Информационная технология поддержки принятия решений для оптимизации технико-экономических показателей взрывных работ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Сапожников, Станислав Игоревич

• Сапожников, Станислав Игоревич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сапожников, Станислав Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА КАРЬЕРАХ ВЗРЫВОМ.

1.1 Разрушение горных пород взрывом как производственный процесс открытой» горной разработки.13^

1.1.1 Производственные процессы открытой горной разработки.

1.1.2 Подготовка горных пород к выемке буровзрывным способом.

1.1.3 Расчёт параметров производства разрушения горных пород на карьерах взрывом.

1.2 Анализ работ в области автоматизации проектирования буровзрывных работ с точки зрения подходов к оптимизации качества процесса разрушения горных пород взрывом.

1.2.1 Классификация и обзор работ в области автоматизации проектирования буровзрывных работ.

1.2.2 Результаты анализа теоретических исследований и практических разработок.

1.3 Существенные технико-экономические показатели взрывных работ.

1.3.1 Технико-экономические показатели взрывных работ.

1.3.2 Методика ранжирования технико-экономических показателей взрывных работ на карьерах.

1.3.3 Анализ результатов опроса экспертов.

1.4 Цели и задачи исследования.

Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ НА КАРЬЕРАХ.

2.1 Комплекс моделей прогнозирования существенных технико-экономических показателей взрывных работ на карьерах.

2.1.1 Математическая модель прогнозирования среднего размера куска.

2.1.2 Математическая модель прогнозирования ширины развала горной массы после i взрыва.

2.1.3 Математическая модель расчёта расстояния безопасного удаления для объектов

2.2 Комплекс критериев оптимальности для оценки качества процесса разрушения горных пород на карьерах взрывом. i 2.2.1 Критерий оценки среднего размера куска.

3 2.2.2 Критерий оценки ширины развала горной массы.

2.2.3 Критерий оценки расстояния безопасного удаления для объектов.

2.2.4 Общая система ограничений.;.

2.2.5 Анализ критериальных функций.

2.3 Многокритериальная оптимизация технико-экономических показателей разрушения горных пород на карьерах взрывом.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3 МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ.

3.1 Выбор метода многокритериальной оптимизации технико-экономических показателей взрывных работ.

3.1.1 Критерии оценки применимости метода многокритериальной оптимизации для решения задач исследования.

3.1.2 Классификация методов многокритериальной оптимизации.

3.1.3 Результаты анализа методов многокритериальной оптимизации на предмет их применимости для решения задач исследования.

3.2 Метод достижимых целей как средство поддержки принятия многокритериальных решений.

3.2.1 Общее описание методики поддержки принятия многокритериальных решений.

3.2.2 Построение карт решений.

3.2.3 Развитие метода достижимых целей на случай непрерывных шкал критериев, выраженных многоэкстремальными функциями.

3.2.4 Уменьшение субъективизма процесса принятия решения.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4 АПРОБАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ

РЕШЕНИЙ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ.

4.1 Программное обеспечение информационной технологии поддержки принятия многокритериальных решений.

4.1.1 Инструментальные средства разработки информационной системы.

4.1.2 Архитектура информационной системы поддержки принятия многокритериальных решений.

4.1.3 Требования к программно-аппаратному обеспечению.

4.2 Оценка эффективности применения методики поддержки принятия многокритериальных решений при проектировании взрывных работ на карьерах.

4.2.1 Критерии оценки информационной технологии поддержки принятия решений.

4.2.2 Контрольный пример производства разрушения горных пород на карьерах взрывом

4.2.3 Результаты оценки эффективности методики.

4.3 Внедрение методики поддержки принятия многокритериальных решений при проектировании взрывных работ на карьерах.

Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационная технология поддержки принятия решений для оптимизации технико-экономических показателей взрывных работ»

Дробление горных пород взрывом является кратковременным динамическим процессом, зависящим от большого количества факторов, определяемых как свойствами горных пород, так и параметрами производства взрывных работ. Связи между этими факторами сложны и неоднозначны. Теоретическое и экспериментальное изучение данного процесса сильно затруднено, поэтому в практике взрывных работ повсеместно используются эмпирические закономерности, связывающие исходные условия взрывания с результатом взрыва без рассмотрения взрывных процессов в горных породах.

Алгоритм вычислений в традиционном подходе к расчёту параметров производства разрушения горных пород взрывом является последовательным. В нём отсутствует возможность оптимизации или задания желаемых значений параметров, так как каждый последующий шаг использует результаты вычислений предыдущих шагов. Полученные данным подходом значения параметров часто приводят к неоптимальным результатам взрывных работ.

С точки зрения системного анализа результат взрывных работ может быть рассмотрен как сложная система взаимосвязанных моделей прогнозирования технико-экономических показателей, изучение взаимного влияния которых до сих пор не проводилось. Поэтому в данном исследовании предлагается новый подход, основанный на анализе системы взаимосвязей между технико-экономическими показателями взрывных работ.

Объектом исследования служат технико-экономические показатели взрывных работ на карьерах.

Предметом исследования является система взаимосвязей между технико-экономическими показателями взрывных работ.

Цель исследования заключается в повышении качества процесса разрушения горных пород на карьерах взрывом за счёт оптимизации технико-экономических показателей взрывных работ.

Идеей данной работы является выявление взаимосвязей между технико-экономическими показателями взрывных работ и качеством процесса разрушения горных пород и построение на их основе оптимизационной модели прогнозирования! результатов взрыва.

Задачи исследования. Исходя из цели и идеи исследования были поставлены и решены следующие задачи: а) анализ системы взаимосвязей между технико-экономическими показателями взрывных работ и качеством процесса разрушения горных пород взрывом и выявление существенных показателей; б) исследование и разработка комплекса моделей прогнозирования существенных технико-экономических показателей взрывных работ; в) исследование и разработка комплекса критериев оптимальности для оценки качества процесса разрушения горных пород на карьерах взрывом; г) постановка задачи многокритериальной оптимизации существенных технико-экономических показателей взрывных работ, исследование и выбор методов её решения; д) исследование и разработка информационной технологии поддержки принятия многокритериальных решений, обеспечивающей результаты, оптимальные с точки зрения существенных технико-экономических показателей взрывных работ; е) разработка программного обеспечения и апробация информационной технологии поддержки принятия многокритериальных решений для оптимизации существенных технико-экономических показателей взрывных работ.

Методы исследования включают системный анализ, математическое моделирование, теорию принятия решений, теорию управления, численные методы, методы оптимизации, исследования операций, экспертных оценок, математической статистики, объектно-ориентированного анализа* и проектирования.

Анализ исследований и разработок в области оптимизации показателей качества взрывных работ показывает, что смежным с ней научным направлениям посвящено значительное количество работ. Вопросы теории управления и системного анализа нашли широкое отражение в трудах видных отечественных и зарубежных учёных В.В. Солодовникова, А.А. Фельдбаума, Н.Н. Моисеева, Р. Беллмана, Р. Калмана, Н.И. Федунец, Д.К. Потресова, Л.Д. Певзнера и др. Большой вклад в развитие методов оптимизации внесли учёные Г.С. Поспелов, P.JI. Кини, X. Райфа, О.И. Ларичев, И.Г. Поспелов, В.Н. Решетников, А.В. Лотов и др. Созданию и развитию теории и практики построения систем поддержки принятия решений посвящены работы» Д.А. Поспелова, М.С. Скотта Мортона, Г. Дэвиса, Э.В. Попова, В.Н. Вагина,

A.А. Башлыкова и др. Существенный вклад в развитие теории и практики' открытой горной разработки и разрушения горных пород взрывом внесли,

B.В. Ржевский, Б.Н. Кутузов, В.А. Белин, Г.Г. Каркашадзе, Н.Н. Беляков и др.

Из анализа исследований и разработок становится очевидно, что направлению оптимизации параметров производства разрушения горных пород взрывом посвящено немного работ. В этих работах не выполняется многокритериальная оптимизация показателей качества взрывных работ, практически отсутствует информационная поддержка принятия решений; а математические модели в большинстве коммерческих продуктов; являются закрытыми. Для зарубежных разработок дополнительными недостатками являются их. высокая стоимость, частое отсутствие локализованных версий программного обеспечения, игнорирование отечественного опыта-проектирования буровзрывных работ (БВР), несоответствие требованиям отечественных нормативных документов.

Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что данное исследование является актуальным, целесообразным, предлагает новый подход к расчёту параметров производства разрушения горных пород взрывом и развивает специальный математический аппарат методов многокритериальной оптимизации и поддержки принятия решений.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна: а) на основе системного анализа выявлены три наиболее существенных технико-экономических показателя взрывных работ: средний размер куска, ширина развала горной массы и расстояние безопасного удаления для объектов; б) разработанные комплексы моделей прогнозирования существенных технико-экономических показателей взрывных работ и критериев оптимальности позволяют оценивать качество процесса разрушения горных пород; в) разработанные методы и алгоритмы информационной технологии поддержки принятия многокритериальных решений позволяют находить параметры производства разрушения горных пород взрывом, оптимальные с точки зрения существенных технико-экономических показателей взрывных работ; г) выполненная модернизация метода достижимых целей позволяет более эффективно применять его в задачах с непрерывными шкалами критериев, выраженных многоэкстремальными функциями, и ограничивать субъективное участие лица, принимающего решение, в процессе решения.

Научная значимость диссертации заключается в выявлении существенных технико-экономических показателей взрывных работ, формировании комплекса моделей их прогнозирования и разработке новых методов и алгоритмов поддержки принятия многокритериальных решений для нахождения оптимальных параметров производства разрушения горных пород взрывом.

Практическая значимость исследования состоит в разработке информационной технологии поддержки принятия многокритериальных решений, позволяющей повышать качество процесса разрушения горных пород за счёт оптимизации существенных технико-экономических показателей взрывных работ.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, подтверждается корректным использованием системного анализа, численных методов, методов математического моделирования, исследования операций, экспертных оценок, математической статистики, теории принятия решений, а также положительными результатами апробации и внедрения разработанного автором программного обеспечения информационной технологии поддержки принятия многокритериальных решений для оптимизации технико-экономических показателей взрывных работ.

Реализация и внедрение результатов. Разработанное программное обеспечение информационной технологии поддержки принятия многокритериальных решений для оптимизации технико-экономических показателей взрывных работ используется в производственной практике Ассоциации «Союзвзрывпром» и ЗАО «Взрывинвест», а также включено в процесс составления типовых проектов БВР кафедры ВД МГТУ. Предложенные в работе методы и алгоритмы используются в методической практике кафедр АСУ и ВД МГТУ.

Апробация. Основные результаты диссертации и ее отдельные положения докладывались на семинарах кафедры АСУ МГТУ, международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2005-2008 гг.) и 8-й Всероссийской научной конференции «Краевые задачи и математическое моделирование» (Новокузнецк, 2006 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том! числе 7 из них в ведущих рецензируемых изданиях из перечня ВАК.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 186 наименований, содержит 26 рисунков и 16 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Сапожников, Станислав Игоревич

Выводы к главе 4

1 Приведена архитектура программного обеспечения информационной технологии поддержки принятия многокритериальных решений для оптимизации технико-экономических показателей взрывных работ на карьерах.

2 Выполнена оценка эффективности разработанной информационной технологии, которая показала адекватность математических моделей и широкие возможности информационной технологии по поиску компромиссно-оптимальных решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Повышение эффективности взрывных работ на карьерах остается одной из важнейших проблем горного производства. Технические решения по повышению качества разрушения горных пород взрывом определяют возможности всего горного производства и промышленности j использующей; результаты работы горнодобывающих предприятий.

В диссертационной работе представлено теоретическое и практическое решение актуальной научной задачи повышения качества процесса разрушения горных пород взрывом за счёт оптимизации технико-экономических показателей взрывных работ, основанное на применении современных методов компьютерного моделирования, многокритериальной оптимизации и поддержки принятия решений. Результаты диссертации важны как для теории и практики построения систем многокритериальной оптимизации и поддержки принятия решений, так и для области взрывных работ на карьерах. Предложенные в работе алгоритмы легко адаптируемы для широкого спектра многокритериальных задач. В результате диссертационного исследования были получены следующие основные научные и практические результаты: а) на основе исследования взаимного влияния показателей взрыва и качества процесса разрушения горных пород выявлены существенные технико-экономические показатели взрывных работ; б) разработаны комплексы моделей прогнозирования существенных технико-экономических показателей взрыва и критериев оптимальности для оценки качества процесса разрушения; горных пород на карьерах взрывом; в) разработаны методы и алгоритмы информационной технологии поддержки принятия многокритериальных решений для оптимизации существенных технико-экономических показателей взрывных работ; г) произведена модернизация метода достижимых целей для его развития на случай непрерывных шкал критериев, выраженных многоэкстремальными функциями, и ограничения субъективного участия ЛПР в процессе решения; д) предложен и реализован в виде программного обеспечения новый подход к расчёту параметров производства взрыва; е) практическое использование разработанной информационной технологии на промышленных предприятиях показало её широкие возможности по повышению качества взрывных работ и обеспечило снижение затрат на проведение БВР на 10-15%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сапожников, Станислав Игоревич, 2009 год

1. Абчук В.А. и др. Справочник по исследованию операций / Под общ. ред. Ф.А. Матвейчука. М.: Воениздат, 1979. - 368 с.

2. Айвазян С.А., Мхитарян B.C. Прикладная статистика и основы эконометрики. Учеб. для вузов. -М.: ЮНИТИ, 1998. 363 с.

3. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования.: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1984. - 248 е., ил.

4. Батищев Д.И. Методы оптимального управления. — M.: Недра, 1987 г. 229 с.

5. Бахвалов JI.A. Моделирование систем: учебное пособие для вузов. — M.: МГГУ, 2006.-295 с.

6. Башкуев Э.Ю. Проектирование взрывных работ в промышленности / Э.Ю. Башкуев, A.M. Бейсебаев, В.Ф. Богацкий и др. — 2-е изд., перераб. и доп. — M.: Недра, 1983.-359 с.

7. Башлыков А.А. Проектирование систем принятия решений в энергетике. — M.: Энергоатомиздат, 1986. — 120 с.

8. Безопасность при взрывных работах: Сборник документов. Серия 13. Выпуск 1 / Колл. авт. 2-е изд., испр. и доп: — М.: ГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2002. - 248 с.

9. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. Mi: Наука, 1965 г. - 460 с.

10. Бережная Е.В., Бережной В.И. Математические методы моделирования экономических систем: Учеб. пособие. — 2-е изд., перераб. и доп. — M.: Финансы и статистика, 2005 — 432 с.

11. Бурмистрова Е.Б., Лобанов С.Г. Элементы одномерного математического анализа: Учеб. пособие. М- ГУ ВШЭ, 2002. - 137 с.

12. Вагнер Г. Основы исследования операций. // 3 т. — M.: Мир, 1972-1973.

13. Варущенко С.С. Новое программное обеспечение для- горнодобывающей отрасли // Геопрофи. — М.: Технология ЦД. 2005 г. — № 4. — С. 10-11.

14. Васильев Ф.П. Методы оптимизации. М.: Факториал Пресс, 2002. - 534 с.

15. Вентцель Е.С. Теория, вероятностей: Учеб. для вузов. — 5-е изд., стер. — M.: Высш. шк., 1998. 576 с.16 -Виленкин Н.Я. Метод последовательных приближений. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1968. - 108 с.

16. Волкович В.JI. Методы и алгоритмы автоматизированного проектирования сложных систем управления / В.Л. Волкович, А.Ф. Волошин, Т.М. Горлова и др. Киев: Наук, думка, 1984. - 216 с.

17. Воробьев Н.Н. Числа Фибоначчи. 5-е изд. - М.: Наука, 1984. - 144 с.

18. Вороновкий Г.К. Генетические алгоритмы, искусственные нейронные сети и проблемы виртуальной реальности / Г.К. Вороновкий, К.В. Махотило, С.Н. Петрашев, С.А. Сергеев. -X.: ОСНОВА, 1997. 112 с.

19. Временная классификация горных пород по степени трещиноватости в массиве (Применительно к взрывной отбойке на карьерах) // Межведомственная комиссия по взрывному делу. — Инф. вып. №199. М.: ИГД, 1968.-20 с.

20. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. 14-е изд. -М.: Большая медведица, 1998. - 864 с.

21. Геловани В.А. Интеллектуальные системы поддержки принятия решений в нештатных ситуациях с использованием информации о состоянии природной среды / В.А. Геловани, А.А. Башлыков и др. М.: Эдиториал УРСС, 2001.-304 с.

22. Гончаренко С.Н. Методология выбора оптимальной стратегии управления горнорудными предприятиями в структуре компании на различных этапах технологического цикла: Автореф. дис. . докт. техн. наук. Ml: МГТУ, 2008.-47 с.

23. Горбатов В. А. Фундаментальные основы дискретной математики. Информационная математика. М.: Наука, 1999. - 544 с.

24. Дубов Ю.А., Травкин С.И., Якимец В.Н. Многокритериальные модели формирования и выбора вариантов систем. — М.: Наука, 1986. — 296 с.

25. Дуброва Т.А. Статистические методы прогнозирования: Учеб. пособие для вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 206 с.

26. Единые правила безопасности при взрывных работах (ПБ 13-407-01). — Утверждён 30.01.2001 Госгортехнадзором России. — М.: НПО ОБТ, 2002.

27. Жукова М.Н. Коэволюционный алгоритм решения сложных задач оптимизации: Дисс. . канд. техн. наук. — Красноярск: СибГАУ, 2004. — 124 с.

28. Заморин А.П., Марков А.С. Толковый словарь по вычислительной технике и программированию: Основные термины / Под. общ. ред. М.Р. Шура-Бура. М.: Рус. яз., 1987. - 221 с.31