09.01.2021

Исследование операций при оптимизации технологических решений в проектировании и планировании горного производства


Современные требования к задачам проектирования и планирования горного производства вызвали к жизни необходимость пересмотра традиционных методов технико-экономического анализа с целью их совершенствования. Это связано в основном с применением средств вычислительной техники к задачам проектирования и планирования. Таким образом, на базе уже имеющихся традиционных методов и задач технико-экономического анализа с привлечением ЭЦВМ были разработаны методы экономико-математического моделирования.

Однако разработкой и применением методов экономико-математического моделирования в горном деле вряд ли можно считать процесс методических поисков для задач проектирования и планирования производства законченным. Экономико-математические методы и модели проектирования и планирования горного производства носят, как правило, детерминированный характер. При этом в содержании задач и в объектах исследований особенности производственно-технологических процессов, связанных со случайным характером их протекания, распределительный или состязательный характер, надежность и синхронность этих процессов, структурные особенности технических или технологических систем не учитываются.

Современная угольная шахта, по общему признанию специалистов в области проектирования и планирования горного производства А.М. Курносова, А.С. Бурчакова, Б.М. Воробьева, А.С. Астахова, Н.И. Иванова и др., представляет собой сложную динамическую вероятностную систему. Тем не менее, методы анализа, выбора и оптимизации основных технологических решений при проектировании и планировании горного производства не учитывают особенностей такой сложной, динамической, вероятностной системы, как шахта.

Потребности практики, связанные с изучением сложных вероятностных систем — технических и технологических — и особенностей процессов их группирования, вызвали к жизни новые прикладные методы исследования операций.

Историю развития и применения методов исследования операций можно рассматривать в четыре этапа.

Еще в 20—30 гг. в сфере промышленного производства характерны попытки, связанные с установлением принципов организации индивидуального физического труда на основании операционных исследований. Отдельные приемы и подходы при пооперационном анализе того периода наблюдались в современных методах исследования операций.

В тот период по инициативе В.И. Ленина была проведена большая работа в области научной организации труда и разработаны методы исследований, связанные с «техникой» организации и управления.

Второй этап развития и становления методов исследования операций относится к периоду 30—40 гг., когда за рубежом значительное развитие получили прикладные методы математического анализа проблем, связанных с управлением и организацией производства. Этот период формирования методов исследования операций характерен тем, что уже тогда можно было отметить становление нового раздела науки — науки об организации и управлении. Причем задачи этого раздела решались с использованием аналитических методов — были разработаны математические модели отдельных процессов и ситуаций, хотя и упрощенных.

Третий этап формирования методов исследований операций можно отнести к периоду 40-х и до середины 50-х гг., характеризующемуся особо бурным развитием операционных исследований. Следует отметить, что в 1940 г. в связи с применением математических методов анализа ситуаций в военно-стратегических и тактических задачах в Англии этот раздел науки получил название «исследование операций». В последующем методы исследования военных операций начали применяться в США. А после войны, в 1945 г., эти методы нашли широкое применение в сфере финансового, промышленного и гражданского управления. Процесс формирования как самостоятельной научной дисциплины и становления методов, задач и предмета исследования операций в этот послевоенный период, особенно в США, — самый бурный и плодотворный. В значительной мере это связано с развитием кибернетики и ее математического аппарата, что позволило предоставить тем, кто имеет дело со сложными процессами управления, методы исследования операций как «мощный инструмент математического анализа ситуаций, своеобразное и сильное средство для проведения мысленных экспериментов с объектами, природа которых не позволяет провести эксперименты реальные».

Четвертый этап развития исследования операций с середины 50-х гг. характеризуется прежде всего широким применением методов исследования операций с использованием возможностей средств электронно-вычислительной техники к практическим задачам в самых различных отраслях промышленности и техники.

Так, например, возникло понятие нового объекта исследования в управлении, получившего название «большие системы», и сформировалась новая научная дисциплина — системотехника. Этот период характеризуется также разработкой различных систем автоматического управления в различных сферах и отраслях промышленности.

Многочисленные публикации по исследованию операций можно разделить на две группы:

— работы, посвященные проблемам организации и управления производственно-операционными процессами;

— математические работы, содержанием которых являются методические разработки, обладающие общностью применения для задач самых различных сфер человеческой деятельности.

Обобщая высказывания специалистов по исследованию операций, основная задача этой дисциплины может быть сформулирована как применение научных принципов, методов и средств к изучению функционирования промышленных и технологических систем и предприятий с целью предоставить тем, кто управляет данными системами, оптимальные решения. Целью исследования операций является разработка научных основ управления и планирования производственными и промышленными предприятиями и системами.

При проведении операционных исследований стараются отыскать оптимальные решения в целом по системе, т. е. глобальный оптимум. Например, при попытке решить задачу замены оборудования на предприятии операционными методами стремятся учесть влияние различных возможных вариантов на эффективность работы предприятия в целом. Можно попытаться определить, как это влияние на данном предприятии, в свою очередь, отражается на данной отрасли промышленности и т. д. Принятие оптимального решения должно учитывать влияние на функционирование составляющих технологическую систему или предприятие звеньев или элементов. В исследовании операций необходимо стремиться учитывать наиболее существенные причинно-следственные связи. Основная цель применения методов исследования операций сводится к отысканию оптимальных решений с учетом функционирования всей системы или предприятия в целом. Общий характер цели операционных исследований является примером системного подхода, поскольку под «системой» подразумевается комплекс функционально связанных компонентами элементов.

Для угольной промышленности, как и для любой другой, эти аспекты, определяющие характер принятия оптимальных решений, должны устанавливаться но аналогичному принципу, который в исследовании операций известен как системный подход к задачам. Именно к соблюдению этого принципа системного подхода обычно стремятся А.М. Курносов и др. Принцип системного подхода исследования операций в задачах проектирования и планирования угольных шахт находит выражение в так называемой «комплексной оптимизации» основных параметров угольных шахт. Специфика горных предприятий, а также элементов горного производства такова, что выбирать и оптимизировать многие технические и технологические решения по принципу «системного подхода» очень сложно.

Несмотря на стремление к принципу системного подхода, вряд ли возможно комплексно оптимизировать все технические и технологические решения угольной шахты в одном исследовательском проекте. Учитывая трудности и сложности проведения такого системного исследования, следует полагать, что результаты этого исследования вследствие неизбежных упрощений при формализации и математическом описании изучаемого объекта — системы — не будут обладать большой достоверностью. Более целесообразными для задач проектирования и планирования горного производства являются предварительный анализ и отбор наиболее важных по степени влияния на искомые переменные факторов с последующей их локальной оптимизацией.

Нужно начинать с задач ограниченного масштаба, нацеленного на изучение, например, всей системы «шахта» или «шахтопласт». Следующий возможный этап исследования системы заключается в постановке и решении новой локальной задачи, вытекающей как следствие из первоначальной. Однако решение ее необходимо увязывать с решениями предыдущей первоначальной задачи. В свою очередь, возможны коррективы в первоначальной задаче из-за необходимости учета ограничений новой задачи, а также сведений имеющихся противоречий в результатах решения задач до минимального. Аналогично производится постановка следующей задачи, решение которой должно быть увязано с результатами решений первых двух задач. Такой подход к задачам проектирования и планирования горных предприятий, известный в исследовании операций как принцип «преемственности» исследований при системном подходе, наиболее разумный.

Математическая формализация задачи исследования операций связана с приложением методов прикладной математики. Приложение математических методов и их эффективность определяются в операционных исследованиях «достижением целей управления с наименьшими затратами времени и ресурсов». Задачи исследования операций с точки зрения систематизации математических методов классифицируются на две группы:

— прямые задачи, определяющие эффективность операций или критерий протекания изучаемого процесса;

— обратные задачи, связанные с оптимизацией решений, при которых критерий эффективности достигает экстремального значения (максимума или минимума).

Хотя составление и разработка математических моделей изучаемых объектов связаны с абстрагированием их от отдельных физических свойств и материального содержания, однако это вовсе не означает полного или частичного отвлечения от физической сущности этих объектов. Наоборот, математические модели изучаемых процессов или объектов должны разрабатываться таким образом, чтобы в полной мере учитывать характерные особенности поведения описываемой системы, определяемые физическим или материальным содержанием ее. Эти особенности, обусловливающие выбор методов математической формализации поведения изучаемой системы, в исследовании операций типизируются по следующим процессам: распределительный, обслуживания, замены, создания и хранения запасов, состязательные и комбинированные.

Распределительный процесс — один из наиболее характерных процессов в задачах исследования операций. С ним обычно связывают многие практически важные задачи целенаправленной деятельности по оптимизации различного рода ресурсов, под которыми подразумеваются капитальные и эксплуатационные затраты, различные виды технического и технологического оборудования на предприятиях, средства автоматизации, сырье, материалы, рабочая сила и т. д.

В угольной промышленности, как и в любой другой отрасли, очень часто приходится сталкиваться с задачами оптимального распределения ресурсов. В элементарной форме постановка задачи оптимального распределения ресурсов в исследовании операций заключается в следующем. Рассмотрим объект или систему, состоящую из совокупности последовательных операций или элементов производства. Имеется также некоторый заданный или ограниченный объем ресурсов. Задача заключается в таком распределении этого заданного или ограниченного объема ресурсов по операциям или элементам, при котором достигается максимальная эффективность выполнения заданной функции объекта или системы.

Обратная постановка этой задачи при заданном ограничении по выполнению заданной функции объекта или системы заключается в таком оптимальном распределении ресурсов по операциям или элементам, при котором выполнение заданной функции системой или объектом достигается с общими суммарными минимальными расходами этих ресурсов.

Возможны и другие постановки распределительных задач, учитывающие всевозможные ограничения по размещениям ресурсов в элементах и операциях, ограничения технического или технологического характера и т. д. Обобщенной постановкой распределительных задач является достижение Максимальной эффективности выполнения заданных функций системой или объектом при общих минимальных суммарных издержках по операциям или элементам ресурсов.

Для решения задач с распределительными процессами используются классические методы оптимизации (методы Ньютона, неопределенных множителей Лагранжа, дифференциального программирования и т. д.), линейное, нелинейное, динамическое, целочисленное, стохастическое программирование и т. д.

Процесс обслуживания обычно связывают с объектами или системами, для которых характерны поток требований (клиентов, заявок), очередь, обслуживающие каналы или аппараты, выходящий поток (требования обслужены). Обычно требования либо ожидают начала обслуживания, либо один или несколько обслуживающих каналов ожидают появления требований или заявок, либо ожидают в очереди и требования, и Обслуживающие каналы. Все это связано с определенными расходами. В общем случае необходимо установить такие характеристики процесса обслуживания, при которых суммарные издержки некоторых ресурсов, связанные с ожиданием, были бы сведены к минимуму.

Для математического описания процесса обслуживания с учетом случайного характера применяются теория массового обслуживания, теория очередей, теория расписаний, теория балансирования линий.

В горном деле имеется значительное число исследований с приложением методов теории массового обслуживания. В отдельных работах приведены приложения к самым различным элементам горного производства угольной шахты — лава-погрузочный пункт, требования на крепление в лаве — рабочие по креплению и т. д.

Процесс замены возникает по двум основным причинам: либо износ оборудования или техники определяется их моральным старением, либо оборудование или техника частично или полностью выходит из строя.

В первом случае необходимо определить время замены с тем, чтобы суммарные расходуемые ресурсы на приобретение нового вида оборудования, его освоение и пуск, а также на ремонт и эксплуатацию старого с учетом ущерба от потери или снижения производительности были бы минимальными. Типичные задачи такого рода в угледобывающей промышленности — замена устаревших модификаций очистных комбайнов с широкозахватными исполнительными органами на новые, узкозахватного типа, замены скребковых конвейеров типа СКР-11, СКР-20 на конвейеры типа СП-63, СР-70 и др.

При выходе из строя нового оборудования (частично или полностью) определяют целесообразность и периоды капитального или текущего ремонта, замену каких узлов и деталей и с какой частотой необходимо производить, какой объем профилактики необходимо проводить. При этом окончательное решение требует суммарных минимальных расходов. Примерами задач в угольной промышленности может быть создание различного рода ремонтных баз для обеспечения нормальной работы и замены вышедших из строя узлов и деталей механизированных комплексов, конвейеров, проходческих комбайнов и прочего горно-шахтного оборудования.

Для задач, изучающих процессы замен, применяют следующие прикладные математические методы: теорию надежности, теорию восстановления, теорию массового обслуживания и др.

Процесс создания и хранения запасов связан с проблемой запасов. Обычно в исследовании операций задачи, связанные с процессом создания и хранения запасов, формулируются так: в каком объеме и сколько заказывать требуемых для выполнения нормальной деятельности предприятий ресурсов (оборудования, материалов, сырья и т. д.), когда и с какой частотой производить заказы требуемых ресурсов.

Решение этих задач обычно связано с суммарными затратами, которые определяются возможным ущербом предприятия при недостаточных запасах ресурсов или чрезмерными затратами на содержание и хранение большого объема запасов. Для угольных шахт эти задачи, безусловно, имеют большое значение. Так, для аварийных ситуаций на шахтах должны быть определенные запасы лесоматериалов, горношахтного оборудования, металлического или железобетонного крепления горных выработок и т. д., содержание и хранение которых требуют значительных расходов.

Для решения задач, связанных с процессами создания и хранения запасов, обычно применяют линейное, нелинейное, динамическое и параметрическое программирование, теорию массового обслуживания, теорию очередей, теорию надежности, теорию управления запасами.

Состязательные процессы обычно связывают с такими процессами, когда имеются две противоборствующие стороны. Причем эффективность принятого решения одной стороной является проигрышной для другой. Ситуация, характеризующая состязательные процессы, называется игрой. Игра определяется количеством участников, правилами игры, которые должны учитывать ограничения по возможным допустимым действиям противоборствующих сторон, множеством конечных состояний (проигрыш, выигрыш, ничья) и наградами или штрафами в зависимости от состояний.

Некоторые процессы в горном деле, например, борьба с проявлениями природных факторов (горное давление, газовыделение), могут быть истолкованы и описаны как состязательные процессы.

Комбинированные процессы, чаще всего встречающиеся в Реальных ситуациях, предполагают сочетания и комбинации различных рассмотренных выше процессов.

Так, например, производственная деятельность горного предприятия характеризуется сочетанием процессов обслуживания, замен, распределения, создания и хранения запасов. Обычный метод исследования комбинированных процессов — последовательное и поэтапное решение задач.

Полный цикл операционных исследований изучаемого объекта состоит из трех основных стадий:

— подготовки исходных данных для построения математической формализованной модели исследуемых процессов;

— формализации исследуемого процесса с последующим построением математической модели и разработкой алгоритма ее реализаций;

— реализации алгоритма решения модели и проверки модели.

В свою очередь, каждая из указанных стадий определяется последовательными этапами пооперационного исследования объекта или системы. Эти этапы по-разному могут формировать основные стадии операционного исследования и зависят от конкретно сформулированной задачи в рамках исследования операций. В общем виде выделяются следующие этапы операционных исследований:

1. Постановка и формулировка задачи, определение основных критериев эффективности функционирования изучаемых систем или объектов.

2. Подготовка и сбор необходимой информации для решения поставленной задачи.

3. Формализация изучаемого процесса в рамках сформулированной задачи и выбранных критериев эффективности. Выбор методов исследования и построение математической модели.

4. Построение моделирующих алгоритмов для реализации формализованной математической модели исследуемого процесса с предварительной проработкой и установлением возможного существенного влияния дополнительных факторов и ограничений, а также исходных данных задачи.

5. Реализация разработанного алгоритма задачи с последующей проверкой общей модели задачи, уточнением влияния учитываемых факторов.

6. Разработка нового, измененного алгоритма задачи, учитывающего результаты дополнительного анализа влияющих факторов, получения дополнительных данных и сведений относительно изучаемого объекта или системы, а также разработка практически доступного и простого способа использования результатов операционных исследований.

7. Практическое использование результатов операционных исследований.

Постановка задачи может быть связана с выбором и установлением рациональных вариантов и оптимизацией параметров технологических схем очистной выемки с различными средствами механизации очистных работ и порядком отработки пластов. Выбору рациональных вариантов предшествует установление критериев эффективности для оценки этих вариантов. В качестве критериев эффективности обычно выбирают такие технико-экономические показатели, как себестоимость, производительность труда, нагрузка на лаву, трудоемкость основных процессов и т. д.

Этап подготовки сбора необходимой информации предусматривает определение и установление горно-геологических данных и горнотехнических условий применения рассматриваемых вариантов технологических схем. Исходными горнотеологическими данными являются сведения по разведочным скважинам, материалы геологической документации соседних действующих шахт, а горнотехническими — опыт работы ранее действующих шахт, данные проектных технических заданий и т. д.

Этап формализации и математического моделирования технологических процессов очистных работ связан с их математическим описанием, выраженным через критерий эффективности. Обычно на данном этапе математической формализации процессов угледобычи предшествует качественный анализ влияния учитываемых факторов, а также методика учета этих факторов в общей математически формализованной модели процесса. В соответствии с этим анализом устанавливаются и определяются методы математического моделирования процессов в целом. Обычно для этой задачи излюбленным приемом у большинства исследователей является метод экономико-математического моделирования.

Этап построения моделирующего алгоритма производится на базе составленной экономико-математической модели по исследуемым вариантам технологических схем, а также исходных данных задачи по горно-геологическим и горнотехническим условиям.

Реализация алгоритма экономико-математической модели вариантов технологических схем производится с помощью программирования на ЭЦВМ. На этом этапе производится проверка составленной экономико-математической модели, в результате чего можно уточнить влияние всех учитываемых факторов на параметры технологии. Анализ влияния этих факторов позволит значительно упростить не только расчетный алгоритм, но и модель всей задачи. На данном этапе возможно будет учесть те дополнительные изменения в исходных данных, которые получены в процессе исследования.

Результатом предыдущего этапа является разработка нового, видоизмененного и усовершенствованного алгоритма. Этот алгоритм должен учитывать помимо внесенных коррективов простоту в практическом использовании, а также возможность и особенности различных средств вычислительной техники.

Завершающим этапом является непосредственное практическое использование полученных результатов в процессе исследования формализованных экономико-математических моделей. В этом случае конечная практическая цель состоит в выборе рационального варианта из числа возможных технологических схем очистной выемки, а также в установлении оптимальных исследуемых параметров технологических схем (длина лавы, скорость подвигания, пропускная способность участковых выработок и т. д.).

При проектировании горного производства необходимо прогнозировать эффективность технических и технологических систем. Оценка достоверности и возможности прогнозирования технических и технологических решений угольной шахты отчасти определяется субъективными факторами, ибо в процессе управления системой «шахта» возможны управляющие воздействия, диктуемые волей человека, определяющие дальнейший ход процесса с момента принятия решения. Эти решения формируют неопределенные или случайные факторы, влияющие на эффективность горного производства. Значительная доля случайных факторов связана с наличием неполной информации относительно участка месторождений или шахтного поля.

Как было отмечено, неопределенность горно-геологических условий разработки угольных пластов в проектных решениях является одной из специфических особенностей задач проектирования и планирования горного производства. Эта особенность также снижает достоверность прогнозирования технических или технологических решений при их проектировании и планировании. И поэтому с учетом ограниченных возможностей в прогнозировании технических и технологических решений не следует абсолютизировать результаты решения горнотехнических задач с использованием методов исследования операций, а надо их расценивать как наиболее вероятный подход. Даже при такой оценке этих результатов они представляют ценность в задачах выбора оптимальных вариантов технических и технологических решений из большого числа возможных.





Яндекс.Метрика