Моделирование и разработка методов управления комплексами работ в природно-экономических системах с минерально-сырьевыми ресурсами (на примере карьеров)

Проблема совершенствования планирования и управления народным хозяйством постоянно находится в центре внимания партии и государства /I/. В Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об улучшении планирования и усилении воздействия хозяйственного механизма на повышение эффективности производства и качества работы» подчеркивалось, что проблема совершенствования планирования является одной из главных в большом комплексе народнохозяйственных задач /2/.

Народное хозяйство СССР является ныне сложнейшим высокоразвитым социально-экономическим организмом. Гигантские масштабы общественного производства, номенклатуры производимой продукции обусловливают чрезвычайную сложность межотраслевых производственно-экономических связей в народном хозяйстве. В орбиту экономического развития непрерывно вовлекаются все новые и новые производственные ресурсы, материалы, источники энергии. Все увеличивающее влияние на экономику оказывают социальные, научно-технические, экологические факторы. Экономическое развитие страны становится все более многовариантным. Это объективно обусловливает необходимость совершенствования форм организации разработки эффективных методов и математических моделей планирования и управления народным хозяйством /13,22,28,76/. Центральное место в теории и практике управления народным хозяйством занимают проблемы развития экономических систем, характеризующихся взаимодействием различных структур /56/. В процессе преобразования природных ресурсов выделяется производственно-технологическая, «ресурсная» структура экономики. Она формируется в виде технологически организованных и взаимодействующих блоков-преобразователей, соединенных по стадиям преобразования ресурсов разветвленной сетью потоков.

Быстрый рост промышленного потенциала нашей страны требует вовлечения в народнохозяйственный оборот огромного и все возрастающего количества минерально-сырьевых ресурсов. Важность проблемы обеспечения минеральным сырьем народного хозяйства определяется исключительным положением полезных ископаемых среди других природных ресурсов: они составляют более 70% общего объема цриродного сырья, потребляемого промышленностью и сельским хозяйством. На современном этапе в промышленный оборот вовлекаются месторождения с более низким содержанием полезного ископаемого в рудах и сложными горно-геологическими условиями. Добыча и переработка руды ведется на грани рентабельности.

Богатый арсенал работ по оптимальному планированию, оптимальному функционированию социалистической экономики, по декомпозиции и итеративным методам планирования и управления, работы по планированию и управлению природопользованием, по теории организационными системами дают мощный рычаг на пути интенсификации нашей экономики.

Задачей сегодняшнего дня является также подъем эффективности работ по анализу и совершенствованию механизмов управления в организационных системах. Одним из направлений работ по теории управления в организационных системах является «Теория активных систем». В работах по теории активных систем было предложено понятие механизма функционирования организационной системы, включающее понятие закона управления и системы стимулирования, даны постановки задач оптимального синтеза, рассмотрены методы решения различных классов задач, разработан и исследован ряд моделей организационных и экономических систем. Но не всегда применение экономико-математического моделирования дает желаемый эффект. Частые неудачи при внедрении формализованных средств в планирование и управление в большинстве случаев объясняются тем, что различные плановые и управленческие задачи используют и различный понятийный аппарат, поэтому системы строятся, как правило, из разрозненных моделей и практически не поддаются строгому математическому анализу. В этом случае обращаются к диалоговым человеко-машинным системам. Конструктивным инструментом таких систем является имитационное моделирование, которое удовлетворяет также и основным требованиям, предъявляемым к решению задач планирования и управления комплексами работ.

Ряд специфических проблем по управлению выдвигают природные системы: сложность формализации многих общественно-экономических процессов и механизмов управления имиматематическое описание процессов содержит нелинейные функции, неоднозначность целей развития системыневозможность характеризовать ее поведение единым критерием качествазабота об охране окружающей средынеобходимость участия человека на всех этапах анализа данных и принятия решений.

Б ряде научных центров страны (ИПУ, ЦЭМИ, СО АН СССР) ведется большая работа по моделированию, оптимальному управлению, информационному обеспечению и изучению динамики природно-эконо-мических систем в условиях постоянно действующих возмущений.

К природно-энономическим относятся системы с минерально-сырьевыми ресурсами (предприятия строительных материалов, угольной, горно-химической промышленности, черной и цветной металлургии). Разработкой методов планирования и управления в системах по добыче нефти и газа, угля, руд цветных и черных металлов занимаются многие научно-исследовательские и учебные институты (МШ, СГИ, НИИКМА, НИИГаз, КазПИ, ИГД МЧМ СССР, ВЦ ЩЛ СССР, УзНПО «Кибернетика» и др.). Однако в названных системах при планировании комплекса работ не достаточно учитывается динамичность организационных форм труда, пространственно-временное изменение технологии, взаимодействие человека с окружающей средой. Следует отметить также, что для крупных предприятий невозможно описать все технологические, организационные, экономические условия в одной экономико-математической модели. Необходимо научно обосновать декомпозицию объекта. Для принятия решений надо строить диалоговые системы с обеспечением рационального использования запасов недр и максимальной эксплуатации высококапиталоемкого оборудования.

Целью работы является разработка методов моделирования и управления комплексами работ в природно-экономических системах с обеспечением рационального использования минерально-сырьевых ресурсов.

Научная новизна. В целях декомпозиционного планирования разработана математическая модель выделения природно-технологичес-ких зон в системах с минерально-сырьевыми ресурсами по критерию минимума затрат на выполнении комплекса работ с вычислением ущерба от возможных потерь полезного ископаемого.

Обоснован метод моделирования процессов управления комплексами работ в рассматриваемых системах, базирующийся на следующем: выделение" ведущего технологического процесса и формирование типовых схем его выполнениявведение управляемого параметра, отражающего полноту использования минеральных ресурсовиспытание многообразия форм организации труда.

Предложен метод решения задач календарного планирования специального вида, основанный на последовательном уменьшении «невязок» от потребных объемов сырья и его ассортимента.

Получены оценки числа последовательных решений при составлении календарного плана в зависимости от сложности формирования заданного количества и качества природного сырья.

Разработана модель декадно-суточного планирования добычи полезных ископаемых, отличающаяся тем, что необходимый комплекс работ во времени определяется исходя из задач обеспечения качества рудного сырья, одновременной оптимизации нескольких критериев, отражающих степень использования оборудования и минеральных ресурсов.

Предложен алгоритм принятия управленческих (плановых) решений, основанных на декомпозиционном планировании, ведущимся по природно-технологическим зонам карьера (контуры которых устанавливаются методами распознавания образов), с постепенным развитием элементарных составляющих плана производства. Разработаны правила применения диалогового элемента в зависимости от уровня выполнения требований плана.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, обоснована:

— представленным математическим моделированием на ЭВМ и анализом результатов моделирования;

— имитационным моделированием планов добычных работ и анализом точности и трудоемкости решений экономико-математической модели планирования;

— успешной экспериментальной проверкой работоспособности и эффективности методики текущего планирования горных работ на карьерах;

— исследованием представленного статистического материала о процессах комплекса горных работ;

— оценкой сопоставления расчетных величин, полученных на основе методов декомпозиционного планирования с имеющими натурными данными.

Значение работы. Научное значение работы состоит в том, что предложенные методы моделирования и управления комплексами работ в системах с минерально-сырьевыми ресурсами развивают теорию целенаправленного воздействия человека на механизм функционирования объектов природно-экономических систем.

Практическое значение работы заключается в создании комплекса алгоритмов и программ планирования горных работ на карьерах с ж.-д. транспортом, позволяющих за счет рациональной расстановки оборудования и сокращения потерь в смежных процессах по взаимным причинам повысить производительность системы машин на 5−7 $.

Реализация результатов работы. Разработанные методы планирования комплекса горных работ внедрены на карьере Алмалыкского ШК, включены в технологический проект информационно-математического обеспечения АСУТП рудника «Кальмакыр» с учетом его расширения. Годовой расчетный экономический эффект составляет 75 тыс. руб.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на П-й Всесоюзной школе молодых ученых «Теория систем и ее приложения» (Каунас, 1978), на Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение эффективности производства в условиях горнодобывающих железнорудных комбинатов» (Качканар, 1979) — на Всесоюзном совещании «Системы автоматизации проектных работ в горном деле и применение ЭВМ в отраслевой экономике (Свердловск, 1980), на УШ-ой республиканской школе молодых ученых и специалистов по АСУ и автоматизации проектирования (Ташкент — 1982). Результаты работы докладывались также на различных научных конференциях и семинарах, проводимых в УзНПО «Кибернетика» АН УзССР с 1972 г. по 1982 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Основные результаты и выводы работы заключаются в следующем: I. Разработан метод декомпозиции системы с минерально-сырьевыми ресурсами, использующий теорию распознавания образов, в частности, методы таксономии, классифицирующие горно-геологические условия. Предложена модель формирования природно-технологических зон (элементов системы) и оценки их по критерию минимума затрат на выполнение комплекса работ в них с вычислением ущерба от потерь полезного ископаемого.

2. Для моделирования комплекса горных работ в рассматриваемых системах предложена методика, заключающаяся в: а) выявлении основной (ведущей) работы по удельным затратам, по ее месту в выдаче конечной продукции, по продолжительности выполнения, б) определяются возможные типовые схемы (ситуации) протекания основной работыв) моделируя процесс выполнения основной работы по выявленным типовым схемам, увязывая при этом его с другими работами комплекса, анализируя возможности их совмещения во времени, а также учитывая режим и формы организации производства.

3. Разработана логико-математическая модель декадно-суточ-ного планирования добычи полезных ископаемых, отличающаяся тем, что комплекс работ во времени определяется исходя из задач обеспечения качества рудного сырья, одновременной оптимизации нескольких критериев, отражающих степень использования оборудования и минерально-сырьевых ресурсов.

В разработанной модели рудный поток управляется как по содержанию металла в руде, так и по объему руды, поступающей на фабрику в целом за сутки.

4. Предложен алгоритм решения задач календарного планирования специального вида, описанных небольшим количеством ограничений и переменных, позволяющий без сложных вычислительных процедур, путем целенаправленного анализа вариантов находить оптимальный план.

5. Разработаны алгоритмы принятия решений при текущем и оперативном планировании, основанные на построении множества вариантов работы комплексов оборудования и выбора из них наилучшего с помощью управляемого параметра, задаваемого лицом принимающего решение, и динамического планирования.

Формирование вариантов работы предлагается выполнять имитацией комплекса горных работ, сохраняя их логическую структуру и последовательность чередования во времени. Отличительной особенностью такого моделирования является комплексное отражение взаимосвязи всех работ с учетом их организационных форм труда.

6. Проведены исследования количественных характеристик алгоритма решения задач календарного планирования специального вида, на основе которых можно сделать вывод, что число итераций при составлении плана зависит от сложности формирования заданного количества и качества природного сырья.

7. Созданный на основе исследований комплекс алгоритмов и программ планирования горных работ на карьерах с ж.-д.транспортом позволяет за счет рациональной расстановки оборудования и сокращения потерь в смежных процессах повысить объемы добычи горной массы на 11,6 $ и почти на половину сократить простои экскаваторов.

8. Годовой экономический эффект от внедрения моделей, алгоритмов и комплексов программ на Кальмакырском карьере АШК составляет 75 тыс. руб.

Заключение

.

В работе решена актуальная научная задачи разработки методов моделирования и эффективных процессов управления комплексами работ в природно-экономических системах с обеспечением рационального использования минерально-сырьевых ресурсов.