Моделі та інструментальні засоби оперативно-диспетчерського управління кар'єрним автотранспортом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.13.06 - Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Моделі та інструментальні засоби оперативно-диспетчерського управління кар'єрним автотранспортом

Шевченко Ігор Васильович

Харків 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Кременчуцькому університеті економіки, інформаційних технологій і управління

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Левикін Віктор Макарович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри інформаційних управляючих систем.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Тевяшев Андрій Дмитрович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри прикладної математики;

доктор технічних наук, професор Михальов Олександр Ілліч, Національна металургійна академія України, завідувач кафедри інформаційних технологій і систем, м. Дніпропетровськ.

Провідна організація Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційній інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра інформаційних управляючих систем.

Захист відбудеться “28“лютого 2007 р. о 13-ї годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14. тел.: (057) 702-14-51 З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий 21 сичня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Чалий С.Ф.

1. Загальна характеристика роботи

управління автоматизований транспортний диспетчерський

Актуальність роботи. Оперативне управління основним виробництвом посідає в системі управління підприємством центральне місце, оскільки має великий вплив на ефективність поточного виробничого процесу.

При оперативному плануванні і регулюванні технологічних процесів на кар'єрах гірничорудних підприємств потрібна чітка організація виробництва, ефективність якого залежить від синхронності процесів взаємодії ресурсів, а також постачань сировини в жорстко регламентований термін. Основними вимогами до роботи транспортно-технологічного комплексу (ТТК) кар'єру є максимальна продуктивність екскаваторного комплексу, обсяг і ритмічність надходження корисної копалини протягом зміни, а також мінімальне відхилення показника її якості на вході дробильно-збагачувальних фабрик.

З ростом інтенсивності інформаційних потоків, що йдуть від робочих місць ТТК до диспетчера, йому стає усе складніше аналізувати обстановку і приймати обґрунтовані рішення з оперативного управління кар'єрним транспортом. Тим часом, нераціональний розподіл транспорту по маршрутах, без математичного обґрунтування призначуваних адрес призводить до дисбалансу продуктивності екскаваторів і транспорту, до перевитрати палива, утворення черг, неритмічного надходження вантажів, простоїв обладнання. У зв'язку з цим вирішення завдання підвищення ефективності оперативного управління у кар'єрі в умовах хронічного дисбалансу його ресурсів є актуальною проблемою. Її вирішення можливе на основі застосування гомеостазисного управління виробництвом, що забезпечує стабілізацію виконання функцій виробничої системи в межах припустимих відхилень і обумовлює проходження виробничого процесу в режимі, близькому до оптимального, компенсуючи ресурсний дисбаланс і помилки оперативного планування.

Таким чином, розробка ефективних методів, моделей та інструментальних засобів оперативного управління ресурсами ТТК є актуальним завданням, а його вирішення може істотно підвищити стабільність роботи ТТК і дати значний економічний ефект.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася автором на кафедрі інформаційних технологій проектування Кременчуцького університету економіки, інформаційних технологій і управління (КУЕІТУ) відповідно до цільової науково-практичної теми Міністерства промислової політики “Дослідження і розробка математичних моделей і алгоритмів оптимального планування й оперативного управління виробництвом” (№ держ. реєстрації: 0106V000058), а також за госпдоговірною НДР “Розробка методів і алгоритмів регулювання автотранспортних потоків у кар'єрі” 421-ВП від 12.11.2005 р., замовник - ВАТ “Полтавський гірничо-збагачувальний комбінат”.

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності функціонування транспортно-технологічного комплексу кар'єру шляхом розробки моделей та інструментальних засобів, що забезпечують регулювання вантажопотоків і динамічну маршрутизацію автотранспорту.

Досягнення поставленої мети забезпечується вирішенням ряду завдань:

Дослідження існуючих систем оперативного управління ТТК і методологій підвищення ефективності оперативно-диспетчерського управління.

Обґрунтування, вибір і удосконалення критеріїв якості функціонування ТТК;

Розробка структури та інформаційної моделі автоматизованої системи оперативно-диспетчерського управління ТТК.

Розробка комплексу математичних моделей вирішення функціональних задач оперативного управління ТТК.

Розробка імітаційних моделей для відображення і дослідження процесів формування вантажопотоків, маршрутизації й автоматичного маневрування кар'єрних транспортних засобів.

Розробка алгоритмів управління, моделювання й оцінювання якості функціонування ТТК.

Практична реалізація розроблених моделей та інструментальних засобів оперативно-диспетчерського управління.

Об'єкт досліджень: процеси управління транспортуванням гірничої маси на великих гірничих підприємствах.

Предмет досліджень: моделі та інструментальні засоби оперативно-диспетчерського управління кар'єрним автотранспортом гірничих підприємств.

Методи досліджень. Виконані дослідження базуються на положеннях і методах системного аналізу, теорії множин, теорії імітаційного моделювання, теорії автоматів, теорії нечітких множин і нечіткої логіки.

Вірогідність наукових результатів підтверджується коректним використанням математичного апарату і результатами імітаційного моделювання на ПЕОМ роботи ТТК із реалізацією функціональних завдань АСОДУ, а також збігом їх з результатами реалізації в умовах реальних виробничих ситуацій.

Наукова новизна отриманих результатів. У процесі вирішення поставлених завдань автором отримані такі наукові результати:

1. Вперше розроблено математичну модель задачі автоматизованого управління маневрами кар'єрних транспортних засобів, що характеризується розрахунком множини траєкторій, які не перетинаються, з врахуванням територіальних обмежень, що забезпечує вибір гнучкої та безпечної траєкторії маневру і скорочення часу розвантаження.

2. Удосконалено математичну модель функціонування транспортно-технологічного комплексу, яка відрізняється застосуванням автоматного опису станів і процесів з урахуванням часових і технологічних параметрів, що дозволяє генерувати оптимальні керуючі впливи для адресування транспортних засобів.

3. Удосконалено модель системи автоматизованого регулювання вантажопотоків, яка відрізняється від існуючих реалізацією функціональних задач динамічної маршрутизації, автоматизованого управління маневрами транспортних засобів та пріоритетним вибором критеріїв при обслуговуванні різних об'єктів навантаження і розвантаження, що дозволяє підвищити ефективність оперативно-диспетчерського управління кар'єрним автотранспортом.

4. Удосконалено імітаційну модель транспортно-технологічного комплексу, яка, на відміну від існуючих моделей транспортних комплексів, враховує поточні управляючі впливи, часові та додаткові технологічні параметри, що дає можливість підвищити ефективність управління на основі оперативної оцінки режимів роботи кар'єрного автотранспорту.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблені моделі й інструментальні засоби оперативно-диспетчерського управління ТТК реалізовані в програмному комплексі АСОДУ. Програмний комплекс включає модулі вирішення функціональних задач оперативно-диспетчерського управління ТТК. Комплекс забезпечує: числову і лінгвістичну оцінку ефективності процесу транспортування за декількома критеріями і на декількох рівнях; ефективне регулювання вантажопотоків у кар'єрі з урахуванням ситуації, що склалася; безперервну маршрутизацію порожніх і навантажених транспортних засобів з використанням різних критеріїв; імітаційне моделювання в реальному та прискореному масштабі часу, що дозволяє досліджувати і прогнозувати різні виробничі ситуації і знижувати ймовірність помилок при призначенні змінних завдань по забоях; можливість здійснювати гнучке управління маневрами транспортних засобів на розвантажувальних і перевантажувальних майданчиках.

Наукові результати, отримані в ході виконання дисертаційної роботи, знайшли своє практичне застосування при вдосконаленні системи оперативно-диспетчерського управління кар'єрним автотранспортом на Полтавському ГЗК, що підтверджено актом впровадження, а також в навчальному процесі.

Особистий внесок здобувача. Усі результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. У роботах, виконаних у співавторстві з керівником, особисто автору належать такі наукові результати: у роботі [1] розроблена математична модель і алгоритми рішення задачі управління маневрами кар'єрних транспортних засобів; у роботі [2] розроблена імітаційна модель функціонування ТТК, яка враховує поточні управляючі впливи та генерує множину часових і технологічних параметрів; у роботі [3] розроблена удосконалена модель системи автоматизованого регулювання вантажопотоків; у роботі [4] сформульовані критерії якості функціонування кар'єрного автотранспорту; у роботі [5] розроблена удосконалена математична модель функціонування ТТК; у роботі [6] сформульовані загальні принципи автоматизованого управління рухом кар'єрних автосамоскидів у місцях розвантаження; у роботі [7] запропонована модель коректної побудови маршрутів маневру транспортних засобів на майданчиках обмеженого розміру.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й одержали позитивну оцінку на міжнародних і національних конференціях, у тому числі: Перша науково-технічна конференція з міжнародною участю “Матеріали електронної техніки і сучасні інформаційні технології” (МЕТІТ-1), м. Кременчук, 2004 р.; Третя міжнародна науково-технічна конференція ”Інформаційні технології й електромеханіка” (ІТЕМ-2005), м. Луганськ, 2005 р.; Міжнародна науково-практична конференція “Системний аналіз і управління”, м. Запорожжя, ГУ “ЗІДМУ”, 2005 р.; Друга науково-технічна конференція з міжнародною участю “Матеріали електронної техніки і сучасні інформаційні технології” (МЕТІТ-2), м. Кременчук, 2006 р.; П'ята науково-технічна конференція з міжнародною участю “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика”, Харків, ХДПУ, 1997 р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 9 друкованих працях, з них - 5 статей у виданнях, затверджених ВАК України, і 4 в матеріалах конференцій.

Структура роботи та її обсяг. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, що містять основні результати роботи, переліку літератури і додатків. Основний обсяг роботи викладений на 149 сторінках, містить 2 таблиці, 36 малюнків і 124 джерела цитованої літератури. Додатки наведені на 6 сторінках. Загальний обсяг роботи - 171 с.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання дослідження, наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, наводяться дані про публікації й особистий внесок здобувача, надані відомості про апробацію роботи.

У першому розділі проведено аналіз проблем оперативного управління як основного інструмента управління виробництвом і специфічних проблем оперативного управління кар'єрним автотранспортом. Проаналізовано сучасні методи оперативного управління, що спрямовані на стабілізацію параметрів технологічних процесів і збереження балансу продуктивності між окремими ланками виробничого ланцюга підприємства відповідно до принципу гомеостазисності. Його суть полягає в здатності виробничої системи протистояти порушенню її функцій завдяки наявності в системі механізму саморегулювання.

Проведений аналіз існуючих автоматизованих систем оперативно-диспетчерського управління ТТК показав, що ці системи здатні практично безперервно контролювати первинні параметри технологічного процесу, стан транспортних засобів (ТЗ) і екскаваторів та передавати ці дані диспетчеру, який повинен у режимі реального часу призначати адреси навантаження кожному ТЗ, керуючись своїм досвідом та інтуїцією. Проте обґрунтоване призначення маршрутів для навантажених та розвантажених машин пов'язано з вирішенням задачі багатокритеріального вибору в кожному конкретному випадку з урахуванням пріоритету адреси за ритмічністю доставки, часом простою екскаватора й автосамоскиду, довжиною маршруту і т.п. Для вирішення подібної задачі потрібні специфічні математичні моделі, алгоритми й інструментальні засоби, які в існуючих системах або відсутні, або недостатньо досконалі.

Проведено аналіз методологій і методів підвищення ефективності оперативно-диспетчерського управління кар'єрним транспортом. Зроблено висновок про необхідність системного аналізу умов роботи ТТК з метою виявлення об'єктивних закономірностей функціонування ТТК, діючих сутностей та їхніх взаємозв'язків і побудувати адекватні математичні моделі вирішення функціональних задач.

Іншою методологією, необхідною для вирішення завдань оперативно-диспетчерського управління, є імітаційне моделювання. Існуючі імітаційні моделі гірничих робіт не відповідають потребам планування й управління, а є інструментом аналізу і дослідження процесів з погляду теорії масового обслуговування. Однак для дослідження реальних процесів видобутку і транспортування імітаційна модель повинна враховувати та генерувати багато часових і технологічних параметрів. Крім того, імітаційне моделювання може і повинне бути механізмом відстеження подій у реальному технологічному процесі і бути інструментом для прийняття оперативних рішень.

Проаналізовано можливості застосування різних математичних методів і інформаційних технологій для вирішення функціональних завдань оперативно-диспетчерського управління ТТК. Зроблено висновок про доцільність застосування мови кінцевих автоматів для побудови математичної моделі, що відображує статику і динаміку процесів у ТТК.

У другому розділі досліджено структуру і функціонування ТТК, розроблено модель системи автоматизованого регулювання вантажопотоків, яка передбачає вирішення та взаємозв'язок нових функціональних задач, зокрема задачі динамічної маршрутизації ТЗ з можливістю декомпозиції вантажопотоків, пріоритетного вибору критеріїв для визначення маршрутів при обслуговуванні різних об'єктів навантаження і розвантаження та задачі управління маневрами ТЗ на майданчиках обмеженого розміру.

Із зазначеними задачами тісно пов'язана задача стабілізації рудного потоку при непередбаченій зміні режиму функціонування ТТК, яку в контексті нової моделі треба вирішувати в реальному масштабі часу. Модель задачі представимо в такий спосіб.

Кількість перевезеної руди з i-го об'єкту навантаження на j-й об'єкт розвантаження за інтервал часу tk визначається виразом вигляду:

qij (k)=Uij (k) Qj (k) , (1)

де k - номер режиму з початку зміни; Uij(k) - коефіцієнт, що визначає відносну частину потоку руди, яка надходить на j-й об'єкт розвантаження з i-го об'єкту навантаження, Uij<1; Qj(k) - загальний об'єм прийнятого вантажу на j-тім об'єкті за час tk, тобто

.

На величину Qj(k) існує обмеження у вигляді Qjн(k) < Qj(k) < Qjв(k), де індекс “н” визначає нижнє, а “в” - верхнє значення змінної.

Сумарна кількість реально відправленого вантажу з об'єкту навантаження ОНi всім об'єктам розвантаження за час tk, визначається виразом:

.

Управління змішанням вантажів на об'єкті розвантаження ОРj здійснюється вибором коефіцієнтів Uij, множину яких задано за допомогою системи обмежень у вигляді :

Uijн (k) ? Uij (k) ?Uijв (k) ,

Припустимо, що залежність усередненого якісного показника вихідного потоку j-го об'єкта (k)0j від показників i і управляючих впливів Uij(k) є лінійна:

.

За умовами технологічного режиму на змінну 0j(k) накладено обмеження вигляду 0jн (k) ? 0j (k) ? 0jв (k) , і на підставі рівняння (2) введемо обмеження, які виражають баланс потоку, що виходить від об'єкта навантаження з індексом i:

.

Тоді задача оптимізації вантажопотоку для транспортно-технологічного комплексу формулюється як вибір обсягів транспортування (1) з кожного ОНi на кожен ОРj таких, що: виконується план приймання вантажу для кожного ОРj : ; не перевищується план відвантаження продукту для кожного ОНi :

;

підтримується необхідний коефіцієнт змішання руд для кожного

ОРj : ;

дотримуються обмеження за знаком змінних: Uij 0; мінімізуються умовні транспортні витрати: , де qij - обсяг перевезень по маршруту ij; Sij - відстань пробігу від i-го екскаватора до j-го об'єкта розвантаження; i=1..n - індекси об'єктів навантаження; j=1..m - індекси об'єктів розвантаження; k=1..s - індекси режимів роботи ТТК.

Другою найважливішою функціональною задачею АСОДУ ТТК є задача динамічної маршрутизації. В дисертації розроблено удосконалену математичну модель функціонування транспортно-технологічного комплексу, яка дозволяє генерувати оптимальні управляючі впливи для адресування транспортних засобів.

ТТК як об'єкт управління представлений кортежем:

S=<Х,Т,U,Y,,> , (3)

де Х - простір станів системи; T - множина моментів часу; U - множина значень управляючих впливів; Y - множина значень вихідних величин; : Т х Х -> Х - перехідна функція стану (визначає зміну оперативного положення на вузлах і дугах транспортної мережі в будь-який момент часу з множини Т); : Т х Х -> Y - вихідне відображення, що визначає значення витрат на транспортування і результати транспортування в будь-який момент часу з множини Т). Простір станів X містить параметри стану транспортних засобів, параметри стану об'єктів навантаження і параметри стану об'єктів розвантаження:

X = <XТЗ, XОНi, XОРj >. (4)

Стан транспортного засобу ТЗ визначається вектором:

, (5)

де xТЗ - змінна, що характеризує функціональний стан даного ТЗ; ОПТЗ - номер об'єкта навантаження, до якого прямує даний ТЗ; ОРТЗ - номер об'єкта розвантаження, до якого прямує даний ТЗ; qТЗ - кількість тонн вантажу, що у даний момент перевозиться ТЗ; tТЗ - час останньої зміни стану даного ТЗ.

Стан об'єкту навантаження ОНi визначається вектором:

, (6)

де хiОН - змінна оцінки стану даного ОН; NiОН - кількість ТЗ, прямуючих у даний момент до ОНi; tiОН - час останнього відходу завантаженого ТЗ з ОНi.

Стан об'єкту розвантаження ОРj визначається вектором:

, (7)

де xjOP- змінна оцінки стану даного ОР; NjОР - кількість ТЗ, прямуючих у даний момент до ОРj ; qijOP - кількість вантажу, доставленого з початку зміни з ОПi на ОРj; tjOP - час останнього прибуття завантаженого ТЗ на ОРj.

З урахуванням уведених вище позначень математичну модель функціонування ТЗ можна представити з використанням теорії автоматів у вигляді:

AТЗ = {VТЗ, SТЗ, YТЗ, PТЗ,}, (8)

де VТЗ - множина вхідних сигналів; SТЗ = {xТЗ } - множина станів; YТЗ = {qТЗ, tТЗ} - множина виходів, PТЗ = f(SТЗ,VТЗ) - функція переходів-виходів. Вхідними сигналами автомата є події, що позначають виконання чергового етапу циклу функціонування ТЗ. Виходами моделі ТЗ є значення обсягу перевезеного у відповідному стані вантажу і значення відліку часу зміни стану.

Визначимо набір вхідних сигналів автомата: VТЗзр - закінчення розвантаження; VТЗпн - прибув на навантаження; VТЗзон - закінчення очікування навантаження; VТЗзн - закінчення навантаження; VТЗпр - прибув на розвантаження; VТЗзор - закінчення очікування розвантаження. VТЗн - вихід з ладу через несправність.

Далі визначимо функцію переходів-виходів PТЗ = f(SТЗ,VTЗ) математичної моделі функціонування ТЗ як набір перетворень, кожне з яких визначає зміну стану моделі ТЗ після певної події, наприклад:

Після того, як було закінчено розвантаження (VТЗзр=1), ТЗ почав рух на навантаження до ОНi, стан моделі ТЗ змінюється в такий спосіб:

, (9)

Після того, як ТЗ прибув на навантаження до ОНi і став у чергу (VТЗпн =1), стан ТЗ змінюється в такий спосіб:

; (10)

Аналогічно сформульовано й інші вирази для переходів-виходів.

Подібним чином побудовано й математичні моделі функціонування об'єктів навантаження і розвантаження. Множина управляючих впливів у задачі маршрутизації представлена кортежем U= <UОН, UОР > , де UОН - адреси об'єктів навантаження, UОР - адреси об'єктів розвантаження.

Для дотримання коректності отриманої математичної моделі функціонування ТТК в кожний момент часу повинні виконуватися такі умови:

· кількість ТЗ, прямуючих у кожен момент часу до будь-якого ОН, повинна бути адекватно відображена в стані даного ОН:

(11)

· кількість ТЗ, прямуючих у кожен момент часу до будь-якого ОР, повинна бути адекватно відображена в стані даного ОР:

(12)

· кількість вантажу, вивезеного з будь-якого ОНi не повинна перевищувати кількість вантажу, привезеного з даного ОНi на всі ОР:

(13)

· · кількість вантажу, привезеного на будь-який ОРj не повинна перевищувати кількість вантажу, вивезеного з всіх ОН на даний ОРj:

(14)

· сумарна кількість вантажу, вивезеного з всіх ОН, повинна дорівнювати сумі кількості вантажу, привезеного на всі ОР, і кількості вантажу, що перевозиться на даний момент усіма ТЗ:

(15)

· кількість ТЗ, прямуючих до несправних об'єктів навантаження і розвантаження, у кожен момент часу повинна дорівнювати нулю:

(16)

(17)

Отримана математична модель функціонування ТТК реалізована в алгоритмі імітаційного моделювання для відстеження в реальному або прискореному часі динаміки зміни станів транспортних засобів, екскаваторів і об'єктів розвантаження.

При вирішенні задачі динамічної маршрутизації ТЗ управляючими впливами є адреси, за якими направляються машини, тобто кортеж .

Для здійснення динамічної маршрутизації ТЗ розроблено кілька критеріїв оптимізації:

приведений критерій мінімізації довжини маршрутів

(18)

мінімізує довжину маршрутів, які планується призначити ТЗ, що знаходяться в даний момент під навантаженням чи розвантаженням (відносно до максимальної довжини маршруту в кар'єрі);

критерій дотримання ритмічності (вважаючи, що графік відвантаження і споживання вантажу від i-го ОН j-м ОР є лінійним від часу)

, (19)

де ТЗ - тривалість зміни; ТПР - передбачуваний час прибуття на пункти розвантаження всіх ТЗ, що на даний момент одержали адреси розвантаження; QijПР - передбачувана кількість вантажу, що доставлять на ОРj ТЗ, які уже туди спрямовані; qij - плановий обсяг доставки вантажу;

критерій оцінки продуктивності i-го екскаватора

, (20)

де Qit - обсяг відвантаження i-м екскаватором за останні 30 хв.; Qiпл - плановий обсяг відвантаження за той же період;

критерій часу простою транспортного засобу

 , (21)

де - сумарний час простою ТЗ на даний момент, tЗ - час, що минув з початку зміни.

При вирішенні задачі маршрутизації проводиться декомпозиція множин об'єктів навантаження та об'єктів розвантаження. На етапі адресації порожнього ТЗ використовуються в порядку пріоритету критерій оцінки продуктивності екскаваторів і критерій часу простоїв ТЗ. На етапі адресації навантаженого ТЗ використовуються як пріоритетні критерій ритмічності або критерій транспортних витрат. Після вибору пріоритетного критерію з урахуванням типу об'єкта розвантаження інший критерії використовується як обмеження.

Розроблено математичну модель задачі управління маневрами ТЗ на рівні прокладання і гнучкого перенастроювання маршруту (траєкторії) маневру.

На будь який момент часу кожному ТЗ, який знаходиться на майданчику, повинен бути зіставлений коректний маршрут на графі маршрутів, причому таким чином, щоб ніякі два використовувані маршрути не містили загальних об'єктів (вершин, ребер), коли їх займають різні ТЗ.

Нехай граф задає карту дозволених маршрутів маневру. Вершини графу є опорними точками на розвантажувальному майданчику, а ребра між вершинами - дозволеними ділянками проїзду. Для виключення циклічних маршрутів уведені додаткові умови: 1. Коректний маршрут маневру повинен містити один і тільки один в'їзд, точку розвороту, точку призначення і виїзд, і саме в такій послідовності. 2. Ділянки коректних маршрутів між особливими точками не повинні містити повторюваних вершин і ребер.

Для побудови моделі прокладання коректних маршрутів позначимо через {xy}, xy, множину усіх можливих шляхів на графі з вершини до вершини , таких, що кожен шлях у цій множині включає будь-яке ребро і будь-яку вершину не більше одного разу. Для даних вершин x і y множина {xy} однозначно визначається методом пошуку “у глибину” на графі маршрутів.

Якщо є множини шляхів {xy} і {yz}, де x, y, z - вершини графа, такі, що xy і yz, то декартів добуток цих двох множин {xy}{yz} буде являти собою нову множину шляхів, що ведуть з вершини x у вершину z крізь вершину y, і ділянки xy і yz не містять самоперетинань.

Нехай - множина вершин-в'їздів, - множина точок розвороту, - множина точок призначення (розвантаження). Множина коректних шляхів від точок в'їзду до точок розвороту задається виразом:

{ab}, aA, bB. (22)

Множина коректних шляхів від точок розвороту до точок призначення задається виразом:

{bc}, bB, cC. (23)

Множина коректних шляхів від точок призначення до точок виїзду задається виразом:

{ca}, aA, cC. (24)

Тоді всі коректні маршрути на графі задаються виразом:

{ab}{bc}{ca}, aA, bB, cC. (25)

Позначимо: U - множина ТЗ, W =VЕ - множина об'єктів графа G. Тоді можемо увести відношення “приналежності” ТЗ об'єктам графа в кожен момент часу t:

Рt = {(ТЗ,О)}, ТЗU,ОW , (26)

де пара (ТЗ,О) входить до відношення Рt тоді і тільки тоді, коли транспортний засіб ТЗ знаходиться на об'єкті О графа G у момент часу t.

Використовуючи дане відношення, можна побудувати множину усіх ТЗ, що знаходяться на об'єкті О графа G у момент часу t:

UtО = {ТЗ(ТЗ,О)Рt} (27)

за умови:

t, О : UtО?1 , (28)

яке фактично виражає вимогу знаходження на кожному об'єкті О графа G у кожен момент часу t не більше одного ТЗ.

Розроблена математична модель задачі автоматизованого управління маневрами кар'єрних транспортних засобів (22)-(28) дозволяє реалізувати алгоритми прокладки траєкторії маневру, що не перетинаються, одержати адаптивний вибір безпечних шляхів, при якому ТЗ може змінити маршрут у процесі проходження, забезпечує незалежність алгоритму маршрутизації від фізичної моделі ТЗ і кількості ТЗ.

У третьому розділі відповідно до розроблених у розділі 2 моделей розроблено алгоритми вирішення задач планування вантажопотоків і маршрутизації транспортних засобів, методи та алгоритми оцінювання якості функціонування ТТК, алгоритми управління маневрами ТЗ на розвантажувальних і перевантажувальних майданчиках. Розроблено також імітаційну модель функціонування ТТК і алгоритм моделювання роботи ТТК.

Для вирішення задачі планування вантажопотоків розроблено швидкий евристичний алгоритм, що будує локально-оптимальне рішення з урахуванням заданих критеріїв і обмежень, спираючись на попередні умови, а саме:

1. Умова пріоритетності критеріїв. Для приймальних пунктів фабрики і дробильних агрегатів критерій дотримання показника якості розглядається як головний, а критерій мінімізації транспортних витрат - як другорядний.

2. Умова усереднення якості продукту. Оптимальна якість продукту на будь-якому ОР буде досягнута у тому випадку, коли транспортування продукту на даний ОР здійснюється рівномірно з ОН, у яких якість руди більше необхідної і з ОН, у яких якість руди менше необхідної.

3. Умова декомпозиції. Рішення, при якому на кожен ОР транспортується продукт із невеликого числа ОН, є більш кращим з точки зору оперативного управління, ніж рішення, при якому продукт транспортується на один ОР з багатьох ОН невеликими порціями.

Алгоритм складається з наступних основних кроків.

Крок 1. Для кожного ОРj фіксуються початкові обсяги вантажопотоків, визначені на попередніх ітераціях, зважені за показником якості руди у забоях.

Крок 2. Визначається частина вантажопотоку (у тоннах), що буде розглядатися для обраного ОРj на даній ітерації:, де Qплj - усереднений об'ємний план для даного ОРj; K - коефіцієнт точності роботи алгоритму.

Крок 3. Визначаються такі індекси ОН - i1 і i2, для яких виконані умови:

, (29)

, (30)

де - відстань від ОНi1 до ОРj, - відстань від ОНi2 до ОРj. Умова (29) задає обмеження на показник якості для даного ОР з обліком вже існуючого вантажопотоку, а саме, з ОНi1 транспортується 0,5d тонн продукту з якістю i1, і з ОНi2 транспортується 0,5d тонн продукту з якістю i2. При цьому кожен обраний елемент шуканої пари повинен задовольняти обмеженням щодо планового завантаження. Якщо пара не знайдена, значення d зменшується вдвічі і пошук продовжується.

Крок 4. Якщо на попередньому кроці не вдалося знайти два ОН, що задовольняють умові (29), то знаходяться такі індекси ОН i1 і i2, для яких виконується умова:

(31)

При цьому критерій відстані на маршрутах уже не враховується.

Якщо пару ОН i1 і i2, що задовольняє умові (31), знайдено, до вантажопотоку що надходить на ОРj додається транспортування 0,5d тонн продукту з ОНi1 і транспортування 0,5d тонн продукту з ОНi2. Опісля цей алгоритм продовжується з першого кроку для наступного ОР.

Якщо на попередньому кроці не вдалося знайти два ОН, що задовольняють умові (31) (таке можливо в тому випадку, якщо залишився тільки один ОН, який не задіяний на повну потужність), то знаходиться такий ОНi, для якого виконано умову:

(32)

Якщо таких ОН не існує, параметр d поділяється на два, і крок 4 повторюється. Якщо ОНi, що задовольняє умові (32), знайдено, до вантажопотоку додається транспортування d тонн продукту з ОНi на ОРj, після чого алгоритм продовжується з кроку 1 для наступного ОР.

Крок 5. Якщо вантажопотік для всіх ОР визначений, то для кожного ОР розраховується досягнутий показник якості за формулою: . Для всіх ОР, для яких досягнутий показник якості не попадає в заданий діапазон [], проводиться балансування вантажопотоку (зменшення обсягу транспортування з деяких ОН, для того, щоб поліпшити показник якості продукту). Для цього вводяться додаткові змінні , і градієнтним методом мінімізується функція:

. (33)

При використанні алгоритму необхідно віддавати пріоритет розгляду тих ОР, для яких показник якості заданий найбільш жорстко - щоб мати максимальну свободу вибору ОН для таких ОР. Крім того, диспетчер може задавати пріоритети вручну, впливаючи в такий спосіб на вибір адреси при реалізації алгоритму.

Розроблено також алгоритм вирішення задачі маршрутизації транспортних засобів. Алгоритм заснований на декомпозиції множин об'єктів навантаження й об'єктів розвантаження. Оскільки план розподілу вантажопотоку {qij} на певну зміну чітко регламентує кількість вантажу, що повинна бути доставлена з кожного OНi на кожен ОРj, то для кожного OНi можна побудувати множину таких ОР, на які повинен доставлятися вантаж з даного OНi , тобто , а для кожного ОРj можна побудувати множину таких ОН, з яких повинен доставлятися вантаж на даний , тобто .

В кожної ітерації за номером в алгоритмі виконуються наступні кроки:

1. Значення параметрів стану моделі ТТК оновлюються відповідно до поточних даних, отриманих від системи автоматизованого збору інформації або від імітаційної моделі.

2. Будуються переліки таких об'єктів навантаження і розвантаження, що будуть розглядатися на даній ітерації.

3. З переліку ОН виключаються усі несправні на даний момент ОН, а також всі ОНi, для яких довжина черги ТЗ перевищує деяке граничне значення.

4. З переліку ОР виключаються усі не працюючі на даний момент ОР, а також всі ОРj, для яких довжина черги ТЗ перевищує граничне значення.

5. Будується перелік TЗ, що будуть розглядатися на даній ітерації .

6. Об'єкти навантаження і розвантаження ранжуються з урахуванням поточного виконання плану й оцінок за прийнятими критеріями, і здійснюється адресація порожніх і навантажених ТЗ. Для кожного розглянутого варіанта адресації ТЗ обчислюється значення актуального в даний момент критерію. Варіант адресації, для якого значення обраного критерію мінімальне, вважається оптимальним на даній ітерації алгоритму.

Окремим інструментальним засобом для дослідження режимів роботи ТТК і методів оперативного управління в реальному та прискореному масштабі часу є розроблена імітаційна модель, яка відтворює транспортні і навантажувальні операції в кар'єрі. Модель враховує усі необхідні часові і технологічні параметри процесів навантаження, транспортування та розвантаження, розраховує і видає користувачу первинні показники роботи ТЗ і екскаваторів, а також включає механізм обчислювання оцінок за прийнятими критеріями ефективності роботи ТТК.

Для реалізації процедур оцінювання ефективності при фіксованому наборі вихідних показників були вирішені наступні завдання: визначення виду і параметрів критеріїв оцінки ефективності роботи ТТК на рівні диспетчера ТТК і диспетчера ГЗК; формування дерева оцінок і агрегування первинних показників; вибір нормуючих перетворень; вибір алгоритму переходу від безперервних шкал до дискретних (лінгвістичних) при формуванні оцінок для менеджерів верхнього рівня управління підприємством.

Найбільш придатним апаратом для оцінки якості функціонування ТТК і діагностики позаштатних ситуацій для керівника є апарат теорії нечітких множин. Діагностику причин зниження рівня оцінок якості функціонування і порушення ритмічності роботи ТТК зручно здійснювати, якщо дерево лінгвістичних оцінок побудовано як послідовна згортка оцінок попередніх рівнів. Для згортки критеріїв і обчислення лінгвістичних оцінок верхнього рівня використаний алгоритм Мамдані. Правила логічного висновку щодо формування лінгвістичних оцінок отримані шляхом опитування диспетчерів і уточнені під час імітаційного моделювання.

Розроблено також алгоритми управління маневрами транспортних засобів на розвантажувальних і перевантажувальних майданчиках. У процесі управління маневрами кожному ТЗ, що знаходиться на майданчику маневрування, виділяється такий маршрут, що не перетинається з маршрутами інших ТЗ. Рух усіх ТЗ відображається в спеціальній імітаційній моделі, і контролюється виникнення позаштатних ситуацій, таких як зупинка ТЗ або відхилення від призначеної траєкторії.

У четвертому розділі розроблено програмне забезпечення, яке реалізує комплекс функціональних задач АСОДУ, а також дозволяє провести імітаційне моделювання роботи ТТК і одержати дані про ефективність запропонованих моделей і алгоритмів оперативно-диспетчерського управління.

Аналіз ефективності моделей оперативно-диспетчерського управління проведений у порівнянні з режимом закритого циклу з жорстким закріпленням ТЗ на маршрутах. Для закритого циклу був розрахований план вантажопотоків і розподіл ТЗ таким чином, щоб забезпечити протягом зміни мінімально можливе відхилення показника якості змішаної руди на прийомних пунктах збагачувальної фабрики і дробильних агрегатів.

Установлено, що при використанні запропонованих моделей і алгоритмів оперативно-диспетчерського управління ТТК досягаються наступні результати:

- продуктивність екскаваторного комплексу при використанні режиму автоматизованої динамічної маршрутизації перевищує продуктивність того ж комплексу в режимі постійного закріплення ТЗ (закритого циклу) на 12..18% за рахунок скорочення простоїв ТЗ та екскаваторів;

- за рахунок підвищення інтенсивності використання ТЗ потрібну на зміну кількість автосамоскидів можна скоротити на 8...12%;

- середнє значення відхилення показника якості руди, що змішується, на приймальних пунктах дробильних агрегатів і збагачувальної фабрики можна знизити на 14...19%, що поліпшує режим змішування на фабриці і збільшує ціну та конкурентноздатність продукції;

- значно підвищується ритмічність (стабільність дотримання темпу доставки вантажів), що, у свою чергу, сприяє гомеостазису усього виробничого ланцюга гірничого підприємства.

На рисунку показані графіки оцінок часу простоїв ТЗ у режимі закритого (а) і відкритого (б) циклів. Зіставлення графіків показує явну перевагу пропонованих моделей та інструментальних засобів при оперативному управлінні ТТК.

При зупинці 10..35% екскаваторів чи зупинці ТЗ помітної зміни режиму роботи ТТК не відбувається за рахунок швидкої реакції системи управління і використання резервних потужностей технічних засобів, що залишилися.

У додатках до дисертації наведені екранні копії основних інтерфейсних вікон програмного забезпечення, а також акти впровадження результатів досліджень.

Висновки

У результаті виконаних досліджень вирішено актуальну науково-технічну задачу розробки і дослідження ефективної автоматизованої системи оперативно-диспетчерського управління кар'єрним автотранспортом. Проведені дослідження дозволяють зробити такі висновки:

1. Установлено, що існуючий рівень оперативно-диспетчерського управління на кар'єрах гірничорудних підприємств не забезпечує стабілізацію виконання функцій виробничої системи в межах припустимих відхилень і не дає змоги найбільш ефективного використання транспорту та екскаваторного комплексу.

2. Удосконалено модель системи автоматизованого регулювання вантажопотоків, яка дозволяє підвищити ефективність регулювання за рахунок розширеного набору функціональних задач і критеріїв, можливості декомпозиції вантажопотоків, пріоритетного вибору критеріїв для визначення маршрутів транспортних засобів та швидкого перепланування вантажопотоків.

3. Удосконалено математичну модель функціонування транспортно-технологічного комплексу за рахунок застосування автоматного опису динаміки процесів з урахуванням комплексу часових і технологічних параметрів, що дозволяє знаходити оптимальні рішення в реальному часі при виборі адрес для порожніх і навантажених транспортних засобів.

4. Розроблено математичну модель задачі автоматизованого управління маневрами кар'єрних транспортних засобів на майданчиках обмеженого розміру, яка враховує територіальні обмеження, що забезпечує в реальному часі вибір гнучкої та безпечної траєкторії маневру і скорочення часу розвантаження.

5. Розроблено удосконалену імітаційну модель транспортно-технологічного комплексу, яка є частиною автоматизованої системи оперативно-диспетчерського управління, враховує поточні управляючі впливи та генерує множину часових і технологічних параметрів, що дозволяє в реальному та прискореному часі проводити дослідження режимів роботи транспортно-технологічного комплексу, знизити ймовірність помилок при плануванні змінних завдань і тим самим підвищити ефективність оперативного управління кар'єрним автотранспортом.

6. Розроблено комплекс критеріїв якості функціонування транспортно-технологічного комплексу кар'єру, застосування яких дозволяє всебічно оцінювати ефективність роботи кар'єрного автотранспорту й оптимізувати вантажопотоки.

7. Розроблено алгоритми й інструментальні засоби моделювання, планування і управління транспортними потоками в кар'єрі.

8. Практичне значення роботи підтверджується впровадженням моделей і інструментальних засобів у процесі удосконалення автоматизованої системи оперативно-диспетчерського управління на ВАТ “Полтавський ГЗК”, що дозволило знизити кількість помилок оперативного планування і підвищити стабільність функціонування ТТК при випадкових виходах з ладу техніки (акт впровадження від 01.11.06 р.). Результати дисертаційного дослідження використовуються у навчальному процесі при вивченні дисципліни “Імітаційне моделювання” на кафедрі інформаційних технологій проектування Кременчуцького університету економіки, інформаційних технологій і управління (акт впровадження від 20.10.06 р.).

Список опублікованих праць за темою дисертації

Левыкин В.М., Шевченко И.В. Маршрутизация и контроль движения технологических транспортных средств // Нові технології. Науковий вісник ІЕНТ. - 2004. - № 1-2 (4-5). - С. 182-187.

Левыкин В.М., Шевченко И.В. Имитационная модель функционирования карьерного автотранспорта // Нові технології. Науковий вісник ІЕНТ. - 2004. - № 3 (6). С. 91-97.

Левыкин В.М., Шевченко И.В. Модель автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления карьерным автотранспортом // Нові технології. Науковий вісник КУЕІТУ. - 2005. - № 4 (10). - С. 68-72.

Левыкин В.М., Шевченко И.В. Выбор и совершенствование критериев качества функционирования карьерного автотранспорта // Нові технології. Науковий вісник КУЕІТУ. - 2006. - № 2 (12). - С. 151-158.

Левыкин В.М., Шевченко И.В. Математические модели задач оперативно-диспетчерского управления карьерным автотранспортом // Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. - Вип.1 (42). - Дніпропетровськ, 2006. - С. 87-98.

Шевченко И.В., Родькин Д.Й., Касаткина И.В. Принципы автоматического управления маневрами карьерних автосамосвалов в местах разгрузки // Труды V научно-технической конференции “Проблемы автоматизованного электропривода. Теория и практика” / Под ред. В.Б. Клепикова, Л. В. Акимова. - Харьков: Основа, 1997. - с. 254 - 256.

Левыкин В.М., Шевченко И.В. Маршрутизация и контроль функционирования технологических транспортных средств // Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології. Тези доповідей на 1 науково-практичній конференції з міжнародною участю: 14-17 квітня 2004 р., Кременчук, Україна. Збірник тез доповідей. - Кременчук, ІЕНТ, 2004. - С. 126-128.

Шевченко И.В. Формирование комплекса задач оперативного управления работой карьерного автотранспорта // Тези доповідей на науково-практичній конференції “Системний аналіз і управління”. - Запоріжжя: ГУ “ЗІДМУ”, 2005. Т.1. - С. 309-310.

Шевченко И.В. Декомпозиция транспортных потоков в задаче оперативно-диспетчерского управления карьерным транспортом // Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології. Тези доповідей на 2 науково-практичній конференції з міжнародною участю: 17-19 травня 2006 р., Кременчук, Україна. Збірник тез доповідей. - Кременчук, КУЕІТУ, 2006. - С. 196-197.

Анотація

Шевченко І.В. Моделі та інструментальні засоби оперативно-диспетчерського управління кар'єрним автотранспортом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - автоматизовані системи управління і прогресивні інформаційні технології. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2007.

Дисертація присвячена розробці моделей та інструментальних засобів оперативно-диспетчерського управління транспортно-технологічними комплексами кар'єрів (ТТК) великих гірничодобувних підприємств.

На підставі системного аналізу структури і функціонування ТТК розроблено комплекс математичних та імітаційних моделей вирішення функціональних задач оперативно-диспетчерського управління, що забезпечує швидке планування і динамічну маршрутизацію транспортних засобів кар'єру, а також швидку й адекватну реакцію на зміну режиму роботи транспортного комплексу і виникнення позаштатних ситуацій з метою збереження гомеостазису системи.

Розроблені моделі, алгоритми та інструментальні засоби дозволяють підвищити ефективність оперативно-диспетчерського управління і стабільність функціонування ТТК при раптових зупинках обладнання.

Ключові слова: кар'єрний автотранспорт, оперативно-диспетчерське управління, критерії, математичні моделі, імітаційне моделювання, інструментальні засоби, програмне забезпечення.

Аннотация

Шевченко И.В. Модели и инструментальные средства оперативно-диспетчерского управления карьерным автотранспортом. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена разработке моделей и инструментальных средств оперативно-диспетчерского управления транспортно-технологическими комплексами карьеров (ТТК) крупных горнодобывающих предприятий.

На основании системного анализа структуры и функционирования ТТК сформулирована задача оперативно-диспетчерского управления карьерным автотранспортом по комплексу критериев, объективно и всесторонне отражающих качество функционирования ТТК.

Разработан комплекс математических моделей решения функциональных задач оперативно-диспетчерского управления, который обеспечивает быстрое планирование и динамическую маршрутизацию транспортных средств (ТС) карьера в реальном времени с учетом технологических и временных параметров, а также быструю и адекватную реакцию на изменение режима работы ТТК и возникновение нештатных ситуаций с целью сохранения гомеостазиса системы.

Разработан комплекс специализированных имитационных моделей ТТК, воспроизводящий не только основные, но и вспомогательные операции с учетом реальных временных и технологических параметров. В комплекс входит имитационная модель, отслеживающая состояния транспортных средств и оборудования и имитационная модель, позволяющая в ускоренном масштабе времени воспроизводить работу ТТК с расчетом большого количества первичных параметров работы транспорта и экскаваторного комплекса.

Разработана расширяемая и независящая от физической модели транспортного средства математическая модель автоматизированного управления маневром автотранспорта на разгрузочных площадках, использование которой позволяет выбирать гибкую и безопасную траекторию маневра автоматизированного транспортного средства.

Разработан и исследован алгоритм решения функциональной задачи планирования и регулирования грузопотоков, позволяющий в любой момент времени произвести перерасчет планов экскаваторов и пунктов разгрузки с учётом текущей ситуации по выполнению сменного графика работ.

Разработан и исследован алгоритм решения функциональной задачи динамической раздельной маршрутизации порожних и груженых транспортных средств, позволяющий автоматизировать процесс выбора маршрутов автосамосвалов с учётом приоритетов пунктов погрузки и разгрузки.

Предложена древовидная структура критериев и процедуры формирования числовых и лингвистических оценок качества функционирования ТТК, позволяющие осуществлять многокритериальное оценивание текущего состояния работ и диагностику причин неудовлетворительного протекания технологического процесса в карьере.

Разработан комплекс алгоритмов управления манёврами автоматизированных транспортных средств на разгрузочных площадках, позволяющий адаптивно выбирать траекторию безопасного маневра ТС, изменять её в процессе выполнения и снижать среднее время разгрузки.

Исследование работы ТТК на имитационной модели при различных количествах транспортных средств, работающих по открытому циклу с динамической маршрутизацией показало, что при остановке 10...35% экскаваторов или остановке нескольких транспортных средств заметного изменения режима работы ТТК не происходит за счет быстрой реакции системы управления и оперативного использования резервных мощностей работающего оборудования.

Разработанные модели, алгоритмы и инструментальные средства позволяют повысить эффективность оперативно-диспетчерского управления и стабильность функционирования ТТК при внезапных остановках оборудования.

Практическая ценность разработанных моделей и инструментальных средств подтверждена актами внедрения.

Ключевые слова: карьерный автотранспорт, оперативно-диспетчерское управление, критерии, математические модели, имитационное моделирование, инструментальные средства, программное обеспечение.

Summary

Shevchenko І.V. Models and instrumental facilities of efficient-controlling management of the quarry motor transport. - Manuscript.

Thesis for candidate degree in technical science by specialty 05.13.06 - automatic managing systems and progressive information technologies. - Kharkiv National University of Radioelectronics, Kharkiv, 2006.

The dissertation deals with the development in models and instrumental facilities of efficient-controlling management by the quarry transport-technological complexes (ТТC) of large mining enterprises.

On the basis of system analysis of TTC structure and functioning, the complex of mathematical and imitation models on solving the functional tasks of efficient-controlling management is developed that provides the rapid planning and dynamic routing of quarry transport vehicles as well as rapid and adequate reaction on the change in the mode of transport complex work and appearing of supernumerary situations with the purpose of system's homeostasis saving.

Models, algorithms and instrumental facilities which allow to promote efficiency of TTC controlling management and functioning stability in case of sudden stops of equipment are developed.

Keywords: quarry motor transport, efficient-controlling management, criteria, mathematical models, imitation design, instrumental facilities, software.

Размещено на Allbest.ru

...