Применение формализма гибридных систем в моделях управления переключаемыми производственными процессами

Разработка методов моделирования для управления переключаемыми производственными процессами на основе формализма гибридных систем. Характеристика горных работ как элементов задач производственного планирования при открытой разработке месторождений.

Рубрика Математика
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 02.03.2018
Размер файла 133,5 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

3) матрица H=[H1H2…HL] имеет полный ранг.

При использовании таких декомпозиционных схем необходимые условия оптимальности первого порядка (выраженные теоремой 3.8 и другими подобными ей теоремами) преобразуются в условия следующего типа:

Теорема 3.7. Если J-регулярный вектор u*RM является решением задачи (39) и совокупность матриц H1(u*,J),…,HL(u*,J)(u*,J) задает декомпозиционную схему на u*, то при любом l=1,…, L(u*,J) для произвольного вектора ys, удовлетворяющего неравенствам

(Fiu*(u*), Hl(u*,J)yl)0, iJlI10(u*),(Fiu*(u*), Hl(u*,J)yl)=0, iJlI2(u*),

справедливо

(F0u*(u*), Hs(u*,J)ys)0

Упрощается также построение управления, строго соответствующего измененному сценарию, сводящееся к решению системы (35) итерационным методом, сходящимся линейно или сверхлинейно.

Четвертая глава содержит описание методов решения задач оптимизации переключаемых производственных процессов. В разделе 4.1. описываются конкретные вычислительные конструкции схем декомпозиции по системе ограничений. Их построение сводится к совокупности следующих операций: выделения из матрицы R (полного ранга) максимальной квадратной подматрицы W+(R) и оставшихся столбцов W_(R); объединения столбцов матриц (или векторов) R1R2; сложения, умножения и обращения матриц.

Вычисление оптимального управления при фиксированном сценарии, также как и решение задачи оптимального годового планирования, возможно с помощью предложенного автором гибридного метода (с чертами методов возможных направлений и проекции градиента) с применением декомпозиции по ограничениям. Принципиально алгоритм 1 получения улучшенного управления u' по известному u (при заданных положительных значениях параметров 0, f (1>f>0), c, H, KF) состоит в следующем:

1. Положить =0. Вычислить min=min{-Fi(и) | iI1\I10(u)}.

2. Положить J=I(u). Вычислить S(J), Н=Н(u, J)=[Н1 |...|HS(J)], векторы d1,..., dS(J), построить множества J1,…, JS(J). Если ||H||>c / или ||ds||>c/ при некотором s, то если min, положить =c/||H||, иначе положить =f и перейти к пункту 2, в противном случае перейти к пункту 3.

3. Вычислить 1=(F0u(u), Hsds).

4. При s=l, ..., s(j) найти число 0s и вектор ys из решения задачи

0s=( F 0u(u), Hsys)min, F i(u)+(F iu(u), Hsys)0, iJ1s, (Fiu(u), Hsys)=0, iJ2s,

-1ysi1, i=1,…, N(s)

5. Положить =1/(2max{1, 1}), =0(1+1). При s=1,... , S(J) положить ys=ys+ds.

6. Положить =H.

7. Вычислить u'=u+Hy. Если для u' справедливо:

F0u(u)F0u(u)+/2-||2(u+Hy)||;F iu(u)-||2(u+Hy||, iI1,||G||KF(||Hy||+2||G|| ||2(u+Hy)||)l/2

(где 2(u) -- вектор невязок ограничений-равенств), перейти к п. 8, иначе положить =f и перейти к пункту 7.

8. Положить u(1,0)=u. При k=0, 1, ... полагать u(1,k+1)=u(1,k)+G2(u(1,k)).

Положить u'=lim u(1,k).

k

Сформулирован «реализуемый» вариант алгоритма, в котором операция восстановления ограничений-равенств выполняется приближенно. При отсутствии нелинейных неравенств вычисления упрощаются, восстановления связей не требуется. Предложен и второй алгоритм, отличающийся способом построения возможного направления -- из решения задачи

0s=(F 0u(u), Hsys)min, (F iu(u), Hsys)0, iJsI1(u) ,

(Fiu(u), Hsys)=0, iJsI2, -1ysi1, i=1,…, N(s),

в котором выбирается значение , для которого при заданных с, выполнено неравенство --с. Предложен также алгоритм для минимаксной задачи, с помощью которого можно решать также задачу поиска допустимого плана. Для всех предложенных алгоритмов доказаны теоремы о сходимости следующего вида:

Теорема 4.2. Пусть в задаче (39) функции Fi(u)0, i{0}I1I2 определены и непрерывно дифференцируемы при некотором >0 на замкнутом множестве приближенно-допустимых управлений U={uRM | Fi(u), iI1, |Fi(u)|, iI2}, их градиенты удовлетворяют обобщенному условию Липшица ||Fiu(u)_Fiu(u)|KF||u_u|| и в любой точке uU векторы Fiu(u), iI0(u), линейно независимы. Пусть существуют константы nH0, nH0, такие, что для любого uU и любого J, для которого векторы Fiu(u), iJ, линейно независимы, декомпозиционная схема выражается матрицей H(u, J), имеющей невырожденную квадратную подматрицу полного ранга H0(u, J), и выполнены условия ||H(u, J)||<nH, ||H0(u, J)-1||<nH0, и пусть KF(HnH)1+. Пусть {u(r)} -- последовательность точек, построенных согласно алгоритму 1. Тогда предел u*() любой сходящейся ее подпоследовательности {u(r), r} удовлетворяет необходимым условиям оптимальности в задаче (39).

Кроме того, в предположении двукратной непрерывной дифференцируемости соотношений, определяющих задачу, и незначительного усиления необходимых условий оптимальности доказана локальная линейная скорость сходимости второго алгоритма при значении =1/2. Наконец, предложен двухфазный метод, первая фаза которого выполняется по алгоритму описанного типа, а вторая -- по алгоритму типа метода двойственных направлений и обладает сверхлинейной сходимостью.

Для линейных задач предложен вариант алгоритма, отличающийся лишь определением множеств активных ограничений и иным способом вычисления значения . Данный алгоритм дает решение за конечное количество итераций.

Если для сценария S при любом k dim(S(k))=1 и для предельной точки минимизирующей последовательности все t(k)>0, полученное управление является точкой локального минимума и процесс не имеет другого сценарного представления. Таким образом, имеет место локальная оптимальность безотносительно к сценарию. В противном случае требуется проверить условия теоремы 3.9 в отношении иных сценарных представлений процесса, вычисляя z0(k; v, S, S1) и решая задачи минимизации величины

(z0(k; v, S, S1), Yt(dINS(k),  uINS(k)))

при ограничениях (26). Если искомый минимум отрицателен в одной из этих задач, следует перейти к новому сценарию, решая систему уравнений (35) и затем выполнить минимизацию по этому сценарию. Для организации дерева решений построен метод поиска с возвратом (близкий к методу ветвей и границ), создающий возможности для нелокальной оптимизации.

Вычислительный опыт решения задач текущего и оперативного планирования добычных работ с фиксированным сценарием на основе описанного метода, а также проводившееся сравнение результатов решения ряда таких задач по методу автора и по методам штрафных функций и модифицированных функций Лагранжа, реализованным в разработанной в Вычислительном центре РАН диалоговой системе оптимизации ДИСО (подсистема оптимального управления), подтверждает вывод, что метод автора является вполне адекватным решаемым оптимизационным задачам и для них имеет преимущество перед более общими методами, проявляющееся как в большем быстродействии и вычислительной устойчивости, так и в единстве вычислительных построений, выполняемых при оптимизации в пределах сценария и при переходе к новому сценарию. Опыт решения линейных минимаксных задач оптимизации парка сельскохозяйственной техники, отличающихся сходной структурой ограничений и размерностью с рядом рассматриваемых задач, показал вычислительную эффективность декомпозиционного метода для линейного случая. Рост количества итераций от количества этапов (или уступов) N с порядком не выше N3/2 показывает возможность получения оптимальных решений при любых размерностях реальных задач.

Пятая глава посвящена моделированию функционирования производственной системы с учетом возмущений и методам их компенсации. В работе рассмотрены основные виды случайных факторов -- внутренних, вызванных ограниченной надежностью работы как отдельных механизмов, так и людей, управляющих ими, и внешних факторов -- экономических (рыночная конъюнктура), а для природно-технологических систем также и природных, в частности погодных. По своей форме случайные факторы представляют собой:

временные ряды случайных отклонений фактических значений показателей работы элементов системы от заданных;

случайные ряды значений факторов, косвенно определяющих моменты наступления событий качественного изменения состояния отдельных элементов системы;

случайные временные ряды моментов качественного изменения состояния среды;

случайное распределение показателей природной среды в пространстве;

Для описания возмущений для предстоящих этапов, известных (или прогнозируемых) на момент начала фактического l_го этапа, вводятся векторы e(k, l). Возмущения проявляются в уравнениях динамики, записываемых в виде

dx(t, k, l)/dt=f(d(k, l), e(k, l), x(t, k, l), u(k, l)),

и в ограничениях

sS(k, l),

jJ1(d(k, l), e(k, l)),

jJ2(d(k, l), e(k, l)),

jK1(s), s S(k, l)

Метод инвариантного синтеза, разработанный для управляемых систем, описываемых как дифференциальными, так и разностными уравнениями, способен (при наличии адекватных резервов по переменным управления) полностью компенсировать влияние регистрируемых возмущений на конечные значения целевых показателей. С учетом разработанной модификации метода требуется, чтобы сумма количества целевых показателей и активных ограничений не превышала минимального количества переменных управления, значения которых можно менять как в меньшую, так и в большую сторону.

Модификация оригинального метода В.В.Величенко, рассматривающего процессы без ограничений на переменные состояния, заключается, в частности, в том, что прогноз последующего функционирования производственной системы на остаток планового интервала от текущего возмущенного положения строится не на основе неизменного планового управления, а на основе планового управления с компенсационными добавками, позволяющими не нарушить основные ограничения. Эти компенсационные добавки соответствуют декомпозиционной схеме метода локальных сечений, используемой и при вычислении оптимального плана, что позволяет использовать для задачи регулирования готовые программные блоки. Кроме того, управление доопределяется стандартным образом в виде зависимости u0DE(d, e) от качественного состояния d и возмущения e для этапов, отсутствовавших в плановом сценарии.

Итак, производственный процесс при принятом плане характеризуется некоторой последовательностью этапов K(S)={1,…, N(S)}. Целевые показатели при известном сценарии S относятся к этапам из K0(S)={k1(S),…, kM(S)(S)}K(S) и зависят от порядкового номера этапа в последовательности K0(S). Интервальные ограничения на значения целевых показателей приводятся к виду

FiT(x1(N))0, iI0T,Fim(x1(km(S)))0, iI0(m), m=1,…, M(S).(40)

В соотношениях (40) имеются в виду рассчитываемые по прогнозной модели значения векторов состояния x1(km(S)) при известном фактическом состоянии x0(l,l)=y0(l) на начало фактического l_го этапа процесса и значениях наблюдаемых возмущений для l_го и ряда последующих этапов. Источником нарушения ограничений (40), соблюденных для расчетного состояния x0(l, l_1) на начало фактического l_го этапа, является как наличие новых наблюдаемых возмущений, так и проявление ненаблюдаемых возмущений на предшествующем (l_1)_м этапе, выражающееся в расхождении между x0(l, l_1) и y0(l).

Рассмотрим однопараметрическое семейство траекторий с состоянием на начало фактического l_го этапа x0(l, l_1)(1_)+y0(l) и возмущениями e1(k,l), [0,1]. При =0 имеем рассчитанную на предыдущем этапе траекторию, для которой ограничения (40) соблюдены, при =1 -- искомую траекторию. Переход от =0 к =1 проводим с соблюдением соотношений (40) по аналогии с методом инвариантного синтеза, решая при каждом значении относительно du(k, l, )/d систему уравнений, полученную из (40):

dFiT(x1(kM(S(l, ))))/d=0, iI0T, если FiT(x1(kM(S(l, ))))=0,(41)

dFim(x1(km(S(l, ))))/d=0, iI0(m), если Fim (x1(km(S(l, ))))=0, m=1,…, M(S).(42)

jJ10(d(k,l), e(k,l)) J2(d(k,l), e(k,l)),

k=l,…, ,(43)

представляющую собой недоопределенную систему линейных алгебраических уравнений с блочно-диагональной матрицей. Метод ее решения аналогичен вычислениям, выполняемым при построении декомпозиционных схем.

При накоплении возмущений сценарий может измениться. В этом случае для некоторого осуществляется один из случаев:

1. для некоторого предстоящего этапа в этом случае события и поменяются местами; полагаем

u(, l, +0)=u0DE(d(, l), e(, l, ));(44)

2. T(N(l, ), l,)=T1; в этом случае

=-1; (45)

3. T(N(l, )+2, l,)=T1; в этом случае

=+1; (46)

u(, l, +0)=u0DE(d(, l), e(, l, )).(47)

Принципиальный алгоритм вычисления скорректированного управления для l_го фактического этапа формулируется следующим образом:

1. Определить тип переключения, начинающего этап. Если требуется, определить количество этапов и N(l, 0) и управления u(k, l, 0), k=l,…, N(l, 0) по формулам N(l, 0)=N(l_1)+2, u(l, l, 0)=u0DE(d(l, l), 0); u(l+1, l, 0)=u(l_1, l_1); u(k, l, 0)=u(k_2, l_1), k=l+2,…, N(l, 0), иначе положить N(l, 0)=N(l_1), u(k, l, 0)=u(k, l_1), k=l,…, N(l, 0).

2. Изменяя от 0 до 1:

· определять значения g(k, l, )=du(k, l, )/d, k=l,…, N(l, ), решая систему линейных алгебраических уравнений (41)-(43);

· интегрировать системы обыкновенных дифференциальных уравнений du(k, l, )/d= g(k, l, ), k=l,…, N(l, );

· если выполнено одно из условий изменения сценария, применить в зависимости от ситуации (44), или (45), или (46)-(47).

Результативность модифицированного метода инвариантного синтеза гарантирована (в определенном диапазоне возмущений) при соблюдении условий регулярности в возмущенной задаче, которые могут быть сформулированы аналогично условию 3.5.

Общий порядок имитационных расчетов для анализа возможных реализаций календарного плана состоит в следующем:

1. Породить представительный набор совокупностей реализаций случайных факторов, рассматриваемых как наблюдаемые и ненаблюдаемые возмущения производственного процесса;

2. Для каждой совокупности реализаций случайных факторов рассчитать процесс функционирования в виде чередования трех операций:

· расчета момента очередного переключения (окончания l_го фактического этапа или планового периода) и фактического состояния в момент переключения по модели фактического функционирования;

· определения параметров прогнозной модели, исходя из значений наблюдаемых возмущений на рассматриваемой реализации для предстоящего этапа;

· решения задачи коррекции управления (на текущий этап и, быть может, до окончания планового периода) по прогнозной модели.

Шестая глава посвящена моделированию задач управления горным производством и результатам решения ряда сформулированных задач для отдельных предприятий, в первую очередь разрезов (угольных карьеров).

Проведена систематизация условий задач внутригодового планирования для разрезов и на ее основе предложена методика построения математических моделей производственного процесса для конкретных условий. В основу классификации положены характеристики выходных углепотоков и способы их формирования (табл. 1 и 2).

Особенностями моделей планирования горного производства являются:

1) ограничения на положение горных работ (и, возможно, состояния отвалов);

2) содержание компонентов полезного ископаемого, помимо его количества, характеризует состояние накопителей (запасов отдельных участков и складов), причем для первых определяются также зависимости мощности, типа (сорта) руды или угля от положений забоев;

3) ограничения на содержание компонентов накладываются на партии отгружаемой потребителям продукции (в составе текущих партий и с начала периода) и находящихся на усреднительных и (или) подшихтовочных складах сортов товарного угля.

Таблица 1.

Состав добычных блоков с позиций формирования товарного продукта

Состав залежи

Формируемые грузопотоки (углепотоки)

С1. Одна марка угля приемлемого качества

Из каждого забоя один поток в формируемые партии и(или) на усреднительные и(или) подшихтовочные склады при их наличии

С2. Одна марка угля, пригодная при качестве выше минимального

Аналогично С1, дополнительно -- некондиционный уголь -- на отвалы

С3. Одна марка угля, разделяемая на сорта в зависимости от качества

Для каждого сорта угля, выделяемого по качеству, углепотоки аналогично С1.

С4. Несколько марок угля приемлемого качества

Из каждого забоя потоки угля каждого типа, аналогичные С1.

Критерий оптимальности формулируется по-разному в зависимости от того, реализуется ли продукция по фиксированным договорам или частично на свободном рынке. В первом случае в качестве критериев целесообразно использовать:

минимум накопленных отклонений от плана горных работ на конец планового периода;

максимум запаса надежности плана (выражаемого через сохраняемые резервы производительности и (или) резервы по качеству поставок, т.е. отклонения планируемых значений показателя качества от предельно допустимых).

Таблица 2.

Характеристики задач управления в зависимости от технологии

Тип условий

Тип ситуации

Переменные управления

Переменные состояния

Способ выемки угля

В1. Валовой

Интенсивность отгрузки из забоя угля в каждый адрес разгрузки

Объем отгруженного в забое угля

В2. Селективный по длине заходки

Интенсивность отгрузки из забоя угля в каждый адрес разгрузки текущего типа угля

Объем отгруженного в забое угля (горной массы)

В3. Выемка с селекцией по высоте

Интенсивность отгрузки горной массы из забоя; для С2 или С3 границы качества (если не фиксированы)

Аналогично В2

Способ формирования товарной продукции

Ф1. Прямая отгрузка

Дополнительных переменных нет

Объем и среднее качество отгруженного угля (по сортам)

Ф2. Усреднение в складах всего угля (по сортам)

Дополнительно: интенсивность отгрузки со склада(-ов)

Дополнительно к Ф1 -- текущий объем и качество в секциях склада(-ов)

Ф3. Использование подшихтовочных складов при прямой отгрузке

Аналогично Ф2

Дополнительно к Ф1 -- текущий объем и качество в подшихтовочных складах

Ф4. Комбинированный

Аналогично Ф2

Как для Ф2

Эти критерии могут объединяться в комбинированный критерий или выступать в качестве ограничений при выборе другого критерия. Во втором -- максимум стоимости продукции (за счет увеличения объема или более высоких качественных показателей, если такие возможности допускаются потребителями продукции). В этом случае должны использоваться ограничения как на запас надежности, так и на отклонения от плана горных работ.

На основе предложенной классификации моделей решались задачи для отдельных разрезов. Для разреза "Тугнуйский" АО “Востсибуголь” сложная структура пластов вызывает относительно высокий показатель разубоживания, приводящий к тому, что в среднем качество сырого угля не удовлетворяет требованиям основных потребителей, которыми являются две крупных электростанции -- "Гусиноозерская" и "Улан-Удэнская-2" -- а также местное население. Главные показатели качества угля для электростанций -- зольность и доля "видимой" (т.е. крупнее 25 мм) породы. В проекте освоения месторождения были разработаны две альтернативы. Согласно первой геологические блоки разделяются на два вида: блоки "чистого" и "грязного" угля. "Чистый" уголь не требует никакой обработки, "грязный" должен быть обогащен. Согласно второй эти виды смешиваются в основном усреднительном складе, состоящем из двух секций и по отдельности формируют секции подшихтовочного склада, предназначенные для "исправления" качества угля на основном складе, из разгружаемой секции которого уголь поставляется потребителю.

Для обоих проектных вариантов в рамках рассмотренного подхода сформулированы задачи текущего и оперативного планирования. В рамках предложенного подхода автором было проведено исследование эффекта текущего (внутригодового) планирования при порядке развития горных работ согласно проекту, разработанному проектным институтом “Востсибгипрошахт”. Для расчетных ситуаций брались как непосредственно проектные положения на начало каждого года разработки, так и положения, представляющие собой случайные отклонения от них (с нулевым математическим ожиданием и среднеквадратичным отклонением порядка месячного объема). Расчеты показали, что за исключением отдельных периодов (годы 7-й и 8-й от начала разработки), равномерная по месяцам нагрузка на экскаваторы не обеспечивает соблюдения требования потребителей по засоренности. Данные оптимизационных расчетов иллюстрируют возможность ликвидировать нарушение ограничений на засоренность товарного угля, которое по проекту следовало бы компенсировать за счет подшихтовки “чистого” угля. Постановка разнообразных задач планирования была осуществлена с помощью разработанных автором программно-информационных средств автоматического формирования задач планирования, описываемых в главе 7. Было также показано, что в условиях Тугнуйского разреза за счет оперативного планирования нагрузок на экскаваторы возможно снизить колебания по зольности на 44%, а по засоренности видимой породой -- на 13,7%.

Экибастузское -- крупнейшее каменноугольное месторождение, которое разрабатывается несколькими угольными разрезами, весьма различными по технологии и структуре комплексной механизации. С момента ввода в эксплуатацию на «Восточном» используется поточная технология с применением конвейерного транспорта, а на «Богатыре» -- цикличная технология с применением железнодорожного транспорта. Соответственно, и задачи планирования для этих разрезов существенно различаются. В работе сформулированы и исследованы в вычислительных экспериментах: 1) задача составления месячного технологического плана-графика добычных работ для условий разреза «Богатырь» (усреднение в потоке, планирование планово-предупредительных ремонтов); 2) задача недельно-сменного планирования для условий разреза «Восточный» (селекция по длине стружки, усреднение в штабелях). Для разреза «Восточный» обосновано увеличение выхода электроэнергии на 1ч3% и снижение затрат по всему циклу получения электроэнергии на 2ч4%.

Нерюнгринское месторождение отличается совместным залеганием коксующегося угля марок К и КО (К9-К15) и энергетического угля марки 3СС. Ввиду того, что коксующийся уголь, добываемый на разрезе «Нерюнгринский», является лишь сырьем для получения концентрата, была рассмотрена задача совместного планирования показателей добычи и обогащения. Обосновано увеличение выхода конечной продукции на 0,5ч1,0%, повышение прибыли системы «карьер -- обогатительная фабрика» на 2ч4%.

Для условий разреза "Нерюнгринский" решались также задачи оптимизации развития горных работ на 1999-2003 гг. Для выработки рациональных вариантов развития горных работ на период до четырех-пяти лет необходимо оценивать возможные годовые положения горных работ по множеству показателей, отнесенных как к одному году, так и ко всему периоду. К этим показателям относятся: объемы добычи угля в целом и отдельно коксующегося и энергетического угля; объемы вскрышных работ и горных работ в целом по всему разрезу и по отдельным зонам; коэффициент вскрыши; зольность угля и отдельных его типов; стоимость транспортирования вскрыши на отвалы. Результаты выполненных расчетов для ряда вариантов оптимизационной задачи получили практическое применение (см Щадов В.М. О развитии горных работ и техническом перевооружении технологического транспорта на разрезе «Нерюнгринский» // Уголь. -- 2000. -- №8 -- С. 36-40).

В седьмой главе описаны принципиальные решения, реализация которых позволила создать исследовательский программный комплекс, обеспечивающий подготовку и массовое решение разнообразных и взаимосвязанных задач планирования и регулирования на моделях введенного класса, сохранение и статистическую обработку их результатов. Опираясь на опыт разработанных в ВЦ РАН диалоговой системы оптимизации (ДИСО) и пакета SOLVEX, автор положил в основу представления задач планирования не программное, а "языковое" их описание. В настоящее время подобные языки моделирования, но для других типов моделей, и средства их реализации поддерживаются рядом пакетов программ оптимизации, таких как LINGO 8.0, ASCEND IV, General Algebraic Modeling System (GAMS), MINOPT и AMPL. В диссертационной работе описание ориентировано на дискретно-непрерывные модели процессов с иерархической структурой данных и сравнительно простыми взаимосвязями между величинами, в которых, однако, соотношения между величинами могут быть как единичными, так и образовывать группы однотипных соотношений.

Путем исследования сформулированных в работе детерминированных и стохастических моделей планирования и функционирования выявлена характерная структура системы входящих в эти модели величин, основные черты и формы используемых для их описания зависимостей, предложен формат описания отдельной модели в общем виде, включающий секцию описания структуры входных, промежуточных и выходных величин и секцию описания групп зависимостей между ними, разработаны форматы представления системы входных и выходных величин и способ размещения всех переменных и параметров конкретного экземпляра заданной модели в оперативной памяти. Разработаны методы проверки (анализа) и интерпретации соотношений заданной модели в контексте различных решаемых задач, включая аналитическое дифференцирование зависимостей, составляющие методическую основу подсистемы интерпретации моделей. Разработаны методы автоматического порождения реляционной базы данных Visual FoxPro для хранения входных и выходных параметров отдельной модели, извлечения отдельного экземпляра данных из базы с преобразованием в текстовой файл входных данных требуемого формата и записи в базу данных выходных величин, записанных в текстовом файле формата выходных данных, а также способы передачи данных из одной базы данных в другую (для логически взаимосвязанных или имеющих элементы сходства в структуре моделей). Основные решения по пользовательскому интерфейсу позволяют выполнять ввод и коррекцию данных для расчета конкретных экземпляров рассматриваемых моделей, запуск на счет отдельных задач и серий задач, автоматическое порождение экземпляров данных по имитационным моделям, просмотр результатов расчета на экране в различных формах. Характеристики наборов таблиц баз данных отдельных моделей и полей этих таблиц для всех введенных в информационную систему моделей хранятся в системной базе данных и используются для обмена данными между базами данных моделей и расчетными программами и для автоматической настройки пользовательского интерфейса информационной системы на работу с определенной моделью.

Ввод модели в систему сопровождается вводом ее описания (используемого далее для выбора задачи) и проверкой ее корректности, выполняемой с помощью специальной программы, дающей необходимую диагностику в случае выявленных ошибок (рис. 1). Ввод новых данных и просмотр результатов выполняется с помощью взаимосвязанных экранных форм, отображающих смежные уровни структуры данных (рис. 2). Эти формы как таковые не привязаны к определенной структуре данных и лишь при загрузке настраиваются на нее. Кроме того, на сходных принципах разработана программа оптимизации рабочей зоны угольного разреза, решающая задачи, описываемые на специально разработанном языке описания моделей такого рода. Возможности программы подтверждены путем решения 10 типов задач годового и квартального планирования для разреза "Нерюнгринский", а также отдельных задач для рудника "Эрдэнэтийн-Овоо".

Рис. 1. Облик системы. Определение задачи.

На основе результатов работы были выполнены расчеты и исследования для ряда угольных разрезов: "Тугнуйский", «Нерюнгринский», разрезов «Богатырь» и «Восточный» на Экибастузском месторождении.

Рис. 2. Просмотр данных модели

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных в диссертации исследований создана методология расчета эффективного динамического распределения ресурсов для переключаемых производственных процессов на основе их математического моделирования в формализме гибридных систем и конкретные способы ее реализации для горного производства. Лично автором получены следующие научные и практические результаты.

Обосновано сведение задачи распределения управления для переключаемого производственного процесса или комплекса взаимосвязанных работ в пределах определенного периода к решению задач планирования на детерминированной динамической модели, коррекции плана на динамической модели, учитывающей зарегистрированные и прогнозируемые возмущения, и определения резервов коррекции плана на модели фактического функционирования, объединяющей модель производственного процесса с моделями отдельных случайных факторов.

Разработан общий принцип построения математических моделей управления производственными процессами открытой разработки месторождения в заданном временном диапазоне от смены и выше, учитывающих качественные изменения состояния производственной системы в нефиксированные моменты времени, -- моделей трансформирующихся событийно-переключаемых управляемых процессов.

На основе обобщения свойств конкретных моделей и исследования общей формы введенного класса моделей детерминированных событийно-переключаемых процессов, выражающих задачи распределения ресурсов, установлены условия изменения последовательности событий и необходимые условия оптимальности. Для моделей распределения ресурсов-мощностей при выполнении комплекса вспомогательных работ установлена кусочно-линейная форма функции Беллмана и достаточные условия оптимальности, обеспечивающие получение точного решения конечными методами.

Развит декомпозиционный подход к построению и исследованию задач с особенностями структуры ограничений, характерными для различных классов динамических задач планирования переключаемых производственных процессов, так же как и для статических задач планирования иерархической структуры. С использованием декомпозиции по множеству ограничений преобразованы и упрощены условия оптимальности и условия смены последовательности событий. Разработаны конкретные декомпозиционные схемы, позволяющие многократно уменьшить объем вычислений при построении направления спуска.

Создано семейство комбинированных методов оптимизации, объединяющих метод поиска с возвратом (типа метода ветвей и границ) для выбора дискретных переменных и набор прямых гибридных декомпозиционных методов (комбинации метода возможных направлений и проекции градиента) для задач поиска допустимого плана и оптимизации по терминальному и минимаксному критериям дискретных (по времени) процессов и сходных по структуре ограничений статических задач распределения ресурсов. Проведено математическое обоснование, доказана линейная скорость сходимости гибридных методов для нелинейных задач и конечная сходимость для линейных. Построена модификация с локальной сверхлинейной сходимостью. Проанализирована обширная вычислительная практика применения разработанных методов, практически подтверждающая их эффективность.

Проведена качественная классификация ситуаций возмущения параметров внутренней и внешней среды производственной системы и систематизированы модели случайных факторов. Разработан общий алгоритм имитационного моделирования “планирование -- поток возмущений -- регулирование” для целей исследования методов и параметров системы управления на основе комбинации моделирования отдельных случайных факторов и методов управления.

Для задачи регулирования функционирования производственного комплекса на прогнозирующих моделях предложен метод синтеза интервально инвариантной (по отношению к возмущениям значений параметров) динамической системы в дискретном времени, основанный на применении теории инвариантного синтеза и декомпозиционных схем.

Разработаны принципы построения и основные компоненты комплекса программ открытой архитектуры для решения задач оперативного и текущего планирования, коррекции планов и имитационного моделирования в составе трех подсистем: 1) интерпретации моделей на основе их языкового описания; 2) оптимизационных, прогнозных и имитационных вычислений; 3) создания и ведения баз данных и пользовательского интерфейса.

На основе анализа погрешности представления технологически допустимых положений горных работ при различных способах приближенного описания формы карьера обосновано применение в задачах годового планирования контурных и комбинированных моделей горных работ для углубочной системы разработки и для пологих залежей, отрабатываемых наклонными слоями. Установлены оценки погрешности, позволяющие определить размерность моделей. Даны определения и разработаны алгоритмы решения частных задач построения элементов карьерного поля, результаты которых гарантированно удовлетворяют ограничениям предлагаемых моделей.

Систематизированы элементы моделей производственных процессов открытой угледобычи, позволяющие охватить основные варианты технологии и формирования товарных продуктов, включая случаи валовой и селективной добычи, фиксированных и планируемых кондиций, односортной или многосортной продукции разреза, непосредственной отгрузки всего добытого угля потребителям или использования усреднительных или подшихтовочных складов. Разработана общая методика построения моделей распределения ресурсов для конкретных условий на основе предложенной классификации.

Использование программы для оперативного планирования позволило выполнить исследование задач управления для условий угольных разрезов "Богатырь" и "Восточный" на Экибастузском месторождении, разрезов "Нерюнгринский" и "Тугнуйский".

Разработана компьютерная программа оптимизации рабочей зоны угольного разреза на нелинейной модели. Возможности программы подтверждены путем решения 10 типов задач годового и квартального планирования для разреза "Нерюнгринский", а также отдельных задач для рудника "Эрдэнэтийн-Овоо". С помощью программы проведены расчеты вариантов развития горных работ на разрезе "Нерюнгринский" на 1999-2003 гг. в целях обоснования технического перевооружения технологического транспорта на разрезе.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

Валуев А.М. Численный метод для многошаговых задач оптимизации с пошаговым вычислением направлений спуска // Журнал вычисл. матем. и матем. физ. -- 1987. -- Т.27. -- №10. -- С. 1474-1488.

Валуев А.М. О скорости сходимости некоторых алгоритмов метода возможных направлений // Сб. трудов /М.: ВНИИСИ (ИСА РАН). -- 1987. -- Вып. 11: Модели и методы оптимизации. -- С. 79-87.

Валуев А.М. О некоторых способах декомпозиции по ограничениям прямых методов решения многошаговых задач оптимизации // Сб. трудов/М.:ВНИИСИ (ИСА РАН). -- 1989. -- Вып. 1: Модели и методы оптимизации. -- С. 21-29.

Валуев А.М. Гибридный декомпозиционный метод в задачах оптимизации с ограничениями общего вида // Сб. трудов /М.:ВНИИСИ (ИСА РАН). -- 1990. -- Вып. 7: Модели и методы оптимизации. -- С. 10-19.

Валуев А.М. Об использовании декомпозиционного метода возможных направлений для решения задачи оптимизации парка сельскохозяйственной техники // Сб. трудов/М.: ВНИИСИ (ИСА РАН). -- 1991. -- Вып. 13: Модели и методы оптимизации. -- С. 25 -- 34.

Величенко В.В., Валуев А.М., Зуйков Ю.Г. Интеллектуальный алгоритм выбора маршрута в перспективной системе управления воздушным движением // Интеллектуальные системы. -- 1996. -- Т. 1. -- Вып. 1-4. -- С.101-108.

Валуев А.М. Вопросы информационной поддержки задач адаптивного организационного планирования открытых горных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень.-- 1996. -- Вып 2. -- C. 137_144.

Валуев А. М. Исследование возможностей стабилизации выпуска продукции угольного разреза с помощью динамического планирования добычных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 1998. -- Вып. 2. -- С. 112-118.

Валуев А. М. Об одном подходе к исследованию схем оперативной коррекции плана при адаптивном планировании для условий угольных разрезов // Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 1998. -- Вып. 2. -- С. 119-128.

Валуев А. М., Величенко В.В. О задаче планирования полета самолета гражданской авиации по свободному маршруту // Известия РАН. Теория и системы управления. -- 2002.-- №6. -- С. 149-157.

Валуев А. М. О ситуациях, задачах и ресурсах коррекции текущих и оперативных планов открытой угледобычи в процессе их реализации // Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 2003. -- №8. -- С. 13-16 .

Валуев А. М. Метод и программа оптимизации рабочей зоны угольного разреза. // Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня. -- 2003. -- №8. -- 22 с.

Валуев А. М. О взаимосвязи функций текущего управления производством на угольных разрезах // Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 2003. -- № 9. -- С. 18-21.

Валуев А. М. Метод решения задач планирования для систем с переключениями производственных процессов. // Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня.-- 2003. -- №9. -- 27 с.

Валуев А. М. Об аппроксимации геометрической формы карьера и приближенном вычислении его параметров. // Обозрение прикл. и промышл. математ. -- 2004. -- Т. 11. -- Вып. 2. -- С. 308-309.

Валуев А. М. Моделирование управления производственной системой в дискретно-непрерывном времени. // Обозрение прикл. и промышл. математ. -- 2004. -- Т. 11. -- Вып. 2. -- С. 309-311.

Валуев А. М. Метод инвариантного синтеза для многоэтапных управляемых процессов // Обозрение прикл. и промышл. математ. -- 2004. -- Т. 11. -- Вып. 3. -- С. 528-529.

Валуев А. М. Математическая модель формирования грузопотоков на угольных разрезах // Обозрение прикл. и промышл. математ. -- 2004. -- Т. 11. -- Вып. 3. -- С. 527.

Валуев А. М. Система базовых вычислительных операций при интерактивном моделировании открытых горных работ // Обозрение прикл. и промышл. математ. -- 2004. -- Т. 11. -- Вып. 4. -- С. 768-770.

Валуев А. М. Программно-информационные средства исследования текущего управления угольным разрезом // Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 2004. -- № 4. -- С. 175-178.

Валуев А. М. К унификации моделей внутригодового планирования открытой угледобычи с учетом организационного фактора // Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 2004. -- №9. -- С. 37-44.

Валуев А. М. Модифицированный метод инвариантного синтеза для динамических производственных процессов // Обозрение прикл. и промышл. математ. -- 2005. -- Т. 12. -- Вып. 1. -- С.115-117.

Валуев А. М. Формальное представление и расчет моделей иерархических управляемых систем // Обозрение прикл. и промышл. математ. -- 2005. -- Т. 12. -- Вып. 1. -- С.119-121.

Валуев А. М. Оптимизация систем обобщенной динамической структуры по минимаксному критерию // Обозрение прикл. и промышл. математ. -- 2005. -- Т. 12. -- Вып. 1. -- С.117-119.

Валуев А.М. Комбинированные декомпозиционные схемы для оптимизации динамических и иерархических систем // Обозрение прикл. и промышл. математ. -- 2005. -- Т. 12. -- Вып. 3. -- С. 708-711.

Валуев А.М. Инвариантный синтез для событийно-переключаемых процессов// Обозрение прикл. и промышл. математ. -- 2005. -- Т. 12. -- Вып. 3. -- С. 711-713.

Валуев А.М. Оптимизация событийно-переключаемых процессов в дискретно-непрерывном времени // Обозрение прикл. и промышл. математ. -- 2005. -- Т. 12. -- Вып. 4. -- С. 923-925.

Валуев А.М. Двухфазный декомпозиционный метод оптимизации со сверхлинейной скоростью сходимости // Динамика неоднородных систем: Труды ИСА РАН. -- 2005. -- Вып. 9. -- С. 110-122.

Валуев А.М. Метод инвариантного синтеза и возможности его применения в управлении угольным разрезом // Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 2005. -- №5. -- С. 126-128.

Валуев А.М. Имитационное моделирование реализации календарных планов открытой угледобычи // Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 2005. -- №6. -- С. 192-195.

Валуев А.М. Горно-геометрическое моделирование открытой разработки пологих угольных залежей // Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 2005. -- №7. -- С. 67-70.

Валуев А.М. Комбинированные модели борта карьера в задачах годового и среднесрочного планирования // Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 2006. -- №8 . -- С. 110-113 .

Валуев А.М. Программно-информационные средства имитационного моделирования реализации календарных планов открытой угледобычи// Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 2006. -- № 6. -- С. 198-202 .

Валуев А.М. Квазиинвариантный синтез для производственных систем карьеров // Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 2006. -- №8 . -- С. 248-252.

Валуев А.М. К обоснованию проектов и календарных планов открытой угледобычи по фактору качества угля // Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 2006. -- №11 . -- С. 230-232.

Валуев А. М. Моделирование пространственного распределения горных работ на карьерах: инженерный и аппроксимационный подход // Горный ин-формационно-аналитический бюллетень. -- 2008. -- №1 -- С. 298-302.

Валуев А.М., Ушаков В.К. Модель и метод решения задачи оптимального воздухораспределения в шахтной вентиляционной сети // Обозрение прикл. и промышл. математ. -- 2008. -- Т. 12. -- Вып. 3. -- С. 454-456.

Валуев А. М. Планирование и управление динамическим распределением ресурсов при выполнении комплекса работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. -- 2008. -- №8 . -- С. 307-311.

Валуев А. М. Математические модели и методы пространственно-временного распределения ресурсов при открытой угледобыче. -- М.: МГГУ, 2007. -- 217 с.

Валуев А.М. Горно-геометрическое моделирование в задачах проектирования открытых горных работ: Учебное пособие. -- М.: МГИ, 1989. -- 107 с.

Глава VIII. Нелинейное программирование и его использование в планировании и управлении горным производством; глава IX Динамические оптимизационные задачи планирования и управления горным производством // Резниченко С.С., Подольский М.П., Ашихмин А.А. Экономико-математические методы и моделирование в планировании и управлении горным производством: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1991. -- С. 196_203, 243-257.

Valuev A.M. Control problem for event-switched processes // Acta Universitatis Apulensis. 2005. No. 10. P. 7-18.

Valuev A.M. A new model of resource planning for optimal project scheduling // Mathematical Modelling and Analysis. -- 2007. -- Vol. 12. -- No. 2. -- P. 255-266.

Valuev A.M. On Calculation of Linear Resource Planning Models for Optimal Project Scheduling // Mathematical Modelling and Analysis. -- 2008. -- Vol. 13. -- No. 2. -- P. 275-288.

Резниченко С.С., Валуев А.М. Моделирование и оптимизация планирования добычных работ и качества полезных ископаемых при комплексном освоении месторождений // Всесоюз. науч.-тех. конф. "Технология и техника открытых горных разработок при извлечении полезных ископаемых": Тез. докл. М., 1988. -- С. 54_59.

Valuev A.M. Numerical methods for optimal solution of scheduling problems for open pit mines and their use for production stabilization. // Proceedings of the 1st regional APCOM Symposium on Application of Computers and Operations Research in the Mineral Industries, Bled, Slovenia, 20-23 June 1994. -- P. 409-418.

Reznichenko S.S., Valuev A.M. Simulation of mining dynamics for middle - and short-term open pit production planning // Mine Planning and Equipment Selection: Proceedings of the third international symposium. Istanbul, 18-20 October 1994. -- P. 93-97.

Резниченко С.С., Валуев А.М. Динамические оптимизационные задачи планирования горных работ на карьерах // Zbornik Radova XXII Jugoslovenskog Simpozijuma za Operaciona Istraivanja (SYM-OP-IS'a). Beograd, 1995.-- S. 1_4.

Valuev A.M. On the substantiation of technological solutions for open pits via production planning simulation // Mine Planning and Equipment Selection: Proceedings of the fifth international symposium. Sao Paulo, 22-26 October 1996. -- P. 91-95.

Valuev A.M. Intelligent programming and informational means for representation and solution of adaptive organizational planning problems for open pits // Computer Applications and Operations Research in the Mineral Industries (second Regional APCOM'97 Symposium). Moscow, 1997. -- P. 217-221.

Valuev A.M. Concept Of Time-Event Controlled Processes -- A Way To The Most General Formulations Of Production Planning And Regulation Problems // Proceedings of the International Conference "Mathematical Modelling Of Social And Economical Dynamics" (MMSED-2004), June 23-25, 2004, Moscow, Russia. -- P. 373-376.

Valuev A.M. On Formulation and Solution of Optimization Problems for Switching Discrete-time Processes // 4-я Московская международная конференция по исследованию операций (ORM2004): Москва, 21-24 сентября 2004 г.: Труды. М.:МАКС Пресс, 2004. -- С. 231-234.

Валуев А.М. О применении дискретного оптимального управления для решения задач определения контуров рабочей зоны карьера // Открытая разработка угольных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. -- Кемерово, 1987. -- С. 62-67.

Валуев А. М. Декомпозиционное построение системы имитационного моделирования управляемых процессов на основе языкового описания моделей // Моделирование, декомпозиция и оптимизация сложных динамических процессов: Сб. науч. тр. -- М.: ВЦ им. А.А.Дородницына РАН. -- М., 2004.-- С. 131-150.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Понятие и классификация систем, их типы и методика управления. Сущность и методология математического моделирования. Системы, описываемые дифференциальными уравнениями. Некоторые задачи теории графов: о Кенигсбергских мостах, о выходе из лабиринта.

    презентация [640,6 K], добавлен 23.06.2013

  • Применение системы MathCAD при решении прикладных задач технического характера. Основные средства математического моделирования. Решение дифференциальных уравнений. Использование системы MathCad для реализации математических моделей электрических схем.

    курсовая работа [489,1 K], добавлен 17.11.2016

  • Основные понятия математического моделирования, характеристика этапов создания моделей задач планирования производства и транспортных задач; аналитический и программный подходы к их решению. Симплекс-метод решения задач линейного программирования.

    курсовая работа [2,2 M], добавлен 11.12.2011

  • Операторы преобразования переменных, классы, способы построения и особенности структурных моделей систем управления. Линейные и нелинейные модели и характеристики систем управления, модели вход-выход, построение их временных и частотных характеристик.

    учебное пособие [509,3 K], добавлен 23.12.2009

  • Метод эксплуатации авиационной техники по состоянию; управление техническим состоянием с использованием априорной и апостериорной информации. Оценка эффективности технических систем методом статистического моделирования (алгоритм векторного управления).

    реферат [3,3 M], добавлен 17.12.2010

  • Анализ математических моделей, линейная система автоматического управления и дифференциальные уравнения, векторно-матричные формы и преобразование структурной схемы. Метод последовательного интегрирования, результаты исследований и единичный импульс.

    курсовая работа [513,2 K], добавлен 08.10.2011

  • Дифференциальные уравнения как математический инструмент моделирования и анализа разнообразных явлений и процессов в науке и технике. Описание математических методов решения систем дифференциальных уравнений. Методы расчета токов на участках цепи.

    курсовая работа [337,3 K], добавлен 19.09.2011

  • Моделирование как метод научного познания, его сущность и содержание, особенности использования при исследовании и проектировании сложных систем, классификация и типы моделей. Математические схемы моделирования систем. Основные соотношения моделей.

    курсовая работа [177,9 K], добавлен 15.10.2013

  • Параллельные методы решения систем линейных уравнений с ленточными матрицами. Метод "встречной прогонки". Реализация метода циклической редукции. Применение метода Гаусса к системам с пятидиагональной матрицей. Результаты численного эксперимента.

    курсовая работа [661,7 K], добавлен 21.10.2013

  • Синтез вариационного исчисления и метода функций Ляпунова в основе принципа динамического программирования. Метод знакопостоянных функций Ляпунова в решении задач о стабилизации и синтезе управления для нелинейной и автономной управляемых систем.

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 17.06.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.