煤礦井下生產(chǎn)可視化動態(tài)優(yōu)化決策系統(tǒng)的研發(fā)

馮夕文，王 岳，馮玉振，孫 劍，馮 倩

(礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建教育部重點實驗室，山東 青島 266590)

1 問題的提出

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，采場生產(chǎn)的不斷變化使得煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)各環(huán)節(jié)整體的均衡性、連續(xù)性，具有不確定性和隨機性，導(dǎo)致煤礦生產(chǎn)物流的瓶頸和潛在的瓶頸具有漂移性[1]，進而使得煤礦生產(chǎn)物流瓶頸的識別和優(yōu)化十分困難。

本文結(jié)合煤礦生產(chǎn)物流的實際情況，將物流瓶頸診斷、預(yù)警理論和WITNESS計算機仿真技術(shù)應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)當(dāng)中，構(gòu)建了煤礦井下生產(chǎn)可視化動態(tài)優(yōu)化決策系統(tǒng)(VDODSMUP)。該系統(tǒng)為優(yōu)化煤礦井下生產(chǎn)物流過程，提高煤礦生產(chǎn)管理的科學(xué)性和預(yù)見性，降低煤礦物流成本提供決策支持。

2 (VDODSMUP)系統(tǒng)開發(fā)的理論依據(jù)與軟件基礎(chǔ)

2.1 理論依據(jù)

2.1.1 生產(chǎn)物流瓶頸診斷理論與方法

本文界定的煤礦生產(chǎn)物流的瓶頸通常是指對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)能造成影響最大的工序和裝備[2]。即將長時間占用設(shè)備利用率最高和影響產(chǎn)量最大的工序或設(shè)備作為生產(chǎn)物流瓶頸。

目前較常用的生產(chǎn)物流瓶頸診斷方法可以大體分為定性識別方法，數(shù)學(xué)建模方法和計算機仿真三類診斷方法[3]。

煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)屬于人造的復(fù)雜離散事件系統(tǒng)，所含元素眾多，各元素之間關(guān)系復(fù)雜。計算機仿真方法是在定量的統(tǒng)計分析實際系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過建立計算機仿真模型反映現(xiàn)實系統(tǒng)，該方法不僅可以很好的解決建模元素之間復(fù)雜的邏輯關(guān)系，并且受容量限制很小，可以效果更好，使用范圍更廣的反映真實系統(tǒng)；而且具有可視化和統(tǒng)計分析的功能。因此計算機仿真是對煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真的絕佳工具。

2.1.2 生產(chǎn)物流系統(tǒng)瓶頸預(yù)警理論與方法

隨著井下采場的不斷推進和轉(zhuǎn)移，采掘巷道的布置和物流設(shè)施的配置也隨之變化，從而形成新的煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)。本文界定的煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)瓶頸預(yù)警主要是預(yù)警新形成的煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)，在未來運行過程中可能出現(xiàn)的瓶頸，從而為采掘巷道的布置及物流設(shè)施的選型和運行提供決策依據(jù)。本文主要采用統(tǒng)計預(yù)警的理論和方法進行煤礦生產(chǎn)物流瓶頸的預(yù)警。統(tǒng)計預(yù)警方法的一般步驟為[4]：①設(shè)置預(yù)警指標。②設(shè)置警限和警度。③對比統(tǒng)計值與警限。④確定警報。⑤預(yù)報警度。

2.2 軟件基礎(chǔ)

本文利用WITNESS仿真軟件作為(VDODSMUP)系統(tǒng)的研發(fā)平臺，WITNESS仿真軟件是由英國lanner公司推出的功能強大的仿真軟件系統(tǒng)。它可以用于離散事件系統(tǒng)的仿真，同時又可以用于連續(xù)流體系統(tǒng)的仿真。WITNESS軟件具有直接面向?qū)ο蠼?；?zhí)行策略相對靈活；工程兼容性強；可視化的動態(tài)顯示；報告輸出直觀快捷；建模、仿真運行過程可交叉進行；一體化的統(tǒng)計分析和靈活的輸入界面等特點[5]。目前已成功運用于國際數(shù)千家知名企業(yè)的解決方案項目，如機場設(shè)施布局優(yōu)化、機場物流規(guī)劃、電氣公司的流程改善、化學(xué)公司的供應(yīng)鏈物流系統(tǒng)規(guī)劃、工廠布局優(yōu)化和分銷物流系統(tǒng)規(guī)劃等。

煤礦井下生產(chǎn)物流是一個由煤炭流、矸石流、材料流、風(fēng)流、水流、動力流、人流等物流構(gòu)成的復(fù)合物流系統(tǒng)，具有作業(yè)場所變化頻繁、物流節(jié)點多、物流路線長、環(huán)境惡劣、科學(xué)交叉性高等特點。針對煤礦生產(chǎn)物流的特點，基于計算機仿真相比于其它方法在生產(chǎn)系統(tǒng)瓶頸診斷方面獨特的優(yōu)勢及WITNESS仿真軟件在生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真方面的優(yōu)勢，本文探索將WITNESS仿真軟件用于解決煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)的優(yōu)化和決策支持。

3 煤礦井下生產(chǎn)可視化動態(tài)優(yōu)化決策系統(tǒng)(VDODSMUP)的研發(fā)邏輯過程和特點

3.1 (VDODSMUP)系統(tǒng)的研發(fā)邏輯過程

本系統(tǒng)首先要根據(jù)具體煤礦的實際情況，建立起煤礦井下可視化生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型，在模型得到驗證和確認之后，進行仿真運行，在仿真運行過程中不僅可直觀、動態(tài)的看到煤礦的井下生產(chǎn)過程，而且可實時分析煤礦生物流系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的運行狀態(tài)。煤礦井下生產(chǎn)可視化動態(tài)優(yōu)化決策系統(tǒng)(VDODSMUP)的研發(fā)邏輯過程如下所示。

1) 針對具體煤礦，收集煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)資料。包括巷道布置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，如采煤、掘進、通風(fēng)、運輸、排水等生產(chǎn)系統(tǒng)的物流過程、生產(chǎn)能力及相關(guān)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和能力等。

2) 統(tǒng)計分析、整合上述收集的煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)相關(guān)資料。

3) 分析煤礦生產(chǎn)的各影響要素，界定煤礦物流系統(tǒng)的邊界，并根據(jù)煤礦物流流程功能的不同，劃分出子系統(tǒng)。

4) 在大量實地調(diào)研和統(tǒng)計分析工作的基礎(chǔ)上，對煤礦系統(tǒng)各子系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的統(tǒng)計規(guī)律和參數(shù)進行確定。

5) 根據(jù)所建的煤礦巷道布置系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)，找出煤礦生產(chǎn)各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換關(guān)系，確立煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)和物流系統(tǒng)各設(shè)備的匹配能力，建立完整的可視化的煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)模型。

6) 借助WITNESS仿真軟件，將煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)模型合理轉(zhuǎn)化為計算機仿真模型。

7) 進行仿真模型可靠性仿真檢驗，排除隨機因素的干擾，統(tǒng)計分析仿真結(jié)果，找出系統(tǒng)中的不合理因素。

8) 對模型進行改進，使之更加附合于實際的煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)。

9) 根據(jù)實際生產(chǎn)煤礦，進行煤礦物流系統(tǒng)的仿真運行，根據(jù)仿真結(jié)果，合理優(yōu)化和匹配煤礦物流系統(tǒng)，將改進方案應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)實踐，并將改進后的模型運行結(jié)果與實際煤礦的生產(chǎn)實踐效果相比對，從而對改進的效果進行評價。

其中VDODSMUP系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵問題如下所示。

1) 首先針對具體煤礦，收集真實的煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)資料。包括巷道布置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，采煤、掘進、通風(fēng)、運輸、排水等生產(chǎn)系統(tǒng)的物流過程、生產(chǎn)能力及相關(guān)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和能力等。

2) 將煤礦開拓工程圖(圖1)、采掘工程圖等圖導(dǎo)入WITNESS系統(tǒng)，在導(dǎo)入的工程圖上，把事先構(gòu)建的系統(tǒng)模塊(表1)，按照實際的生產(chǎn)物流工藝流程(圖2所示的煤炭生產(chǎn)物流流程)導(dǎo)入仿真系統(tǒng)，構(gòu)建煤礦井下可視化生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型。

圖1 煤礦開拓工程圖(局部)

圖2 煤炭生產(chǎn)物流流程

3) 煤礦井下可視化生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型有效性檢驗。將現(xiàn)場調(diào)研統(tǒng)計分析的參數(shù)(包括井下物流設(shè)備的能力等技術(shù)指標、故障率、維修率等可靠性指標)轉(zhuǎn)化為計算機仿真模型，進行仿真運行，并與實際物流系統(tǒng)的運行狀況進行比較分析和有效性檢驗，確保仿真系統(tǒng)的有效性。

3.2 (VDODSMUP)系統(tǒng)的特點

在研發(fā)過程中主要體現(xiàn)如下幾個方面的特點。

實驗結(jié)果表明,添加無機肥和添加菌渣都能改善土壤還原狀況,增加土壤中的養(yǎng)分,從而使土壤的氧化還原電位增強.與無機肥添加組相比,菌渣的添加能夠更好地增強土壤氧化還原電位,通過改善土壤結(jié)構(gòu),維持土壤含水量,提高土壤透氣程度,緩解植物生長的限制因素,使得植物更易分解土壤中的有機質(zhì),并利用土壤中的養(yǎng)料更好地進行代謝作用,從而有利于提高植物的光合作用和進行物質(zhì)的同化積累.

1) 為了便于開發(fā)和使用的方便，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計理念，構(gòu)建了井下常用的生產(chǎn)物流系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備的模塊，其主要模塊如表1所示。利用該模塊結(jié)構(gòu)，可以滿足不同煤礦構(gòu)建不同煤礦生產(chǎn)物流仿真決策系統(tǒng)的需求。

2) 仿真系統(tǒng)模型的物流過程和工藝流程可以在導(dǎo)入的煤礦開拓、采掘平面圖等實際煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的CAD工程圖上進行布置和構(gòu)建，使仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局完全符合實際系統(tǒng)。

3) 仿真參數(shù)的設(shè)定和輸入快捷方便。WITNESS仿真軟件強大的交互性使其可以與OFFICE套件中EXCEL軟件產(chǎn)生交互。運用XLReadArray函數(shù)和XLWriteArray 函數(shù)可以將WITNESS中不同類型的參數(shù)變量，如整型(integer)、實數(shù)型(real)、名稱型(name)和字符串型(string)讀入WITNESS系統(tǒng)內(nèi)或?qū)懭隕XCEL內(nèi)，這樣就方便模擬數(shù)據(jù)在WITNESS仿真軟件仿真模型系統(tǒng)外修改參數(shù)，并且可以將仿真數(shù)據(jù)實時的顯示在EXCEL中。因此，系統(tǒng)參數(shù)可以根據(jù)煤礦的具體要求和實現(xiàn)目標，設(shè)定輸入的參數(shù)，通過對EXCEL中參數(shù)的控制可以達到干預(yù)系統(tǒng)仿真而不需要對仿真軟件的操作，降低了操作難度。

表1 VDODSMUP系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)

4 VDODSMUP的基本功能及其創(chuàng)新性

VDODSMUP系統(tǒng)的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

4.1 實現(xiàn)井下生產(chǎn)物流可視化和同步仿真

井下生產(chǎn)物流可視化仿真包括兩個方面的功能，一是依據(jù)系統(tǒng)的既定目標和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，對未實施設(shè)計的系統(tǒng)進行可視化仿真，作為實際系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)；二是主要結(jié)合煤礦的實際生產(chǎn)系統(tǒng)，在現(xiàn)場調(diào)研、獲得有效井下生產(chǎn)相關(guān)物流數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對井下采煤、掘進、排水、通風(fēng)等實際的生產(chǎn)物流系統(tǒng)實現(xiàn)同步仿真。

4.2 動態(tài)分析井下生產(chǎn)物流系統(tǒng)及設(shè)備的運行可靠性，診斷和預(yù)警井下生產(chǎn)物流瓶頸

VDODSMUP系統(tǒng)的可靠性分析主要是分析煤礦井下物流系統(tǒng)中各設(shè)備及井下物流系統(tǒng)本身的可靠性，即依據(jù)仿真系統(tǒng)仿真過程中，由系統(tǒng)仿真計算的上述可靠性指標與井下生產(chǎn)物流系統(tǒng)各子系統(tǒng)和設(shè)備的額定可靠性指標進行對比分析，動態(tài)的反映生產(chǎn)物流系統(tǒng)中各工序設(shè)備利用率，同時設(shè)備的運行情況和可靠性指標在EXCEL中得到實時顯示，比對生產(chǎn)物流瓶頸評價指標，對設(shè)備占用率高的設(shè)備進行特殊顯示，并與警限進行對比，如有警情，及時作出警報，并預(yù)報警度。診斷影響井下生產(chǎn)、運輸?shù)壬a(chǎn)系統(tǒng)的物流瓶頸，為設(shè)備的選型和維護人員的配置、改善井下生產(chǎn)物流系統(tǒng)，及時采取有效的整改措施和維護措施提供決策依據(jù)，實施生產(chǎn)物流系統(tǒng)、設(shè)備和維護人員等資源的整合和整改，避免物流系統(tǒng)和設(shè)備的故障，實現(xiàn)生產(chǎn)物流系統(tǒng)和設(shè)備的安全、高效運轉(zhuǎn)。

4.3 核定和預(yù)測煤礦生產(chǎn)能力，制定合理的生產(chǎn)計劃

根據(jù)井下生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真統(tǒng)計分析和系統(tǒng)、設(shè)備的可靠性分析結(jié)果，通過進一步的仿真分析，實現(xiàn)對煤礦生產(chǎn)能力的核定和預(yù)測分析，在綜合考慮煤礦生產(chǎn)能力的預(yù)測結(jié)果、井下生產(chǎn)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)(生產(chǎn)、運輸，通風(fēng)、排水等)的能力以及煤炭營銷能力的基礎(chǔ)上，綜合確立煤礦計劃生產(chǎn)能力，為制定煤礦生產(chǎn)計劃提供決策依據(jù)。

4.4 預(yù)規(guī)劃采掘接續(xù)，實現(xiàn)采掘平衡

在滿足煤礦計劃生產(chǎn)能力和采掘生產(chǎn)接續(xù)合理的基礎(chǔ)上，依據(jù)煤礦實際煤礦采掘進程，仿真分析采取不同的采煤進尺、掘進頭個數(shù)、掘進進尺情況下的采掘接續(xù)情況，為確保采掘平衡，預(yù)規(guī)劃煤礦的采掘接續(xù)方案提供決策支持。

4.5 預(yù)測煤礦生產(chǎn)物流成本，合理規(guī)劃生產(chǎn)物流、降低生產(chǎn)成本

在系統(tǒng)的仿真過程中，將煤礦實際統(tǒng)計分析或調(diào)研的單位作業(yè)成本等經(jīng)濟指標設(shè)定為仿真參數(shù)，在設(shè)定的仿真運行周期內(nèi)，仿真預(yù)測煤礦井下生產(chǎn)的物流成本，并與煤礦井下的實際物流成本進行對比，通過仿真結(jié)果，綜合分析煤礦井下生產(chǎn)系統(tǒng)的物流狀況和制約煤礦井下正常生產(chǎn)的影響因素，從而為提出改善煤礦正常生產(chǎn)的必要方案和措施、實現(xiàn)對未來煤礦生產(chǎn)物流成本的預(yù)測、合理規(guī)劃井下物流、降低物流成本提供決策依據(jù)。

5 結(jié)論

1) 將煤礦生產(chǎn)物流瓶頸診斷和預(yù)警理論與WITNESS仿真軟件相結(jié)合，構(gòu)建的煤礦井下生產(chǎn)可視化動態(tài)優(yōu)化決策系統(tǒng)，為煤炭企業(yè)生產(chǎn)物流優(yōu)化提供一種新的思路和方法，實現(xiàn)了從技術(shù)與管理相結(jié)合的角度對煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行優(yōu)化改善的目標。

2) 利用WITNESS仿真軟件強大的交互性使其可以與OFFICE套件中EXCEL軟件產(chǎn)生交互，方便模擬數(shù)據(jù)在WITNESS仿真軟件仿真模型系統(tǒng)外修改參數(shù)，并且可以將仿真數(shù)據(jù)實時的顯示在EXCEL中。

3) 將煤礦井下常用的生產(chǎn)物流系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備模塊化，可以滿足不同煤礦構(gòu)建不同煤礦生產(chǎn)物流仿真決策系統(tǒng)需求，豐富了WITNESS仿真軟件模塊化的內(nèi)涵。

4) 將CAD技術(shù)與WITNESS相結(jié)合，可以直接將CAD繪制的采掘工程圖等煤礦開拓圖導(dǎo)入WINTESS系統(tǒng)，為VDODSMUP系統(tǒng)的開發(fā)提供了方便。

5) VDODSMUP系統(tǒng)不僅可以可視化仿真煤礦生產(chǎn)過程；而且可以對現(xiàn)有的物流系統(tǒng)的運行狀況進行診斷和分析，快捷的識別出生產(chǎn)物流中的瓶頸節(jié)點，預(yù)測、預(yù)警物流系統(tǒng)的瓶頸，保證各節(jié)點的平衡，為煤礦井下生產(chǎn)物流系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化提供決策支持。

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