Методы и модели управления состоянием систем с переменной структурой на примере вентиляции негазовых шахт

Отличительной особенностью современных угольных шахт является непрерывное управление подачей воздуха в динамическом и статическом режимах, а также многократное изменение схем и способов проветривания, вызванное развитием горных работ.

В современных условиях организации производства, когда экономические факторы становятся доминирующими при определении программы развития угольного предприятия, аэрологические факторы горных работ всё больше становятся сдерживающими факторами увеличения производственной мощности шахты. Увеличение производственных нагрузок и концентрация горных работ, а также изменение горнотехнических условий привели к увеличению частоты отказов системы контроля и управления проветриванием. Поэтому в складывающихся горнотехнических условиях возрастает роль и надежность оперативного управления проветриванием.

Существующая система управления проветриванием угольной шахты базируется на результатах маршрутного контроля мастерами участка вентиляции техники безопасности (ВТБ) и системе телеметрического контроля рудничной атмосферы, фиксирующих сбои в нормальной работе вентиляционной системы. Решения по регулированию вентиляционной системы принимаются после фиксирования этих сбоев. Маршрутный контроль носит эпизодический характер и поэтому он не всегда успевает своевременно выявить возможные аварийные ситуации. Телеметрический контроль не охватывает весь комплекс горных работ и также как и маршрутный контроль не может своевременно выявить аварийные кратковременные отказы в системе проветривания, особенно носящих локальный характер, приводящих к слоевым и местным загазованиям. В последнее время именно такие локальные загазо-вания стали причинами трагедий, произошедших на шахтах отрасли.

В этих условиях возрастает роль технических разработок по оперативному управлению проветриванием шахты. С развитием вычислительной техники стало возможным создавать, накапливать и обновлять данные по рудничной аэрологии, систематизировать и анализировать их. На основе этих данных появилась возможность решать задачи по проектированию рудничной аэрологии, оперативному управлению проветриванием, по противопожарной защите и пылевзрывозащите, разработать позиции плана ликвидации аварии и решать другие задачи противоаварийной защиты шахты. Созданные методы, для решения вышеуказанных задач, позволяют прогнозировать аварийные отказы функционирования системы проветривания и заблаговременно разработать и организовать технические решения по предотвращению аварийных ситуаций. Возможность прогнозирования аварийных ситуаций позволяет перейти на новый уровень управления проветриванием, отказываясь от метода фиксации свершившегося события. Совместная автоматизация технологических процессов и производственной деятельности достигается в процессе объединения всех функций управления глубин создания целостной системы.

Опыт решения вентиляционных задач показывает [16], что управление воздухораспределением в шахтной сети, чаще всего носит локальный характер, при котором необходимо контролировать не все расходы, а только часть из них. Естественным является то, что в подобных случаях незачем рассматривать всю сеть, а имеет смысл заменить ее некоторым аналогом меньшей размерности, который включал бы только контролируемые объекты проветривания. В тоже время, существующие способы упрощения и преобразования шахтных вентиляционных схем не позволяют строить такого рода целенаправленные модели, которые были бы подобны исходным и сохраняли свои свойства в широком диапазоне изменения условий функционирования шахтных вентиляционных систем. Разработка теоретических основ построения указанных моделей в практическом приложении дает возможность оперативно и с меньшими трудовыми затратами решать разного рода задачи по управлению проветриванием негазовых шахт.

Изложенное выше указывает на актуальность проблемы создания теории целенаправленного преобразования сложных вентиляционных систем негазовых шахт в простые энергетически эквивалентные модели и разработке на её основе аппроксимирующих методов для комплексного решения задач по оперативной оценке состояния проветривания подземных горных выработок.

Диссертационная работа является обобщением научно-исследовательских работ (НИР), выполненных в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) (ЮРГТУ (НПИ)) на кафедре высшей математике при непосредственном участии автора и осуществлялась в соответствии с научными направлениями НИР ЮРГТУ, приоритетными направлениями развития науки и техники Министерства образования РФ (госбюджетная тема № 53.01) на период с 01.01.2001 г. по 30.12.2002 г., Министерства топлива и энергетики РФ и решениями Ученого совета института за 2000;2002 гг. Материалы диссертации вошли в НИР, которые отражены в проекте № 01−03−332 Российского фонда фундаментальных исследований «Теоретическое и экспериментальное моделирование процессов развития в технических системах сетевой структуры различного назначения при изменяющихся условиях эксплуатации» (срок действия с 01.01.2003 г. по 30.12.2005 г.

Целью данной работы является повышение оперативности управления вентиляцией для сетей с переменной структурой за счет использования эквивалентных расчетных данных меньшей размерности, при изменении регулируемых параметров.

Цель и задачи исследования

Значительное сокращение трудоемкости и времени информационного обеспечения развития шахтной вентиляционной системы, ее анализа и актов оперативного управления.

Поставленная цель определяет следующие основные задачи: — исследование зависимости между числом базовых (исходных) состояний реальной шахтной вентиляционной схемы, количеством выносимых из нее для анализа и управления объектов проветривания и числом неизвестных элементов (количество ветвей, узлов и контуров) синтезируемой структуры и обоснование принципов построения аппроксимирующих аналоговисследование взаимной связи аэродинамических параметров в подземных горных выработки и разработка способов построения функциональных зависимостей взаимосвязанности воздушных потоков в вентиляционных сетяхразработка методики локального способа преобразования сложных шахтных вентиляционных сетей, позволяющих моделировать участки расчетных схем с неясной топологией, а также изменяющихся во времени и пространстверазработка на базе нелинейных аппроксимирующих многополюсников методов целенаправленного преобразования сложных расчетных вентиляционных схем шахт и рудников в простые малоразмерные модели, адекватные исходным в заданном диапазоне изменения регулируемых величин — обоснование параметров и разработка методики качественной и количественной оценки влияния регуляторов на управляемые потоки воздуха в подземных горных выработках.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Объем работы составляет 174 страницы.

В главе 1 рассмотрены исследования состояния объектов вентиляции и методов управления проветривание негазовых шахт и установлено что: проблема повышения эффективности вентиляции за счет оперативного контроля параметров рудничной атмосферы и управления режимами проветривания участков и шахты в целом является одной из актуальных задач, разрешение которой определяет научно-технический прогресс в угольной промышленности. существующие методы управления проветриванием негазовых шахт не в полном объеме решают комплекс задач при синтезе сложноорганизован-ных, эксплуатируемых и перспективных систем управления вентиляциейсовременные процессы проектирования и управления представляются в виде отдельных, функционально-независимых уровней принятия решения, связь между которыми определяется вентиляционной системой шахты. Этапы принятия решения с неопределенными алгоритмами обычно остается за пользователем системы и зависит от его опыта, квалификации, физического и психического состоянияизложенное выше указывает на актуальность проблемы создания теории целенаправленного адаптирования сложных вентиляционных систем негазовых шахт из одного состояния в другое и разработке на её основе аппроксимирующих методов для комплексного решения задач по оперативной оценке состояния проветривания подземных горных выработок на основе многомерной модели воздухораспределения.

В главе 2 приведены примеры построения типовых структур приближенных вентиляционных соединений и дан их анализ. Показано, что в системе автоматического поиска, кроме набора типовых схем 2"-соединений, целесообразно иметь схемы с гибкими связями, геометрия которых позволяла бы легко сокращать или увеличивать их размерность в зависимости от числа выносимых из исходной сети элементов. Предложена структура приближённого 2"-соединения, отвечающего таким требованиям. Она содержит п, выносимых из преобразуемой схемы, элементов. Для её построения требуется два базисных режима. Схема легко сокращается путем отбрасывания одного узла и двух основных уравнивающих параметров.

Методом последовательной идентификации получена параметрическая адаптивная модель, у которой изменяются параметры при неизменной структуре. По результатам измерений можно перейти от априорных данных к апостериорным на основе предыдущих измерений и выполнять аппроксимацию процесса управления.

Примеры построения приближённых структур, на основе разработанных методов, показывают, что получаемые при этом моделирующие системы с достаточной для практики точностью повторяют поведение исходной системы в приемлемом для управления вентиляцией диапазоне изменения аэродинамических параметров регуляторов.

На основе выполненных исследований разработаны инженерные методы решения задач по оценке состояния проветривания подземных выработок, которые апробированы в условиях негазовых шахт Восточного Донбасса и вошли составной частью в методику расчета влияния регуляторов на вентиляционную сеть шахты.

Установлено что, если для ряда участков сложной вентиляционной схемы построить приближённые соединения, то, заменяя участки их аналогами в той или иной последовательности, можно получать различные варианты упрощенных моделей исходной сети. В случае развития вентиляционной системы во времени, упрощенная сеть остается эквивалентна исходной без перерасчёта. При появлении на участках, не подвергнутых преобразованию, новых выработок или ликвидации старых достаточно внести такие же изменения в расчётную схему аналога.

В главе 3 разработано программное обеспечение, которое выполняет локальные преобразования вентиляционных схем произвольной сложности. Предложено в качестве приближённого соединения использовать соединение по расчётной схеме. Преобразование формируется на анализе аппроксимирующих систем нелинейных уравнений с учётом особенностей приближённого соединения, образующего единую структуру, которая моделирует исходную вентиляционную сеть и может соединяться с отдельными её ветвями или участками только в определенных, предназначенных для этого узлах. Преобразование вентиляционной сети в целом представляет аналог, который приближает некоторую расчетную схему с выделенными из неё объектами проветривания.

В главе 4 производится расчет показателей аэродинамических параметров реально существующей поэлементно развиваемой технической системы на примере системы вентиляции негазовой угольной шахты. При расчете используется предложенная инженерная методика, а также разработанное в третьей главе программное обеспечение.

В приложении к работе приведены копии акта внедрения результатов диссертационной работы в технической деятельности открытого акционерного общества «Ростовуголь», акта внедрения результатов диссертации работы в учебной деятельности Шахтинского института ЮжноРоссийского государственного технического университета и акта промышленного внедрения результатов научной работы в Отдельный военизированный горноспасательный отряд Ростовской области, а также копия диплома победителя конкурса имени академика Воровича, проводимого Северо-Кавказским научным центром высшей школы и Ростовским отделением Российской Инженерной Академии.

Методы исследований. Основным методом исследований в работе принят аналитический, опирающийся на современное представление о теории аппроксимации, решении систем нелинейных уравнений, теорию рядов, основные теоремы дифференциального исчисления и применения фундаментальных законов и положений рудничной аэрологии, системного анализа, дискретной математики и теории графов.

Научные положения, выносимые на защиту:

— анализ управления шахтными вентиляционными системами с неясной топологией (зоны обрушений, завалы, затопление, выработанные пространства и т. д.), в которых проведение депрессионных съемок ограничено или невозможно по условиям безопасности, обеспечивается применением разработанных моделей вентиляционных сетей на основе использования аппроксимирующих соединений, сохраняющих устойчивые аэродинамические характеристики в достаточном диапазоне работы регуляторов;

— значительное (в несколько раз) повышение оперативности управления шахтными вентиляционными системами, как основным средством охраны труда подземных горнорабочих, достигается использованием разработанной методики целенаправленного построения соединений, представляющих собой энергетически эквивалентные модели произвольно малой размерности, отображающих в динамике с заданными характеристиками по топологии и параметрам шахтные вентиляционные сети;

— характеристика взаимосвязанности управляемых потоков воздуха в подземных горных выработках (в функции изменения аэродинамических параметров управляющих элементов) достаточно точно представляется нелинейной зависимостью, построенной разложением в степенной ряд функции регулируемой величины для произвольного режима работы вентиляционной системы;

— численные значения отношений коэффициентов взаимосвязанности расходов воздуха в управляемых потоках при изменении на заданном промежутке работы регулятора в управляющей выработке к коэффициентам взаимосвязанности тех же потоков, соответствующих исходному состоянию вентиляционной системы, изменяются по одной и той же зависимости экспоненциального вида для всех горных выработок вентиляционной сети и отображаются в качественном и количественном аспектах при оценке влияния одного или нескольких, одновременно действующих, регуляторов на изменение расходов воздуха в подземных горных выработках.

Достоверность научных положений подтверждается корректной постановкой задач исследований, строгим соблюдением фундаментальных сетевых законов и положений рудничной аэрологии, обоснованными теоретическими исследованиями на базе классических методов математики, удовлетворительной сходимостью (в пределах 5 — 10%) расчетных и экспериментальных данных в исходной и моделирующих сетях, положительными результатами внедрения в производство.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— впервые сформулирована новая теоретическая база для построения энергетически эквивалентных моделей (соединений) малой размерности для отображения шахтных вентиляционных систем в широком диапазоне режимов их работы и заранее заданными условиями топологического и параметрического характераразработанные методы для определения сопротивлений ветвей аппроксимирующего вентиляционного соединения, значительно упрощают схему вычислений по сравнению с существующими. установлены зависимости между числом требуемых изменений режимов работы шахтной вентиляционной системы, количеством заданных для анализа и управления объектов проветривания, числом ветвей и узлов синтезируемой структуры аппроксимирующего аналога, а также сформулированы основные требования (классификационные, топологические, оперативные и т. п.) к их графическому изображениюразработанные методы построения аппроксимирующих аналогов на базе двух изменений режимов работы шахтной вентиляционной сети и методика создания специальных структур, упрощают анализ изменяющихся во времени вентиляционных сетей и сетей с неясной топологией и позволяют существенно сократить время расчета по сравнению с прямыми расчетами вентиляционной системы в целом. впервые установлена закономерность отношения между коэффициентами взаимосвязанности расходов воздуха в шахтной вентиляционной сети, на основе которых разработаны оперативные методы анализа воздухораспреде-ления в подземных выработках, обеспечивающие качественную и количественную оценку влияния регуляторов на управляемые потоки воздуха.

Личный вклад автора состоит в разработке и реализации идеи аппроксимирующего преобразования нелинейных систем уравнений, описывающих шахтные вентиляционные системыв постановке и решении задач преобразования их расчетных вентиляционных схемв разработке методики экспериментальных исследований и оценке точности, выполняемых преобразованийв постановке и реализации методов взаимосвязанности аэродинамических параметров сетей подземных горных выработокв разработке методик, рекомендаций и практических предложений по совершенствованию анализа распределения потоков воздуха в вентиляционных сетях негазовых шахт и внедрению разработанных рекомендаций и методик в практику работы шахт и учебных институтов.

Научное значение полученных в диссертации результатов заключается в установлении общих закономерностей целенаправленного преобразования вентиляционных сетей любой сложности в простые аппроксимирующие аналоги, разработке теоретических основ построения моделей и определения требований к их структурам, разработке методов анализа взаимосвязанности аэродинамических параметров и в установлении новых свойств шахтных вентиляционных сетей.

Практическое значение работы состоит в том, что её реализация позволяет многократно уменьшить трудозатраты и время по анализу и управлению воздухораспределением в горных выработках, оперативно решать многовариантные задачи проветривания негазовых шахт (как при проектировании, так и при эксплуатации) и на качественно новом уровне осуществлять оперативный анализ и управление вентиляционными системами как в аварийных, так и нормальных ситуациях с учетом труднодоступных участков вентиляционной сети. Аппроксимирующие методы и модели преобразования сложных вентиляционных сетей с одновременным использованием характеристик взаимосвязанности расходов воздуха в подземных горных выработках существенно упрощают и облегчают методологию автоматизированного управления и эффективного развития вентиляции негазовых шахт.

Реализация результатов. Полученные в диссертации научные и прикладные результаты нашли применение: в ООО «Компания Ростовуголь» при разработке нового программного обеспечения для исследования и управления вентиляцией негазовых шахт со значительным экономическим эффектомпри выполнении грантов Министерства образования РФ «Моделирование эволюционирующей конструкции ЭВМ в условиях развивающихся интеллектуальных систем автоматизированного проектирования и управления производством», Российского фонда фундаментальных исследований «Теоретическое и экспериментальное моделирование процессов развития в технических системах сетевой структуры различного назначения при изменяющихся условиях эксплуатации» (руководитель Савельев М. В., период действия — 2000;2002 и 2003;2005 гг. соответственно) — в учебном процессе кафедр ЮРГТУ (НПИ) — при получении звания победителя конкурса среди молодых ученых и специалистов Ростовской области на лучшее исследование в области фундаментальных и прикладных проблем современной техники СКНЦ ВШ в 1999 году.

Апробация исследования. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на: П-й международной научно-практической конференции «Развивающиеся интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления», ЮРГТУ, 2002 г.- международной научно-практической конференции «Теория, методы проектирования, программно-техническая платформа корпоративных информационных систем», ЮРГТУ, 2003 г.- Региональной научно-практической конференции «Управление качеством», ВГТУ, (г.Воронеж 2003 г.) — Х-й международной конференции «Современные технологии обучения» (г.Санкт-Петербург, 2004 г.) — на всероссийском научно-техническим семинаре с международным участием «Микропроцессорные системы мониторинга, диагностики и управления сложными техническими объектами, организационно — техническими системами и комплексами» (г.Таганрог 2004 г.) — на конкурсе Ростовского отделения Российской Инженерной академии и Северо-Кавказского научного центра высшей школы на лучшее исследование в области фундаментальных и прикладных проблем современной техники среди молодых ученых и специалистов Ростовской области в 1999 г.

6.Результаты работы внедрены и используются в учебной деятельности Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета, в лабораторном практикуме по курсу «Технология и комплексная механизация подземной выработки пластовых месторождений», «Вентиляция шахт», что позволило повысить качество обучения студентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные теоретические и прикладные результаты работы можно представить следующим образом.

1. Осуществлен анализ существующие методов управления проветриванием негазовых шахт, в результате которого выяснено что эти методы не в полном объеме решают комплекс задач при синтезе сложноорганизован-ных, эксплуатируемых и перспективных систем управления вентиляцией. Принят во внимание тот факт, что проблема повышения эффективности вентиляции за счет оперативного контроля параметров рудничной атмосферы и управления режимами проветривания участков и шахты в целом является одной из актуальных задач. Существующие методы управления проветриванием негазовых шахт не в полном объеме решают комплекс задач при синтезе сложноорганизованных, эксплуатируемых и перспективных систем управления вентиляцией.

2. На основе выполненных исследований разработаны инженерные методы решения задач по оценке состояния проветривания подземных выработок, которые апробированы в условиях негазовых шахт Восточного Донбасса и вошли составной частью в методику расчета влияния регуляторов на вентиляционную сеть шахты.

Кроме того, выявлено что, если для ряда участков сложной вентиляционной схемы построить приближённые соединения, то, заменяя участки их аналогами в той или иной последовательности, можно получать различные варианты упрощенных моделей исходной сети. В случае развития вентиляционной системы во времени, упрощенная сеть остается эквивалентна исходной без перерасчёта. При появлении на участках, не подвергнутых преобразованию, новых выработок или ликвидации старых достаточно внести такие же изменения в расчётную схему аналога.

Апробация разработанных методов и алгоритмов по упрощению вентиляционных схем шахт Восточного Донбасса и при построении расчетных схем угольных комбинатов «Ростовуголь» и «Гуковуголь» негазовых шахт показала их работоспособность и подтвердила правильность сделанных выводов. Диапазоны приближения исходной шахтной вентиляционной сети моделирующими аналогами охватывают, возможные в условиях производства, интервалы изменения аэродинамических параметров исследуемых объектов проветривания. Ошибка аппроксимации не превышает 10%, причем, отклонения свыше 10% наблюдаются лишь в вариантах максимально удаленных от базовых режимов.

3. Разработано программное обеспечение, которое позволяет выполнять локальные преобразования вентиляционных схем произвольной сложности. Преобразование формируется на анализе аппроксимирующих систем нелинейных уравнений с учётом особенностей приближённого соединения, образующего единую структуру, которая моделирует исходную вентиляционную сеть и может соединяться с отдельными её ветвями или участками только в определенных, предназначенных для этого узлах. Выявлено, что применение программы для локальных способов преобразования является весьма эффективным при построении развивающихся вентиляционных схем с неясно выраженной топологией. Например, на негазовых шахтах, имеющих обширные зоны обрушений и завалов, где проведение депрессионных съёмок невозможно по вопросам безопасности или крайне затруднено в техническом исполнении, расчётные схемы следует строить с заменой таких зон приближёнными соединениями. Как показали исследования, ошибки приближения при изменении аэродинамических параметров в диапазонах, приемлемых для практики, не превышают 8% по расходу воздуха в анализируемых объектах.

4. Предлагаемая методика преобразования вентиляционных схем произвольной сложности успешно апробирована на примере системы управления воздухораспределением в действующей системе вентиляции негазовых шахт. При расчете малой системы, предлагаемая методика позволяет создавать в сложной системе шахтной вентиляционной сети на нижнем уровне иерархии локальные подсистемы управления проветриванием, что наиболее актуально для добычных участков шахты.

5. В промышленной сфере результаты диссертационной работы были внедрены в технической деятельности открытого акционерного общества «Ростовуголь». Применение комплекса прикладных программ, предназначенного для расчета характеристик вентиляции шахт с учетом особенностей их развития, позволило сократить непроизводительный расход электроэнергии на сто киловатт-часов в сутки, а также уменьшить уровень запыленности при увеличении нагрузки на очистной забой. Реальный годовой экономический эффект от внедрения результатов научной работы составил один миллион сто тысяч рублей (по ценам 2003 г.).