Основные принципы моделирования технологии проведения подготовительных выработок

Методы качественной и укрупненной количественной оценки технологий проведения выработок, являясь основой сопоставления любых технологических вариантов, вместе с тем не обеспечивают определения рациональных параметров и показателей применения технологий, выявления и учета влияния на них важнейших горно-технических факторов.

Для решения указанной задачи используют различные математические модели данного технологического процесса, т. е. его «приближенные описания, выраженные с помощью математической символики», получаемые, как правило, с применением ЭВМ. Накопленный опыт разработки подобных моделей позволяет сформулировать ряд основных принципов их построения и использования, направленных на обеспечение адекватности и практической значимости моделей.

1. Принцип целевой ориентации. Технологический процесс проведения выработок является достаточно сложным, многоуровневым и многофакторным. Поэтому существует целый ряд способов его описания, и, следовательно, возможностей построения различных моделей. Так, в качестве общих объектов моделирования могут быть выбраны отдельные выработки или их совокупности, в качестве непосредственных (элементарных) объектов - производственные операции, виды или даже приемы работ; перечень учитываемых факторов может содержать от четырех-пяти (вид оборудования, площадь сечения выработок, коэффициенты крепости и присечки пород, численность бригады) до десятков переменных (включая подробную характеристику горнотехнических условий, различные параметры проходческого цикла, состав и квалификацию бригады, организацию работ, режимы оплаты и стимулирования труда, социальные факторы); модель может рассматриваться в детерминированной и вероятностной постановках с различной степенью учета фактора надежности.

Принцип целевой ориентации предусматривает необходимость определения строго очерченного перечня вопросов, на которые должна отвечать будущая модель, тех факторных воздействий, на которые она обязана реагировать, той «среды», в которой она должна работать. Изложенное определяет по существу «аксиоматический» подход к построению моделей, при котором их вид и основные характеристики однозначно вытекают из результатов предварительного исследования.

Успешность реализации данного принципа (нарушаемого при попытках разработки «универсальных» моделей) во многом, как свидетельствует практика, определяет направленность и эффективность всех последующих этапов моделирования, полезность модели в целом.

2. Принцип компактности (минимального описания). После того, как определена целевая ориентация, установлен соответствующий перечень вопросов, строится само приближенное описание процесса, i.e. модель. Здесь опять-таки существует многообразие возможностей, выбор среди которых, как правило, не может быть сделан по простому критерию максимальной точности описания. Принцип компактности означает необходимость отсечения всех избыточных составляющих модели при сохранении достаточной ее адекватности, исходя из того, что модель не может и не должна являться максимально точной «копией» процесса. Нецелесообразным, в частности, является увеличение числа переменных в наиболее простых, статистических моделях, так как дисперсия (разброс) результатов может при этом только возрастать.

3. Принцип иерархической структуры подчеркивает необходимость ориентации на систему взаимоувязанных по своим входам и выходам моделей разного уровня, в совокупности обеспечивающих достаточно полное представление технологического процесса в целом и позволяющих вместе с тем более детально исследовать отдельные его составляющие. При этом каждая из входящих в состав системы моделей может использовать свой «язык» описания процесса (его составляющих), основанный на применении количественных или качественных переменных, аналитических или эмпирических, зависимостей, точечных или интервальных оценок, экспертных, классификационных и локальных оптимизационных процедур, имитационного моделирования - с единственным требованием выполнения заданных функций модели в системе.

4. Принцип ограничения ошибок. Каждая модель технологического процесса является всего лишь его приближенным описанием, и, тем самым, возможным источником ошибок при определении параметров и показателей процесса.

Кроме того, оценка параметров самой модели обычно базируется на ряде математических предположений, далеко не всегда реализующихся в действительности (например, для статистических моделей это предположения о случайности, нормальном распределении, независимости переменных, постоянной дисперсии ошибок). Существуют критерии для проверки соответствующих гипотез, а также «истинности» модели в целом, но сами эти критерии тоже базируются на ряде предположений.

He отрицая важности указанной формальной проверки, данный принцип предусматривает в первую очередь не оценку «истинности» модели (которая практически всегда условна), а оценку ее работоспособности исходя из сопоставления фактического (ожидаемого) и максимально приемлемого уровня ошибок. Существенно, что оценка уровня ошибок должна производиться не только по участвовавшим в процессе построения модели, но и по независимым (проверочным) экспериментальным данным.

Следует отмерить, что отход от построения и проверки адекватности моделей классическими методами характерен в последние годы и для математической статистики как таковой. Появились, например, грубые методы оценивания, «гребневая» регрессия, «бутстреп» и др. Это тем более оправдано в чисто прикладных исследованиях.

5. Принцип итеративного уточнения предусматривает корректировку и уточнение отдельных моделей и их систем по мере накопления экспериментальных данных.

Рассмотрим изложенные выше принципы на примере системы моделей технологического процесса проведения выработок.

Принцип целевой ориентации. Главным требованием к системе моделей данного технологического процесса является возможность оценки с единых позиций эффективности самых различных мероприятий по его совершенствованию на различных уровнях процесса с целью выхода на конечный результат.

При этом перечень подлежащих оценке мероприятий должен, как минимум, включать совершенствование отдельных технико-технологических решений, изменение областей и объемов их применения, повышение надежности процесса (на различных уровнях), изменение требований смежных процессов в системе «Шахта», постановку и реализацию научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию перспективной техники и технологии.

Принцип компактности. В соответствии с целевой ориентацией минимальный перечень учитываемых системой моделей факторов должен включать:

- факторы, необходимые для расчета пооперационных моделей трудоемкости проведения;

- характеристики структуры объемов проведения выработок с их разделением по факторам, ограничивающим применение различных средств механизации;

- объем мероприятий по резервированию надежности (путем резервирования операций и видов работ проходческого цикла, подготовительных забоев или смен их работы);

- параметры способов подготовки и систем разработки шахтных полей (включая требуемые объемы и структуру горноподготовительных работ, темпы воспроизводства очистного фронта);

- характеристики технического уровня, стоимости и продолжительности НИОКР по созданию перспективной технологии, а также условий ее применения.

Исходя из принципа компактности, при разработке системы моделей следует ориентироваться на нормативный уровень показателей, являющийся основой для последующего анализа результатов, достигаемых в реальных условиях шахт.

Иерархическая структура системы моделей задается структурой соответствия их входов и выходов.

Предлагаемая структура системы, для основных составляющих которой разработана программная реализация, показана на рис. 3.5.

Как видно из рисунка, при движении по иерархическим уровням системы увеличивается степень агрегированности исходной информации, что позволяет дополнительно расширять на каждом уровне перечень учитываемых факторов.

Предлагаемая система является «открытой» в смысле наращивания дополнительных блоков. В частности, целесообразной представляется разработка моделей количественной опенки параметров перспективных технико-технологических решений, а также автоматизированного проектирования технологических схем проведения выработок.

Данная система не исключает возможности разработки других, ориентированных на несколько отличные от приведенных результаты моделирования. В подразделе 4.6 кратко описана одна из таких систем, разработанная в Тульском политехническом институте.

Принцип ограничения ошибок. Ограничение ошибок предложенной системы моделей обеспечивается в первую очередь ее структурой. Каждая модель системы может эксплуатироваться по сути независимо от остальных. С уровня на уровень передаются лишь весьма укрупненные и ограниченные по количеству результаты моделирования и тем самым на каждом «стыке» моделей нетрудно выполнить анализ и корректировку результатов. Структура системы облегчает также итеративное уточнение моделей путем анализа и взаимного согласования результатов их применения.

Естественно, приведенные в данном разделе основные принципы моделирования требуют дальнейшей конкретизации на практических примерах.