Компьютерное моделирование процессов и технологий в горнодобывающей промышленности

Компьютерное моделирование процессов и технологий в горнодобывающей промышленности

Содержание

моделирование информационный горный проектирование

Введение

. Цели моделирования информационных систем

. Классификация видов моделирования

3. Компьютерное моделирование процессов и технологий в горнодобывающей промышленности

4. Система автоматизированного проектирования - AutoCAD

Заключение

Список литературы

Введение

Полезность математического моделирования для решения практических задач вообще не вызывает сомнений. Может возникнуть вопрос, а для чего необходимо осваивать моделирование информационных систем горному инженеру?

Современная технология становится все более и более автоматизированной. Современный инженер, будь он конструктор или технолог должен использовать компьютеры в своей работе. Существует опасность неадекватной оценки возможностей компьютера при решении инженерных задач. Это может привести или к отказу от автоматизации того или иного фрагмента технологического процесса, или к неоправданным расходам на средства вычислительной техники, возможности которых сильно завышены по сравнению с необходимыми. При этом так называемый здравый смысл может приводить к серьезным ошибкам в оценке. Освоение информационно-вычислительных систем поможет грамотно вписывать средства автоматизации в контуры производства или управления.

. Цели моделирования информационных систем

Моделированием называется замещение одного объекта другим с целью получения информации о важнейших свойствах объекта - оригинала с помощью объекта - модели.

Всем моделям присуще наличие некоторой структуры (статической или динамической, материальной или идеальной), которая подобна структуре объекта - оригинала. В процессе работы модель выступает в роли относительно самостоятельного квазиобъекта, позволяющего получить при исследовании некоторые знания о самом объекте. Если результаты такого исследования (моделирования) подтверждаются и могут служить основой для прогнозирования в исследуемых объектах, то говорят, что модель адекватна объекту. При этом адекватность модели зависит от цели моделирования и принятых критериев.

Процесс моделирования предполагает наличие:

объекта исследования;

исследователя, имеющего конкретную задачу;

модели, создаваемой для получения информации об объекте, необходимой для решения задачи.

По отношению к модели исследователь является экспериментатором.

Надо иметь в виду, что любой эксперимент может иметь существенное значение в конкретной области науки и техники только при специальной обработке его результатов.

Одним из наиболее важных аспектов моделирования систем является проблема цели. Любую модель строят в зависимости от цели, которую ставит перед ней исследователь, поэтому одна из основных проблем при моделировании - это проблема целевого назначения.

Подобие процесса, протекающего в модели, реальному процессу, является не самоцелью, а условием правильного функционирования модели.

В качестве цели должна быть поставлена задача изучения какой-либо стороны функционирования объекта.

. Классификация видов моделирования

Классификация видов моделирования систем приведена на рис.1 Математическое моделирование - это построение и использование математических моделей для исследования поведения систем (объектов) в различных условиях, для получения (расчета) тех или иных характеристик оригинала без проведения измерений или с небольшим их количеством. В рамках математического моделирования сложились два подхода:

Аналитический и имитационный.

Аналитический подход основывается на построении формульных зависимостей, связывающих параметры и элементы системы. Такой подход долгое время и был собственно математическим подходом. Однако при рассмотрении сложных систем строгие математические зависимости весьма сложны, требуется большое количество измерений для получения требуемых значений параметров.

Анализ характеристик процессов функционирования сложных систем с помощью только аналитических методов исследования наталкивается на значительные трудности, приводящие к необходимости существенного упрощения моделей либо на этапе их построения, либо в процессе работы с моделью, что снижает достоверность результатов.

Имитационный (статистический) подход в моделировании базируется на использовании предельной теоремы Чебышева при вероятностном представлении параметров системы. На основе предварительного изучения моделируемой системы достаточно просто определяются виды и значения законов распределения случайных величин параметров. В рамках имитационного подхода используются аналитические зависимости между параметрами элементов системы, однако эти зависимости имеют более обобщенный, упрощенный характер. Они значительно проще, нежели зависимости в рамках аналитического подхода.

Математическое моделирование систем, в том числе и информационных, имеет целью оптимизацию структуры систем, выбор наиболее оптимальных режимов функционирования систем, определение требуемых характеристик аппаратурного оборудования и программного обеспечения.

Математическое моделирование технологических процессов, в том числе и информационных, имеет основными целями нахождение оптимальных или приемлемых характеристик самого объекта, нахождение оптимальных режимов обработки, обучение персонала, обеспечение определенных функций управления.

В любом случае моделирование должно отвечать следующим требованиям:

 модели должны быть адекватны соответствующим системам или технологическим задачам;

должна обеспечиваться необходимая точность;

-        должно обеспечиваться удобство работы пользователя - специалиста по технологии или по обработке информации (управлению):

- понятный интерфейс управления моделированием;

-        достаточная скорость работы;

-        наглядность результатов;

приемлемая стоимость разработки и использования средств моделирования.

. Компьютерное моделирование процессов и технологий в горнодобывающей промышленности

Разнообразие условий залегания и добычи полезных ископаемых, высокая стоимость технологических и технических решений в горном деле делают целесообразным перебор вариантов ведения горных работ на персональном компьютере технолога. Имитационные эксперименты с моделью горных работ позволяют до реальных инвестиций в производство ответить на вопросы: какие изменения техники и технологии приведут к увеличению производительности? как согласовать работу участков технологической цепи? какое оборудование потребуется при переходе на другие участки добычи? какое расписание работы участков эффективнее? как продолжать работу при отказах оборудования?

В 1958 г. имитационное моделирование впервые было применено для планирования бурения, взрывания, погрузки и крепления в забоях угольной шахты. В 60-х годах с помощью имитационного моделирования на языке Фортран стали решать задачи по анализу работы шахтной транспортной сети, процессов камерной выемки, взаимодействия самосвалов и экскаваторов на разрезе, работы рельсового транспорта на поверхности. Разработка модели из 50-70 тысяч команд требовала много времени и часто отставала от развития горных работ. С появлением специализированных языков приложения имитационного моделирования в горном деле стали расширяться. Чаще всего модели горных работ разрабатывают на языке GPSS/H.

В 1996 г. Афинский национальный технический университет и университет Айдахо через Интернет провели Первый международный симпозиум по моделированию горных работ (MINESIM’96), на котором было представлено более 200 докладов. В США, Австралии, Южной Африке, Чили, КНР и других странах организуются семинары для горных инженеров, стремящихся освоить методы компьютерной имитации горных работ; ведется обучение студентов.

В России с 60-х годов имитационным моделированием горных работ занимались Гипроруда, НИИКМА, ИПКОН, НИГРИ, ИГД СО АН СССР, ИГД Кольского НЦ АН СССР. В 1988 г. на Всесоюзной конференции "Имитационное моделирование в горном деле", обсуждалось 30 работ, посвященных расчетам на компьютерах систем уравнений со случайными коэффициентами. В них применялись несвойственные имитационному моделированию выражения "имитационный расчет", "расчет модели", "имитация как последовательность уравнений".

В настоящее время работы по имитационному моделированию горных работ в России практически не ведутся, несмотря на развитие возможностей персональных компьютеров, появление новых задач и методов имитационного моделирования.

Примеры компьютерного моделирования процессов и технологий в горнодобывающей промышленности.

Сеть конвейеров шахты "Распадская"

Для шахты имитировалась работа конвейерной сети при случайных грузопотоках из забоев с целью выбора промежуточных бункеров и приемной способности конвейеров по наклонному стволу (рис. 1). Кроме того, оценивались максимальные уровни заполнения бункеров, динамика заполнения бункеров при случайной остановке конвейеров и допустимое время остановки конвейеров, выбирались скорости разгрузки распределенных вдоль конвейера бункеров и расписание работы забоев.

Рис. 1. Имитация работы транспортной сети шахты "Распадская":

а - компьютерное отображение движения угля; б - влияние промежуточных бункеров на загрузку конвейера по наклонному стволу.

Диспетчеризация конвейерно-локомотивного транспорта шахты "Комсомолец"

Для шахты разработана имитационная модель работы транспорта, позволяющая в ускоренном времени прогнозировать последствия решений диспетчера (рис. 2). Имитацию ведут одновременно с работой транспорта. На мнемосхеме отображаются работа забоев, движение угля, количество угля в бункерах, движение поездов, состояние светофоров. Диспетчер направляет поезд под бункер, который будет заполнен раньше.

Рис. 2. Применение имитационного моделирования для диспетчеризации конвейерно-локомотивного транспорта шахты "Комсомолец"

Взаимодействие экскаваторов и самосвалов на разрезе "Кедровский"

Оценивались использование экскаваторов и очереди самосвалов разной грузоподъемности в местах погрузки и разгрузки при случайных изменениях времени рейса и погрузки (рис. 3).

Рис. 3. Взаимодействие экскаваторов и самосвалов на разрезе "Кедровский"

Технологии проведения выработок

Имитировались технологии проходки комбайновым и буровзрывным способами (рис. 4). В экспериментах изменялись время технологических операций, длина выработки, емкость средств доставки. Оценивались время и трудоемкость проходческого цикла, степень использования горных машин.

Рис. 4. Имитация проходки выработки комбайном избирательного действия

Многозабойная технология горных работ

Одна или несколько самоходных машин работают по заказам из забоев. Оценивалось соотношение машин и забоев для работы без простоев (рис. 5).

Рис. 5. Многозабойная технология горных работ:

а - проведение выработок; б - доставка материалов по заказам из забоев

Технолог вводит в компьютер условия выемки, типы и характеристики комбайна, крепи, конвейера, крепи сопряжения. В результате имитационного моделирования определяют производительность забоя для выбранного набора оборудования.

Группирование горнодобывающих предприятий по максимуму прогнозиру-емой прибыли

Имитируется работа групп шахт и разрезов за заданный период времени с уче-том случайных затрат на добычу, ввода и выбытия производственных мощностей, ко-лебаний цен на уголь (рис. 6). В результате моделирования формируют группу, работа которой обеспечит максимум прибыли.

Рис. 6. Группирование шахт и разрезов:

а - ввод данных; б - результаты моделирования

4. Система автоматизированного проектирования - AutoCAD

AutoCAD - самая популярная в мире система автоматизированного проектирования и выпуска рабочей конструкторской и проектной документации. С помощью AutoCAD создаются двумерные и трехмерные проекты различной степени сложности в области архитектуры и строительства, машиностроения, генплана, геодезии, горного дела и т.д. Формат хранения данных AutoCAD признан международным стандартом хранения и передачи проектной документации. AutoCAD является платформой, на которой построено множество специализированных программ, имеющих общий формат хранения данных. Высокопрофессиональные приложения от авторизованных разработчиков Autodesk дополняются утилитами и программами, которые (с помощью встроенных языков программирования) создают сами пользователи.

Назначение. На сегодня AutoCAD охватывает весь спектр инженерных задач: создание трехмерных моделей, разработку и оформление чертежей, выполнение различного рода расчетов, инженерный анализ, формирование фотореалистичных изображений готовой продукции.

Интерфейс. Первое, что вы увидите после запуска программы, - это главное окно приложения (рис. 1.2), которое обладает следующими элементами:

·              лента - содержит сгруппированные по типам вкладки с собранными в них типовыми командами AutoCAD <#"784982.files/image008.gif">

Примитивы. Примитивы могут быть простыми и сложными. К простым примитивам относятся следующие объекты: точка, отрезок, круг (окружность), дуга, пря­мая, луч, эллипс, сплайн, однострочный текст.

К сложным примитивам относятся: полилиния, мультилиния, мультитекст (многострочный текст), таблица, размер, выноска, допуск, штриховка, вхождение блока или внешней ссылки, атрибут, растровое изображение, маска, область.

Команды. Все действия в программе AutoCAD мы совершаем с помощью команд. Мы их вызываем либо нажатием по кнопке на ленте, либо выбором пункта из контекстного меню или же вводом команды вручную с клавиатуры в командную строку.

Список основных команд AutoCAD для рускоязычных версий.