирования стратегий развития горного производства. Осуществлена оценка состояния методической базы синтеза технологических систем угледобывающих предприятий. Определена значительная роль фактора неопределенности при системном подходе к обоснованию проектных решений.

2. Осуществлено обоснование необходимости использования современных информационных технологий для повышения качества решений при проектировании угольных шахт.

3. Разработана иерархическая структура декомпозиции технологической системы угольной шахты, являющаяся топологической основой синтеза ее рациональных вариантов.

4. Разработаны методические принципы совместимости технологической системы угольной шахты, определены диапазоны и условия вариабельности ее элементов.

5. Разработана структура алгоритма синтеза технологических систем с учетом фактора неопределенности исходной информации. Предложена критериальная база оценки качества проектных решений.

6. Представлена структура и разработан алгоритм сети нечеткого вывода, моделирующей технологическую систему угольной шахты.

7. Предложены рекомендации по использованию разработанной методики синтеза технологических систем угольных шахт при обосновании решений на различных стадиях проектирования.

8. Результаты исследований использованы при оценке обоснованности принятия решений на долгосрочную перспективу по типовому проекту строительства шахты "Котинская" в направлении реализации комбинированного вскрытия запасов шахтного поля.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Езерский М.Ю. Основные принципы формирования технологических систем высокопроизводительных угольных шахт.// В сборнике научных трудов студентов магистратуры МГГУ - М.: Изд-во МГГУ,2007, № 7. - С. 7-9.

2. Езерский М.Ю. Методические основы декомпозиции технологических систем угольных шахт на стадии формирования стратегий

развития горного производства.// В сборнике научных трудов студентов магистратуры МГГУ - М: Изд-во МГГУ,2007, № 7 - С. 10-12.

3. Кузнецов Ю.Н., Езерский М.Ю. Синтез технологических систем угольных шахт с учетом фактора неопределенности информации.// - Горный информационно аналитический бюллетень. - 2008. - № 6, - С. 5-7.

4. Езерский М.Ю. Формирование структуры сети, моделирующей технологическую систему шахты. М.: Рукоп. деп. №666/12-08 Опубл. в ГИАБ. - 2008. - № 12.

5. Езерский М.Ю. Алгоритм реализации сети печеткого вывода, моделирующей технологическую систему шахты. - М.: Рукоп. деп. №667/1208. Опубл. в ГИАБ. - 2008. - № 12.

6. Кузнецов Ю.Н., Езерский М.Ю. Структура алгоритма синтеза технологических систем шахт с учетом фактора неопределенности информации. - Горный информационно аналитический бюллетень. - 2008. -№ 9.-С. 206-209.

Подписано в печать 17.11.2008 Формат 60X90-16

Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №

Типография Московского государственного горного университета Ленинский проспект, 6

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Езерский, Михаил Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ , ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ опыта проектирования технологических систем угольных шахт и формирования стратегий развития горного производства.

1.2 Оценка состояния методической базы синтеза технологических систем угольных шахт на стадиях проектирования и разработки программ развития горного производства.

1.3 Обоснование целевого направления и задач и методов исследований.

ВЫВОДЫ

2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕКОМПОЗИЦИИ И СИНТЕЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ УГОЛЬНЫХ ШАХТ.

2.1 Иерархическая структура технологической системы угольной шахты.

2.2 Основные принципы совместимости элементов технологической системы шахты.

2.3 Условия и диапазоны вариабельности состояний элементов технологической системы шахты.

2.4 Методические принципы реализации прогностических возможностей при синтезе технологической системы шахты.

2.5 Формирование критериальной базы оценки корректности синтеза технологической системы шахты.

ВЫВОДЫ

3 РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ СИНТЕЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ШАХТЫ

3.1 Формирование структуры сети, моделирующей технологическую систему шахты.

3.2 Разработка алгоритма реализации сети нечеткого вывода, моделирующей технологическую систему шахты.

3.3 Программное обеспечение нечеткого моделирования технологической системы.

3.4 Реализация нечеткой модели технологической системы шахты применительно к производственному объекту исследований.

3.5 Анализ результатов моделирования технологической системы шахты.

ВЫВОДЫ

4 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Рекомендации по использованию результатов исследований в практике обоснования параметров технологических систем угольных шахт.

4.2 Рекомендации по реализации программы нечеткого моделирования технологической системы угольной шахты при обосновании проектных решений.

ВЫВОДЫ

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Синтез технологических систем угольных шахт при обосновании проектных решений"

Актуальность работы. Высокая степень неопределенности ситуаций на рынке угольной продукции в настоящее время существенно усложняет процесс объективизации объемов ее производства. При наличии противоречивости диагностической информации, при отсутствии работоспособных методов маркетинговых исследований осуществление корректной оптимизации характеристик функционирования коммерческо-производственной системы «спрос — предложение» весьма затруднительно. В контексте с этим следует рассматривать и неопределенность ценовой политики в сфере сбыта готовой продукции угледобывающих предприятий, а также существенную вольность пользования стандартами в сфере ее потребления.

Вопросу обоснования рациональных вариантов технологических систем шахт посвящены многочисленные работы ведущих ученых и специалистов горного профиля. Однако большинство из них направлено на решение одной и той же задачи — непременное™ вывода проектных решений на их заранее определенный оценочный уровень.

Одним из возможных путей объективизации базовых проектных решений, определяющих "технологический образ" шахты, следует считать переход на использование принципиально нового научно-методического подхода к формированию технологических систем угольных шахт с объектно-прогностическим выходом на конечные результаты их функционирования.

В связи с изложенным задача синтеза технологических систем угольных шахт при обосновании проектных решений может квалифицироваться как достаточно актуальная.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем: определение рациональных вариантов, в отличие от традиционной повариантной оценки назначенных альтернатив проектных решений, следует осуществлять на заключительной стадии синтеза технологических систем угольных шахт по разработанному алгоритму; минимизация роли фактора неопределенности исходной информации при синтезе технологических систем угольных шахт с учетом сложности взаимодействия их элементов является базовым условием объективизации проектных решений; методическую основу формирования алгоритма декомпозиции и последующего синтеза технологической системы шахты составляет учет совместимости и адаптивности структурных элементов системы условиям ее функционирования; использование теории нечетких множеств при синтезе технологических систем угольных шахт позволяет объективно оценить уровень значимости "вклада" каждого из их структурных элементов для результативной выработки проектных решений.

Научная новизна работы состоит в следующем: разработана иерархическая структура технологической системы угольной шахты на базе учета стадийности освоения месторождения; разработаны методические принципы декомпозиции технологических систем угледобывающего предприятия и последующего синтеза их структурных элементов; разработан алгоритм синтеза технологических систем угольных шахт с использованием теории нечетких множеств; предложена критериальная база и методика оценки результатов синтеза рациональных вариантов технологической системы шахты.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: представительностью объектов исследований (четыре высокопроизводительные угольные шахты с технологическими системами "шахта - лава"); корректным использованием современных методов исследований (теории нечетких множеств и нечеткой логики, метода анализа иерархии, технологического и компьютерного моделирования); адекватностью результатов исследований технологической системы угольной шахты реальным проектным решениям.

Научное значение диссертации заключается в разработке методических принципов синтеза технологических систем угольных шахт с учетом влияния фактора неопределенности исходной информации для целей обоснования проектных решений.

Заключение Диссертация по теме "Теоретические основы проектирования горно-технических систем", Езерский, Михаил Юрьевич

Основные выводы, научные и практические результаты заключаются в следующем.

4. Разработаны методические принципы совместимости, определены диапазоны и условия вариабельности элементов технологической системы угольной шахты.

Заключение

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Езерский, Михаил Юрьевич, Москва

1. Абрамов ВМ, Западинский J1.P. и др. О повышении уровня извлечения запасов угля в Кузбассе. //Уголь, 1986 -№7, с. 12-15.

2. Андрейчиков А.В., Андрейчикова О.Н. Анализ, синтез, планирование решений в экономике.- М.: Финансы и статистика.2000-368 е.: ил.

3. Ануфриев И. Е., Смирнов А. Б., Смирнова Е. Н. MATLAB 7. СПб.: БХВ-Петербург, 2005.- 1104 с : ил.

4. Арене К.Б. Горное дело объект науки. М.:изд. ВНИМИ 1990.

5. Братченко Б.Ф., Устинов М.И., Гапанович А.Н. Способы вскрытия, подготовки и системы разработки шахтных полей./ Под ред. Братченко Б.Ф. М.: Недра 1985 494с.

6. Бромберг Т.Л., Бузова Н.И., Крейер Т.Б. Перспективное планирование производства в объединении. М: Экономика, 1978-135с.

7. Бурчаков А.С, Харченко В.А., Кафорин JI.A. Выбор технологических схем угольных шахт. М.»Недра», 1975.

8. Бурчаков А.С., Жежелевский Ю.А., Яруиин С.А., Технология и механизация подземной разработки пластовых месторождений. Учебник для вузов. М.: Недра, 1989.431 е.: ил.

9. Бурчаков А. С., Малкин А. С., Еремеев В. М. и др. Проектирование предприятий с подземным способом добычи полезных ископаемых. Справочник- М.: Недра , 1991. -399 е.: ил

10. Бурчаков А.С., Воробьев Б.М., Малкин А.С. и др. Проектирование и комплексная оптимизация параметров шахт.- М.:Недра, 1972.- 368 с.

11. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука 1968.

12. ВНТП 1-92. Временные нормы технологического проектирования угольных и сланцевых шахт. Минуглепром СССР. 1991.

13. Вылегжанин В.Н. Новые представления о проектном обеспечении шахт на весь период их развития и санации.// Вестник ГМС РАЕН.-М. 1996, с. 159-165.

14. Гальчев Ф. И. Экономическое обоснование формирования регионального рынка сбыта угля. Канд. Дисс. МГГУ.- М.: 1999.

15. Голдовский Б.И., Вайнерман В.И. Комплексный метод поиска решений технических проблем. М.1990.

16. Голубков Е.П. Использование системного анализа в принятии плановых решений. М: Экономика, 1982

17. Грошенкова О.В. Оптимизация функциональных подсистем технологической схемы шахты.: Учебное пособие. М. -Издательство МГГУ, -2005

18. Грошенкова О.В., Решетов С.Е., Осыка Я.С., Изучение технологической шахты как объекта проектирования.-М. -Издательство МГГУ, -2006

19. Гурьянов В.В. Научные основы технологического моделирования как метода оптимизации горного производства. М: ИПКОН 1996.

20. Гурьянов В.В. Основные направления научно-технического прогресса в топливных отраслях промышленности.//Теплоэнергетика 1994 №11 с. 11-16.

21. Домрачев А.Н. Разработка гибких геотехнологических систем эффективного освоения угленосных складчатых структур. Автореферат дисс. д.т.н.-: Новокузнецк СибГИУ,2002.-37с.

22. Евтошенко А.Е. Алгоритм и программа оптимизации технологической системы производственно территориального комплекса в условиях перехода к рыночной экономики. М: изд. МГГУ-1995 64 с.

23. Еремеев В.М., Краснянский Г.Л. Эталоны ТЭО строительства предприятий по добыче и обогащению угля. Изд. Акад. наук 1998, т. 1 -439с.

24. Еремеев В. М., Диколенко Е. Я. Автоматизированное проектирование угольных шахт / Под ред. проф., д-ра техн. наук Кузнецова Ю. Н. — Липецк : Липецкое издательство , 1997 .- 192 с

25. Жежелевский Ю.А., Федаш А.В., Федорова М.А. Методология выбора технологических схем угольных шахт -М. -Издательство МГГУ, -2006

26. Журнал «Уголь», август 2001, с. 22-24.

27. Зайденварг В.Е. и др. Угольная промышленность за рубежом М.: Горная промышленность 1993.

28. Ильюшенко В.Г., Лев Е.И., Манжула С.А. Повышение стабильности работы угольных шахт (объединений) Донбасса в условиях рыночных отношений. М, 1992.

29. Кафорин JI.A. Исследование и выбор рациональных схем и способов вскрытия и подготовки пологих пластов средней мощности.- Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М.: МГИ, 1972.

30. Козовой Г.И., Кузнецов Ю.Н. , Рыжов А. М. Гибкие технологические системы высокопроизводительных угольных шахт М.:2003 . 501 с. - Ил

31. Козлова И.Д. Обоснование комплекса технологических решений по совершенствованию производства в угольной компании на основе анализа перспективности шахтного фонда, канд. дисс. МГГУ 2001.

32. Козловский Е.А. Минерально-сырьевые проблемы России накануне 21 века. -М.:Русский биографический институт при уч. Изд. МГГУ, 1999 -401 с.

33. Круглов В.В., Борисов В.В Искусственные нейронные сети. Теория и практика. 2-е изд., стереотип. — М.: Горячая линия — Телеком , 2002. - 382 с.

34. Круглов В. В., Дли М. И., Голунов Р. Ю. Нечеткая логики и искусственные нейронные сети: Учеб. пособие. — М.: Издательство Физико-математической литературы, 2001. ~ 224 с.

35. Кузнецов К.К., Еремеев В. М. Эффективность освоения проектных показателей угольных шахт.- М.: Недра, 1985 -247 с.

36. Кузнецов Ю.Н. Обоснование технологических решений по рациональному использованию ресурсного потенциала неперспективных шахт. М.:МГГУ-1998

37. Кузьмич А.С, Горбачев Д.Т. Совершенствование горного хозяйства- снова технического перевооружения отрасли.// Уголь 1986 №5, с. 11-15.

38. Кузьмич А.С., Бетанели К.П., Бутыльков М.Н. и др. Создание шахт нового экономического уровня .М.: Недра 1976.

39. Кузьмич А.К. Исследование и разработка методических принципов синтеза высокопроизводительных технологических схем выемочного участка пологих пластов средней мощности: Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. МГИ. М., 1977 -15 с.

40. Лаврик В.Г., Ногих С.Р., Домрачев А.Н. Моделирование развития сложной производственной системы. «Угольная компания «Кузнецкуголь».- Новокузнецк СибГИУ,2000.-49с.

41. Лаврик В.Г., Ногих с.Р., Домрачев А.Н. Разработка модели развития системы угольных предприятий на примере АО УК «Кузнецкуголь»//- Уголь, 2000, №5. с.33-34.

42. Ларичев О. И. Теория и методы принятия решений: Учебник. М.: Логос, 2000. 296 с : ил.

43. Леоненков А. В. Нечеткое моделирование среде MATLAB и Fuzzy TECH. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 736 е.: ил.

44. Лурий В.Г. Исследования технологии добычи угля в сложных горно-геологических условиях. В сб. Разработка локальных гидрокомплексов для добычи угля в сложных условиях. М: МГИ 1990.

45. Мазикин В.П. Решетов СЕ. Развитие вспомогательных производств в условиях реструктуризации угольной промышленности на предприятиях АООТ «Ленинскуголь». М.:ГИАБ. Вып. 4 МГГУ, 1995 с.62-66.

46. Мазикин В.П., Решетов С. Е., Красюк Н.Н.: «Оптимизация хозяйственной деятельности системы предприятий угледобывающего региона». М.:изд. МГГУ 1995

47. Мазикин В.П., Решетов СЕ. Основные направления создания системы социальной защищенности работников и их семей в условиях рыночных отношений. М.:ЦНИЭИуголь 1993 60с.

48. Малкин А.С. Разработка методов поэтапного проектирования оптимизации параметров и интервальной оценки проектов угольных шахт: Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. МГИ. М., 1979 -36 с.

49. Малкин А.С., Пучков Л.А. Проектирование шахт М: Издательство Академии горных наук ,2000 - 375 с.

50. Махраков И.В. Обоснование направлений повышения интенсивности горного производства на шахтах высокого технического уровня, канд. дисс. МГГУ : 1999.

51. Методология проектирования горных предприятий: Справочник. / Ред. кол.: И.К. Станченко и др. М.: Недра. 429с.

52. Теоретические основы системного анализа. Новосельцев В.И. и др.//под ред. В. И. Новосельцева. -М. : Майор, 2006. 592 с.: ил.

53. Парамонов В.И. Подземная добыча длинными лавами в Австралии.// Уголь №11, 1995, с.64-65.

54. Парамонов В.И. Эксплуатация длинных лав в США в 1994 г. //Уголь №5,1996, с.66-67.

55. ПБ 05-618-03 Правила безопасности в угольных шахтах. Госгортехнадзор России. НТЦ «Промышленная безопасность». Серия 05. выпуск 11

56. Плакиткин Ю.А, Выбор технологических схем разработки пологих пластов тонких и средней мощности с учетом усложнения горно-геологических условий: Автореф. дисс. На соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Моск. горн. ин-т. — М., 1982. -15 с.

57. Подземный транспорт шахт и рудников. Справочник. М, «Недра», 1985.

58. Решетов С.Е., Красюк Н.Н. Устойчивое и эффективное функционирование угольной компании в период реструктуризации шахтного фонда. МГГУ 2002г.

59. Рогов Е.И. Теория и методы математического моделирования производственных процессов в горном деле. Алма-Ата, «Наука», 1973.

60. Рыжов A.M. Повышение интенсивности горного производства на базе гибких технологических систем угольных шахт. Докт дисс. МГГУ 1999.

61. Салли В.И., Малов В.И., Бычков В.И. Поддержание мощности угольных шахт при ограниченных объемах строительства. -М.: «Недра» , 1994.

62. Сребный М.А., Харченко В.А., Еремеев В.М. Развитие горных работ на действующих шахтах. М: Недра , 1980 , 184 с

63. Стариков А.В. Научные основы оптимизации развития горных работ на угольных шахтах. Автореферат дис. М., 1978.

64. Технологические схемы очистных и подготовительных работ. Отчет и НИР МГИ ДП-209. М.1990. 79 с.

65. Технологические схемы заблаговременной подготовки шахтных полей и добычи метана. Методические разработки. М.: 1987-49с.

66. Тулеев A.M., Шатиров СВ. Уголь в России в 21 в.: Проблемы и решения: М:2002.-304с.

67. Черноморов Г.А. Теория принятия решений:Учебное пособие/ Юж.-Рос. Гос. техн. унт. Новочеркасск: Ред. журн.- "Изв. вузов. Электромеханика, 2002, 276 с.

68. Шундулини И.А. Разработка интегрированных технологических систем двухстадийной отработки запасов мощных угольных пластов. МГГУ 2002 г.

69. Штовба С.Д. Проектирования нечетких систем средствами MATLAB. -М.: Горячая линия Телеком, 2007. -288 е., ил.

70. Джексон П., Введение в экспертные системы. — М .: Вильяме — 2001. 624 с.

71. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский JI. Нейронные сети, нечеткие алгоритмы и нечеткие системы/ Пер. с польск. — М. Горячая линия — Телеком, 2006. — 452 е.: ил.

72. Саати Т., Керне К. Аналитическое планирование. Организация систем. Пер. с англ. — М. Радио и Связь, 1991 — 224 с: ил.

73. Саати Т. Принятие решений: Метод анализа иерархий. Перевод с англ. М. Радио и Связь, 1993 -278 с.

74. Вопросы анализа и процедуры принятия решений. // Сборник переводов. М. Издательство "Мир" 1976 стр. 173-215

75. Peter Bauer ,Stephan Nouak ,Roman Winkler. Краткий курс по нечеткой логике и нечеткому управлению. Версия: 1.2. Декабрь 4,1996. CcbDiKa:flp://ftp.flll.uni-linz.ac.at/pub/info/.

Информация о работе

Езерский, Михаил Юрьевич
кандидата технических наук
Москва, 2008
ВАК 25.00.21

Диссертация

Синтез технологических систем угольных шахт при обосновании проектных решений - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы